信息物理系统中针对状态估计的攻击调度问题

摘要

近年来,信息物理系统(Cyber-Physical System,简称CPS)的安全问题引起了社会各界的广泛关注。在CPS中,网络威胁以多种方式出现并对系统运行造成重大破坏。在无线CPS中,攻击者可以通过信道拥塞来阻断通信数据的传输,导致所谓的拥塞攻击。此外,通过无线信道进行远程状态估计是无线CPS的一个典型应用。目前大多数文献都是在单个传感器和单信道情况下,研究系统状态估计和安全问题。对多传感器多信道且每个通信信道都有可能被拥塞攻击干扰的情况,研究系统的状态估计和攻击调度问题是CPS中的一项十分有意义且急需进行的工作。本文首先对于两个传感器系统的情况,研究了在攻击者能量受限条件下的最优离线节能拥塞攻击调度问题,并将得到的结果推广到多信道多传感器的情况。其次,对于每个传感器只能观测到系统部分状态的情况,研究两个传感器的最优离线拥塞攻击调度问题,利用系统状态的本地估计提出了一种基于远程估计的稳定状态估计算法。再次,基于信道的信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio,简称SINR),在能量受限的DoS攻击下,考虑针对无线CPS的远程状态估计的节能最优在线攻击能量分配问题。另外,能量采集传感器也受到了广泛关注。与传统的电池驱动传感器相比,配备了能量采集器的传感器可以通过获取外部环境的能量(例如,身体热量、太阳能、风能、水能、机械振动等)来给电池充电。在此基础上,本文最后考虑了在能量受限条件下无线CPS中能量采集传感器的最优在线传输能量分配问题。本文主要研究内容可归结为如下四个方面: 一、针对无线拥塞攻击,站在攻击者的角度,在攻击者能量受限的情况下,研究导致远程状态估计系统最大性能退化的最优离线攻击调度问题。不同于一些已有的研究工作,这里考虑多个系统,其中传感器通过多个相互独立的无线信道将数据传输给远程估计器。由于攻击者的带宽限制,假设每个时刻只有一个信道受到拥塞攻击。首先考虑两个系统的情况,并将节能拥塞攻击调度问题构建为一个非线性规划问题。通过理论分析得出了最优节能攻击调度,并证明了这个最优调度依赖于无线信道的性质,以及攻击者的能量和受控系统的动态特性。然后将所得结论推广到多系统情况,提出了一个计算最优离线调度的算法和一个具有低复杂度的高效算法。最后通过数值仿真例子验证了理论结果的有效性。 二、考虑无线CPS中存在无线拥塞攻击时,在每个传感器都只提供系统部分状态的观测数据的情况下,研究针对远程状态估计的可观性约束下最优离线拥塞攻击调度问题。特别地,考虑两个传感器分别通过两个非叠加频率带宽的无线通信信道将本地估计数据发送给远程估计器,其中每个传感器都只提供系统部分状态的观测数据。同时,攻击者在每个时刻选择且只能选择一个信道执行拥塞攻击。基于系统的动态特性,证明了最优离线攻击调度是连续攻击一个信道。仿真例子验证了理论结果的有效性。 三、基于信道的信干噪比研究无线CPS中能量受限的拒绝服务攻击下,针对远程状态估计的最优在线攻击能量分配问题。提出了基于信道SINR的无线通信模型,在这个模型中,不同的攻击能量可以导致不同的丢包率。对于多系统中平均攻击能量受限的情况,最大化远程估计误差协方差的最优在线攻击能量调度问题构建成一个Markov决策过程(Markov Decision Process,简称MDP)。证明了最优确定性平稳策略是存在的,并且具有一个阈值结构。 四、研究无线CPS中针对远程状态估计的能量采集传感器的最优在线传输功率分配问题。传感器接入了一个能量采集器,它可以从外界环境中采集能量。相比于传统的电池,能量采集器是一个持久的但是不可靠的能源。对于无线丢包通信信道,丢包率依赖于信道的信噪比和传感器用于数据传输的功率。本章将能量采集传感器的最优传输功率分配问题构建成一个无穷时间域上的Markov决策过程。通过分析MDP算法,得出了最优在线确定性平稳传输功率分配的存在性,并且证明了这个最优策略具有一个阈值类型结构。最后给出了一个数值仿真例子来验证最优传输功率分配策略算法。

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摘 要

Abstract

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算法目录

符号说明

绪论

研究背景

信息物理系统技术及其应用

信息物理系统的安全威胁

研究现状

信息物理系统中网络安全威胁的特性及其数学模型

信息物理系统中针对远程状态估计的安全问题研究

本文研究工作的动机和主要内容

本文研究工作的动机

本文主要研究工作

信息物理系统中能量约束下最优离线拥塞攻击调度

引言

最优攻击调度问题构建

系统模型与观测模型

拥塞攻击模型

最优攻击调度问题描述

能量约束下针对远程状态估计的最优离线拥塞攻击调度

多系统多信道下最优离线攻击调度算法与分析

仿真结果

本章小结

信息物理系统中针对可观性约束的最优离线拥塞攻击调度

引言

可观性约束下最优拥塞攻击调度问题构建

系统模型与观测模型

拥塞攻击模型

可观性约束下针对拥塞攻击的状态估计

可观性约束下最优攻击调度问题描述

可观性约束下针对远程状态估计的最优离线拥塞攻击调度

系统状态可观情况下最优离线拥塞攻击调度

仿真结果

本章小结

信息物理系统中基于信干噪比的最优在线 DoS 攻击能量分配

引言

最优攻击能量分配问题构建

系统模型与观测模型

DoS 攻击下基于 SINR 的无线通信模型

最优攻击能量分配问题描述

针对远程状态估计的基于 SINR 的最优在线攻击能量分配

MDP 构建

最优策略的结构性结果

仿真结果

本章小结

信息物理系统中针对能量采集传感器的最优在线传输能量分配

引言

最优传输能量分配问题构建

系统模型与观测模型

基于信噪比的无线通信模型与能量采集传感器

最优传输能量分配问题描述

针对远程状态估计的最优在线传输能量分配

MDP 构建

最优策略的结构性结果

仿真结果

本章小结

总结与展望

结论

展望

致 谢

作者攻读博士学位期间的研究成果