本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，涉及一種ris輔助mec系統(tǒng)的低時延安全計算卸載方法。

背景技術(shù)：

1、隨著去中心化網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和5g技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，“萬物互聯(lián)”已經(jīng)成為未來通信發(fā)展不可阻擋的趨勢。近年來，底層業(yè)務(wù)終端和用戶端數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量不斷增加，視頻、自然語言處理、人臉識別和醫(yī)療監(jiān)控等新應(yīng)用導(dǎo)致了更復(fù)雜的計算，各種新興的智能服務(wù)(如智能家居、自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等)對能源供應(yīng)受限、計算能力差、資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提出了巨大挑戰(zhàn)，這些服務(wù)需要更多的計算能力。然而，由于電池能量、計算資源和處理速度的限制，智能服務(wù)所需地計算能力超出了用戶終端(ut)的能力。

2、在傳統(tǒng)的云計算模型中，終端設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的云服務(wù)器進(jìn)行處理和分析。該模型是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算模型，它通過將計算資源、存儲和服務(wù)提供給用戶，以按需、靈活和可擴展的方式滿足用戶的需求。該云計算模型可以根據(jù)用戶的需求動態(tài)分配和釋放計算資源，具備彈性和可擴展性。然而，該模型需要穩(wěn)定、高速的互聯(lián)網(wǎng)連接，以保證用戶能夠及時訪問和使用云服務(wù)。如果用戶的網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定或帶寬有限，可能會對云服務(wù)的性能和響應(yīng)時間產(chǎn)生影響。與此同時用戶的數(shù)據(jù)和應(yīng)用托管在云服務(wù)提供商的服務(wù)器上，這可能引發(fā)安全性和隱私問題。用戶需要確保云服務(wù)提供商有可靠的安全措施來保護(hù)數(shù)據(jù)，并且在數(shù)據(jù)存儲、傳輸和訪問控制方面采取適當(dāng)?shù)陌踩呗浴Ｓ捎跀?shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和帶寬限制，以及對隱私和安全性的擔(dān)憂，這種云計算模型在某些場景下變得不太適用。

3、為了解決這一問題，一種很有前景的策略被稱為——移動邊緣計算(mec)，它能更好地滿足計算。在mec系統(tǒng)中，計算服務(wù)器位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，ut可以將部分或全部計算任務(wù)卸載到mec服務(wù)器上。mec系統(tǒng)將業(yè)務(wù)平臺功能移至網(wǎng)絡(luò)邊緣，為ut提供無處不在的數(shù)據(jù)服務(wù)，提供近距離、低時延、高速接入的業(yè)務(wù)環(huán)境，將原在網(wǎng)絡(luò)中心的計算能力推向網(wǎng)絡(luò)邊緣，更接近終端設(shè)備和數(shù)據(jù)源。移動邊緣計算的主要目標(biāo)是在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署高性能的計算和存儲資源，使邊緣設(shè)備能夠快速響應(yīng)和處理數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲。通過將應(yīng)用程序和服務(wù)部署在離終端設(shè)備更近的邊緣服務(wù)器上，mec可以提供低延遲的計算、實時數(shù)據(jù)分析和快速響應(yīng)的服務(wù)。

4、移動邊緣計算(mec)憑借其低時延、高帶寬利用率和增強的隱私保護(hù)等優(yōu)點，正在迅速成為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的重要組成部分。mec通過將計算能力部署到靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣，大大減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和時間，提高了響應(yīng)速度和服務(wù)質(zhì)量。然而，盡管mec在許多方面表現(xiàn)出色，仍然面臨一些挑戰(zhàn)。例如，無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的信號干擾、多徑效應(yīng)以及由于障礙物導(dǎo)致的信號衰減，或者現(xiàn)實中可能存在地竊聽者竊聽數(shù)據(jù)等問題，都可能會影響邊緣計算節(jié)點與終端設(shè)備之間的通信效率和穩(wěn)定性。

5、為了解決這些問題，增強mec的性能，智能反射面(ris)技術(shù)應(yīng)運而生。ris是一種新興的無線通信技術(shù)，通過在環(huán)境中引入可編程的反射面，動態(tài)調(diào)節(jié)無線信號的傳播路徑，從而顯著改善通信質(zhì)量和效率。

