CN109640320A - 一种基于混合noma的移动边缘计算***计算任务的安全卸载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合NOMA移动边缘计算***的计算任务安全卸载方法，在恶意窃听者存在的情况下，通过一个配备移动边缘计算服务器的地面基站为两个用户提供安全卸载和计算服务。在该***中，对时延要求严格的用户采用NOMA方式将计算任务卸载到基站，而对时延要求相对宽松的用户则以混合NOMA方式进行卸载，地面基站再通过移动边缘计算服务器来执行相应的计算任务，同时利用物理层安全技术来保护用户计算卸载免受窃听。通过安全中断概率用来衡量***的保密性能，可以。本发明在保证了用户计算任务快速处理的同时，又提高了***的频谱及能量利用率，降低了任务卸载过程中被恶意窃听的风险，使得***整体的服务质量得到有效提升。

Description

一种基于混合NOMA的移动边缘计算***计算任务的安全卸载 方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于混合NOMA的移动边缘计算领域中的反窃听传输方法。

背景技术

非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)被认为是解决第五代网络中关键问题的一项非常重要的技术，与依赖于正交资源分配的正交多址接入(OMA)技术不同，NOMA通过在功率域或码字域中进行非正交资源分配，因此，能够在相同的频时资源上为多个用户提供服务，可以满足下一代网络***对高频谱效率、大规模连接和超低传输延迟方面的需求。移动边缘计算在下一代无线网络中同样引起了极大的关注，它能够将用户的计算密集型任务卸载到边缘服务器进行处理，在减少计算任务延迟的同时，也提高资源利用率，有助于在大规模、低功率设备上实现计算扩展任务。

由于NOMA在频谱效率方面优于OMA，因此可以通过将NOMA应用于移动边缘计算，这不仅可以避免严重的延迟，而且还可以进一步降低上行链路任务卸载所消耗的能量。虽然NOMA在移动边缘计算中的应用有诸多优点，但在某些应用场景下，单纯的NOMA移动边缘计算方案并不是首选，因为相同条件下NOMA的能耗要比OMA的能耗高。例如：在两用户的移动边缘计算***中，当一个用户对其任务卸载有苛刻的延迟和能耗要求，而另一用户是普通要求时，若都采用NOMA传输方式则要消耗较多的资源。

随着现代生活中普遍采用的无线设备，通过无线信道传输前所未有的私密和敏感数据量。因此，与无线网络相关的保密问题也变得至关重要。另一方面，由于无线介质的开放性，无线信道上的收发器之间的信息交换易受窃听影响。因此，对无线传输的保密问题的研究具有重要意义。根据当前署名的发明人的工作，在设计混合NOMA移动边缘计算方案时，发现针对具有适当保密性和安全传输性能指标的外部窃听者的设计问题尚未得到研究，在这种情况下，发射机不知道窃听者的瞬时信道信息，这通常无法实现完美的保密率，这促使为实际场景设计安全的混合NOMA移动边缘计算方案的必要性。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于混合NOMA的移动边缘计算***进行计算任务的安全卸载的方法，能够有效解决现有移动边缘计算***在两个用户的场景下能效和时延不平衡、安全性不能得到有效保证的问题。

技术方案：为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于混合NOMA的移动边缘计算***计算任务的安全卸载方法，包括以下步骤：

(1)建立包含用户和移动边缘计算服务器的***：在所述***中，配置一个具有单个天线的地面基站和单个天线的两个用户，即用户m和用户n，其中地面基站集成了移动边缘计算服务器，用来远程执行用户的卸载计算任务，用户采用混合NOMA传输方式，即在D_m期间，用户m与用户n共享D_m，并分别将各自的计算任务卸载到地面基站，接下来在D_m之后的时间间隔T_n期间内，用户n采用OMA的方式将剩余的计算任务全部卸载到地面基站；

