面向uRLLC的物理层安全策略设计与研究

来源 :曲阜师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xoyo20001
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超可靠低时延通信(ultra-Reliable Low-Latency Communications,u RLLC)作为第五代(5th-Generation,5G)移动通信无线网络的新业务类别之一,将在第六代(6th-Generation,6G)网络的普及和应用中发挥关键作用。u RLLC广泛存在于多种行业中,特别是有严格服务质量(Quality of Service,Qo S)要求的应用,例如触觉互联网中关键任务的远程控制、车载网络中的安全通信以及智能医疗系统的隐私数据共享。然而,由于无线环境的开放性,u RLLC中的机密性和可靠性面临着许多威胁和挑战。传统的加密方法由于其高计算复杂度和高处理时延,不能合理应用于u RLLC的网络场景中。与传统的密码学方法不同,物理层安全(Physical Layer Security,PLS)技术有望利用无线介质的固有特性来保护无线通信的安全性,而进一步与无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)结合可以在满足安全特性的基础上提高无线通信的可靠性,并能够支持多种场景下的高Qo S传输业务。本文针对u RLLC中的无线通信安全问题,结合大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Outputs,MIMO)和非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)等技术,分别对以下两种通信场景中的PLS机制进行了研究,具体研究内容如下:(1)基于NOMA技术在地对地通信场景中的PLS传输方案研究。针对接收端移动问题,以u RLLC为背景,首先采用随机路点(Random Way Point,RWP)模型对通信场景进行数学建模。为了分别满足用户的高安全性需求和高可靠性需求,引入NOMA技术,采用接收端的干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术消除使用同一频谱资源用户之间的相互干扰。其次,利用随机几何建立具有分析保密传输能力的框架,考虑实现正保密传输能力的移动性条件。最后,仿真结果表明RWP移动用户能达到更高的安全级别,可在安全性和可靠性之间取得良好的折衷。(2)基于大规模MIMO技术在空对地通信场景中的PLS传输方案研究。针对空对地(Aerial-to-Ground,A2G)通信场景,考虑无线通道的视距(Line-of-Sight,Lo S)和非视距(Non-Line-of-Sight,NLo S)路径损耗模型,启用UAV作为空中基站(Base Station,BS),引入大规模MIMO技术,采用波束成形技术产生具有针对性的信号束。在性能度量方面,为网络用户引入网络保险框架,并在此框架下,通过推导连接中断概率(Connection Outage Probability,COP)和保密中断概率(Secrecy Outage Probability,SOP)的表达式,为系统保密性提供了理论分析框架支撑。分析结果表明,通过优化系统参数(例如,发射功率),可以最大化保密速率,并可通过设置保密区来进一步提高系统的保密性。
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