本發(fā)明涉及一種通信感知一體化(isac)技術(shù)，尤其是涉及一種基于isac(通信感知一體化)的mec(移動(dòng)邊緣計(jì)算)節(jié)能與安全優(yōu)化方法，其考慮到基站(bs)在實(shí)際情況中只能獲取不完全信道狀態(tài)信息(csi)，在滿足延遲、感知和安全性能的約束下，最小化用戶的能耗。

背景技術(shù)：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的激增，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。然而，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常受到有限的電池容量和能源供應(yīng)的限制，導(dǎo)致其難以應(yīng)對(duì)長時(shí)間、高強(qiáng)度的數(shù)據(jù)處理需求。為了降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能耗，延長其使用壽命，移動(dòng)邊緣計(jì)算(mec)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。mec技術(shù)通過將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算任務(wù)卸載到位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的mec服務(wù)器上進(jìn)行處理，從而減少了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身的計(jì)算負(fù)擔(dān)，進(jìn)而降低了其能耗。此外，mec服務(wù)器通常具有更強(qiáng)大的計(jì)算能力和更高效的能源利用技術(shù)，能夠更好地應(yīng)對(duì)大量數(shù)據(jù)處理需求，從而進(jìn)一步降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能耗。

2、mec技術(shù)將計(jì)算能力和應(yīng)用推到網(wǎng)絡(luò)邊緣，極大地改善了用戶體驗(yàn)。然而，鑒于無線通信的廣播性質(zhì)，卸載過程中傳輸?shù)男盘?hào)極易被潛在的竊聽者(eves)截獲，從而引發(fā)嚴(yán)重的信息泄露風(fēng)險(xiǎn)。物理層安全(pls)是一種從信息理論角度出發(fā)的信息保護(hù)策略，它專注于在通信系統(tǒng)的最底層上確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。與傳統(tǒng)的加密技術(shù)不同，pls不依賴于復(fù)雜的加密算法或密鑰管理，而是利用物理信道的特性來提供安全通信。pls技術(shù)能夠有效地保護(hù)通信數(shù)據(jù)的真實(shí)性、完整性、隱私和保密性，為mec提供可靠的安全保障。

3、通信感知一體化(isac)技術(shù)將傳統(tǒng)的通信功能與感知功能進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)信息的高效傳遞與環(huán)境的精準(zhǔn)感知，以滿足未來社會(huì)對(duì)智能化、高效化通信服務(wù)的需求。在mec服務(wù)器的卸載過程中，isac技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍環(huán)境，發(fā)現(xiàn)潛在的安全威脅，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，確保數(shù)據(jù)傳輸和處理的安全性。isac技術(shù)通過集成感知與通信功能，提高了mec系統(tǒng)的感知能力和安全性。盡管pls技術(shù)和isac技術(shù)在提升mec安全性方面提供了新思路和新方法，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)和限制。這些不足需要在研究中繼續(xù)深入探索，以期不斷完善和優(yōu)化這些技術(shù)，為mec的發(fā)展提供更加堅(jiān)實(shí)的保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于isac的mec節(jié)能與安全優(yōu)化方法，其在滿足延遲、感知和安全性能的約束下，能夠最小化用戶的能耗。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種基于isac的mec節(jié)能與安全優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟：

3、步驟1：建立一個(gè)基于isac的mec系統(tǒng)模型，該模型中設(shè)置有一個(gè)全雙工基站、若干個(gè)mec服務(wù)器、k個(gè)單天線用戶、一個(gè)單天線竊聽者，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，全雙工基站與mec服務(wù)器連接，單天線用戶卸載部分計(jì)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(jì)算任務(wù)，單天線竊聽者試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(hào)；其中，k＞1；

4、步驟2：建立通信模型、雷達(dá)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(shí)將各自的部分計(jì)算任務(wù)卸載至全雙工基站，設(shè)第k個(gè)單天線用戶到全雙工基站的信道為hk，設(shè)第k個(gè)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(hào)為dk，且dk的傳輸功率為pk，則將全雙工基站的接收端接收到的上行卸載信號(hào)表示為其中，

6、全雙工基站的接收端接收到上行卸載信號(hào)的同時(shí)其發(fā)射端發(fā)送雷達(dá)信號(hào)x干擾單天線竊聽者，設(shè)全雙工基站到單天線竊聽者的信道為hbe；

7、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(hào)，設(shè)第k個(gè)單天線用戶到單天線竊聽者的信道為gk，則將單天線竊聽者竊聽到的信號(hào)ye表示為將單天線竊聽者竊聽到的來自第k個(gè)單天線用戶的信號(hào)的信干噪比γe,k表示為其中，ne表示功率為的噪聲，||為取模運(yùn)算符號(hào)，pi表示第i個(gè)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(hào)di的傳輸功率，gi表示第i個(gè)單天線用戶到單天線竊聽者的信道，上標(biāo)“h”表示共扼轉(zhuǎn)置運(yùn)算，q表示雷達(dá)信號(hào)x的協(xié)方差矩陣，表示求數(shù)學(xué)期望；

