無人機(jī)協(xié)作通信系統(tǒng)中基于區(qū)塊鏈的頻譜共享機(jī)制*

周 平，朱 江

(重慶郵電大學(xué) a.通信與信息工程學(xué)院;b.移動通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

0 引 言

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)成本低、移動性高且部署靈活，有望成為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充部分。無人機(jī)沒有專用頻譜，為了更好地實(shí)現(xiàn)無人機(jī)通信，通常將無人機(jī)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻譜共享。協(xié)作頻譜共享作為頻譜共享的一種有效方法，通過允許無人機(jī)作為蜂窩用戶(Cellular Network User，CU)的中繼傳輸節(jié)點(diǎn)，使得無人機(jī)獲得許可頻譜訪問機(jī)會，并提高蜂窩用戶的傳輸速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一種雙贏的局面。目前一些工作已經(jīng)研究了協(xié)作頻譜共享問題[1-3]，但是在無人機(jī)場景下的研究較少。協(xié)作頻譜共享在實(shí)踐過程中通常需要消耗共享參與者一定數(shù)量的資源和成本，在缺乏有效的激勵(lì)策略的情況下很難平衡多方利益。

目前應(yīng)用到無人機(jī)通信的協(xié)作頻譜共享研究還存在一些局限性：一方面，缺乏可靠的激勵(lì)機(jī)制;另一方面，缺乏安全的頻譜共享機(jī)制。為此，公平、可靠的資源分配是上述通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。拍賣理論是解決頻譜分配公平性和分配效率的有效途徑。針對無人機(jī)在協(xié)作過程中可能存在的惡意行為，文獻(xiàn)[4]提出了一種聲譽(yù)和信任模型來提高交易可靠性。區(qū)塊鏈具有分散、匿名和可追蹤等性質(zhì)，可以被用來解決頻譜共享參與者的信任問題，并通過數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名和密碼學(xué)等技術(shù)提供安全的數(shù)據(jù)存儲和驗(yàn)證服務(wù)。許多基于區(qū)塊鏈的頻譜共享的相關(guān)研究工作已被提出，例如文獻(xiàn)[5]利用合同理論設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)安全頻譜共享，文獻(xiàn)[6]基于Stackelberg博弈模型提出了一種基于區(qū)塊鏈的隱私保護(hù)頻譜交易框架。

綜上，在無人機(jī)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作頻譜共享問題中，考慮無人機(jī)在協(xié)作過程中的可靠性問題和頻譜交易過程的安全性，本文提出一種基于區(qū)塊鏈的去中心化拍賣模型，在頻譜分配過程中設(shè)計(jì)基于信譽(yù)的拍賣機(jī)制，綜合考慮無人機(jī)的中繼速率、信譽(yù)進(jìn)行選擇。

1 系統(tǒng)模型及問題描述

1.1 系統(tǒng)模型

圖1所示為協(xié)作頻譜共享的下行鏈路系統(tǒng)。系統(tǒng)中有M個(gè)CU向遠(yuǎn)端基站(Base Station,BS)請求數(shù)據(jù)，其直接鏈路受到陰影或路徑損耗等原因不能滿足其高吞吐量需求。不同的CU采用頻分復(fù)用接入方式。同時(shí)，系統(tǒng)中存在N個(gè)UAV需要為其地面接收器(UAV Receiver,UR)發(fā)送數(shù)據(jù)。UAV充當(dāng)CU的中繼來幫助CU提高傳輸容量以得到蜂窩信道的訪問機(jī)會。在下文中，CU的集合用M={1,2,…,M}表示，UAV-UR發(fā)射器-接收器對的集合用N={1,2,…,N}表示，用CUm表示第m個(gè)CU，UAVn表示第n個(gè)UAV，URn表示第n個(gè)UAV的接收器。假設(shè)除基站外，所有節(jié)點(diǎn)均配備單根天線且所有鏈路都是準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道，無人機(jī)通過導(dǎo)頻獲得其接收器和蜂窩用戶的信道狀態(tài)信息和位置，并且由于無人機(jī)的移動性引起的多普勒效應(yīng)在接收機(jī)處均得到了預(yù)補(bǔ)償。

