本發(fā)明涉及一種通信感知一體化輔助的移動邊緣計算(isac-mec)技術(shù)，尤其是涉及一種isac-mec(integrated?sensing?and?communication，通信感知一體化；mobileedge?computing，移動邊緣計算)協(xié)同安全卸載與延遲優(yōu)化方法，其通過卸載單天線用戶的部分計算密集型任務(wù)至全雙工基站并由mec服務(wù)器執(zhí)行，降低單天線用戶間的最大數(shù)據(jù)處理延遲，并借助全雙工基站發(fā)送的雷達信號，在開展目標(biāo)感知任務(wù)的過程中，將雷達信號用作人工噪聲來干擾潛在的單天線竊聽者，達成了雙重功能，即目標(biāo)感知和安全mec。

背景技術(shù)：

1、在當(dāng)今日益發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)(iot)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸延遲已成為評估系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的激增和數(shù)據(jù)流量的不斷膨脹，傳統(tǒng)的云計算模式在提供低延遲和高可靠性的數(shù)據(jù)處理方面已逐漸顯現(xiàn)出其局限性。在這一背景下，移動邊緣計算(mec)技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)勢，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了一種革命性的解決方案。mec技術(shù)通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署高性能的服務(wù)器節(jié)點，將計算任務(wù)從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心卸載至靠近物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的位置，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的就近處理和快速響應(yīng)。這種計算架構(gòu)不僅顯著降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高了服務(wù)質(zhì)量，而且還通過智能調(diào)度和優(yōu)化策略，進一步提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛯崟r性。

2、在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，通信感知一體化(isac)技術(shù)已成為推動物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的重要力量。近年來，isac技術(shù)通過其獨特的融合設(shè)計，顯著提升了頻譜利用率、能源效率以及整體的經(jīng)濟效益。特別是在mec系統(tǒng)中，將isac技術(shù)與mec技術(shù)相結(jié)合，為mec系統(tǒng)賦予了前所未有的強大感知能力。這種結(jié)合不僅增強了頻譜和能源效率，還通過聯(lián)合設(shè)計計算卸載和資源分配策略，有效降低了處理延遲。這種創(chuàng)新性的應(yīng)用模式使得mec系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地響應(yīng)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展注入了新的活力。

3、雖然isac-mec系統(tǒng)在改善感知性能、能源效率和延遲方面很有前景，但安全性仍然是系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵問題。由于無線通信的廣播特性，在卸載過程中傳輸?shù)男盘柨梢员桓`聽者(eves)訪問，從而導(dǎo)致信息泄漏。物理層安全(pls)從信息理論的角度提供了信息保護，而不依賴于復(fù)雜的加密技術(shù)。受此啟發(fā)，合法的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和基站(bs)可以利用無線信道的特點，有效地設(shè)計pls傳輸方案，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩阅埽鰪奿sac-mec系統(tǒng)的隱私保護。然而，目前在isac-mec系統(tǒng)的設(shè)計中，安全問題很少受到關(guān)注。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種isac-mec協(xié)同安全卸載與延遲優(yōu)化方法，其能夠最小化單天線用戶間的最大數(shù)據(jù)處理延遲，且能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)感知和安全mec。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種isac-mec協(xié)同安全卸載與延遲優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟：

3、步驟1：建立一個isac-mec系統(tǒng)模型，該模型中設(shè)置有一個全雙工基站、l個單天線用戶、一個單天線竊聽者、一個目標(biāo)，全雙工基站的發(fā)射端和接收端均配備有半波長間隔的均勻線性陣列，全雙工基站的發(fā)射端配備的半波長間隔的均勻線性陣列中的元件數(shù)量為nt，全雙工基站的接收端配備的半波長間隔的均勻線性陣列中的元件數(shù)量為nr，全雙工基站連接有mec服務(wù)器，單天線用戶卸載部分計算任務(wù)給全雙工基站，mec服務(wù)器為單天線用戶執(zhí)行卸載的計算任務(wù)，單天線竊聽者企圖竊聽單天線用戶向全雙工基站的接收端傳輸?shù)纳闲行遁d信號，全雙工基站的接收端在接收上行卸載信號的同時，其發(fā)射端發(fā)送雷達信號以感知目標(biāo)，并將雷達信號作為人工噪聲來干擾單天線竊聽者；其中，l＞1；