8、雷達(dá)感知模型：全雙工基站的接收端接收雷達(dá)回波信號(hào)，設(shè)全雙工基站的傳輸導(dǎo)向矢量at(θ0)為設(shè)全雙工基站的接收導(dǎo)向矢量ar(θ0)為則將全雙工基站的接收端接收到的信號(hào)yb表示為其中，θ0表示單天線竊聽者相對(duì)全雙工基站的角度，e為自然常數(shù)，j為虛部表示，nt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中的元件數(shù)量，nr表示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，上標(biāo)“t”表示轉(zhuǎn)置運(yùn)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，nb表示功率為的噪聲；

9、設(shè)對(duì)全雙工基站的接收端接收到的信號(hào)yb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(hào)，則將全雙工基站的接收端接收到的來自第k個(gè)單天線用戶的信號(hào)的信干噪比γb,k表示為設(shè)應(yīng)用一個(gè)模為1的雷達(dá)接收波束u來捕獲由單天線竊聽者反射的雷達(dá)回波信號(hào)，則將全雙工基站的接收端接收到的雷達(dá)回波信號(hào)的信干噪比γecho表示為其中，wk表示全雙工基站的接收端接收來自第k個(gè)單天線用戶的信號(hào)的通信接收波束，hi表示第i個(gè)單天線用戶到全雙工基站的信道，b為引入的中間量，b＝a(θ0)+hsi，a(θ0)為引入的中間量，表示nr階的單位矩陣；

10、卸載模型：將卸載模型建模為部分卸載模型，設(shè)第k個(gè)單天線用戶共有dk?bit計(jì)算任務(wù)，設(shè)第k個(gè)單天線用戶將αkdk?bit計(jì)算任務(wù)卸載至全雙工基站，設(shè)每bit計(jì)算任務(wù)所需的cpu周期數(shù)為fk，則將第k個(gè)單天線用戶本地計(jì)算的延遲表示為將第k個(gè)單天線用戶本地計(jì)算的能耗表示為將第k個(gè)單天線用戶將αkdk?bit計(jì)算任務(wù)卸載至全雙工基站所需的卸載時(shí)間表示為將第k個(gè)單天線用戶將αkdk?bit計(jì)算任務(wù)卸載至全雙工基站所需的卸載能耗表示為將mec服務(wù)器為第k個(gè)單天線用戶執(zhí)行卸載的計(jì)算任務(wù)所需的時(shí)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k個(gè)單天線用戶的數(shù)據(jù)處理延遲tk表示為將第k個(gè)單天線用戶的總能耗ek表示為其中，αk表示第k個(gè)單天線用戶的計(jì)算任務(wù)的卸載比例，αk∈(0,1)，fk的單位為cycles/bit，fk表示第k個(gè)單天線用戶的本地計(jì)算能力，fk的單位為cycles/s，表示單天線用戶處的cpu能效系數(shù)，表示信道帶寬，rb,k表示第k個(gè)單天線用戶的可達(dá)速率，rb,k＝log2(1+γb,k)，表示全雙工基站分配給第k個(gè)單天線用戶的計(jì)算能力，的單位為cycles/s；

11、步驟3：通過聯(lián)合優(yōu)化雷達(dá)接收波束u、通信接收波束構(gòu)成的集合w、雷達(dá)信號(hào)x的協(xié)方差矩陣q、卸載比例構(gòu)成的集合α、所有單天線用戶的本地計(jì)算能力構(gòu)成的集合全雙工基站分配給所有單天線用戶的計(jì)算能力構(gòu)成的集合最小化單天線用戶間的最大能耗，構(gòu)建優(yōu)化問題，描述為：

12、

13、其中，表示優(yōu)化變量集合，tmax表示單天線用戶的最大數(shù)據(jù)處理延遲，γb,min表示全雙工基站接收信號(hào)的最小信干噪比，γe,max表示單天線竊聽者竊聽信號(hào)的最大信干噪比，γmin表示雷達(dá)回波信號(hào)的最小信干噪比，tr()表示求矩陣的跡，pmax表示全雙工基站的最大發(fā)射功率，fmax表示單天線用戶的最大本地計(jì)算能力，表示全雙工基站分配給單天線用戶的最大計(jì)算能力；

14、步驟4：利用塊坐標(biāo)下降法將優(yōu)化問題解耦為四個(gè)可處理的子問題，并迭代優(yōu)化子問題獲得局部最優(yōu)解，具體如下：

15、步驟4.1：令iter表示迭代次數(shù)，iter的初始值為1；初始化u,w,q,α,

16、步驟4.2：第1個(gè)子問題為關(guān)于優(yōu)化u和w的子問題，在給定q、α、和的情況下優(yōu)化u和w，最大化γecho和γb,k獲得u和wk的閉式解，對(duì)應(yīng)記為uo和其中，iter＝1時(shí)給定的q、α、和為初始化值，iter≠1時(shí)給定的q、α、和對(duì)應(yīng)為第iter-1次迭代時(shí)得到的qo、αo、和

