本發(fā)明涉及無線通信的，尤其涉及一種邊緣計算信息安全優(yōu)化系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在移動邊緣計算(mobile?edge?computation，mec)應(yīng)用中，無線通信系統(tǒng)面臨著諸如信道不穩(wěn)定、安全性等方面的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)由于物理障礙、干擾和多路徑效應(yīng)，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降當(dāng)，卸載鏈路因阻塞而經(jīng)歷嚴(yán)重的信道衰減時，設(shè)備會遭受低卸載率的影響，這會導(dǎo)致計算卸載的高延遲和能量預(yù)算。同時，由于無線信道的廣播性，無線信道中的數(shù)據(jù)傳輸容易被竊聽，存在信息泄露的風(fēng)險。

2、近年來，智能反射面(intelligent?reconfigurable?surface，irs)技術(shù)因其能夠通過被動波束成形對無線傳播環(huán)境進(jìn)行智能重構(gòu)而備受關(guān)注。irs通過調(diào)整其單元的相移，可以增強(qiáng)到合法接收端的信號強(qiáng)度，并削弱到非法竊聽端的信號強(qiáng)度，從而顯著提升通信系統(tǒng)的性能和安全性。由于irs無需復(fù)雜的射頻鏈路，具有低功耗、低成本和易于部署等優(yōu)點(diǎn)，已成為下一代移動通信研究的熱點(diǎn)之一。通過利用irs技術(shù)，可以有效緩解信道衰減問題，提高信號覆蓋范圍和傳輸質(zhì)量，為解決現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)中的信道不穩(wěn)定和安全性問題提供了一種新的途徑。

3、目前，已有一些工作研究利用irs來輔助移動邊緣計算系統(tǒng)的安全卸載。然而，現(xiàn)有的工作irs都是部署在地面，并且沒有優(yōu)化irs的部署位置。這種固定的地面部署方式無法保證irs與基站和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間沒有阻擋物，因此irs與基站和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的信道可能仍然遭受嚴(yán)重的路徑衰減。另外，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備位于irs面板的背面時，irs無法有效地重新配置其信道環(huán)境，導(dǎo)致無法適應(yīng)多變的通信需求和環(huán)境變化，進(jìn)而導(dǎo)致移動邊緣計算無法有效的安全卸載，限制了移動邊緣計算系統(tǒng)的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有無線通信技術(shù)存在irs無法有效地重新配置其信道環(huán)境，導(dǎo)致無法適應(yīng)多變的通信需求和環(huán)境變化，進(jìn)而導(dǎo)致移動邊緣計算無法有效的安全卸載的問題，本發(fā)明提出一種邊緣計算信息安全優(yōu)化系統(tǒng)及方法，空中irs能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)備配置理想的信道環(huán)境，有效減少信道衰減并防止竊聽，從而提高移動邊緣計算系統(tǒng)的安全計算能力。

2、本發(fā)明的目的采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種邊緣計算信息安全優(yōu)化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括邊緣服務(wù)器、竊聽者、無人機(jī)搭載的智能反射面及若干個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；

4、每一個所述物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備用于對計算任務(wù)進(jìn)行本地計算或?qū)⒉糠钟嬎闳蝿?wù)無線傳輸至邊緣服務(wù)器；

5、所述邊緣服務(wù)器用于接收并處理來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳輸?shù)挠嬎闳蝿?wù)數(shù)據(jù)；

6、所述竊聽者用于模擬竊聽物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳輸?shù)挠嬎闳蝿?wù)數(shù)據(jù)；

7、無人機(jī)搭載的智能反射面針對存在的竊聽者，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器的通信環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。

8、在上述技術(shù)方案中，構(gòu)建的空中智能反射面安全移動邊緣計算系統(tǒng)，無人機(jī)搭載的智能反射面能夠在空中，針對竊聽者，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器的通信環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，從而有效協(xié)助地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到邊緣服務(wù)器的信息卸載，同時避免信息泄露給竊聽者，提高移動邊緣計算系統(tǒng)的安全計算能力。

9、一種邊緣計算信息安全優(yōu)化方法，所述方法包括以下步驟：

10、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備執(zhí)行部分卸載策略，將部分計算任務(wù)卸載至邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理；

11、以最大化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的最小安全計算速率為目標(biāo)，構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化問題；

