CN113596026A - 一种基于多通道的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信物理层安全技术领域，具体涉及一种基于多通道的物理层安全传输方法。本发明提出了一种基于多通道的物理层安全传输方案。该技术考虑窃听方以一定概率随机监听信道的条件下，以业务时延需求和安全性能为前提，通过对各信道的传输块数和功率进行优化分配，获取系统整体能量效率的最大化。相比于平均分发数据块方案，本发明提出的方案在保证合法接收方正确解出原始文件的前提下，实现了对窃听方的有效抵抗，同时最大化了多通道系统的能量效率。

Description

一种基于多通道的物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信物理层安全技术领域，具体涉及一种基于多通道的物理层安全传输方法。

背景技术

随着5G技术的发展，开启了万物互联的新局面。为保证5G业务的差异化需求，多接入边缘计算逐渐得到重视。多接入边缘计算是一种新兴的生态系统，旨在融合电信和IT服务，为边缘无线接入网提供云计算平台。另一方面，由于无线信道的开放性，窃听者容易通过无线设备窃听信息，MEC技术在带来多样化用户体验的同时，也面临着新的安全风险。如何在大量资源受限的设备中集成高效的安全机制引起了众多学者的研究兴趣。

物理层安全技术作为不同于传统安全密码学的新技术，它利用无线信道的独立衰落特性实现数据的安全传输。有学者提出将原始文件分片成多个数据块，发送方进行纠错编码并发送，当接收方获得一定数量的编码块，那么原始文件就能够被恢复。如果合法接收方先于窃听方获得足够的编码块，安全性就能被保证。但在实际通信场景中，无线信道的随机衰落特性无法确保合法信道一定优于窃听信道。此外，研究者们已经开始对第六代移动通信进行展望并寻找新的研究方向，针对超高可靠超低时延通信的传输方案和资源分配已经被研究，在6G通信中探索高效的安全机制非常必要。

发明内容

针对资源受限的多通道系统中信息泄露问题，本发明提出一种基于多通道的物理层安全传输方案，利用多通道传输方式放大合法接收方与窃听方的信道差异，联合时延要求减少信息泄露的风险，结合基于分组编码的碎片化分发，通过对各信道的数据块数和功率进行分配，保证合法方能正确解码且窃听方无法译码。仿真结果表明，该算法在保证合法方正确译码且窃听方无法译码的前提下，有效提高了系统的能量效率。

本发明的技术方案如下：

一种基于多通道的物理层安全传输方法，考虑三节点的通信模式，Alice为合法发送方，Bob为合法接收方，Eve为窃听方。定义Bob可用的信道数目为K，Eve随机监听多个信道，同时监听的信道数量为K_E，0≤K_E≤K，各信道被监听的概率为p_E,k∈[0,1]，k＝1,...,K；安全传输方法包括以下步骤：

S1、Alice对原始文件S进行分组编码，编码后总数据量为Q，对其进行等长或不等长的分块处理，得到N个数据块；

S2、Alice在K条信道上进行分流传输，定义第k条信道上所分配的传输块数量为N_k，Bob的译码条件M_B和Eve的译码条件M_E相同，译码所需的最小块数为：M＝M_B＝M_E≤N，各信道的传输时延下限为τ_max，ε_B,k、ε_E,k分别为Bob和Eve在H_k和H_E,k信道上的接收误块率，各信道带宽为W₀，各信道发射功率为P_k，R_k为Bob的信息传输速，k＝1,...,K。定义能量效率

此时优化目标由最大化能量效率可转化为求解最小的总发射功率。

本发明所提出的一种基于多通道的物理层安全传输的资源分配方法，是在保证Bob的业务时延需求和安全性能的前提下，以最小化Alice端的总发射功率为目标，联合优化Alice端各信道发射功率P_k和数据块数目N_k。具体优化问题表示如下：

其中，第一个约束是Bob端保证数据块传输完成的传输时延需求，第二个约束是为了保证Bob能够正确解码原始文件，第三个约束是保证Eve无法解码原始文件，第四个数据块约束。

通过求解优化目标，得到Alice的资源分配方案，具体为：

利用优化目标约束条件(2)和(4)，求解出Bob成功恢复原始文件的可行集，在可行集约束下，根据时延约束(1)，利用凸优化工具包求解最小的总发射功率，对应能量效率的最大值，根据能量效率的数值解，根据约束条件(4)，获取保证Eve无法解码的数据块和功率分配的数值解，即可获得Alice端在各信道发射功率P_k和数据块数目N_k分配。

