[论文解读] Energy-Efficient Resource Allocation for Secure NOMA-Enabled Mobile Edge Computing Networks

Wei Wu, Fuhui Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用 7

一句话总结

本文提出了一种面向安全非正交多址（NOMA）启用的移动边缘计算（MEC）网络的节能资源分配框架，联合优化了计算卸载、功率分配与保密约束。该研究为加权和能效最小化问题推导出半闭式解，为保密中断概率最小化问题推导出闭式表达式，在真实窃听条件下展现出优于基准方案的能效与安全性性能。

ABSTRACT

Mobile edge computing (MEC) has been envisaged as a promising technique in the next-generation wireless networks. In order to improve the security of computation tasks offloading and enhance user connectivity, physical layer security and non-orthogonal multiple access (NOMA) are studied in MEC-aware networks. The secrecy outage probability is adopted to measure the secrecy performance of computation offloading by considering a practically passive eavesdropping scenario. The weighted sum-energy consumption minimization problem is firstly investigated subject to the secrecy offloading rate constraints, the computation latency constraints and the secrecy outage probability constraints. The semi-closed form expression for the optimal solution is derived. We then investigate the secrecy outage probability minimization problem by taking the priority of two users into account, and characterize the optimal secrecy offloading rates and power allocations with closed-form expressions. Numerical results demonstrate that the performance of our proposed design are better than those of the alternative benchmark schemes.

研究动机与目标

• 解决5G网络中大规模设备连接下能量受限、时延敏感的移动边缘计算挑战。
• 通过建模被动窃听者并采用保密中断概率作为性能指标，提升MEC的物理层安全性。
• 在保密性、时延和能耗约束下，联合优化通信与计算资源分配。
• 推导出最小化加权和能耗的最优功率分配与卸载策略，同时满足保密性与时延要求。

提出的方法

• 建立一个加权和能耗最小化问题，受保密卸载速率、计算时延和保密中断概率约束。
• 利用拉格朗日对偶与KKT条件，推导出最优功率与卸载分配的半闭式解。
• 引入考虑用户优先级的保密中断概率最小化问题，导出最优速率与功率分配的闭式表达式。
• 将窃听者的信道建模为已知路径损耗的瑞利衰落信道，并利用指数累积分布函数计算保密中断概率。
• 在NOMA上行链路传输中应用连续干扰消除（SIC），根据信道质量按顺序解调用户信号。
• 通过数值结果验证理论框架，将所提方案与OMA基及基准NOMA方案进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在保密性与时延约束下，如何最大化NOMA启用的MEC网络中的能效？
• RQ2 何种最优功率与计算卸载策略可最小化加权和能耗，同时确保保密性？
• RQ3 用户优先级如何影响保密中断概率？在此类约束下的最优分配策略为何？
• RQ4 在NOMA-MEC架构中，增加发射功率对次用户保密性能有何影响？
• RQ5 所提NOMA-MEC方案与OMA基MEC在能效与安全性方面相比如何？

主要发现

• 当能量预算较低时（例如 E < 0.45 J），所提方案在能效方面优于安全OMA-MEC卸载方案。
• 对于较高能量预算（例如 E > 0.45 J），由于主用户干扰增加，次用户的保密中断性能下降，但在大多数场景下仍优于OMA方案。
• 通过在用户优先级约束下优化保密约束，导出的闭式表达式使保密中断概率最小化。
• 为加权和能耗最小化推导出的半闭式解，确保了能效与安全性的最优权衡。
• 数值结果验证了理论分析的正确性，并证明了所提方案在能效与保密性能方面的优越性。