圖1 系統(tǒng)模型

(1)

式中：ρ0表示單位距離的信道功率增益，γ0表示路徑損耗指數(shù)，dx,y表示節(jié)點(diǎn)之間的距離。

(2)

式中：ρ1表示路徑損耗常數(shù)，γ1表示信道傳播衰落指數(shù)，gb,m表示呈指數(shù)分布的小規(guī)模衰落增益，db,m表示BS到CUm的距離。

假設(shè)每個(gè)CU的下行鏈路最多選擇一個(gè)UAV進(jìn)行協(xié)作，一個(gè)UAV最多協(xié)作一個(gè)CU。使用半雙工傳輸，將時(shí)域分為很多固定長度的時(shí)隙，當(dāng)CUm與UAVn進(jìn)行協(xié)作時(shí)，歸一化時(shí)隙為兩個(gè)階段：在第一個(gè)階段，基站向UAVn發(fā)送信號xm；在第二個(gè)階段，UAVn利用正交頻分多址技術(shù)同時(shí)發(fā)送信號xm和xr。圖2說明了該下行通信系統(tǒng)每個(gè)時(shí)隙中兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的時(shí)間分配。

圖2 每個(gè)時(shí)隙中繼和無人機(jī)通信傳輸?shù)臅r(shí)間分配

當(dāng)CUm不與無人機(jī)進(jìn)行協(xié)作時(shí)，整個(gè)時(shí)隙用于蜂窩鏈路通信，在CU端通過蜂窩鏈路接收到xm的數(shù)據(jù)速率表示為

(3)

當(dāng)CUm與UAVn進(jìn)行協(xié)作時(shí)，在第一個(gè)階段UAVn收到信號xm的數(shù)據(jù)速率為

(4)

(5)

URn接收到信號xr的數(shù)據(jù)速率為

(6)

1.2 問題描述

本文研究在保證無人機(jī)通信的最小傳輸速率前提下，使用信譽(yù)值評估無人機(jī)在協(xié)作通信過程的可靠性，提出最大化蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的優(yōu)化方案，將優(yōu)化問題建模為

(7a)

(7b)

(7c)

(7d)

(7e)

(7f)

(7g)

(8)

問題(7)可以通過窮舉的集中式方法[7]來解決，但該方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：首先，需要知道全局信道狀態(tài)信息，這在實(shí)際的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不可能實(shí)現(xiàn)；此外，需要很高的計(jì)算能力在短時(shí)間內(nèi)解決復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，對于計(jì)算資源受限且傳輸延遲大的無人機(jī)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)來說不太可能。因此，本文采用區(qū)塊鏈輔助的拍賣機(jī)制來設(shè)計(jì)上述協(xié)作頻譜共享問題的分散式解決方案。

2 基于區(qū)塊鏈的拍賣框架

為解決問題(7)，設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的拍賣框圖，如圖3所示。區(qū)塊鏈將不信任的參與者們聯(lián)系在一起，避免了傳統(tǒng)頻譜交易事務(wù)中集中機(jī)構(gòu)可能帶來的安全威脅。在該框圖中，將協(xié)作頻譜共享所處的環(huán)境看作一個(gè)市場，市場中的參與人有無人機(jī)、基站、蜂窩用戶和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，市場中待銷售的物品為多個(gè)信道，基站為物品所有者，無人機(jī)為競標(biāo)者。首先，所有者和競標(biāo)者分別根據(jù)其要價(jià)策略和競標(biāo)策略向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息;然后，由區(qū)塊鏈的智能合約功能來執(zhí)行拍賣;最后，根據(jù)贏家判決結(jié)果和方案宣布結(jié)果，即最優(yōu)協(xié)作頻譜共享的中繼選擇和相應(yīng)的中繼傳輸速率。