信道为频率非选择性准静态信道，且无线信道在给定时间内保持不变，在该时间块内，每个用户具有总计L_k,k∈{m,n}输入位的计算卸载任务，|h_m|²和|h_n|²分别为用户m、n到地面基站的信道增益，|g_m|²和|g_n|²分别用户n到窃听者端的信道增益，P_m表示用户m在D_m时隙的发送功率，P_n,1、P_n,2分别代表用户n在D_m和T_n时隙的发送功率；

(2)确定在D_m期间内两个用户安全卸载的条件：根据用户m、n均采用的传输方式，推导出用户m、n在地面基站端的信噪比，同时根据自适应传输及最坏情况假设，推导出用户m、n在窃听者端的信噪比，最后再推导出两个用户在D_m期间内安全卸载需要满足的条件；

(3)确定在T_n期间内用户n安全卸载的条件：根据用户n采用的传输方式、自适应传输及最坏情况假设，推导出用户n在地面基站端和窃听者端的信噪比，再推导出用户n在T_n期间内安全卸载需要满足的条件；

(4)通过安全中断概率分析整个***传输过程的通信性能，根据步骤2和3的确定的条件得到安全中断概率表达式并推导出结果，确定用户卸载任务期间不会触发通信中断。

优选地，所述步骤2中，在D_m期间，采用NOMA传输的方式下，用户m、n完成全部计算任务卸载需满足的条件如下：

β_t,m和β_t,n,1分别代表了在D_m期间用户m、n中冗余信息的传输速率R_e,m、R_t,n,1对应的信噪比；σ_b为基站处复高斯噪声的方差。

优选地，所述步骤3中，用户n在T_n期间采用OMA传输的方式下，完成全部计算任务卸载需满足的条件如下：

β_t,n,2代表了在T_n期间用户n中冗余信息的传输速率R_t,n,2对应的信噪比；σ_b为基站处复高斯噪声的方差。

优选地，所述步骤4中，安全中断概率表达式的构建过程包括：用户若不能在规定的时间内完成计算任务卸载，即TR_s,k＜L_k,k∈{m,n}，则会引发通信中断；若窃听者端信道容量C_e,k大于用户冗余信息传输速率R_e,k，即C_e,k＞R_e,k，则秘密信息会有被窃听者窃听的风险，同样会引发通信中断；此外，如果C_BS,k＜R_t,k,k∈{m,n}，地面基站将不能把秘密信息解码出来，此时也会通信中断，因此，安全中断概率定义为：

P_SO＝1-P_r{C_BS,k≥R_t,k,C_e,k≤R_e,k,TR_s,k≥L_k},k∈{m,n}

C_BS,k代表了用户k到地面基站的信道容量；R_t,k为用户k的整个码字传输速率；TR_s,k为用户k传输的安全信息比特数。

优选地，所述中断概率表达式展开为：

其中，γ_b,m和γ_b,n,1分别表示D_m期间用户m和用户n在地面基站的信噪比，γ_b,n,2表示T_n期间用户n在地面基站的信噪比，γ_e,m和γ_e,n,1分别表示D_m期间用户m和用户n在窃听者端的信噪比，γ_e,n,2表示T_n期间用户n在窃听者端的信噪比，β_t,m和β_t,n,1分别代表了在D_m期间用户m、n中冗余信息的传输速率R_e,m、R_t,n,1对应的信噪比，β_t,n,2代表了在T_n期间用户n中冗余信息的传输速率R_t,n,2对应的信噪比；

在满足用户k安全信息全部卸载的情况下，用户k到地面基站的信道容量C_BS,k必然不小于用户k的码字传输速率R_t,k，同理，用户k到窃听者的信道容量C_e,k也不大于用户k到窃听者端的冗余信息传输速率R_e,k，则最终安全中断概率简化为：

