基于轨迹和资源优化的无人机辅助边缘计算安全节能方法

本发明属于无线通信领域中的安全节能，特别是一种无人机辅助边缘计算安全节能方法。

背景技术：

1、移动边缘计算旨在利用网络边缘的计算资源来为终端设备提供处理计算密集型、关键型任务的协助服务，缓解终端设备的计算压力，提高无线通信网络的计算效率。无人机凭借其灵活性高、实时性强的优势，可以配备边缘计算服务器快速到达指定地区来满足临时需求，扩大无线通信网络的覆盖范围，提高无线通信网络的计算能力。然而，由于无人机与终端设备之间无线信道的开放特性以及无人机通信的视距传输，终端设备卸载信息的安全传输存在较大威胁。恶意窃听者不仅可以窃听终端设备的任务信息，还可以攻击合法网络的卸载过程，严重损害合法网络的服务质量。此外，由于无人机携带的能量有限，严重影响无人机辅助边缘计算系统的性能。为了克服无人机辅助边缘计算的安全节能问题，需开发相应的安全节能机制在保障无人机辅助边缘计算与用户之间任务安全计算的情况下，节省系统能耗。

2、现有的无人机辅助边缘计算安全节能方法一般考虑地面被动窃听者，无法适应主动窃听无人机的情况，难以应对主动窃听下任务信息不仅被窃听，合法网络还被攻击的挑战。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，针对现有无人机辅助边缘计算安全节能方法未考虑主动窃听无人机的问题，本发明提供一种能够有效应对主动窃听无人机的基于轨迹和资源优化的无人机辅助边缘计算安全节能方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种基于轨迹和资源优化的无人机辅助边缘计算安全节能方法，无人机辅助边缘计算安全节能系统由一个搭载边缘计算服务器的四旋翼无人机uav server，一个主动窃听的无人机uav eavesdropper，k个终端设备以及一个地面干扰者gj，所述基于轨迹和资源优化的无人机辅助边缘计算安全节能方法包括以下步骤：

4、1)搭载边缘计算服务器的无人机uav server在飞行过程中协助k个终端设备在规定周期内完成计算任务，恶意的主动窃听无人机uav eavesdropper在飞行过程中窃取终端设备发送给uav server的任务信息，并且攻击合法网络的卸载过程，从而严重影响终端设备计算任务卸载传输的性能，为了抑制uav eavesdropper的窃听行为，地面干扰者gj发送干扰信号；

5、2)k个终端设备执行部分卸载策略，即终端设备在本地计算一部分任务，剩余部分卸载到uav server上计算，终端设备采用时分多址接入方式进行任务传输；

6、3)计算终端设备到uav server的任务传输速率rk,s[n]和到uav eavesdropper的窃听速率rk,e[n]，本地计算任务的能耗eloc,k[n]，终端设备发送卸载任务时的能耗etra,k[n]，uav server协助计算终端设备卸载任务的能耗eoff,k[n]以及uav server的飞行能耗efly[n]，从而获得系统总能耗etotal；

7、k个终端设备和无人机的轨迹优化和通信、计算资源分配问题建模为：

8、

9、满足以下条件

10、

11、

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13、

14、

15、

16、

17、

18、

19、其中，n表示总的时隙数，δt＝t/n表示一个时隙长度，t表示uav server和uaveavesdropper的飞行周期，pk[n]表示终端设备k发送卸载任务的功率，lloc,k[n]表示终端设备k在本地计算的任务数据量，loff,k[n]表示uav server协助终端设备k卸载计算的任务数据量，us[n]表示uav server在第n时隙的位置，和分别表示uav server飞行的起点位置和终点位置，vsmax表示uav server飞行的最大速度，fk[n]表示uav server在第n时隙的时间分配因子，ck和cs分别表示终端设备k和uav server计算一位任务数据所需要的中央处理器(cpu)周期，和分别表示终端设备k和uav server的最大cpu计算频率，lk表示终端设备k需要计算的总任务数据量，rk,sec[n]表示在第n时隙从终端设备k到uav server的安全计算速率，b表示信道带宽；

20、通过引入辅助变量将原始优化问题进行转化，然后将其分解为两个子问题，首先优化时间分配因子、发送功率、本地计算任务数据量和卸载计算任务数据量，然后优化uavserver的飞行轨迹。

21、进一步，所述步骤3)中，在第n时隙，终端设备k到uav server的任务传输速率rk,s[n]和到uav eavesdropper的窃听速率rk,e[n]分别表示为

22、

23、

24、其中，rk,s[n]和rk,e[n]分别表示在uav server和uav eavesdropper处的信噪比，分别表示为

25、

26、

27、其中，hk,s[n]表示终端设备k到uav server的信道系数，he,s[n]表示终端设备k到uav eavesdropper的信道系数，hj,e[n]表示gj到uav eavesdropper的信道系数，pe表示uaveavesdropper发送攻击信号的功率，pj表示gj发送干扰信号的功率，和分别表示在uav server和uav eavesdropper处的噪声；

28、在第n时隙，终端设备k本地计算任务的能耗eloc,k[n]，终端设备k发送卸载任务时的能耗etra,k[n]，uav server协助计算终端设备k卸载任务的能耗eoff,k[n]以及uav server的飞行能耗efly[n]分别表示为

29、

30、

31、

32、

33、其中，dk表示终端设备k计算一个cpu周期的能耗，ds表示uav server计算一个cpu周期的能耗，p0和pi分别表示uav server处于悬停状态下的叶片轮廓功率和感应功率，vs[n]表示uav server的飞行速度，utip表示转子叶片的叶尖速度，v0表示uav server悬停时平均旋翼感应速度，d0表示机身阻力比，ρ表示空气密度，s表示转子坚固度，a表示转子盘面积；

34、系统总能耗etotal表示为

35、

36、本发明的技术构思为：现有的无人机辅助边缘计算安全节能方法一般考虑地面被动窃听者，无法适应主动窃听无人机的情况，难以应对主动窃听下不仅任务信息被窃取，而且合法网络被攻击的挑战。本专利方法提供一种能够有效应对主动窃听无人机的基于轨迹和资源优化的无人机辅助边缘计算安全节能方法。通过联合优化时间分配因子、发送功率、本地计算任务数据量、卸载计算任务数据量以及无人机轨迹，有效抵制主动窃听，提高系统的安全节能性能。

37、本发明的有益效果主要表现在：解决现有无人机辅助边缘计算安全节能方法未考虑主动窃听无人机的问题，通过联合优化时间分配因子、发送功率、本地计算任务数据量、卸载计算任务数据量以及无人机轨迹，有效抵制主动窃听，提高系统的安全节能性能。