本发明的有益效果为，本发明提出了一种基于多通道的物理层安全传输方案。该技术考虑窃听方以一定概率随机监听信道的条件下，以业务时延需求和安全性能为前提，通过对各信道的数据块数目N_k和功率P_k进行优化分配，获取系统整体能量效率的最大化。相比于平均分发数据块方案，本发明提出的方案在保证合法接收方正确解出原始文件的前提下，实现了对窃听方的有效抵抗，同时最大化了多通道系统的能量效率。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于多通道的物理层安全传输方案的系统框图；

图2是资源分配方案与平均分发数据块方案的能量效率的仿真对比。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明的技术方案。

本发明的基于多通道的物理层安全传输方案，其特征在于利用多通道碎片化分发的物理层安全传输策略，根据资源分配模型，寻求令能量效率的传输策略。包括以下步骤：

A.系统模型

考虑三节点的通信模式，Alice为合法发送方，Bob为合法接收方，Eve为窃听方，Bob可用的信道数目为K，Eve以一定的概率随机监听多个信道，其同时监听的信道数量为K_E，0≤K_E≤K，各信道被监听的概率为p_E,k∈[0,1]，k＝1,...,K。

Alice首先对原始文件S进行分组编码，编码后总数据量为Q，对其进行等长或不等长的分块处理，得到N个数据块。Alice通过资源分配方案在K条信道上进行分流传输，定义第k条信道上所分配的传输块数量为N_k，k＝1,...,K。假设信道在块传输时间内经历准静态衰落信道，Bob和Eve信道增益分别记为H_B,k和H_E,k，k＝1,...,K，高斯白噪声的功率谱密度为N₀。假设Bob的译码条件M_B和Eve的译码条件M_E相同，其译码所需的最小块数为：M＝M_B＝M_E≤N。

B.资源分配方案

定义各信道的传输时延最恶劣的下限为τ_max，ε_B,k，ε_E,k分别为Bob和Eve在H_k和H_E,k信道上的接收误块率，各信道带宽为W₀，各信道发射功率为P_k，R_k为Bob的信息传输速，k＝1,...,K。定义能量效率

此时优化目标由最大化能量效率可转化为求解最小的总发射功率。在保证Bob的业务时延需求和安全性能的前提下，以最小化Alice端的总发射功率为目标，表示为：

其中，第一个约束是Bob端保证数据块传输完成的传输时延需求，第二个约束是为了保证Bob能够正确解码原始文件，第三个约束是保证Eve无法解码原始文件，第四个数据块约束。

在有限长的码块传输中，Bob的信息传输速率R_k可以精确近似为：

其中，

表示高斯Q函数的逆函数，k＝1,...,K。

上式可以进行数值求解。为保证Bob正确译码且Eve无法译码，先获取保证安全传输下的各信道上的数据块分配组合，简称为安全传输组合数，作为可行解的集合，组合数越多，寻求到最优解的概率越大，然后在非整形约束下获取最大能量效率的数值解。仿真以两通道为例，以P_max表示系统总功率上限，具体步骤总结如表1。

表1资源分配算法

B1.计算Bob成功解码的可行集

根据分组码特性，利用安全约束(2)和总数据块约束(4)，求解出Bob成功恢复原始文件的可行集。

B2.计算能量效率的最大值

在可行集约束下，根据时延约束(1)，利用凸优化工具包求解最小的总发射功率，对应能量效率的最大值。

B3.保证Eve无法解码的数值解

根据上述的能量效率的数值解，根据安全约束(4)，获取保证Eve无法解码的数据块和功率分配的数值解，也就是最终的资源分配方案的能量效率的最优值。因此，本发明所提出的方案既保证了Bob正确解码且Eve无法解码，同时最大化了多通道系统的能量效率。

