智能反射表面及速率分拆辅助的医疗数据安全传输方法技术

本发明专利技术公开了智能反射表面及速率分拆辅助的医疗数据安全传输方法，涉及数据安全传输领域，所述方法包括：利用智能反射表面技术控制无线电的传播环境，抑制健康监护系统中窃听者的信息解码能力，保障医疗数据的安全传输；利用速率分拆技术灵活管理用户间干扰，增强系统传输速率；为求解建模的非凸问题，引入辅助变量为非平滑的目标函数构造等价的代理函数，将用户端及智能反射表面端的预编码设计问题重构为轮换优化问题；提出三层轮换优化算法最大化最差合法用户的保密速率，避免医疗数据在传输过程中被窃听

【技术实现步骤摘要】
智能反射表面及速率分拆辅助的医疗数据安全传输方法


[0001]本专利技术涉及数据安全传输领域，尤其涉及智能反射表面及速率分拆辅助的医疗数据安全传输方法
。

技术介绍

[0002]物联网技术的持续演化促进了电子健康监护系统的发展
。
健康监护系统使用低功耗的生物传感器采集患者的脑电
、
心率
、
血氧浓度
、
体温和血压等生理数据，实现患者健康状态的实时监控
。
当监测的数据出现异常时，监护系统可以及时通知医护人员，从而在最短的时间内提供精准的医疗服务
。
由于患者的医疗数据是极其隐私的，因此在传输过程中保障信息安全异常重要
。
物理层安全技术利用信道的随机特性，可以在不需要任何密钥的条件下阻止隐私泄露
。
但是，当监护系统同时服务多个患者时，传统的物理层安全技术需要人工噪声或者协作式干扰器的协助
。
人工噪声和干扰器不仅会抑制窃听用户的解码能力，也会削弱合法用户的传输能力
。
因此，亟待设计一种新型的传输方案保障信息安全
。
[0003]智能反射表面
(Intelligent Reflecting Surface,IRS)
通过调节反射系数控制无线信号的传播环境，从而增强合法接收机的接收功率
、
削弱窃听者的接收功率
。
该特性使
IRS
在保障数据安全传输方面具有极大潜力
。
目前
IRS
辅助的物理层安全传输方案多采用无源
IRS
，即
IRS
只能调节入射信号的相位而无法放大入射信号
。
当发射机与接收机之间的直接通信链路较强时，无源
IRS
无法消除乘法衰落的负面影响，从而导致系统性能增益较小甚至可以忽略
。
为克服乘法衰落的影响，有源
IRS
被提出，其包含一个额外的能量源以放大入射信号
。
然而，目前尚未有涉及基于有源
IRS
的物理层安全传输方案
。
[0004]除保障信息传输安全外，增强医疗数据的传输速率同等重要，尤其是对于急诊患者
。
但是，低效的用户间干扰管理方式是健康监护系统实现高传输速率面临的主要瓶颈之一
。
当多个患者共享同一频谱资源块时，目前的监护系统多采用空分多址接入
(Space Division Multiple Access,SDMA)
和非正交多址接入
(Non
‑
orthogonal Multiple Access,NOMA)
技术管理用户间干扰
。SDMA
将所有的干扰信号视为噪声，直接解码目标信号
。
当用户间干扰较强时，
SDMA
会导致传输速率饱和，无法提供较高的传输速率
。NOMA
利用串行干扰消除技术解码所有的强干扰信号，然后解码目标信号
。
这两种技术都是极端的
、
不灵活的干扰管理方式，无法满足健康监护系统的高传输速率需求
。
上行速率分拆
(Rate Splitting,RS)
作为一种新型的干扰管理技术，已经受到研究者们的广泛关注
。
具体地，上行
RS
将每个患者采集的数据编码为多条信息流，且每条信息流被赋予不等的传输功率
。
然后，接收端使用串行干扰消除技术重构原始的医疗数据
。
通过调整信息拆分的比例，
RS
可以在将部分干扰视为噪声的同时解码部分干扰，从而提供一种更加灵活的干扰管理架构
。
[0005]2022
年，
Wen Wang
等人在
IEEE ICC 2022
上发表的“Robust Design for STAR
‑
RIS Secured Internet of Medical Things”中利用星型
IRS
避免健康监护系统在数据传输过程时的隐私泄露，但是系统采用了
SDMA
管理用户间干扰，无法满足健康监护系统的大连接要求
。
[0006]2023
年，
Zijian Zhang
等人在
IEEE Transactions on Communications
上发表的“Active RIS vs.Passive RIS:Which Will Prevail in 6G
？”中分析
、
比较了无源和有源
IRS
的性能
。
结果表明有源
IRS
产生的性能增益远高于无源
IRS
，但是该论文未讨论数据的安全传输问题
。
[0007]2023
年，
