CN112087437B - 采用混合协作noma提高mec系统安全性的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,基于NOMA传输的特性,合理利用NOMA用户对之间的协作关系对窃听者造成干扰。考虑MEC系统中不同用户的时延需求,分时隙卸载完信号,第一时隙内对窃听者的干扰来源于两个NOMA用户所要传输的信号;在第二时隙,对窃听者的干扰来源于其中一个用户主动发送的干扰信号。即,本申请合理利用NOMA用户对之间的协作关系发送干扰信息保护用户安全卸载,提高MEC系统的安全性。可见,本申请仅利用NOMA用户对之间的协作关系对窃听者产生干扰,复杂度低容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域,尤其涉及采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法。
背景技术
移动边缘计算(MEC)系统中的安全问题极为重要,在MEC系统中引入非正交多址接入(NOMA)技术可以进一步降低用户时延并提高其安全性,因此有必要研究NOMA和MEC结合系统中的一些安全问题。
为了提高安全性,现有技术中常用的技术手段是对窃听者引入干扰信号,大部分研究主要是采用全双工技术或者波束成形技术,也或是在系统中引入协作中继,利用中继器向窃听者发送干扰信号,而这些技术手段复杂度较高,不易实现。
发明内容
为了解决上述技术问题,本申请提出了一种采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,仅利用NOMA用户对之间的协作关系对窃听者产生干扰,复杂度低容易实现。
本申请提供的具体技术方案如下:
本申请提出了一种采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,包括:
在第一时隙内,两个用户以NOMA方式传输信号,时延需求更严格的用户完成其任务卸载;
在第二时隙内,已完成卸载任务的用户继续发射干扰信号保护另一个没有完成卸载的用户卸载。
采用所述保密中断概率计算卸载部分任务的安全性,采用所述安全计算概率计算整体计算任务的安全性,整体任务包括卸载部分任务和本地计算任务。
与现有技术相比,上述技术方案具有以下优点:
本申请所述的采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,基于NOMA传输的特性,合理利用NOMA用户对之间的协作关系对窃听者造成干扰。考虑MEC系统中不同用户的时延需求,分时隙卸载完信号,第一时隙内对窃听者的干扰来源于两个NOMA用户所要传输的信号;在第二时隙,对窃听者的干扰来源于其中一个用户主动发送的干扰信号。即,本申请合理利用NOMA用户对之间的协作关系发送干扰信息保护用户安全卸载,提高MEC系统的安全性。可见,本申请仅利用NOMA用户对之间的协作关系对窃听者产生干扰,复杂度低容易实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例所提供的一种采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法示意图。
具体实施方式
发明人发现,在现有的研究中,单纯考虑NOMA系统中的物理层安全问题占大多数,仅涉及到MEC系统或者同时考虑NOMA和MEC安全问题的却很少。在MEC系统中引入NOMA技术可以进一步降低用户时延并提高其安全性,因此有必要研究NOMA和MEC结合系统中的一些安全问题。
为了提高安全性,现有技术中常用的技术手段是对窃听者引入干扰信号,大部分研究主要是采用全双工技术或者波束成形技术,也或是在系统中引入协作中继,利用中继器向窃听者发送干扰信号。而这些技术手段复杂度较高,不易实现。
在现有的涉及到MEC系统安全问题的研究中,大部分文献的安全指标都仅考虑了卸载部分,比如保密中断概率,安全卸载速率,发明人发现本地计算的任务量多少直接影响卸载量,进而影响用户安全性,现有的文献中没有考虑本地计算部分,不能全面系统地分析用户整体计算任务的安全性(卸载部分和本地计算部分)。
在发明人发现上述技术问题的基础上,本申请提出了一种采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,在MEC系统中引入NOMA,在考虑用户时延需求的前提下,合理利用NOMA用户对之间的协作关系发送干扰信息保护用户安全卸载,提高MEC系统的安全性,复杂度较低容易实现。