C.应用实例

考虑Alice为合法发送方，Bob为合法接收方，Eve为窃听方。参考5G中典型的LTE、Wifi等同时接入的场景，分析两通道系统的资源分配方案，设可分配最小信道资源为180KHz，信道1工作在载频2.3GHz，信道2工作在载频1.5GHz，接入距离250m，发射端和接收端均为理想的各向同性辐射体，发射天线和接收天线增益均为1，利用自由空间的路径损耗模型评估不同信道的衰减，其余参数设置为N₀＝-173dBm/Hz，τ_max＝5ms，ε_B,1＝ε_B,2＝0.001，Q＝800Byte，N＝100，M＝80。为了更好的评估本发明的安全性能，引入了平均分发数据块方案进行对比：

平均分发数据块方案：Alice不采取资源分配方案，以平均分配的方式发送数据块，Bob如果成功接收到M个数据块就能恢复原始文件，若Bob没有接收到M个数据块则无法解码。

资源分配方案：第一步，利用整型约束(4)遍历得到数据块组合，将此组合代入整型约束(2)，获得满足此约束下的可行集为N_1RA＝[1,2,...,99],N_2RA＝[99,98,...,1]，也就是信道1和信道2上的包数组合，保证了Bob正确解码；第二步，利用MATLAB凸优化工具包，求解时延约束(1)，其中Bob的信息速率由已知参数确定，利用此信息速率反解Eve的误块率，在可行集下求解最小的总发射功率；第三步，由上述的能量效率的数值解，根据整型约束(4)，获得保证Eve无法解码的数据块和功率分配的数值解，这也就是资源分配方案的能量效率的最优值。

图2是在Eve对信道2的监听概率分别为1，0.7和0.5，本文所提出的优化资源分配方案与平均分发数据块方案下，信道1的随机监听概率与能量效率的曲线图。

从图2可以看出，系统能量效率随着Eve对信道1的随机监听概率的增加逐渐降低。由图2可知，在Eve对信道1的监听概率小于0.6时，优化资源分配方案的能量效率为106.39Mbit/s/W，优于平均发数据块方案下的能量效率97.03Mbit/s/W，能量效率得到了10％的提升。另一方面，由图2可以看出，当Eve对信道1的监听概率超过0.6，图2中以垂直虚线表示此区域无安全传输的组合，能量效率为0，平均分发数据块方案虽然保证Eve无法译码，同时也不能保证Bob正确译码；采用本文所提出的优化资源分配后，虽然能量效率仍有下降趋势，但能实现Bob正确译码，Eve无法译码的安全传输，且Eve对信道2的监听概率为0.5时，即使Eve对信道1的监听概率高达1，也能保证较好的能量效率。

Claims (2)

1.一种基于多通道的物理层安全传输方法，定义Bob可用的信道数目为K，Eve随机监听多个信道，同时监听的信道数量为K_E，0≤K_E≤K，各信道被监听的概率为p_E,k∈[0,1]，k＝1,...,K；其特征在于，安全传输方法包括以下步骤：

S1、Alice对原始文件S进行分组编码，编码后总数据量为Q，对其进行等长或不等长的分块处理，得到N个数据块；

S2、Alice在K条信道上进行分流传输，定义第k条信道上所分配的传输块数量为N_k，Bob的译码条件M_B和Eve的译码条件M_E相同，译码所需的最小块数为：M＝M_B＝M_E≤N，各信道的传输时延下限为τ_max，ε_B,k、ε_E,k分别为Bob和Eve在H_k和H_E,k信道上的接收误块率，各信道带宽为W₀，各信道发射功率为P_k，R_k为Bob的信息传输速，k＝1,...,K，定义能量效率

此时优化目标由最大化能量效率转化为求解最小的总发射功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于多通道的物理层安全传输方法，其特征在于，各信道发射功率P_k和数据块数目N_k的设计方法是：

在保证Bob的业务时延需求和安全性能的前提下，以最小化Alice端的总发射功率为目标，建立优化问题：

其中，第一个约束是Bob端保证数据块传输完成的传输时延需求，第二个约束是为了保证Bob能够正确解码原始文件，第三个约束是保证Eve无法解码原始文件，第四个为数据块约束；

通过求解优化目标，得到Alice的资源分配方案，具体为：

利用优化目标约束条件(2)和(4)，求解出Bob成功恢复原始文件的可行集，在可行集约束下，根据时延约束(1)，利用凸优化工具包求解最小的总发射功率，对应能量效率的最大值，根据能量效率的数值解，根据约束条件(4)，获取保证Eve无法解码的数据块和功率分配的数值解，即可获得Alice端在各信道发射功率P_k和数据块数目N_k分配。

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