4、步驟2：建立通信模型、雷達感知模型和卸載模型，具體如下：

5、通信模型：所有單天線用戶同時將各自的部分計算任務(wù)卸載至全雙工基站，設(shè)第個單天線用戶到全雙工基站的信道為設(shè)第個單天線用戶向全雙工基站的接收端傳輸?shù)纳闲行遁d信號為且的傳輸功率為則將全雙工基站的接收端接收到的上行卸載信號表示為其中，的維度為nr×1；

6、單天線竊聽者試圖竊聽所有單天線用戶向全雙工基站的接收端傳輸?shù)纳闲行遁d信號，設(shè)第個單天線用戶到單天線竊聽者的信道為則將單天線竊聽者竊聽到的上行卸載信號表示為其中，的維度為1×1；

7、全雙工基站的接收端在接收上行卸載信號的同時，其發(fā)射端發(fā)送雷達信號v以感知目標(biāo)，并且將雷達信號v充當(dāng)人工噪聲對單天線竊聽者進行干擾，設(shè)全雙工基站到單天線竊聽者的信道為hbe，則將單天線竊聽者接收到的信號ye表示為將單天線竊聽者竊聽到的來自第個單天線用戶的上行卸載信號的可達速率表示為其中，hbe的維度為1×nt，ne表示功率為的噪聲，||為取模運算符號，pi表示第i個單天線用戶向全雙工基站的接收端傳輸?shù)纳闲行遁d信號xi的傳輸功率，hi表示第i個單天線用戶到單天線竊聽者的信道，(·)h表示共扼轉(zhuǎn)置運算，表示雷達信號v的協(xié)方差矩陣，表示求數(shù)學(xué)期望；

8、雷達感知模型：全雙工基站的接收端接收來自目標(biāo)的雷達回波信號，以實現(xiàn)對目標(biāo)的感知，設(shè)全雙工基站的傳輸導(dǎo)向矢量為at(θt)，設(shè)全雙工基站的接收導(dǎo)向矢量為ar(θt)，則將全雙工基站的接收端接收到的雷達回波信號yb表示為其中，θt表示目標(biāo)相對全雙工基站的角度，e為自然常數(shù)，j為虛部表示，(·)t表示轉(zhuǎn)置運算，ξ表示復(fù)路徑損耗系數(shù)，hsi表示全雙工基站的發(fā)射端配備的半波長間隔的均勻線性陣列到接收端配備的半波長間隔的均勻線性陣列的自干擾信道，hsi的維度為nr×nt，nb表示均值為0且協(xié)方差矩陣為的噪聲，表示nr階的單位矩陣；

9、設(shè)應(yīng)用一組模為1的通信接收波束以恢復(fù)單天線用戶向全雙工基站的接收端傳輸?shù)纳闲行遁d信號，則將全雙工基站的接收端接收到的來自第個單天線用戶的上行卸載信號的可達速率表示為設(shè)應(yīng)用一個模為1的雷達接收波束u來捕獲由目標(biāo)反射的雷達回波信號，則將全雙工基站的接收端接收到的雷達回波信號的信干噪比γecho表示為其中，表示全雙工基站的接收端接收來自第個單天線用戶的上行卸載信號的通信接收波束，的維度為nr×1，gi表示第i個單天線用戶到全雙工基站的信道，c為引入的中間量，c＝a(θt)+hsi，a(θt)為引入的中間量，u的維度為nr×1；

10、卸載模型：將卸載模型建模為部分卸載模型，設(shè)第個單天線用戶共有計算任務(wù)，設(shè)第個單天線用戶將計算任務(wù)卸載至全雙工基站，設(shè)每bit計算任務(wù)所需的cpu周期數(shù)為f，則將第個單天線用戶本地計算的延遲表示為將第個單天線用戶將計算任務(wù)卸載至全雙工基站所需的卸載時間表示為將mec服務(wù)器為第個單天線用戶執(zhí)行卸載的計算任務(wù)所需的時間表示為然后考慮到單天線用戶與mec服務(wù)器采取并行處理，將第個單天線用戶的數(shù)據(jù)處理延遲表示為其中，表示第個單天線用戶的計算任務(wù)的卸載比例，表示第個單天線用戶的本地計算能力，的單位為cycles/s，b表示信道帶寬，表示全雙工基站分配給第個單天線用戶的計算能力，的單位為cycles/s；

