一种基于速率分拆的健康监护系统的数据安全传输方法

本发明涉及数据安全传输，尤其涉及一种基于速率分拆的健康监护系统的数据安全传输方法。

背景技术：

1、基于无线体域网的健康监护系统已成为积极响应健康老龄化的重要举措之一。监护系统利用配备在患者体内或体表的微型传感器，在不影响患者正常生活的前提下进行生理数据的采集与分析。通过不间断的数据采集，监护系统可以及时提供患者的实时健康状态，协助医护人员制定更加精准的医疗干预方案。

2、然而，随着慢性疾病患者数量的增加，严重的共信道干扰是实现健康监护系统面临的主要瓶颈之一。为降低共信道干扰，患者的监护设备必须遵从特定的多址接入技术，以便合理分配数据上传的时间与方式。目前的多址接入技术主要包含正交多址接入(orthogonal multiple access,oma)、空分多址接入(space division multiple access,sdma)和非正交多址接入(non-oma,noma)技术。具体地，oma在同一时频资源块只服务单个用户，以避免共信道干扰，但是受限的频谱资源导致该技术无法支撑大规模患者同时接入健康监护系统。sdma将所有非目标信号视为干扰，利用多天线的分集增益抑制共信道干扰。然而，当监护系统服务的用户数超过发射端天线所能支撑的空间自由度时，用户的传输速率将达到饱和。即使用户可以无限制地增加传输功率，传输速率也趋于一个定值，受限的传输速率无法支撑高速率的业务需求。相比于oma和sdma，noma通过利用串行干扰消除技术削弱共信道干扰，提高系统的传输性能。但是，该技术对用户的信道条件要求极其严格，只适用于用户间信道充分对齐且信道强度差异大的场景。因此，上述三种多址接入技术均无法同时满足健康监护系统的高传输速率和高接入密度需求。

3、上行速率分拆(rate splitting,rs)作为一种新型的非正交多址接入技术，可以通过合理设置信息拆分比例和解码顺序，满足大规模监护设备的高传输速率需求。通过调整信息拆分比例，rs将sdma与noma技术作为特例进行了归纳。具体地，上行rs将每个监护设备采集的数据拆分为两部分，并编码为两条独立的信息流。然后，基站利用串行干扰消除技术依次解码接收到的信息流并重构出原始采集的数据。通过数据拆分和串行干扰消除技术，上行rs可以灵活管理共信道干扰，使监护系统在大规模设备接入场景下实现高传输速率。

4、此外，由于患者的疾病信息和生理数据是极其隐私的，因此确保健康监护系统的数据传输安全非常重要。然而，无线信道的广播特性导致传输的医疗数据极易被非法用户窃听。物理层安全利用无线信道的随机性设计传输方案，可以在不需要任何密钥的条件下保障信息的安全传输。与传统的密钥加密方法相比，物理层安全技术显著降低了信令开销，因此已成为保障信息安全传输的研究热点。

5、2021年，xuewan zhang等人在ieee journal on selected areas incommunications上发表的“sparse vector coding-based multi-carrier noma for in-home health networks”中提出了基于noma技术的健康监护系统，并分析了监护系统误码率和可达速率的闭式解，但是该模型只适用于信道充分对齐的场景，且无法保障信息传输的安全性。

6、2021年，junaid ahmed等人在ieee journal biomedical and healthinformatics上发表的“on the physical layer security of federated learningbased iomt networks”中针对健康监护系统提出了基于联邦学习的资源分配算法增强医疗数据的安全性，但是采用的多址接入技术无法支撑大规模患者同时接入监护系统。

7、2022年，wen wang等人在ieee icc 2022 workshop on e-health security forfurther 6g上发表的“robust design for star-ris secured internet of medicalthings”中利用智能反射表面技术增强信息传输的安全性，并基于连续凸近似方法提出了一种轮换优化算法设计预编码向量，以提升健康监护系统的能量效率。然而，该论文采用的多址接入技术在大连接场景下无法满足医疗数据的传输速率需求。

8、2023年，hamed bastami等人在ieee transactions on vehicular technology上发表的“large-scale rate-splitting multiple access in uplink uav networks:effective secrecy throughput maximization under limited feedback channel”中设计了基于上行rs的物理层安全传输方法增强无人机传输数据的安全性，但是该方案并未设计人工噪声抑制窃听者的解码能力。因此，当系统中合法用户和窃听用户具有非常相似的信道向量或者系统中的窃听用户较多时，系统将无法完全避免信息泄露。

9、上述四种健康监护系统均无法在大规模监护设备接入系统时保障医疗数据的安全、高速率传输。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种基于速率分拆的健康监护系统的数据安全传输方法，利用基于上行rs和基站协作的物理层安全传输方案保障医疗数据的隐私性，同时提供了一种轮换优化算法实现无线资源的精准分配以提升健康监护系统的安全传输性能。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种基于速率分拆的健康监护系统的数据安全传输方法，包含健康监护系统，所述健康监护系统包含k≥1个患者和l个窃听用户，患者的监护设备用于将采集的医疗数据安全上传至基站以便进一步分析、处理；将患者和窃听用户的集合分别标记为和在所述健康监护系统中，基站和患者的监护设备分别配备tb>1和tu>1根传输天线；基站和窃听用户分别配备ab>1和ae>1根接收天线；从第k个患者到基站和第l个窃听用户的信道矩阵分别标记为和从基站至第l个窃听用户的信道矩阵标记为由于基站和患者的监护设备都配备了多根天线，因此第k个患者可以传输一个n维的数据向量其中n≤min(ab，tu)；为提升数据的传输速率，监护系统采用速率分拆多址技术上传数据，速率分拆多址技术的编码过程如下：

