【摘 要】
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海量机器类通信（massive Machine-Type Communication,mMTC）作为第五代移动通信系统的三大应用场景之一,将成为支撑物联网与泛在网络的重要组成部分,助力人与人、人与物、物与物的全面互联,并渗透至智慧工业、智慧医疗、智慧环境、智能交通、智能家居等各行各业,推动泛在智能物联应用爆发式增长,驱动实体经济数字化、网络化、智能化水平不断攀升。然而,mMTC业务呈现出不同的流量
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海量机器类通信（massive Machine-Type Communication,mMTC）作为第五代移动通信系统的三大应用场景之一,将成为支撑物联网与泛在网络的重要组成部分,助力人与人、人与物、物与物的全面互联,并渗透至智慧工业、智慧医疗、智慧环境、智能交通、智能家居等各行各业,推动泛在智能物联应用爆发式增长,驱动实体经济数字化、网络化、智能化水平不断攀升。然而,mMTC业务呈现出不同的流量模式且特征各异,例如上行通信占优、超高能效、超长寿命、短数据包传输、超低复杂度、精确定时、非连续数据不定时传输、多级别延迟容忍性、激增的开销和控制信令等特点,使得传统的通信协议设计难以支撑mMTC业务多样化的服务质量需求。而且,mMTC设备接入网络必然会造成网络的过载并产生海量数据,进一步加剧网络资源分配的挑战性,使得小型且能力受限的mMTC设备面临着高能耗及海量数据处理的巨大困境,更使得安全通信凸显出前所未有的重要性。因此,如何解决上行非正交多址接入（Non-orthogonal Multiple Access,NOMA）系统中 mMTC 设备能力受限约束下的高能效与安全传输这一核心难题,不仅具有重要的科学理论意义,还具有重大的实际应用价值。本文围绕上述核心难题,针对海量设备连接、上行通信占优、mMTC设备能量受限、传输数据包长度受限、安全能力受限及计算能力受限等关键挑战,开展面向高能效海量机器类通信安全技术研究,具体包括上行协作NOMA低功耗传输技术、短数据包高能效上行传输技术、上行安全传输增强技术和计算任务高能效安全迁移技术。主要内容包括:（1）针对mMTC设备能量受限问题,考虑传输时间和mMTC设备传输功率约束、大连接以及上行通信占优等特性,提出基于NOMA协作传输的最小化mMTC设备上行传输总能耗的传输时间与功率联合优化方案。设计mMTC设备分簇机制,其中根据mMTC设备剩余能量及地理位置信息动态更新簇头选择。并提出上行协作NOMA传输方案,在传输阶段,每簇内的MTC设备共享时频资源,将待传输数据传输至本簇的簇头处;在协作阶段,每簇内被选作簇头的mMTC设备共享时频资源,且作为中继将接收到的组员的数据及自身待传输的数据传输至基站处。进一步,提出基于比例的传输时间分配算法,并根据分配的传输时间得出mMTC设备的传输功率。与基于TDMA的功率分配方案相比,所提方案将mMTC设备上行传输的平均能耗降低了 16.7%。（2）针对mMTC设备传输数据包长度受限问题,考虑可用子信道使用限制和mMTC设备传输功率约束、大连接、上行通信占优及大量短数据包传输等特性,提出最大化mMTC设备短数据包上行传输可达有效能效的子信道与传输功率联合优化方案。考虑短数据包传输对NOMA系统接收端的影响,建立非完美串行干扰删除解码时的残留干扰模型,并基于有限长编码理论定义了可达有效能效。考虑短数据包最小传输速率、子信道使用限制及mMTC设备最大传输功率约束,建立短数据包上行传输可达有效能效优化模型。基于多智能体马尔科夫决策过程分析了子信道分配问题,并提出一种基于Q-learning的子信道分配算法。基于Dinckel算法将属于分式规划的可达有效能效优化问题等效为相应的减式非凸优化问题,并基于凸差理论将相应的非凸问题转化为凸问题,进而得到最佳传输功率。与基于OFDMA的联合子信道与功率分配方案相比,所提方案将mMTC设备短数据包上行传输的可达有效能效提高了 5.93%。（3）针对mMTC设备安全能力受限问题,考虑可用子信道和传输功率使用限制、海量连接容易受到窃听攻击等因素,提出最大化mMTC设备上行传输安全容量的子信道与传输功率联合优化方案。基于物理层安全技术定义mMTC设备在上行系统NOMA中的安全容量,在子信道使用限制及MTC设备最大传输功率约束条件下建立最大化mMTC设备安全容量模型。将功率分配问题建模为非合作博弈模型,其中每个自私且理性的mMTC设备通过选择最佳的传输功率策略最大化自身安全容量。证明了该非合作博弈纳什均衡存在性,给出该纳什均衡唯一性的充分性条件,得到每个MTC设备的最佳传输功率,提出分布式功率分配算法。针对子信道分配问题,每个mMTC设备可以选择多个最佳的子信道使用,每个子信道也可以供多个具有最佳安全容量的mMTC设备共享,提出了双重优先级的子信道分配算法。仿真结果表明所提方案可以快速收敛,与基于OFDMA的最大化上行传输安全容量方案相比,所提方案可有效提高无线资源使用的公平性,并将mMTC设备上行传输的安全容量提高了 71%。（4）针对mMTC设备计算能力受限问题,考虑无线资源和计算资源约束、mMTC设备高能效及计算任务安全迁移等需求,提出最大化mMTC设备计算任务安全迁移能效的计算资源和无线资源联合优化方案。基于物理层安全技术定义计算任务安全迁移速率和能效,并提出基于NOMA的移动边缘计算中继协助的计算任务安全迁移模型。在计算任务时延、计算资源与无线资源约束下建立最大化计算任务安全迁移能效优化模型,其中给定无线资源时,将联合优化问题等效为计算资源受限的背包问题。在给定计算资源时,将具有无线资源耦合的计算任务安全迁移能效优化问题分解为子信道分配和功率分配两个子问题,并提出基于多对多匹配理论的子信道分配算法。基于Dinckel算法将属于分式规划的计算任务安全迁移能效优化问题转化为相应的减式非凸问题,并基于凸差理论将非凸问题转化为凸问题,进而求解出计算任务安全迁移功率。仿真结果表明所提方案可以快速收敛,与基于NOMA的最大化计算任务安全迁移速率方案相比,所提方案将mMTC设备计算任务安全迁移能效提高了193.3%。
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