6、智能反射面由大量可調(diào)節(jié)的反射單元組成，可以通過改變反射單元的電特性，控制入射信號的反射方向、相位和幅度。這樣，ris可以：

7、增強信號覆蓋：在信號盲區(qū)和弱信號區(qū)域，通過智能反射面調(diào)整信號路徑，提高覆蓋范圍和信號強度。

8、減少干擾：通過智能調(diào)節(jié)，ris可以有效避開干擾信號，優(yōu)化信號傳輸路徑，提升通信質(zhì)量。

9、節(jié)能增效：利用ris可以降低基站和終端的發(fā)射功率，從而減少能耗，實現(xiàn)綠色通信。

10、然而，現(xiàn)實通信系統(tǒng)可能存在竊聽者和限制發(fā)射功率的情況，此將大幅度降低通信系統(tǒng)的安全性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種ris輔助mec系統(tǒng)的低時延安全計算卸載方法。針對上述問題，以提高系統(tǒng)安全性能并進(jìn)一步降低系統(tǒng)時延為目標(biāo)，本發(fā)明提出了一種ris輔助mec系統(tǒng)安全速率下的低時延方案。通過變量替換將問題簡化后，使用交替優(yōu)化、二次變換、拉格朗日對偶變換等凸優(yōu)化方法，聯(lián)合基站接收矩陣、ris相移、卸載計算量作進(jìn)一步優(yōu)化，從而有效保障用戶安全、快速地進(jìn)行卸載計算。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種ris輔助mec系統(tǒng)的低時延安全計算卸載方法，該方法包括以下步驟：

4、s1、構(gòu)建ris輔助mec系統(tǒng)，并對系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行初始化處理；

5、s2、根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)以及安全約束建立優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型；

6、s3、通過變量替換引入輔助變量簡化問題，并基于交替優(yōu)化算法將問題分解為三個子問題進(jìn)行優(yōu)化，采用多維復(fù)數(shù)情況下的二次變換對分?jǐn)?shù)項進(jìn)行求解；

7、s4、求解等價轉(zhuǎn)化后的卸載量、接收波束形成矩陣、ris相移凸優(yōu)化子問題，得出基于所有約束條件下的最大安全速率。

8、進(jìn)一步，在步驟s1中，ris輔助mec系統(tǒng)至少包括一個基站bs、一個智能反射面ris、一位竊聽者eve及多個單天線用戶user；其中，用戶通過直接鏈路和級聯(lián)鏈路將信息傳輸給多天線基站，同時一個單天線竊聽者試圖竊聽傳輸給基站的信息；基站配備m根天線，ris含n個反射單元，用戶數(shù)量為k且用戶的接收設(shè)備均為單天線設(shè)備，ris中的反射單元集m?31，單天線用戶集k?32；系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息已知，將ris-bs、user-bs、user-eve、user-ris的信道增益分別表示為

9、進(jìn)一步，在步驟s1中，對以下參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)定：

10、第k個user在bs的接收信號矢量表示為：

11、

12、其中，pk表示第k個user的發(fā)射功率，其保持恒定，表示第k個user的接收波束形成矩陣，表示第k個user到bs的直接通道矩陣，表示ris到bs的通道矩陣，表示反射面的相移，θ＝diag(α1,α2,...,αn)其中|αn|＝1，表示第k個user到智能反射面的通道矩陣，xk表示第k個user傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，n表示加性高斯白噪聲；

13、竊聽者所竊聽的消息表示為：

14、

15、其中，表示user到竊聽者之間的通道矩陣；

16、用戶k上傳基站信息的可達(dá)速率為：

17、rk，en＝blog2(1+γk，en)

18、其中，第k個用戶發(fā)送信號經(jīng)ris反射傳輸給基站公有信息的信噪比γk,en為：

19、

20、竊聽者竊聽用戶k的可達(dá)速率為：

21、rk，eve＝blog2(1+γk，eve)

22、其中，第k個用戶發(fā)送信號被竊聽者所竊聽的信息的信噪比γk,eve為：

23、

24、用戶以保密率的下界向基站進(jìn)行消息傳輸，其下界為：

25、

26、系統(tǒng)的傳輸總時延表示為：

27、t(ω,θ,l)＝max{tloc,toff+tpron}

28、其中，toff表示卸載傳輸時延，tpron表示邊緣計算時延，tloc表示本地計算時延。

29、進(jìn)一步，在步驟s2中，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)以及安全約束建立的優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型p1表示為：

30、

31、其中，t為用戶的時延總和，pk為用戶的發(fā)射功率，其保持恒定，為用戶的所占用基站的計算能力，l是用戶本地計算的總比特數(shù)，θn是ris的相移角度，rk，sec是用戶的最大安全速率；約束c1確保用戶的發(fā)射功率在預(yù)期范圍內(nèi)；約束c2確保用戶卸載數(shù)據(jù)在基站運算能力不超過上限；約束c3保證用戶的卸載量符合實際意義；約束c4是ris的相移；約束c5是用戶的安全速率非負(fù)；其中ris的反射系數(shù)滿足模長為1的約束。