圖3 基于智能合約的拍賣框圖

2.1 要價(jià)策略

為保證協(xié)作中繼可以提高蜂窩用戶的傳輸速率，對要價(jià)am進(jìn)行定義。

定義1：要價(jià)am為蜂窩用戶不與無人機(jī)協(xié)作時(shí)的直接鏈路傳輸速率，即am=Rb,m。

2.2 競標(biāo)策略

競標(biāo)者根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的信道信息和優(yōu)化目標(biāo)來確定信道的出價(jià)。為保證在協(xié)作頻譜共享中無人機(jī)通信的最低速率要求，定義信道價(jià)值和出價(jià)。

(9a)

(9b)

(9c)

(9d)

(9e)

2.3 贏家判決

參與協(xié)作頻譜共享的惡意無人機(jī)可能不會按照付款速率進(jìn)行協(xié)作。為了保證協(xié)作頻譜共享的可靠性，本文采用與信譽(yù)值相關(guān)的贏家確定模型，獲勝的UAV不僅取決于其出價(jià)，還取決于由UAV過去的操作而建立起來的信譽(yù)。根據(jù)該模型，將贏家判決問題公式化如下：

(10a)

(10b)

(10c)

(10d)

根據(jù)上述的拍賣框架，具體的贏家判決算法如下：

輸出：E

Step2 基于1的計(jì)算結(jié)果及am構(gòu)建M×N的出價(jià)矩陣。

Step3 對出價(jià)矩陣使用加邊補(bǔ)零原則構(gòu)造為方陣。

Step4 將每一行中的所有出價(jià)減去這一行中的最小出價(jià)，每一列中的所有出價(jià)減去這一列中的最小出價(jià)。

Step5 連接行或列中所有0項(xiàng)，記錄最少的連線數(shù)。

Step6 如果連線數(shù)量等于M或N，則存在最優(yōu)的分配，輸出分配結(jié)果矩陣E，否則執(zhí)行下一步。

Step7 找到連線未覆蓋區(qū)域中的最小出價(jià)值，將所有未覆蓋區(qū)域的值減去該最小值，返回Step 5。

2.4 付款方案

為了確保拍賣真實(shí)性，并兼顧系統(tǒng)公平性，對付款進(jìn)行定義。

(11)

綜上，競標(biāo)人通過高于真實(shí)值的報(bào)價(jià)是無利可圖的。因此，在提議的拍賣機(jī)制下，競標(biāo)人會將真實(shí)價(jià)值作為出價(jià)。

證畢。

3 基于區(qū)塊鏈的安全頻譜共享

為實(shí)現(xiàn)上述協(xié)作頻譜共享的基于信譽(yù)的拍賣分配機(jī)制和使用區(qū)塊鏈的拍賣框架，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的信令流程，具體如圖4所示。

圖4 信令流程與資源分配過程

在協(xié)作頻譜共享的交易過程中各方參與者只需要向區(qū)塊鏈提交信息，無需知道其他各方的信息，信令交互如下：

(1)買家和賣家根據(jù)目標(biāo)函數(shù)對頻譜進(jìn)行價(jià)值計(jì)算，然后將標(biāo)價(jià)信息提交給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò);

(2)區(qū)塊鏈?zhǔn)占旮鲄⑴c者的標(biāo)價(jià)信息后，根據(jù)標(biāo)價(jià)信息進(jìn)行判決，其中假設(shè)每個(gè)無人機(jī)都有初始信譽(yù)值;

(3) 判決完成以后，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)向所有用戶廣播結(jié)果，買家按照約定速率進(jìn)行中繼傳輸;