12、對所述目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到任務(wù)安全卸載策略；

13、空中智能反射面根據(jù)所述任務(wù)安全卸載策略，輔助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將部分計算任務(wù)安全卸載至邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理。

14、在上述技術(shù)方案中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備執(zhí)行部分卸載策略，能夠?qū)⒁徊糠钟嬎闳蝿?wù)留在本地處理，另一部分任務(wù)卸載到邊緣服務(wù)器處理，以優(yōu)化計算資源的利用率；對所述目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到的任務(wù)安全卸載策略，能夠使空中的智能反射面根據(jù)任務(wù)安全卸載策略，有效的對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器的通信環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，同時，有效為地面設(shè)備配置理想的信道環(huán)境，大大減少了信道衰減和干擾，以適應(yīng)不同的通信需求和環(huán)境變化，進(jìn)而輔助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將部分計算任務(wù)安全卸載至邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理，提高移動邊緣計算系統(tǒng)的安全計算能力。

15、進(jìn)一步地，構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化問題的過程包括：

16、基于所述空中智能反射面安全移動邊緣計算系統(tǒng)，構(gòu)建三維笛卡爾坐標(biāo)系；

17、基于所述三維笛卡爾坐標(biāo)系，對邊緣服務(wù)器、竊聽者、無人機(jī)搭載的智能反射面及若干個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信設(shè)置通信約束；并分別對處理計算任務(wù)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和邊緣服務(wù)器設(shè)置計算約束；

18、基于通信約束和計算約束，構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化問題。

19、進(jìn)一步地，對邊緣服務(wù)器、竊聽者、無人機(jī)搭載的智能反射面及若干個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信設(shè)置通信約束的過程包括：

20、給定無人機(jī)的初始位置和終點(diǎn)位置，將無人機(jī)飛行時間劃分為n個時隙，設(shè)置無人機(jī)的軌跡約束，表達(dá)式為：

21、‖l[n+1]-l[n]‖≤dmax,n＝1,2,...,n-1

22、l[1]＝l0

23、lf＝l[n]；

24、設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)的過程中的發(fā)射功率約束，表達(dá)式為：

25、0≤pk[n]≤pk；

26、系統(tǒng)采用時分多址的方式進(jìn)行通信，對通信過程中的時隙分配進(jìn)行約束，表達(dá)式為：

27、

28、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與空中智能反射面在時隙n的信道增益，表達(dá)式為：

29、

30、空中智能反射面到邊緣服務(wù)器和竊聽者在時隙n的信道增益，表達(dá)式分別為：

31、

32、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到邊緣服務(wù)器和竊聽者的信道增益，表達(dá)式分別為：

33、

34、基于前述的各約束和信道增益，得到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將部分計算任務(wù)卸載至邊緣服務(wù)器過程中的安全卸載速率，表達(dá)式為：

35、

36、其中，l[n]表示在時隙n，無人機(jī)的水平坐標(biāo)，n∈{1,...,n}；k表示第k個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，pk[n]表示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k在時隙n的發(fā)射功率，pk表示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k的最大發(fā)射功率；tk[n]＝δak[n]表示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k在時隙n分配到的時間；ρ表示自由空間損耗下單位距離的路徑損耗；dk,i表示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k與空中智能反射面間的距離；di,b表示空中智能反射面與邊緣服務(wù)器間的距離；dk,b表示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k與邊緣服務(wù)器間的距離；dk,e表示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k與竊聽者間的距離；表示服從零均值和單位方差的圓對稱復(fù)高斯分布的隨機(jī)變量；{x}+表示x＝max{0,x}。

37、進(jìn)一步地，對處理計算任務(wù)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和邊緣服務(wù)器設(shè)置計算約束的過程包括：

38、設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k的本地計算量，表達(dá)式為：

39、

40、基于本地計算量，設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k的計算能力約束，表達(dá)式為：

41、

42、設(shè)置邊緣服務(wù)器的計算能力約束，表達(dá)式為：

43、

44、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k在整個計算周期的能耗約束，表達(dá)式為：

45、

46、其中，fk為設(shè)備k的cpu計算頻率；為服務(wù)器的最大cpu頻率；cb為服務(wù)器計算一位數(shù)據(jù)所需的cpu周期；表示設(shè)備k在本地計算時的能耗；eoff,k＝ak[n]δpk[n]表示在n時隙，計算任務(wù)卸載過程中的能耗為；rk,b[n]表示在時隙n，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k與邊緣服務(wù)器間的任務(wù)卸載速率。