11、步驟3：通過聯(lián)合優(yōu)化雷達接收波束u、所有通信接收波束構(gòu)成的集合w、雷達信號v的協(xié)方差矩陣所有卸載比例構(gòu)成的集合α、全雙工基站分配給所有單天線用戶的計算能力構(gòu)成的集合最小化單天線用戶間的最大數(shù)據(jù)處理延遲，同時滿足安全和感知性能要求，構(gòu)建優(yōu)化問題，描述為：

12、

13、其中，表示優(yōu)化變量集合，表示全雙工基站接收信號的最小可達速率，表示單天線竊聽者竊聽信號的最大可達速率，γmin表示雷達回波信號的最小信干噪比，tr()表示求矩陣的跡，p表示全雙工基站的發(fā)射功率，||?||為二范數(shù)運算符號，表示全雙工基站分配給單天線用戶的最大計算能力；

14、步驟4：將步驟3構(gòu)建的優(yōu)化問題分解為四個子問題，第1個子問題為在給定α和的情況下優(yōu)化u和w的子問題，第2個子問題為在給定u、w、α和的情況下優(yōu)化的子問題，第3個子問題為在給定u、w、和的情況下優(yōu)化α的子問題，第4個子問題為在給定u、w、和α的情況下優(yōu)化的子問題；其中，第3個子問題和第4個子問題均為線性規(guī)劃問題；

15、步驟5：運用交替優(yōu)化算法對四個子問題進行迭代求解來逐步逼近步驟3構(gòu)建的優(yōu)化問題的最優(yōu)解，具體如下：

16、步驟5.1：令itero表示外部迭代次數(shù)，itero的初始值為1；初始化u,w,α,

17、步驟5.2：在第itero次外部迭代過程中，在第1個子問題的基礎(chǔ)上，給定α和最大化γecho獲得u的閉式解uo，最大化獲得的閉式解進而得到w的閉式解wo，其中，當(dāng)itero＝1時α和的給定值對應(yīng)為α和的初始值，當(dāng)itero≠1時α和的給定值對應(yīng)為在第itero-1次外部迭代過程中得到的αo和

18、步驟5.3：在第itero次外部迭代過程中，給定u、w、α和后，采用連續(xù)凸近似處理，對第2個子問題進行凸近似處理，將第2個子問題轉(zhuǎn)化為凸問題，再求解，迭代得到的解其中，當(dāng)itero＝1時α和的給定值對應(yīng)為α和的初始值，當(dāng)itero≠1時α和的給定值對應(yīng)為在第itero-1次外部迭代過程中得到的αo和u和w的給定值對應(yīng)為在第itero次外部迭代過程中得到的uo和wo；

19、步驟5.4：在第itero次外部迭代過程中，給定u、w、和直接對第3個子問題進行求解，得到α的解αo；其中，當(dāng)itero＝1時的給定值為的初始值，當(dāng)itero≠1時的給定值為在第itero-1次外部迭代過程中得到的u、w和的給定值對應(yīng)為在第itero次外部迭代過程中得到的uo、wo和

20、步驟5.5：在第itero次外部迭代過程中，給定u、w、和α，直接對第4個子問題進行求解，得到的解其中，u、w、和α的給定值對應(yīng)為在第itero次外部迭代過程中得到的uo、wo、和αo；

21、步驟5.6：計算第itero次外部迭代時的然后比較第itero次外部迭代時的減去第itero-1次外部迭代時的得到的差值與判斷閾值的大小，若前者小于后者，則外部迭代結(jié)束，得到u,w,α,各自的局部最優(yōu)解；若前者大于或等于后者，則令itero＝itero+1，再返回步驟5.2繼續(xù)執(zhí)行；其中，當(dāng)itero＝1時第itero-1次外部迭代時的為設(shè)定的初始化值1，itero＝itero+1中的“＝”為賦值符號。