如图1所示,本申请提出了一种采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,包括:
在第一时隙内,两个用户以NOMA方式传输信号,时延需求更严格的用户完成其任务卸载;
在第二时隙内,已完成卸载任务的用户继续发射干扰信号保护另一个没有完成卸载的用户卸载。
采用所述保密中断概率计算卸载部分任务的安全性,采用所述安全计算概率计算整体计算任务的安全性,整体任务包括卸载部分任务和本地计算任务。
我们考虑两个用户,即k∈{m,n},Tk表示用户k允许的最大时延。在第一时隙内,两个用户以NOMA方式传输信号,时延需求更严格的用户完成其任务卸载。在第二时隙内,已完成卸载任务的用户继续发射干扰信号保护另一个没有完成任务卸载的用户安全卸载。因为窃听者的信道状态信息(CSI)很难确定,所以采用保密中断概率(SOP)衡量用户k卸载部分的安全性,同时我们提出一个新的指标安全计算概率(SCP)来全面系统地分析用户k整体计算任务的安全性。并对影响用户安全性的参数(包括用户的本地计算时间和卸载时间、用户的发射功率、用户卸载部分的任务量分配系数)进行分析,为提高用户安全性得出一些重要结论。根据两个用户的时延需求,该方案讨论Tm>Tn和Tm≤Tn两种情况。
第一步,考虑本地计算模型,求出本地计算时间与本地计算量的关系:
设Lk表示用户k总的计算任务量,则求出本地计算任务量之后,卸载部分的任务量为Lk-lk。
第二步,考虑部分卸载模型,用户k卸载部分的任务量为Lk-lk,卸载时间为系统中所有节点都采用单天线,假设hb,k和he,k分别代表用户到基站(BS)和窃听者(Eve)的信道参数,其中α代表路径损失参数,db,k和de,k分别是用户k到BS和Eve的距离,gb,k和代表标准瑞利衰落信道状态。假设发射端完全知道主信道(合法接收端)的瞬时信道增益,并且它们的信道参数满足|hb,m|2>|hb,n|2,但它只知道Eve在不同衰落下的平均信道增益,即 这里的表示所求内容的期望值。假设BS可以采用串行干扰消除(SIC)解码,而Eve由于解码能力受限不能执行SIC解码。先求出BS和Eve分别解码两个用户的接收信干噪比(SINR):
情况1:Tm>Tn
用户n比用户m有更严格的时延需求,此时考虑的方案是在第一时隙内,两个用户以NOMA方式发送各自的信号,并且用户n完成任务卸载;在第二时隙内用户n继续发送干扰信号来保护用户m安全传输。用β(Lm-lm)和(1-β)(Lm-lm)分别表示用户m在第一时隙和第二时隙内卸载的任务量,其中β是用户m在第一时隙的任务量分配系数,且0<β≤1。特别地,当β=1时,用户m将卸载任务全部放在第一时隙内以NOMA方式卸载。(为用户k的卸载时间)
BS和Eve解码用户m的SINRs分别为(2)和(5);BS解码用户n的SINR为(3),Eve解码用户n的SINR为(6)且i=1(因为在这种情况下用户n只在第一时隙传输信号,所以只需要考虑第一时隙的安全性)。
情况2:Tm≤Tn
用户m比用户n有更严格的时延需求,此时考虑的方案是在第一时隙内,两个用户以NOMA方式发送各自的信号,并且用户m完成任务卸载;在第二时隙内用户m继续发送干扰信号来保护用户n安全传输。用γ(Ln-ln)和(1-γ)(Ln-ln)分别表示用户n在第一时隙和第二时隙内卸载的任务量,其中γ和β的意义相同,它表示用户n在第一时隙的任务量分配系数。
BS和Eve解码用户m的SINRs分别为(2)和(5),只是式子中i=1(因为用户m只在第一时隙卸载任务);BS解码用户n的SINR为(3)和(4),Eve解码用户n的SINR为(6)。
需要注意的是,在情况1中用户n在第一时隙将任务卸载完,所以γ=1;在情况2中,用户m在第一时隙将任务卸载完,所以β=1。
第三步,求解SOP和SCP的表达式。具体过程如下:
根据Wyner安全编码方案,在研究中,每个用户k有两个速率参数,即码字传输速率Rt,k,i和安全信息速率Rs,k,i,则正的速率差Rt,k,i-Rs,k,i代表用户k为了对抗窃听者达到安全的速率代价。保密中断概率定义为:
1)求用户的码字速率Rt,k,i和安全信息速率Rs,k,i
我们采用自适应安全传输方案,速率参数Rt,k,i和Rs,k,i可以根据接收端的瞬时CSI进行动态调整。在MEC系统中,用户可靠性和服务质量(QoS)要满足:
Rt,k,i≥Rs,k,i (10)
其中表示基站在第i个时隙解码用户k的信道容量,Qk,i表示用户k在第i个时隙的卸载任务量,并且满足Qk,1+Qk,2=Lk-lk,Zk,i表示用户k在第i个时隙的卸载时间,并且满足B为信道带宽。(8)表示的含义是BS可以成功解码用户k的消息,(9)代表用户k的安全信息速率不小于实际卸载速率,(10)表示用户的码字速率大于安全信息速率。本文采用自适应安全传输方案,用户可以调整码字速率Rt,k,i使 这样可以保证用户的可靠性。同时为了让用户k的能耗最小,
2)用户的SOP和SCP表达式可以表示为:
(11)中表示用户k卸载部分第i个时隙的SOP,(12)中为用户k卸载部分总的SOP,(13)中为用户k全部计算任务的SCP。和都与及相应部分的任务量占比有关,并且和呈现相反的变化趋势。下面将以Tm>Tn为例得出具体表达式。
a)用户m在第i时隙的SOP为:
|he,n|2的概率密度函数(PDF)为:
|he,m|2的累积概率密度函数(CDF)为:
将(15)和(16)带入(14)中,可以求出:
则用户m卸载部分的SOP和SCP分别为:
b)同理可求出用户n卸载部分的SOP和SCP,分别为:
Tm≤Tn的情况和Tm>Tn类似。
第四步,基于得到的SOP和SCP,对影响用户安全性的参数进行分析,参数包括用户的本地计算时间和卸载时间两时隙的发射功率pk,i,用户m和用户n在卸载部分的任务量分配系数β和γ,为提高用户安全性得出一些重要结论,这些结论包括:
1)当本地计算时间和卸载时间都等于用户允许的最大时延时,用户的安全性最好。
3)因为本文假设基站采用SIC解码,而窃听者由于解码能力较弱无法采用SIC解码,所以对于用户n(信道参数较小的用户)来说,基站在解码它的消息时可以消除用户m(信道参数较大的用户)对它的干扰,而窃听者则无法消除,因此用户m对用户n的协作干扰总是有利的,可以提高它的安全性。而对于用户m来说,用户n对它的协作干扰既会影响窃听者同时也会影响基站,所以分析了用户n的发射功率对用户m安全性的影响,得出:当窃听信道优于主信道时,用户n对用户m的协作干扰是有利的,此时选择最优的发射功率可以提高用户m的安全性;否则该协作干扰对基站的影响更大,对用户m的安全性不利。经过分析,存在最优值 使两个用户的安全性最好。(其中代表用户k在第i个时隙发射功率的最小值,代表用户k发射功率的最大值)
另外,对所提方案中用户的能耗也进行了简要分析,通过对比在不同卸载时间、不同窃听者距离下,本地计算量对用户能耗的影响,总结出用户的安全性是以计算时延和能耗为代价的,用户需要适当增大计算时延、消耗更多的能量才能实现安全传输。
可见,本申请所述的采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,基于NOMA传输的特性,合理利用NOMA用户对之间的协作关系对窃听者造成干扰。考虑MEC系统中不同用户的时延需求,分时隙卸载完信号,第一时隙内对窃听者的干扰来源于两个NOMA用户所要传输的信号;在第二时隙,对窃听者的干扰来源于其中一个用户主动发送的干扰信号。
为了全面系统地分析用户整体计算任务量的安全性,我们提出用安全计算概率(SCP)作为衡量用户的安全性的指标,它包括了用户本地计算部分和卸载部分。
对于强用户(主信道参数较大的用户)来说,弱用户(主信道参数较小的用户)对其产生的干扰不仅会降低窃听者的解码能力,而且还会影响基站的解码能力,所以通过分析弱用户的发射功率对强用户安全性的影响,得出了弱用户利用协作干扰可以提高强用户安全性的条件。另外还分析了两个用户的本地计算时间、卸载时间、任务分配系数对其安全性的影响,求出影响用户安全性的参数的最优值。
而且,本申请所述的采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,达到了如下技术效果:
(1)仅利用NOMA用户对之间的协作关系对窃听者产生干扰,复杂度低容易实现。
(2)当用户选择最优的计算时间、发射功率、任务分配系数时,提出的方案可以明显提高用户的安全性。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述,每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处,各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (1)