32、進(jìn)一步，在步驟s3中，具體包括以下步驟：

33、s31、固定ω,θ，以最小化總時延為優(yōu)化目標(biāo)，求解l的最優(yōu)解，并將問題p1轉(zhuǎn)化為p2；

34、s32、固定ω以及l(fā)的最優(yōu)解，在問題p2中引入輔助變量，將問題p2重新表述為p3，并從p3求解出θ的最優(yōu)解；

35、s33、固定最優(yōu)解θ以及最優(yōu)解l，在問題p2中引入輔助變量，將問題p2重新表述為p4，并從p4中求出ω的最優(yōu)解。

36、進(jìn)一步，在步驟s31中，卸載傳輸時延為：邊緣計算時延為：本地計算時延為：其中，l表示任務(wù)的總比特數(shù)，l表示本地計算的總比特數(shù)，ck表示邊緣服務(wù)器處理一個比特所需的cpu周期數(shù)，fe表示邊緣服務(wù)器的計算能力，fl表示本地設(shè)備的計算能力；

37、在固定ris相移角度θn和接收波束形成矢量ω的情況下，本地計算時延、卸載時延和邊緣計算時延均表現(xiàn)為單增函數(shù)，根據(jù)總時延的計算公式，當(dāng)兩者相等時，時延到達(dá)最小值，即：

38、tloc＝toff+tpron

39、

40、所卸載數(shù)據(jù)量的大小與當(dāng)前安全速率成正相關(guān)；

41、固定接收波束形成矢量ω，固定卸載量l為最優(yōu)解，p1重新表示為問題p2，即：

42、

43、問題p2為非凸問題。

44、進(jìn)一步，在步驟s32中，在將問題p1轉(zhuǎn)化為問題p2后，rk,en中耦合優(yōu)化目標(biāo)變量，定義φ＝[ejθ1,....ejθn]t得到θ＝diag(φ)，將θ的優(yōu)化等效轉(zhuǎn)化為φ的優(yōu)化；

45、分別引入輔助變量將p2重新表述為：

46、

47、采用二次變換方法處理rk(φ)，有：

48、

49、在pk固定的情況下，通過設(shè)置來獲取最優(yōu)yk：

50、

51、采用二次變換的方法將重新表述為：

52、

53、其中是復(fù)輔助變量，λ＝[λ1,...,λk]，給定φ，通過方程得到最優(yōu)λk：

54、

55、其中|ak,iφ+bk,i|2等價地表示為：

56、

57、由此得到：

58、

59、其中：

60、

61、基于以上變換，采用多維復(fù)二次變換將改寫為問題p3：

62、

63、其中是復(fù)輔助向量，給定ris相移優(yōu)化，最優(yōu)gk表示為：

64、gopt,k＝ξkφ

65、由于對于φ是凸問題，使用cvx工具箱求解。

66、進(jìn)一步，在步驟s33中，固定最優(yōu)解θ以及最優(yōu)解l，在問題p2中引入輔助變量hi＝hen,i+gφhh,i，由此將rk(φ)改寫為：

67、

68、采用二次變換方法處理：

69、

70、其中y的最優(yōu)值為yopt,k，為復(fù)輔助變量，b＝[β1,β2,...,βk]，最優(yōu)βk表示為：

71、

72、綜上所述，將p2重新表述為p4，即：

73、

74、對于接收波束形成矢量，問題p4是凸問題，使用cvx進(jìn)行求解。

75、進(jìn)一步，在步驟s4中，根據(jù)上述子問題輸出每一輪的最優(yōu)卸載計算量、接收波束形成矩陣、最優(yōu)相移角度，直至?xí)r延收斂求出問題的解，再對最小時延t進(jìn)行更新，具體步驟為：

76、根據(jù)前述子問題優(yōu)化得出的卸載計算量l、基站接收矢量矩陣ω、ris相移θ，交替迭代得到最小時延t。

77、本發(fā)明的有益效果在于：

78、本發(fā)明通過將智能反射面與移動邊緣計算相結(jié)合，可以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能和用戶體驗。在ris的輔助下，mec節(jié)點與終端設(shè)備之間的通信變得更加高效、穩(wěn)定和可靠，從而最大程度地發(fā)揮邊緣計算的優(yōu)勢，滿足日益增長的低時延和高帶寬需求。

79、本發(fā)明還考慮有竊聽者的情況下對實際通信系統(tǒng)的安全和時延的影響，以最低時延為目標(biāo)，同時考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。在用戶發(fā)送功率、ris相移、卸載數(shù)據(jù)量約束下，通過優(yōu)化ris相移、卸載數(shù)據(jù)量和基站接收矩陣來達(dá)到最低時延的目的。

80、本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。