22、所述步驟2中，hbe和均建模為萊斯信道模型，其中，ρ表示萊斯因子，表示第個單天線用戶到全雙工基站的視距鏈路，表示第個單天線用戶到全雙工基站的非視距鏈路，表示全雙工基站到單天線竊聽者的視距鏈路，表示全雙工基站到單天線竊聽者的非視距鏈路，表示第個單天線用戶到單天線竊聽者的視距鏈路，表示第個單天線用戶到單天線竊聽者的非視距鏈路，和均服從均值為0且方差為1的復(fù)高斯分布。

23、所述步驟5.3的具體過程為：

24、步驟5.3.1：將改寫為其中，，為凸差函數(shù)，和都是關(guān)于的凹函數(shù)；

25、步驟5.3.2：令iteri表示內(nèi)部迭代次數(shù)，iteri的初始值為1；

26、步驟5.3.3：在第iteri次內(nèi)部迭代過程中，在處對進行一階泰勒展開，得到的上界，然后根據(jù)將第2個子問題轉(zhuǎn)換成一個凸問題，描述為：

27、

28、再通過凸優(yōu)化求解器對凸問題進行求解，得到第iteri次內(nèi)部迭代時的解其中，

29、當(dāng)iteri＝1且itero＝1時等于的初始值，當(dāng)iteri＝1且itero≠1時等于在第

30、itero-1次外部迭代過程中得到的當(dāng)iteri≠1時表示第iteri-1次內(nèi)部迭代時的解，中的替換成后得到t0為引入的輔助變量，

31、步驟5.3.4：計算第iteri次內(nèi)部迭代時的然后比較第iteri次內(nèi)部迭代時的減去第iteri-1次內(nèi)部迭代時的得到的差值與判斷閾值的大小，若前者小于

32、后者，則內(nèi)部迭代結(jié)束，將作為第itero次外部迭代時的解若前者大于或等于后者，則令iteri＝iteri+1，再返回步驟5.3.3繼續(xù)執(zhí)行；其中，當(dāng)iteri＝1且itero＝1時第iteri-1次內(nèi)部迭代時的為設(shè)定的初始化值1，當(dāng)iteri＝1且itero≠1時第iteri-1次內(nèi)部迭代時的等于第itero-1次外部迭代時的iteri＝iteri+1中的“＝”為賦值符號。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

34、1)本發(fā)明方法將雙重功能集成于全雙工基站發(fā)送的雷達信號當(dāng)中。具體來講，雷達信號不但感知并定位覆蓋區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)，同時，充當(dāng)人工噪聲干擾單天線竊聽者，極大程度地提高了移動邊緣計算(mec)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸安全性。這一設(shè)計巧妙地平衡了目標(biāo)感知與通信安全的需求，使得全雙工基站在執(zhí)行常規(guī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控任務(wù)的同時，也能自動防御潛在的竊聽威脅。雷達信號的雙重角色不僅減少了額外安全設(shè)備的部署需求，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，還通過物理層面的干擾策略，為數(shù)據(jù)傳輸提供了一層額外的保護屏障，增強了加密技術(shù)之外的安全防線。

35、2)本發(fā)明方法巧妙地融合了mec的高效處理能力與isac技術(shù)的獨特優(yōu)勢。將單天線用戶上繁重的計算密集型任務(wù)智能地部分卸載至全雙工基站上，極大地緩解了單天線用戶的計算壓力，顯著降低了數(shù)據(jù)處理延遲，為用戶帶來了更為流暢、更低延遲的計算體驗，極大地提升了用戶的滿意度和整體使用感受。在利用mec技術(shù)的同時，也深刻挖掘了isac技術(shù)的潛力。isac技術(shù)通過在同一硬件平臺上革命性地集成通信與感知雙重功能，不僅實現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置與高效利用，還促進了通信與感知之間的無縫協(xié)同。本發(fā)明方法不僅是對mec與isac技術(shù)深度融合的一次有力探索，更是對未來無線通信網(wǎng)絡(luò)智能化、安全化發(fā)展的重要貢獻。