CN114070451A - 基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法 - Google Patents

基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法 Download PDF

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Abstract

基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法，在该方法中，无人机US帮助K个地面用户完成计算任务，无人机UE在飞行的过程中窃听用户卸载给无人机US的任务信息，无人机US和无人机UE根据非正交多址技术对接收的信息进行解码，为了增强安全通信，地面干扰器广播发送干扰信号来扰乱无人机UE的窃听行为，K个地面用户执行部分卸载策略，其中一部分任务在本地计算，一部分任务卸载到无人机US处计算，本发明提供一种能够有效抵抗无人机窃听用户卸载信息的基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法。

Description

基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法
技术领域
本发明属于无线通信领域中的物理层安全技术领域，特别是一种移动边缘计算物理层安全通信方法。
背景技术
移动边缘计算技术允许设备将计算任务卸载到边缘服务器，缓解网络拥塞压力，提升计算效率，被广泛应用于各种场景。非正交多址接入技术允许多个用户共享链路资源，实现频谱高效利用。考虑到在紧急救援等需要临时应急无线通信场景下，快速部署搭载基于非正交多址接入移动边缘计算服务器的无人机网络可以快速建立通信链路，及时处理卸载信息。然而，用户卸载的信息很容易被窃听者获取，移动边缘计算网络的安全通信面临极大挑战。物理层安全方法通过设置干扰器可以有效提高信息安全传输。
现有的基于非正交多址接入的移动边缘计算安全通信方法仅考虑了地面窃听者恶意窃听用户的卸载信息。然而由于无人机视距传输的广播特性，用户的卸载信息更容易被无人机作为恶意窃听者进行窃听。
发明内容
针对现有基于非正交多址接入移动边缘计算系统中无人机窃听卸载信息问题，本发明提供一种能够有效抵抗无人机窃听用户卸载信息的基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法，无人机移动边缘计算系统由一架搭载移动边缘计算服务器的无人机US、一架窃听无人机UE、地面干扰器和K个地面用户组成，所述基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法包括以下步骤：
1)无人机US帮助K个地面用户完成计算任务，无人机UE在飞行的过程中窃听用户卸载给无人机US的任务信息，无人机US和无人机UE均根据非正交多址技术对接收的信息进行解码，为了增强安全通信，地面干扰器发送干扰信号来扰乱无人机UE的信息窃听；
2)K个用户执行部分卸载策略，其中部分任务在本地计算，部分任务卸载到无人机US处计算；
3)计算用户k在无人机US处的任务卸载速率Rk,s[n]和在无人机UE处的数据窃听速率Rk,e[n]，从而获得系统的平均安全计算容量
Figure BDA0003359418860000021
无人机和K个用户之间的轨迹优化和无线资源分配问题建模为：
Figure BDA0003359418860000022
满足以下条件
Figure BDA0003359418860000023
Figure BDA0003359418860000024
Figure BDA0003359418860000025
Figure BDA0003359418860000026
Figure BDA0003359418860000027
Figure BDA0003359418860000028
λk,l[n]+λl,k[n]＝1 (8)
Figure BDA0003359418860000029
Figure BDA00033594188600000210
Figure BDA00033594188600000211
Figure BDA00033594188600000212
Figure BDA00033594188600000213
Figure BDA0003359418860000031
Figure BDA0003359418860000032
其中，N表示总时隙数，T表示无人机飞行时间，δt＝T/N表示一个时隙，qs[n]和qe[n]分别表示无人机US和无人机UE在时隙n的位置，
Figure BDA0003359418860000033
