[发明专利]一种低复杂度和低时延的安全传输方法

权利要求书

1.一种低复杂度和低时延的安全传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.建立安全传输模型：

设位于坐标原点的边缘计算设备Alice配置N根发射天线，Alice通过N根发射天线发射保密信号和公开信号到单天线保密服务终端Bob，且Alice通过N根发射天线发射保密信号和公开信号到单天线公开服务终端PR；随机分布的非法终端作为窃听者潜伏在边缘计算设备附近偷听保密信号，非法终端的位置分布服从二维齐次泊松点过程Φ_E，密度为λ_E；无线信道建模为独立同分布瑞利衰落和大规模路径损失，其中路径损失因子表示为α,α≥2；Alice到Bob、PR和第k个非法终端Eve的信道表示为和k∈Φ_E；其中，h_B、h_P和h_k是相互独立的小尺度衰落信道，信道向量元素服从独立同分布的复随机变量d_B、d_P和d_k分别表示Alice到Bob、PR和第k个非法终端的距离；

S2.边缘计算设备Alice利用最大比传输方案发射保密信号设计保密信号的传输方向为：

w_B＝h_B/||h_B||₂

S3.为了使公开信号不影响保密通信链路Alice-Bob性能，同时匹配公开信号传输链路，边缘计算设备Alice设计公开信号传输方向w_p：

其中，

S4.边缘计算设备Alice的发射信号建模为：

其中，P是发射功率，φ_B∈[0,1]是保密信号的功率分配比，φ_P∈[0,1]是公开信号的功率分配比并且0≤φ_B+φ_P≤1；是保密信号，是公开信号；

S5.计算接收终端Bob、PR和第k个Eve的接收信干噪比分别为：

S6.为了提高边缘计算系统的安全性能，保密信号在发射前需要进行编码，采用Wyner安全编码方案，R_b和R_s分别为安全编码器的发射信号码字速率和保密传输速率，在整个边缘计算安全传输过程中这两个编码参数保持不变，因此定义为静态参数；

S7.在保证公开数据吞吐量的同时，最大化边缘计算系统的安全吞吐量，系统设计的优化问题为：

s.t.R_PPr{log₂(1+ρ_P)＞R_P}≥τ；

φ_B+φ_P＝1,0≤φ_B,φ_P≤1

式中，T表示安全吞吐量，R_P表示Alice到PR的传输速率，τ为预设的门限，Pr{}表示求概率；P_SO是安全中断概率，P_TO是容量中断概率，第一个限制条件表示公开数据的平均吞吐量大于门限τ；其中，安全中断概率定义为：

式中，Γ()表示Gamma函数，容量中断概率定义为：

公开数据的平均吞吐量限制表示为：

ε_p表示与Alice到PR的与信道相关的系统已知信息；

S8.边缘计算设备Alice在收集系统信息后，利用分步优化的思想，在满足公开服务吞吐量的前提下，逐步确定最大化系统安全吞吐量的最佳参数；

所述步骤S8中，利用分步优化的思想确定的参数包括静态参数R_b和R_s，分步优化的过程包括：

由于功率分配比与发射信号码字速率R_b和保密传输速率R_s有关，因此采用迭代优化算法求解问题：

1)设置初始值R_b∈[R_b,min,R_b,max]，R_s∈(0,R_b]，算法精度ε＝0.00001；

2)i＝1

3)计算最优功率分配比

4)计算R_s的最优解以及第i次计算得到的安全吞吐量T(i)；

5)i＝i+1，重复步骤3)到4)直至|T(i+1)-T(i)|≤ε

6)重复步骤3)到5)，利用二分法获得R_b的最优解

所述最优功率分配比的计算方式如下：

固定系统参数R_b和R_s，优化系统的功率分配比：安全容量T(φ_B)是变量φ_B的拟凹函数，安全容量的全局优化参数φ_B在函数的极值点获得，即导数为零的点；由于安全容量表达式非常复杂，故利用二分法获得使安全容量最大的功率分配比φ_B,0，根据平均吞吐量限制，获得保密信号功率分配比的最大值：

安全吞吐量关于公开信号功率分配比单调递减，因此最大化安全吞吐量等效于最小化φ_p；φ_B+φ_P＝1；利用一维无约束优化算法最大化保密信号功率分配比φ_B,max，获得瞬时公开信号传输速率获得最优功率分配比

R_s的最优解的计算方式如下：

固定系统参数R_b，优化系统的保密传输速率R_s：对于固定的功率分配，安全容量是保密传输速率R_s的拟凹函数，R_s的最优解满足一阶导数T′(R_s)＝0；

利用黄金分割算法获得最优的安全速率R_s,0，考虑安全速率不能高于发射信号码字速率R_b，否则就会引发容量中断，

R_b的最优解获取方式如下：

其他参数确定的情况下，最后分析发射信号码字速率R_b：安全容量是码字传输速率R_b的拟凹函数，R_b的最优解满足一阶导数T′(R_b)＝0，利用二分法求出

2.根据权利要求1所述的一种低复杂度和低时延的安全传输方法，其特征在于：所述步骤S6包括以下子步骤：

S601.边缘计算设备采用Wyner安全编码方案，R_b和R_s分别为安全编码器的发射信号码字速率和保密传输速率；发射信号的冗余速率R_e＝R_b-R_s反映出边缘计算安全系统抵抗窃听攻击的能力，也是边缘计算通信系统实现信息安全传输需要付出的代价；

S602.边缘计算通信系统只要满足主信道容量大于发射信号码字速率，即C_b＞R_b，合法用户就能够正确译码保密信号；如果窃听信道容量大于发射信号的冗余速率，即C_e＞R_e，安全通信系统存在信息被成功窃取的风险。