有益效果：本发明利用混合NOMA的传输方式进行移动边缘计算任务的卸载，和现有两个用户场景下的移动边缘计算***相比，在保证了用户对时延要求严格且复杂度高的计算任务快速处理的同时，又提高了***的频谱及能量利用率。同时，本发明使用安全中断概率来衡量***的保密性能，并推导出了最小化安全中断约束问题的封闭形式解决方案，降低了计算任务卸载过程中被恶意窃听的风险，使得***整体的服务质量得到有效提升。

附图说明

图1为本发明的基于混合NOMA的反窃听移动边缘计算***模型图；

图2为本发明中用户m、n在D_m和T_n时隙内的工作模式图；

图3为本发明中在P_n,2＝20dB时，用户m、n发送功率和安全中断概率关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参照图1，实施例中提供了一种基于混合NOMA的反窃听移动边缘计算***包括两个用户、一个恶意窃听者和配备移动边缘计算服务器的地面基站，通过混合NOMA的传输方式及安全中断概率的应用，在保证了用户对时延要求严格且复杂度高的计算任务快速处理的同时，又提高了***的频谱及能量利用率，使得***整体的服务质量得到有效提升。具体地，基于所述混合NOMA的反窃听移动边缘计算***的计算任务安全卸载方法包括以下步骤：

步骤1：在所述***中，配置一个具有单个天线的地面基站和单个天线的两个用户(即用户m和用户n)，其中地面基站集成了移动边缘计算服务器，用来远程执行用户的卸载计算任务。需要注意的是，此处的两个用户并不是对实际小区中用户数量的限制，而是与NOMA自身的特性有关。随着NOMA***中用户数量的不断增加，接收端译码的复杂度和错误传播的积累也会随之增加。所以在实际工程中，均是将用户分为多组，每组尽量由少量用户(通常为两个用户)进行复用。因此在本发明中只提出针对其中一组用户任务的卸载方法，当关注的***性能得到提高的情况下，这样的卸载方法可以扩展到多组用户。

两个用户具有不同的服务质量要求，使用参数对{L_k,D_k},k∈{m,n}来表示每个用户的任务，定义如下：

·L_k表示任务中包含的bit数；

·D_k表示任务的计算截止时间。

注意，两个用户执行NOMA与在LTE-A中实现NOMA的方式一致。出于能效以及时延等多方面的考虑，这里采用的是混合NOMA传输方式。参照图2，在D_m期间，用户m与用户n共享信道资源，即用户m与用户n可以在同时间、同频段内分别将各自的计算任务卸载到地面基站。D_m表示为用户m的计算截止时间，即为用户m需要在D_m期间内将全部计任务卸载到基站中。D_n表示为用户m的计算截止时间，由于用户n在D_m期间内已经将部分任务卸载到基站了，所以在D_m结束后、D_n截止前的一段时间用户n需要将剩余的计算任务卸载到基站，剩余计算任务卸载的时间就是T_n。这里的T_n<＝D_n-D_m，因为用户n可能在D_n结束前就已进将全部任务卸载完成了。接下来在D_m之后的时间间隔T_n期间内，用户n采用OMA的方式将剩余的计算任务全部卸载到地面基站。值得注意的是，用户n与用户共m享D_m的同时，不能对用户m造成干扰，于是这里采用了连续干扰消除的方法。

对于信道，考虑为频率非选择性准静态信道模型，且无线信道在感兴趣的给定时间内保持不变。在该时间块内，每个用户k具有总计L_k,k∈{m,n}输入位的计算任务，该计算任务应该在该块结束之前执行。考虑全部卸载情况，即用户k的全部任务都用于卸载。假设地面基站完全知道所有用户的计算信息和信道状态信息。根据这些信息，地面基站可以协调这些用户的计算卸载。

|h_m|²、|h_n|²分别为用户m、n到地面基站的信道增益，对应的概率密度函数分别为其中λ_m、λ_n分别为对应复高斯分布的方差，这里的x就是自变量|h_m|²，同样，z是自变量|h_n|²。以|g_m|²和|g_n|²分别表示用户m、n到窃听端的信道增益，P_m表示用户m在D_m时隙的发送功率，P_n,1、P_n,2分别代表用户n在D_m和T_n时隙的发送功率。

