[发明专利]一种基于多通道的物理层安全传输方法

说明书

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。

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：