Mayur Katwe
等人在
IEEE Transactions on Wireless Communications
上发表的“Large
‑
scale rate
‑
splitting multiple access in uplink UAV networks:Effective secrecy throughput maximization under limited feedback channel”中利用无源
IRS
设计物理层安全传输方案提升系统的保密速率，但是该方案只适用于发射机与接收机之间通信链路较弱的场景
。
当直接通信链路较强时，无源
IRS
产生的性能增益较弱
。
[0008]2023
年，
Ying Gao
等人在
IEEE Communications Letters
上发表的“Rate
‑
Splitting Multiple Access for Intelligent Reflecting Surface
‑
Aided Secure Transmission”中结合
RS
和无源
IRS
技术针对下行链路系统设计传输方案最大化保密传输速率，但是所设计的传输方案需要人工噪声的辅助，人工噪声消耗了额外的传输功率，造成了资源浪费
。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的不足，利用有源
IRS
和上行
RS
技术的优势，提供一种有源
IRS
及上行
RS
技术辅助的物理层安全传输方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
智能反射表面及速率分拆辅助的医疗数据安全传输方法，其特征在于：包含健康监护系统，所述健康监护系统包含一个基站
、
一个窃听者
、K
＞1个合法用户和一个有源
IRS
；其中，合法用户采用上行
RS
技术传输传感器采集的医疗数据，每个合法用户和有源
IRS
分别配备
L
根传输天线和
N
个反射元素；基站和窃听用户配备单根接收天线；合法用户和反射元素的集合分别标记为和根据上行
RS
技术，将第
k
个合法用户采集的数据
W
k
拆分为
W
k
，
m
，其中然后，合法用户将
W
k
，
m
编码为一条独立的数据流并将其由进行线性预编码；第
k
个合法用户传输的叠加信号为将从第
k
个合法用户到基站
、
窃听者和有源
IRS
的信道向量分别标记为的信道向量分别标记为和从有源
IRS
到基站和窃听者的信道分别标记为和从第
k
个合法用户到基站和窃听者的等效信道为其中和分别为有源
IRS
的放大参数矩阵和相移矩阵；结合等式
(1)
和
(2)
，基站和窃听者接收到的信号可表示为其中和代表有源
IRS
引入的热噪声和传播环境中的加性高斯白噪声；接收机
i
解码第
k
个合法用户的第
m
条信息流的信干噪比为其中
π
j
，
q
＞
π
k
，
m
代表在信息流
x
k
，
m
之后解码的信号；采用高斯码本，解码速率可以表示为解码信息流
x
k
，
m
的保密速率为其中符号
[x]
+
＝
max(x
，
0)
；通过联合优化合法用户端预编码
W
＝
[w1，1，
...
，
w
K
，2]、
放大参数矩阵
P
和相移矩阵
Θ
以最大化最差合法用户的保密速率，保障医疗数据的安全传输；建模的优化问题为最大化最差合法用户的保密速率，保障医疗数据的安全传输；建模的优化问题为最大化最差合法用户的保密速率，保障医疗数据的安全传输；建模的优化问题为最大化最差合法用户的保密速率，保障医疗数据的安全传输；建模的优化问题为
其中符号
P
k
和
P
th
分别是第
k
个合法用户和有源
IRS
的传输功率阈值
。2.
根据权利要求1所述的智能反射表面及速率分拆辅助的医疗数据安全传输方法，其特征在于：优化问题
(7)
中的三个限制条件分别是合法用户的传输功率约束
、
有源
IRS
的传输功率约束和合法用户的数据传输安全性约束
。3.
根据权利要求2所述的智能反射表面及速率分拆辅助的医疗数据安全传输方法，其特征在于：引入辅助变量为目标函数构造等价的代理函数，将问题
(7)
重构为轮换优化问题，提出三层轮换优化算法最大化最差合法用户的保密速率
。4.
根据权利要求3所述的智能反射表面及速率分拆辅助的医疗数据安全传输方法，其特征在于：三层轮换优化算法的具体求解步骤如下：步骤1，由于变量
P
和
Θ
在优化问题
(7)
中以乘积的形成存在，求解变量
P
和
Θ
可合并为求解其中
diag(
φ
)
被称为有源
IRS
预编码矩阵；信...

【专利技术属性】
技术研发人员：周家思，朴雪，左海维，刘付龙，
申请(专利权)人：徐州医科大学，
类型：发明
国别省市：