47、進(jìn)一步地，基于通信約束和計算約束，以最大化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的最小安全計算速率為目標(biāo)，構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化問題，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k的安全計算速率表達(dá)式為：

48、

49、其中，rk,sec[n]表示在時隙n，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備k的安全卸載速率。

50、在上述技術(shù)方案中，通過對系統(tǒng)中的各組成設(shè)置不同約束，并以這些約束構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化問題，并對所述目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到的任務(wù)安全卸載策略，能夠使空中的智能反射面根據(jù)任務(wù)安全卸載策略，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器的通信環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，有效協(xié)助地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到邊緣服務(wù)器的信息卸載，同時避免信息泄露給竊聽者，從而提高移動邊緣計算系統(tǒng)的安全計算能力。

51、進(jìn)一步地，對所述目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解的過程包括：

52、將目標(biāo)優(yōu)化問題劃分為空中智能反射面相位優(yōu)化、時隙分配優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)射功率與本地計算頻率優(yōu)化、無人機(jī)軌跡優(yōu)化的四個優(yōu)化問題；

53、對空中智能反射面相位優(yōu)化、時隙分配優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)射功率與本地計算頻率優(yōu)化、無人機(jī)軌跡優(yōu)化的四個優(yōu)化問題進(jìn)行迭代求解，當(dāng)目標(biāo)值達(dá)到收斂精度時，得到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器間的任務(wù)安全卸載策略；

54、空中智能反射面根據(jù)所述任務(wù)安全卸載策略，輔助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將部分計算任務(wù)安全卸載至邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理。

55、進(jìn)一步地，將目標(biāo)優(yōu)化問題劃分為空中智能反射面相位優(yōu)化、時隙分配優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)射功率與本地計算頻率優(yōu)化、無人機(jī)軌跡優(yōu)化的四個優(yōu)化問題的過程包括：

56、固定時隙分配、無人機(jī)軌跡、發(fā)射功率和本地計算頻率，優(yōu)化空中智能反射面相位，表達(dá)式為：

57、

58、固定空中智能反射面相位、發(fā)射功率、本地計算頻率和無人機(jī)軌跡，優(yōu)化時隙分配，表達(dá)式為：

59、

60、固定時隙分配、空中智能反射面相位和無人機(jī)軌跡，聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射功率和本地計算頻率，表達(dá)式為：

61、

62、固定時隙分配、空中智能反射面相位、發(fā)射功率和本地計算頻率，優(yōu)化無人機(jī)軌跡，表達(dá)式為：

63、

64、進(jìn)一步地，采用交替優(yōu)化的方式，對空中智能反射面相位優(yōu)化、時隙分配優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)射功率與本地計算頻率優(yōu)化、無人機(jī)軌跡優(yōu)化的四個優(yōu)化問題進(jìn)行迭代的交替優(yōu)化求解。

65、在上述技術(shù)方案中，將目標(biāo)優(yōu)化問題劃分為四個優(yōu)化問題，并采用交替優(yōu)化的方式進(jìn)行迭代優(yōu)化，能夠有效保證優(yōu)化值能夠達(dá)到所需的預(yù)期目標(biāo)優(yōu)化值，求解得到的目標(biāo)優(yōu)化值作為任務(wù)安全卸載策略，能夠使空中的智能反射面根據(jù)任務(wù)安全卸載策略，有效的對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器的通信環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，同時，有效為地面設(shè)備配置理想的信道環(huán)境，有效減少了信道衰減和干擾，從而提高系統(tǒng)的安全計算能力。

66、一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上、并在處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，其中，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時，實(shí)現(xiàn)一種邊緣計算信息安全優(yōu)化方法的步驟。

67、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

68、本發(fā)明提出一種邊緣計算信息安全優(yōu)化系統(tǒng)及方法，首先，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備執(zhí)行部分卸載策略，能夠?qū)⒁徊糠钟嬎闳蝿?wù)留在本地處理，另一部分任務(wù)卸載到邊緣服務(wù)器處理，以優(yōu)化計算資源的利用率；然后，對所述目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到的任務(wù)安全卸載策略，能夠使空中的智能反射面有效的根據(jù)任務(wù)安全卸載策略，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與邊緣服務(wù)器間的通信環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，有效減少了信道衰減，同時避免信息泄露給竊聽者，提高移動邊緣計算系統(tǒng)的安全計算能力。