为了达到保密的目的，本发明采用了维纳安全编码方案和零空间辅助信令技术来混淆窃听者。对于安全编码，将冗余信息***到安全信息中，并分别以速率R_s,k和R_e,_k,k∈{m,n}进行传送，R_s,k表示保密信息速率，R_e,k表示冗余信息速率，以此抵抗窃听者的恶意窃听，则整个码字速率R_t＝R_s+R_e。用户到地面基站和用户到窃听者之间的信道容量分别为C_b,k＝log(1+γ_b,k)、C_e,k＝log(1+γ_e,k)，k∈{m,n}，其中γ_b,k、γ_e,k分别为用户到地面基站和用户到窃听者之间的信噪比。如果C_b,k＜R_t,k，则地面基站无法恢复安全信息，就会引发通信中断。如果C_e,k≥R_e,k，则安全信息可能被窃听者所解码，也会引发通信中断。

步骤2：在D_m期间内，根据用户m、n均采用NOMA的传输方式，推导出用户m、n在地面基站端的信噪比，同时根据自适应传输及最坏情况假设，推导出用户m、n在窃听者端的信噪比，最后再推导出两个用户在D_m期间内安全卸载需要满足的条件。

在D_m时间内，用户n在不影响用户m的情况下，与用户m共享D_m，地面基站和窃听者接收到的信号分别为：

这里h_k服从的是复高斯分布，即n_b、n_e分别为基站、窃听者处的复高斯噪声，且分别服从复高斯分布，即

由于上行链路采用NOMA方式来传输，地面基站可以采用连续干扰消除对接收的消息进行解码。在基站服务器处理过程中，用户n的信息先于用户m被解码，然后服务器再将用户n的消息从收到的消息中去除，剩余部分就是用户m的信息了，这样就避免了用户n对用户m的干扰。此时用户m和用户n在地面基站的信噪比分别为：

在考虑窃听者端信噪比时，假设窃听者已经知道地面基站的解码顺序，而且窃听者在尝试解码用户m的消息之前已经解码了用户n消息。该假设意味着在设计***时采用最坏情况假设，即高估窃听者的窃听能力。事实上，窃听者可能知道也可能不知道解码顺序。然而，合法用户无法知道窃听者的情况，因为窃听者不会告知地面基站其窃听能力和瞬时信道状态信息。因此，由于安全研究规定的保守性，必须从合法用户的角度采用最坏情况假设。因此，窃听者端的信噪比为：

在这种情况下，用户m、n到窃听者的信噪比必须不大于冗余信息传输对应的信噪比，以便在任何可能的窃听通道下安全卸载。即：

γ_e,m≤β_t,m (7)

γ_e,n,1≤β_t,n,1 (8)

这里β_t,m和β_t,n,1分别代表了在D_m期间用户m、n中冗余信息的传输速率R_e,m、R_t,n,1对应的信噪比，且

同时用户也需要在D_m时隙内将各自规定的计算任务卸载到地面基站，即需满足：

在自适应情况下，用户码字的传输速率R_t,k可以达到合法信道的信道容量C_b,k，也即

即用户m、n在D_m时间内需要满足：

D_m log(1+γ_b,m)-D_m log(1+β_e,m)≥L_m (9)

D_m log(1+γ_b,n,1)-D_m log(1+β_e,n,1)≥L_n,1 (10)

步骤3：在T_n期间内，根据用户n采用的传输方式、自适应传输及最坏情况假设，推导出用户n在地面基站端和窃听者端的信噪比，再推导出用户n在T_n期间内安全卸载需要满足的条件。

在D_m时隙结束后，用户m的计算任务已经全部卸载完成，所以用户n可以独享时隙T_n，此时用户n采用OMA方式实现任务卸载。则用户n在地面基站的信噪比为：

与D_m时隙相似，在这里也同样考虑的是最坏情况假设，即高估窃听者的窃听能力。则用户n到窃听者的信噪比为：

同样需保证用户n到窃听者的信噪比必须不大于冗余信息传输对应的信噪比，以便能确保秘密信息不被窃听，即：

γ_e,n,2≤β_t,n,2 (13)