和
Figure BDA0003359418860000034
分别表示无人机US飞行的初始位置和最终位置，
Figure BDA0003359418860000035
表示无人机US在一个时隙中的最大位移，dmin表示两无人机为了避免碰撞的最小距离，pk[n]表示用户k在第n时隙的发送功率，Pmax为用户发送信息的峰值功率，λk,l[n]表示第n时隙无人机US与用户k变化信道和无人机US与用户l变化信道之间的关系，dl,s[n]表示在第n时隙无人机US与用户l之间的距离，ck和cs分别表示用户k和无人机US计算一位数据所需要的CPU周期，lloc,k[n]表示用户k在第n时隙的本地计算数据量，fk[n]表示在第n时隙无人机US分配给用户k来计算其任务的CPU计算频率，
Figure BDA0003359418860000036
和
Figure BDA0003359418860000037
分别表示用户k和无人机US的最大CPU计算频率，Rk，sec[n]表示在第n时隙用户k到无人机US可实现的安全计算速率，B表示信道带宽，Qm表示每个用户在每个时隙中的最小安全计算要求，kk表示用户k的有效电容系数，
Figure BDA0003359418860000038
表示用户k的平均传输功率；
通过连续凸优化方法和块坐标下降法，将上述问题转化为两个子问题，首先优化无人机US与用户变化信道之间的关系、用户被分配的CPU计算频率、用户发送功率、用户本地计算数据量，然后优化无人机US飞行轨迹，通过泰勒一阶展开方法近似凸问题转化为凸优化问题，然后进行迭代求解，获得问题的优化解。
进一步，所述步骤3)中，从用户k到无人机US在第n时隙的任务卸载速率Rk,s[n]和从用户k到无人机UE的数据窃听速率Rk,e[n]分别表示为
Rk,s[n]＝log2(1+rk,s[n]) (16)
Rk,e[n]＝log2(1+rk,e[n]) (17)
其中rk,s[n]和rk,e[n]分别表示在第n时隙无人机US和无人机UE处的信噪比，分别表示为
Figure BDA0003359418860000041
Figure BDA0003359418860000042
其中Kk＝{z|z∈K,|hz,e[n]|＞|hk,e[n]|}表示在第n时隙用户中到无人机UE的信道增益比到当前用户k到无人机UE的信道增益较弱的用户组，Pj表示地面干扰器的发送功率，
Figure BDA0003359418860000043
和
Figure BDA0003359418860000044
分别为在无人机US和无人机UE处的噪声功率，hk,s[n]表示在第n时隙无人机US和用户k之间的信道系数，hl,s[n]表示在第n时隙无人机US和用户l之间的信道系数，hk,e[n]表示在第n时隙无人机UE和用户k之间的信道系数，hj,e[n]表示在第n时隙地面干扰器与无人机UE之间的信道系数。
系统的平均安全计算容量表示为
Figure BDA0003359418860000045
其中Rk，sec[n]＝(Rk,s[n]-Rk，e[n])+表示在第n时隙有无人机UE窃听和地面干扰器进行干扰的情况下，从用户k到无人机US可实现的安全计算速率。
本发明的技术构思为：现有的基于非正交多址接入的移动边缘计算安全通信方法仅考虑了地面窃听者恶意窃听用户的卸载信息。然而由于无人机视距传输的广播特性，用户的卸载信息更容易被无人机作为恶意窃听者进行窃听。本专利方法提供一种能够有效抵抗无人机窃听用户卸载信息的基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法。通过优化搭载无人机US轨迹以及合理分配无线资源，能够有效提高系统的安全通信性能。
本发明的有益效果主要表现在：解决现有基于非正交多址接入的移动边缘计算安全通信方法未考虑无人机窃听用户卸载信息的问题，通过优化无人机US飞行轨迹和分配无线资源来提高系统的安全通信性能。
附图说明
图1是本发明方法的基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法研究系统模型示意图；
图2是本发明方法在不同的发送功率峰值下系统平均安全计算容量随着无人机飞行周期的变化图；
图3是本发明方法在不同的飞行时间下系统平均安全计算容量随着用户发送功率峰值的变化图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法研究，是基于现有的无线通信系统实现的，所述无人机移动边缘计算系统由一架无人机搭载移动边缘计算服务器US、一架窃听无人机UE、地面干扰器和K个地面用户组成。