4、步骤1，将第k个患者n维数据向量中的每个数据拆分为两部分，即和其中j∈{1，...，n}；

5、步骤2，监护设备将编码为其中

6、步骤3，n维数据向量在经过线性预编码后，监护设备将两个信息流叠加后上传至基站。

7、根据速率分拆的编码过程，第k个患者传输的信号可以表示为xk＝wk，1xk，1+wk，2xk，2，为保障信息传输的安全性，基站发射的人工噪声xan由进行线性预编码，故接收机接收到的信号为：

8、

9、其中，是加性高斯白噪声；在等式(1)中，当时，am＝ae；接收机在接收到信号后，利用串行干扰消除技术依次解码数据流；接收机m解码第k个患者传输的第n个数据流的信干噪比为：

10、

11、其中，是干扰功率，表示为：

12、

13、在等式(3)中，当m＝b时，δm＝0，否则δm＝1；πi，k>πk，n代表在信息流xk，n之后解码的信息流；根据香农公式可得解码速率为：

14、

15、基于此，根据物理层安全的保密速率计算方法，可得保密速率的表达式为

16、

17、其中符号[x]+＝max(x，0)。

18、为提升医疗数据的安全传输性能，联合设计了预编码与人工噪声协方差矩阵最大化健康监护系统的保密速率；建模的优化问题具体如下：

19、

20、

21、

22、

23、其中，pu和pth分别是患者监护设备和基站的最大传输功率阈值。

24、作为本发明一种基于速率分拆的健康监护系统的数据安全传输方法的进一步优选方案，建模的优化问题的三个限制条件依次分别为患者监护设备的传输功率约束、基站的传输功率约束和确保所有数据流的传输安全性约束。

25、作为本发明一种基于速率分拆的健康监护系统的数据安全传输方法的进一步优选方案，采用轮换优化算法求解最优的预编码与人工噪声协方差矩阵，以最大化保密速率，轮换优化算法的求解步骤如下：

26、1)为消除协方差矩阵之间的乘积形式，引入半正定矩阵和基于引入的半正定矩阵，保密速率可以转化为

27、

28、其中

29、

30、

31、2)为克服非平滑性，引入辅助变量剔除最大值和最小值符号，将公式i6)重构为

32、

33、

34、

35、

36、(10.4)tr(qan)≤pth，

37、

38、(10.6)rank(qan)＝min(tb，ae)，

39、其中，包含了变量{qk，n，qan}；由于引入半正定矩阵后需要满足rank(qx)≤rank(wx)，故增加了矩阵秩的限制(10.5)和(10.6)，问题(10)中的和具体如下

40、

41、

42、3)提出下述引理1构造精准的代理函数，将问题(10)转化为轮换优化问题；

43、其中，引理1：通过引入函数f(t)＝-tr(tx)+logdet(t)+n，其中和x＞0，可得

44、

45、且等式右侧的最优解为t*＝x-1；

46、证明：由于f(t)关于t是凹函数，因此通过计算一阶偏导可求解最大化函数f(t)的t*，即t*＝x-1；将t*代入函数f(t)可得f(t*)＝-log|x|，故引理1成立；

47、将引理1应用至等式(11)中的第一项，并设置可得替代函数为：

48、

49、其中，是引入的辅助变量；根据引理1，第二项的替代函数可表示为：

50、

51、结合等式(11)，(13)和(14)，问题(10)可重构为：

52、

53、

54、

55、(10.3)，(10.4)，(10.5)，(10.6)，

56、其中具体如下

57、

58、4)将问题(15)中的变量分为q1＝{qk，n，qan}和在忽略限制(10.5)和(10.6)的条件下，提出轮换优化算法循环迭代优化协方差矩阵和辅助变量其中，和分别利用凸优化工具箱和闭式解求解；辅助变量的闭式解为

59、

60、

61、5)如果求得的可以满足矩阵秩的限制(10.5)和(10.6)，则使用特征值分解方法获得最优的预编码和人工噪声协方差矩阵，否则使用随机化和缩放法获得次优的预编码和人工噪声协方差矩阵。

62、作为本发明一种基于速率分拆的健康监护系统的数据安全传输方法的进一步优选方案，轮换优化算法具体如下：

63、a)初始化：设置最初的i＝1和最大容忍误差ξ；

64、b)while不收敛执行；

65、c)根据等式(17)计算最优的

66、d)固定使用凸优化工具箱求解问题(15)，输出最优的

67、e)更新i＝i+1；

68、f)end while；

69、g)输出计算wk，n和wan；

70、h)计算保密速率的次优解

71、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

72、本发明一种基于速率分拆的健康监护系统的数据安全传输方法，利用基于上行rs和基站协作的物理层安全传输方案保障医疗数据的隐私性；同时，本专利提供了一种轮换优化算法实现无线资源的精准分配，以提升健康监护系统的安全传输性能。