[發明專利]一種基于模擬退火的數據安全分流傳輸方法

在審

• 申請號: 201810227568.5
• 申請日: 2018-03-20
• 公開（公告）號: CN108495307A
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發明（設計）人: 吳遠;楊曉維;石佳俊;陳相旭;錢麗萍
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H04W12/00
• 分類號: H04W12/00;H04W52/02;H04W72/04
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種基于模擬退火的數據安全分流傳輸方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

(1)在無線網絡中，以一個智能設備SD的角度來看，一部分數據傳輸到基站BS，還有一部分分流到低功率無線接入節點AP，但同時也存在著被一個隱藏的竊聽者竊聽數據的這種情況，在保證數據傳輸需求和安全溢出限制的情況下最小化系統總功率消耗的優化問題描述為如下所示的非凸性優化TPM問題：

(TPM) minp_all＝p_iA+p_iB

subject to:P_out,i(r_iA,p_iA)≤ε_i (1-1)

r_iB+(1-P_out,i(r_iA,p_iA))r_iA＝R_i (1-2)

r_iA≥0 (1-5)

r_iB≥0 (1-6)

variables:(r_iB,p_iB)and(r_iA,p_iA)

在TPM問題中，p_all代表SD消耗的總功率，p_iA代表SD到AP的傳輸功率，p_iB代表SD到BS的傳輸功率，r_iA,r_iB分別代表SD到AP的吞吐量和SD到基站BS的吞吐量，P_out,i(r_iA,p_iA)代表溢出概率，是關于變量r_iA,p_iA的函數；

問題中的各個變量說明如下：

w_A:AP信道帶寬/MHz；

r_iA:SD到AP的吞吐量/Mbps；

r_iB:SD到BS的吞吐量/Mbps；

p_iA:SD到AP的傳輸功率/W；

p_iB:SD到BS的傳輸功率/W；

n₀:SD信道噪聲功率/W；

R_i:SD需求的安全吞吐量/Mbps；

ε_i:最大溢出概率需求；

γ_iA:SD到AP的信噪比；

γ_iE:SD到竊聽者的信噪比；

g_iA:SD到AP的信道功率增益；

g_iE:SD到竊聽者的信道功率增益；

g_iB:SD到BS的信道功率增益；

SD到AP的平均信道增益；

SD到竊聽者的信道功率增益；

SD到AP的最大傳輸功率/W；

SD到BS的最大傳輸功率/W；

在TPM問題中，從SD的角度出發，在滿足其到AP和BS安全傳輸的要求同時，要實現其傳輸功率最小化就必須考慮安全溢出的問題；

(2)溢出概率函數P_out,i(r_iA,p_iA)表達式如下：

在簡化TPM問題之前，根據實際情況假設SD到AP的信道增益大于SD到竊聽者的，即因此(2-1)化簡為:

從BS的角度出發，假定BS用的是授權頻段，因此不考慮竊聽的情況，所以得出：

把式子(2-2)、(2-3)代入(1-2)中得到如下：

為了解決TPM問題，引入一個輔助變量z：

z＝P_out,i(r_iA,p_iA) (2-5)

這樣r_iA由z和p_iA表示：

結合(1-2)得出：

為簡化計算w_B，在接下來的計算中為單位1，結合(2-3)得：

(3)由于引入變量z，把p_iB轉化為以z和p_iA為變量的表達式，因此問題TPM轉化為問題TPM-E，表示如下:

z≤ε_i, (3-4)

variables:p_iA,z

問題TPM-E依然是關于p_iA和z的非凸優化的問題，為解決這個問題將z暫且看成一個定值優化p_iA：

variable:p_iA

結合(1-4)，找到p_iA的下界和上界

由(3-7)，(3-8)看出均為關于z的函數，因此最優化z來進一步簡化問題TPM-E-Sub，得到問題TPM-E-Top：

若要解決問題TPM-E-Top，仍然要找到最優的z來最小化p_sub,all(z)，在(3-5)中把p_sub,all(z)看成關于p_iA的函數并對其求關于p_iA的一階導數得：

令一階導數F(p_iA)等于0，得到其零點

由此，得出當把z看成定值時，問題TPM-E-Sub中最優值被表示為：

至此問題TPM-E-Top只與z有關，用模擬退火的方法來解決；

(4)通過算法SA-Algorithm計算最優過程如下：

步驟4.1：初始化z＝z₀，z_max＝ε_i，初始計數索引t＝0，初始溫度T_ini＝100；

步驟4.2：根據(3-12)計算得到初始p_sub,all(z₀)；

步驟4.3：進入循環，隨機選擇安全溢出概率于[Δ,ε_i]，計算p_sub,all(z_i)；

步驟4.4：判斷p_sub,all(z₀)≥p_sub,all(z_i)，成立更新CBV＝p_sub,all(z_i)；

步驟4.5：否則，用概率進行選擇，θ＝p_sub,all(z_i)-p_sub,all(z₀)，

步驟4.6：判斷是否根據概率得到更優解，若得到更優解，更新CBV＝p_sub,all(z_i)，CBS₁＝Z_i，執行步驟4.8；

步驟4.7：否則，t＝t+1，執行步驟4.2；

步驟4.8：結束循環，得到

2.如權利要求1所述的一種基于模擬退火的數據安全傳輸方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟：

(5)根據以上求出的計算出問題TPM其他的部分的最優解如下：