本实施方式的方法中，无人机US帮助K个地面用户完成计算任务，无人机UE在飞行的过程中窃听用户卸载给无人机US的任务信息。为了增强安全通信，地面干扰器广播发送干扰信号来扰乱无人机UE的窃听行为。K个用户执行部分卸载策略，其中部分任务在本地计算，部分任务卸载到无人机US计算。无人机US和无人机UE均根据非正交多址技术对接收的信息进行解码，从而获得系统的平均安全计算容量。
本实施方式中用户k与无人机US之间的任务卸载速率、用户k到无人机UE的数据窃听速率、系统的平均安全计算容量可以分别表示为
Rk,s[n]＝log2(1+rk,s[n]) (16)
Rk,e[n]＝log2(1+rk,e[n]) (17)
Figure BDA0003359418860000061
其中rk，s[n]和rk，e[n]分别表示在第n时隙无人机US和无人机UE处的信噪比，分别表示为
Figure BDA0003359418860000062
Figure BDA0003359418860000063
其中N表示为总时隙数，T表示无人机飞行时间，δt＝T/N表示一个时隙，pk[n]表示用户k在第n时隙的发送功率，λk,l[n]表示在第n时隙无人机US与用户k变化信道之间的关系，Kk＝{z|z∈K,|hz,e[n]|＞|hk,e[n]|}表示在第n时隙用户中到无人机UE的信道增益比到当前用户k到无人机UE的信道增益较弱的用户组，Pj表示地面干扰器的发送功率，
Figure BDA0003359418860000064
和
Figure BDA0003359418860000065
分别为在无人机US和无人机UE处的噪声功率，hk,s[n]表示在第n时隙无人机US和用户k之间的信道系数，hl,s[n]表示在第n时隙无人机US和用户l之间的信道系数，hk,e[n]表示在第n时隙无人机UE和用户k之间的信道系数，hj,e[n]表示在第n时隙地面干扰器与无人机UE之间的信道系数，lloc,k[n]表示用户k在在第n时隙的本地计算数据量，B表示信道带宽，Rk，sec[n]＝(Rk，s[n]-Rk，e[n])+表示在第n时隙有无人机UE窃听和地面干扰器进行干扰的情况下，从用户k到无人机US可实现的安全计算速率；
本实施方式中的无人机轨迹优化和无线资源分配方法具体为：
无人机和K个用户之间的轨迹优化和无线资源分配问题建模为：
Figure BDA0003359418860000071
满足以下条件
Figure BDA0003359418860000072
Figure BDA0003359418860000073
Figure BDA0003359418860000074
Figure BDA0003359418860000075
Figure BDA0003359418860000076
Figure BDA0003359418860000077
λk，l[n]+λl，k[n]＝1 (8)
Figure BDA0003359418860000078
Figure BDA0003359418860000079
Figure BDA00033594188600000710
Figure BDA00033594188600000711
Figure BDA00033594188600000712
Figure BDA0003359418860000081
Figure BDA0003359418860000082
通过连续凸优化方法和块坐标下降法，将上述问题转化为两个子问题，首先优化无人机US与用户变化信道之间的关系、用户被分配的CPU计算频率、用户发送功率、用户本地计算数据量，然后优化无人机US飞行轨迹，通过泰勒一阶展开方法近似凸问题转化为凸优化问题，然后进行迭代求解，获得问题的优化解。
本实施的基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法，解决现有基于非正交多址接入移动边缘计算系统中无人机窃听卸载信息问题，通过优化无人机US飞行轨迹以及分配无线资源来提高系统的安全通信性能。
在本实施方式中，用户到无人机的传输信道被假设为视距传输信道，5个用户随机分布在400×400m2的区域，无人机US需要从起始点
Figure BDA0003359418860000083
处飞往终点
Figure BDA0003359418860000084
无人机UE以固定的轨迹从起始点
Figure BDA0003359418860000085
处飞往终点
Figure BDA0003359418860000086
为了避免碰撞的最小距离dmin＝1m。
图2显示了随着无人机飞行周期的增加，系统平均安全计算容量随之增加，同时随着用户发射功率峰值增加，用户有更多的能量可以将更多的计算任务卸载到US上，使得系统平均安全计算容量增加；
图3显示了随着用户发射功率峰值的增加，系统平均安全计算容量随之增加。