在T_n时隙中用户n仍然采用自适应方式传输，即用户n的码字传输速率R_t,n,2可以达到合法信道的信道容量C_b,n,2，同时用户n需能够在时间T_n内将剩余任务卸载完成，即需要满足：

T_nlog(1+γ_b,n,2)-D_mlog(1+β_e,n,2)≥L_n,2 (14)

根据所得到的两个用户在两个时隙需要满足的条件，按照该条件来设置用户的信噪比、传输时间。

步骤4：定义安全中断概率来分析整个***传输过程的通信性能。

经过上文的分析发现，用户若不能在规定的时间内完成计算任务卸载，即TR_s,k＜L_k,k∈{m,n}，则会引发通信中断。若窃听者端信道容量C_e,k大于用户码字传输速率R_e,k，即C_e,k＞R_e,k，则秘密信息会有被窃听者窃听的风险，同样会引发通信中断。此外，如果C_BS,k＜R_t,k,k∈{m,n}，地面基站将不能把秘密信息解码出来，此时也会通信中断。综上所述，安全中断概率可以定义为：

P_SO＝1-P_r{C_BS,k≥R_t,k,C_e,k≤R_e,k,TR_s,k≥L_k},k∈{m,n} (15)

则P_r可以展开为：

分析上式可以发现，在满足用户k安全信息全部卸载的情况下，用户k到地面基站的信道容量C_BS,k必然不小于用户k的码字传输速率R_t,k。同理，用户k到窃听者的信道容量C_e,k也不大于用户k到窃听者端的冗余信息传输速率R_e,k。概率P_r可以简化为：

为了表达方便，这里令

对式(17)分析后发现，需分以下两种情况进行讨论。

1)当b≥c₁时，即令

若此时d≥a，则：

若此时d＜a，则：

2)当b＜c₂时，若此时d≥a，则：

若式d＜a，则P_r＝0。于是中断概率P_SO的结果为：

得到***安全中断概率最终表达式后，在实际部署中，就可以依此进行对用户的发送功率、计算卸载的任务量进行联合优化，从而在满足用户卸载需求的情况下，得到最优的安全中断概率，使得***的安全性能达到最佳。

图3为本发明中在P_n,2＝20dB时，用户m、n发送功率和安全中断概率关系图。从图中可以看出，用户m、n在D_m期间发送功率P_m、P_n,1均较低时，安全中断概率较高。这是因为用户发射功率过低，则不能将计算任务卸载全部到地面基站，从而引起通信中断。从图中还可以看出，当P_n,1一定时，随着P_m增加到一定程度，安全中断概率也会变大，这是因为在D_m期间，P_m过大时，用户m对用户n造成的干扰也就越大，使得用户n就无法将规定的计算任务全部卸载出去，同样引起通信中断。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于混合NOMA的移动边缘计算***计算任务的安全卸载方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)建立包含用户和移动边缘计算服务器的***：在所述***中，配置一个具有单个天线的地面基站和单个天线的两个用户，即用户m和用户n，其中地面基站集成了移动边缘计算服务器，用来远程执行用户的卸载计算任务，用户采用混合NOMA传输方式，即在D_m期间，用户m与用户n共享D_m，并分别将各自的计算任务卸载到地面基站，接下来在D_m之后的时间间隔T_n期间内，用户n采用OMA的方式将剩余的计算任务全部卸载到地面基站；

信道为频率非选择性准静态信道，且无线信道在给定时间内保持不变，在该时间块内，每个用户具有总计L_k,k∈{m,n}输入位的计算卸载任务，|h_m|²和|h_n|²分别为用户m、n到地面基站的信道增益，|g_m|²和|g_n|²分别用户n到窃听者端的信道增益，P_m表示用户m在D_m时隙的发送功率，P_n,1、P_n,2分别代表用户n在D_m和T_n时隙的发送功率；