17、第2個(gè)子問題為關(guān)于優(yōu)化q的子問題，在給定u、w、α、和的情況下優(yōu)化q，采用連續(xù)凸近似和s-procedure處理，將第2個(gè)子問題轉(zhuǎn)換為凸問題，再使用cvx求解凸問題，得到q的解qo；其中，給定的u和w對(duì)應(yīng)為第iter次迭代時(shí)得到的uo和iter＝1時(shí)給定的α、和為初始化值，iter≠1時(shí)給定的α、和對(duì)應(yīng)為第iter-1次迭代時(shí)得到的αo、和

18、第3個(gè)子問題為關(guān)于優(yōu)化α的子問題，在給定u、w、q、和的情況下優(yōu)化α，直接通過線性規(guī)劃問題求得α的解αo；其中，給定的u、w和q對(duì)應(yīng)為第iter次迭代時(shí)得到的uo、和qo，iter＝1時(shí)給定的和為初始化值，iter≠1時(shí)給定的和對(duì)應(yīng)為第iter-1次迭代時(shí)得到的和

19、第4個(gè)子問題為關(guān)于優(yōu)化和的子問題，在給定u、w、q、α的情況下優(yōu)化和直接通過線性規(guī)劃問題求得的解和的解其中，給定的u、w、q、α對(duì)應(yīng)為第iter次迭代時(shí)得到的uo、qo和αo；

20、步驟4.3：計(jì)算第iter次迭代時(shí)的然后比較第iter次迭代時(shí)的減去第iter-1次迭代時(shí)的得到的差值與判斷閾值的大小，若前者小于后者，則迭代結(jié)束，得到u,w,q,α,各自的局部最優(yōu)解；若前者大于或等于后者，則令iter＝iter+1，再返回步驟4.2繼續(xù)執(zhí)行；其中，iter＝1時(shí)第iter-1次迭代時(shí)的為設(shè)定的初始化值1，iter＝iter+1中的“＝”為賦值符號(hào)。

21、所述步驟2中，hk建模為萊斯信道模型，其中，ρ表示萊斯因子，表示第k個(gè)單天線用戶到全雙工基站的視距鏈路，表示第k個(gè)單天線用戶到全雙工基站的非視距鏈路，服從均值為0且方差為1的復(fù)高斯分布。

22、所述步驟2中，假設(shè)全雙工基站在實(shí)際情況下只能獲取部分信道狀態(tài)信息，采用有界csi誤差模型描述不完美的信道狀態(tài)信息，則有：其中，表示全雙工基站到單天線竊聽者的估計(jì)信道，δbe表示hbe的信道誤差，||?||為二范數(shù)運(yùn)算符號(hào)，εbe為閾值，μ表示誤差百分比，表示第k個(gè)單天線用戶到單天線竊聽者的估計(jì)信道，δk表示gk的信道誤差，||為取模運(yùn)算符號(hào)，εk為閾值，

23、和均建模為萊斯信道模型，

24、其中，ρ表示萊斯因子，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k個(gè)單天線用戶到單天線竊聽者的視距鏈路，表示第k個(gè)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。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

26、1)本發(fā)明方法利用全雙工基站的全雙工特性，使其能夠在同一頻段內(nèi)同時(shí)傳輸雷達(dá)信號(hào)和接收卸載數(shù)據(jù)即上行卸載信號(hào)，無需額外的頻譜資源，顯著提高了頻譜效率和資源利用率，降低了mec系統(tǒng)的成本。

27、2)本發(fā)明方法通過雷達(dá)信號(hào)的反射特性，全雙工基站能夠在不完美信道狀態(tài)信息(csi)的情況下，有效感知潛在竊聽者，這種能力顯著提升了mec系統(tǒng)的物理層安全，使得竊聽者難以隱藏其存在。在感知竊聽者的同時(shí)，全雙工基站可以利用雷達(dá)信號(hào)主動(dòng)干擾竊聽者，降低竊聽者接收卸載數(shù)據(jù)的信干噪比，從而有效防止卸載數(shù)據(jù)被竊聽。這種雙重防護(hù)措施極大地增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

28、3)本發(fā)明方法針對(duì)mec系統(tǒng)采取部分卸載方案，并巧妙地融合isac技術(shù)，以顯著提升卸載速率，這種靈活的方式避免了不必要的數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算資源消耗，從而降低了用戶設(shè)備的能耗，isac技術(shù)的融合還拓展了邊緣計(jì)算的應(yīng)用場景和功能。