Claims (2)

1.基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法，无人机移动边缘计算系统由一架搭载移动边缘计算服务器的无人机US、一架窃听无人机UE、地面干扰器和K个地面用户组成，所述基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法包括以下步骤：
1)无人机US帮助K个地面用户完成计算任务，无人机UE在飞行的过程中窃听用户卸载给无人机US的任务信息，无人机US和无人机UE均根据非正交多址技术对接收的信息进行解码，为了增强安全通信，地面干扰器发送干扰信号来扰乱无人机UE的信息窃听；
2)K个用户执行部分卸载策略，其中部分任务在本地计算，部分任务卸载到无人机US处计算；
3)计算用户k在无人机US处的任务卸载速率Rk,s[n]和在无人机UE处的数据窃听速率Rke[n]，从而获得系统的平均安全计算容量
Figure FDA0003359418850000011
无人机和K个用户之间的轨迹优化和无线资源分配问题建模为：
Figure FDA0003359418850000012
满足以下条件
Figure FDA0003359418850000013
Figure FDA0003359418850000014
Figure FDA0003359418850000015
Figure FDA0003359418850000016
Figure FDA0003359418850000017
Figure FDA0003359418850000018
λk,l[n]+λl,k[n]＝1 (8)
Figure FDA0003359418850000019
Figure FDA0003359418850000021
Figure FDA0003359418850000022
Figure FDA0003359418850000023
Figure FDA0003359418850000024
Figure FDA0003359418850000025
Figure FDA0003359418850000026
其中，N表示总时隙数，T表示无人机飞行时间，δt＝T/N表示一个时隙，qs[n]和qe[n]分别表示无人机US和无人机UE在时隙n的位置，
Figure FDA0003359418850000027
和
Figure FDA0003359418850000028
分别表示无人机US飞行的初始位置和最终位置，
Figure FDA0003359418850000029
表示无人机US在一个时隙中的最大位移，dmin表示两无人机为了避免碰撞的最小距离，pk[n]表示用户k在第n时隙的发送功率，Pmax为用户发送信息的峰值功率，λk,l[n]表示第n时隙无人机US与用户k变化信道和无人机US与用户l变化信道之间的关系，dl,s[n]表示在第n时隙无人机US与用户l之间的距离，ck和cs分别表示用户k和无人机US计算一位数据所需要的CPU周期，lloc,k[n]表示用户k在第n时隙的本地计算数据量，fk[n]表示在第n时隙无人机US分配给用户k来计算其任务的CPU计算频率，
Figure FDA00033594188500000210
和
Figure FDA00033594188500000211
分别表示用户k和无人机US的最大CPU计算频率，Rk,sec[n]表示在第n时隙用户k到无人机US可实现的安全计算速率，B表示信道带宽，Qm表示每个用户在每个时隙中的最小安全计算要求，kk表示用户k的有效电容系数，
Figure FDA00033594188500000212
表示用户k的平均传输功率；
通过连续凸优化方法和块坐标下降法，将上述问题转化为两个子问题，首先优化无人机US与用户变化信道之间的关系、用户被分配的CPU计算频率、用户发送功率、用户本地计算数据量，然后优化无人机US飞行轨迹，通过泰勒一阶展开方法近似凸问题转化为凸优化问题，然后进行迭代求解，获得问题的优化解。
2.如权利要求1所述的基于非正交多址接入的无人机移动边缘计算安全通信方法，其特征在于：所述步骤3)中，从用户k到无人机US在第n时隙的任务卸载速率Rk,s[n]和从用户k到无人机UE的数据窃听速率Rk,e[n]分别表示为
Rk,s[n]＝log2(1+rk,s[n]) (16)
Rk，e[n]＝log2(1+rk，e[n]) (17)
其中rk，s[n]和rk，e[n]分别表示在第n时隙无人机US和无人机UE处的信噪比，分别表示为
Figure FDA0003359418850000031
Figure FDA0003359418850000032
其中Kk＝{z|z∈K，|hz，e[n]|＞|hk，e[n]|}表示在第n时隙用户中到无人机UE的信道增益比到当前用户k到无人机UE的信道增益较弱的用户组，Pj表示地面干扰器的发送功率，
Figure FDA0003359418850000033
和
Figure FDA0003359418850000034
分别为在无人机US和无人机UE处的噪声功率，hk,s[n]表示在第n时隙无人机US和用户k之间的信道系数，hl，s[n]表示在第n时隙无人机US和用户l之间的信道系数，hk，e[n]表示在第n时隙无人机UE和用户k之间的信道系数，hj，e[n]表示在第n时隙地面干扰器与无人机UE之间的信道系数。
系统的平均安全计算容量表示为
Figure FDA0003359418850000041
其中Rk，sec[n]＝(Rk，s[n]-Rk，e[n])+表示在第n时隙有无人机UE窃听和地面干扰器进行干扰的情况下，从用户k到无人机US可实现的安全计算速率。
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