(2)确定在D_m期间内两个用户安全卸载的条件：根据用户m、n均采用的传输方式，推导出用户m、n在地面基站端的信噪比，同时根据自适应传输及最坏情况假设，推导出用户m、n在窃听者端的信噪比，最后再推导出两个用户在D_m期间内安全卸载需要满足的条件；

(3)确定在T_n期间内用户n安全卸载的条件：根据用户n采用的传输方式、自适应传输及最坏情况假设，推导出用户n在地面基站端和窃听者端的信噪比，再推导出用户n在T_n期间内安全卸载需要满足的条件；

(4)通过安全中断概率分析整个***传输过程的通信性能，根据步骤2和3的确定的条件得到安全中断概率表达式并推导出结果，确定用户卸载任务期间不会触发通信中断。

2.根据权利要求1所述的基于混合NOMA的移动边缘计算***计算任务的安全卸载方法，其特征在于，所述步骤2中，在D_m期间，采用NOMA传输的方式下，用户m、n完成全部计算任务卸载需满足的条件如下：

β_t,m和β_t,n,1分别代表了在D_m期间用户m、n中冗余信息的传输速率R_e,m、R_t,n,1对应的信噪比；σ_b为基站处复高斯噪声的方差。

3.根据权利要求1所述的基于混合NOMA的移动边缘计算***计算任务的安全卸载方法，其特征在于，所述步骤3中，用户n在T_n期间采用OMA传输的方式下，完成全部计算任务卸载需满足的条件如下：

β_t,n,2代表了在T_n期间用户n中冗余信息的传输速率R_t,n,2对应的信噪比；σ_b为基站处复高斯噪声的方差。

4.根据权利要求1所述的基于混合NOMA的移动边缘计算***计算任务的安全卸载方法，其特征在于，所述步骤4中，安全中断概率表达式的构建过程包括：用户若不能在规定的时间内完成计算任务卸载，即TR_s,k＜L_k,k∈{m,n}，则会引发通信中断；若窃听者端信道容量C_e,k大于用户冗余信息传输速率R_e,k，即C_e,k＞R_e,k，则秘密信息会有被窃听者窃听的风险，同样会引发通信中断；此外，如果C_BS,k＜R_t,k,k∈{m,n}，地面基站将不能把秘密信息解码出来，此时也会通信中断，因此，安全中断概率定义为：

P_SO＝1-P_r{C_BS,k≥R_t,k,C_e,k≤R_e,k,TR_s,k≥L_k},k∈{m,n}

C_BS,k代表了用户k到地面基站的信道容量；R_t,k为用户k的整个码字传输速率；

TR_s,k为用户k传输的安全信息比特数。

5.根据权利要求4所述的基于混合NOMA的移动边缘计算***计算任务的安全卸载方法，其特征在于，所述中断概率表达式展开为：

其中，γ_b,m和γ_b,n,1分别表示D_m期间用户m和用户n在地面基站的信噪比，γ_b,n,2表示T_n期间用户n在地面基站的信噪比，γ_e,m和γ_e,n,1分别表示D_m期间用户m和用户n在窃听者端的信噪比，γ_e,n,2表示T_n期间用户n在窃听者端的信噪比，β_t,m和β_t,n,1分别代表了在D_m期间用户m、n中冗余信息的传输速率R_e,m、R_t,n,1对应的信噪比，β_t,n,2代表了在T_n期间用户n中冗余信息的传输速率R_t,n,2对应的信噪比；

在满足用户k安全信息全部卸载的情况下，用户k到地面基站的信道容量C_BS,k必然不小于用户k的码字传输速率R_t,k，同理，用户k到窃听者的信道容量C_e,k也不大于用户k到窃听者端的冗余信息传输速率R_e,k，则最终安全中断概率简化为：