1.采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,其特征在于,所述方法包括:
在第一时隙内,两个用户以NOMA方式传输信号,时延需求更严格的用户完成其任务卸载;
在第二时隙内,已完成卸载任务的用户继续发射干扰信号保护另一个没有完成卸载的用户卸载;
采用保密中断概率计算卸载部分任务的安全性,采用安全计算概率计算整体计算任务的安全性,整体任务包括卸载部分任务和本地计算任务;
采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,具体如下:
本申请考虑两个用户,即k∈{m,n},Tk表示用户k允许的最大时延,在第一时隙内,两个用户以NOMA方式传输信号,时延需求更严格的用户完成其任务卸载,在第二时隙内,已完成卸载任务的用户继续发射干扰信号保护另一个没有完成任务卸载的用户安全卸载,因为窃听者的信道状态信息(CSI)很难确定,所以采用保密中断概率(SOP)衡量用户k卸载部分的安全性,同时提出一个新的指标安全计算概率(SCP)来全面系统地分析用户k整体计算任务的安全性,并对影响用户安全性的参数(包括用户的本地计算时间和卸载时间、用户的发射功率、用户卸载部分的任务量分配系数)进行分析,为提高用户安全性得出一些重要结论,根据两个用户的时延需求,该方案讨论Tm>Tn和Tm≤Tn两种情况;
第一步,考虑本地计算模型,求出本地计算时间与本地计算量的关系:
设Lk表示用户k总的计算任务量,则求出本地计算任务量之后,卸载部分的任务量为Lk-lk;
第二步,考虑部分卸载模型,用户k卸载部分的任务量为Lk-lk,卸载时间为系统中所有节点都采用单天线,假设hb,k和he,k分别代表用户到基站(BS)和窃听者(Eve)的信道参数,其中α代表路径损失参数,db,k和de,k分别是用户k到BS和Eve的距离,gb,k和代表标准瑞利衰落信道状态,假设发射端完全知道主信道(合法接收端)的瞬时信道增益,并且它们的信道参数满足|hb,m|2>|hb,n|2,但它只知道Eve在不同衰落下的平均信道增益,即这里的表示所求内容的期望值,假设BS可以采用串行干扰消除(SIC)解码,而Eve由于解码能力受限不能执行SIC解码,先求出BS和Eve分别解码两个用户的接收信干噪比(SINR):
情况1:Tm>Tn
用户n比用户m有更严格的时延需求,此时考虑的方案是在第一时隙内,两个用户以NOMA方式发送各自的信号,并且用户n完成任务卸载;在第二时隙内用户n继续发送干扰信号来保护用户m安全传输,用β(Lm-lm)和(1-β)(Lm-lm)分别表示用户m在第一时隙和第二时隙内卸载的任务量,其中β是用户m在第一时隙的任务量分配系数,且0<β≤1,特别地,当β=1时,用户m将卸载任务全部放在第一时隙内以NOMA方式卸载,(为用户k的卸载时间);
BS和Eve解码用户m的SINRs分别为(2)和(5);BS解码用户n的SINR为(3),Eve解码用户n的SINR为(6)且i=1,因为在这种情况下用户n只在第一时隙传输信号,所以只需要考虑第一时隙的安全性;
情况2:Tm≤Tn
用户m比用户n有更严格的时延需求,此时考虑的方案是在第一时隙内,两个用户以NOMA方式发送各自的信号,并且用户m完成任务卸载;在第二时隙内用户m继续发送干扰信号来保护用户n安全传输,用γ(Ln-ln)和(1-γ)(Ln-ln)分别表示用户n在第一时隙和第二时隙内卸载的任务量,其中γ和β的意义相同,它表示用户n在第一时隙的任务量分配系数;
BS和Eve解码用户m的SINRs分别为(2)和(5),只是式子中i=1,因为用户m只在第一时隙卸载任务;BS解码用户n的SINR为(3)和(4),Eve解码用户n的SINR为(6);
需要注意的是,在情况1中用户n在第一时隙将任务卸载完,所以γ=1;在情况2中,用户m在第一时隙将任务卸载完,所以β=1;
第三步,求解SOP和SCP的表达式,具体过程如下:
根据Wyner安全编码方案,在研究中,每个用户k有两个速率参数,即码字传输速率Rt,k,i和安全信息速率Rs,k,i,则正的速率差Rt,k,i-Rs,k,i代表用户k为了对抗窃听者达到安全的速率代价,保密中断概率定义为:
1)求用户的码字速率Rt,k,i和安全信息速率Rs,k,i
本申请采用自适应安全传输方案,速率参数Rt,k,i和Rs,k,i可以根据接收端的瞬时CSI进行动态调整,在MEC系统中,用户可靠性和服务质量(QoS)要满足:
Rt,k,i≥Rs,k,i (10)
其中表示基站在第i个时隙解码用户k的信道容量,Qk,i表示用户k在第i个时隙的卸载任务量,并且满足Qk,1+Qk,2=Lk-lk,Zk,i表示用户k在第i个时隙的卸载时间,并且满足B为信道带宽,(8)表示的含义是BS可以成功解码用户k的消息,(9)代表用户k的安全信息速率不小于实际卸载速率,(10)表示用户的码字速率大于安全信息速率,本文采用自适应安全传输方案,用户可以调整码字速率Rt,k,i使这样可以保证用户的可靠性,同时为了让用户k的能耗最小,
2)用户的SOP和SCP表达式可以表示为:
(11)中表示用户k卸载部分第i个时隙的SOP,(12)中为用户k卸载部分总的SOP,(13)中为用户k全部计算任务的SCP,和都与及相应部分的任务量占比有关,并且和呈现相反的变化趋势,下面将以Tm>Tn为例得出具体表达式;
a)用户m在第i时隙的SOP为:
|he,n|2的概率密度函数(PDF)为:
|he,m|2的累积概率密度函数(CDF)为:
将(15)和(16)带入(14)中,可以求出:
则用户m卸载部分的SOP和SCP分别为:
b)同理可求出用户n卸载部分的SOP和SCP,分别为:
Tm<Tn的情况和Tm>Tn类似;
第四步,基于得到的SOP和SCP,对影响用户安全性的参数进行分析,参数包括用户的本地计算时间和卸载时间两时隙的发射功率pk,i,用户m和用户n在卸载部分的任务量分配系数β和γ,为提高用户安全性得出一些重要结论,这些结论包括:
1)当本地计算时间和卸载时间都等于用户允许的最大时延时,用户的安全性最好;
3)因为本文假设基站采用SIC解码,而窃听者由于解码能力较弱无法采用SIC解码,所以对于信道参数较小的用户n来说,基站在解码它的消息时可以消除信道参数较大的用户m对它的干扰,而窃听者则无法消除,因此用户m对用户n的协作干扰总是有利的,可以提高它的安全性,而对于用户m来说,用户n对它的协作干扰既会影响窃听者同时也会影响基站,所以分析了用户n的发射功率对用户m安全性的影响,得出:当窃听信道优于主信道时,用户n对用户m的协作干扰是有利的,此时选择最优的发射功率可以提高用户m的安全性;否则该协作干扰对基站的影响更大,对用户m的安全性不利,经过分析,存在最优值 使两个用户的安全性最好;其中代表用户k在第i个时隙发射功率的最小值,代表用户k发射功率的最大值;
另外,对所提方案中用户的能耗也进行了简要分析,通过对比在不同卸载时间、不同窃听者距离下,本地计算量对用户能耗的影响,总结出用户的安全性是以计算时延和能耗为代价的,用户需要适当增大计算时延、消耗更多的能量才能实现安全传输;
可见,本申请所述的采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,基于NOMA传输的特性,合理利用NOMA用户对之间的协作关系对窃听者造成干扰,考虑MEC系统中不同用户的时延需求,分时隙卸载完信号,第一时隙内对窃听者的干扰来源于两个NOMA用户所要传输的信号;在第二时隙,对窃听者的干扰来源于其中一个用户主动发送的干扰信号;
为了全面系统地分析用户整体计算任务量的安全性,提出了用安全计算概率(SCP)作为衡量用户的安全性的指标,它包括了用户本地计算部分和卸载部分;
对于强用户,即主信道参数较大的用户来说,弱用户,即主信道参数较小的用户对其产生的干扰不仅会降低窃听者的解码能力,而且还会影响基站的解码能力,所以通过分析弱用户的发射功率对强用户安全性的影响,得出了弱用户利用协作干扰可以提高强用户安全性的条件;另外还分析了两个用户的本地计算时间、卸载时间、任务分配系数对其安全性的影响,求出影响用户安全性的参数的最优值;
而且,本申请所述的采用混合协作NOMA提高MEC系统安全性的方法,达到了如下技术效果:
(1)仅利用NOMA用户对之间的协作关系对窃听者产生干扰,复杂度低容易实现;
(2)当用户选择最优的计算时间、发射功率、任务分配系数时,提出的方案可以明显提高用户的安全性。
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2020
- 2020-08-27 CN CN202010877737.7A patent/CN112087437B/zh active Active
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