(4) 蜂窩用戶收到來自中繼的數(shù)據(jù)以后，根據(jù)區(qū)塊鏈廣播的結(jié)果進(jìn)行服務(wù)反饋。

上述過程涉及多方，可能存在很多安全威脅。例如可能存在惡意的無人機(jī)通過多個(gè)假身份提交多個(gè)出價(jià)來作弊。其次在通信系統(tǒng)中通常需要一個(gè)可信的第三方用于確定激勵(lì)和資源分配，實(shí)際中很難保證第三方完全可信，例如惡意的拍賣人可能會與買家勾結(jié)通過修改買家信譽(yù)值等操作來提高他和惡意買家的個(gè)人利益。為了阻止這些作弊行為并且完全利用所提出的拍賣機(jī)制的好處，使用區(qū)塊鏈來執(zhí)行激勵(lì)和資源分配。區(qū)塊鏈通過使用公鑰密碼系統(tǒng)、數(shù)字簽名和哈希函數(shù)，并以分散的方式將交易存儲在防篡改公共賬本中，保證了可靠性、完整性和一致性。此外，其智能合約功能使得拍賣可以在沒有第三方的情況下執(zhí)行，并且可以由買方、賣方和智能合約本身調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)分散、安全和公平的資源分配協(xié)商機(jī)制[6]。

3.1 競標(biāo)者可靠性

首先，想要參與協(xié)作頻譜共享的各方生成自己的公鑰和私鑰對{pkn,skn}，競標(biāo)者根據(jù)信道增益信息計(jì)算能夠提供的協(xié)作中繼速率，計(jì)算完成后就向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)提交投標(biāo)，將這一過程表示為

TUAV→BlockChain=

Encskn(H(Bn‖nonce‖txid‖pkn‖Time))。

(12)

式中：H(·)表示使用SHA256算法的哈希操作。Time表示當(dāng)前的時(shí)間戳，txid表示唯一對應(yīng)的交易識別號，Enc表示非對稱密鑰加密算法。競標(biāo)者對交易信息使用私鑰進(jìn)行數(shù)字簽名，為了隨機(jī)化哈希操作，競標(biāo)者在哈希計(jì)算過程添加一個(gè)隨機(jī)數(shù)nonce。由于每個(gè)競標(biāo)人只有一個(gè)公私鑰對，所以無法偽造身份來提交多個(gè)虛假投標(biāo)。

3.2 信譽(yù)反饋

對于蜂窩用戶來說，為了確保有效提高其數(shù)據(jù)接收速率，將對中繼服務(wù)進(jìn)行反饋，在接收到無人機(jī)的中繼傳輸后，向區(qū)塊鏈提交反饋信息：

TCU→BlockChain=

EncskCU(H(δn‖nonce‖txid‖pkCU‖Time))。

(13)

式中：δn為指示符函數(shù)，如果在無人機(jī)中繼協(xié)作期間，未按照約定支付傳輸速率，它等于1，否則它等于0。將無人機(jī)的信譽(yù)評估為

(14)

式中：NI為信譽(yù)更新間隔。由于無人機(jī)操作員是理性的，他可能在協(xié)作初期具有更多的違規(guī)操作?？紤]時(shí)間的影響，根據(jù)指數(shù)遺忘模型[11]設(shè)置系數(shù)wn：

(15)

式中：λ是一個(gè)比例因子。無人機(jī)過去及當(dāng)前服務(wù)對于未來協(xié)作頻譜共享中的聲譽(yù)可以匯總為

(16)

3.3 去中心化拍賣

用戶將信息提交至區(qū)塊鏈以后，智能合約通過輸入出價(jià)、要價(jià)、信譽(yù)反饋和相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)來通過調(diào)用函數(shù)先驗(yàn)證競標(biāo)者簽名：

Decpkn(TUAV→BlockChain)=

H(Bn‖nonce‖txid‖pkn‖Time)。

(17)

如果正確，則繼續(xù)執(zhí)行相同操作驗(yàn)證賣方簽名，因?yàn)楣借€的唯一性，任何參與方傳播虛假數(shù)據(jù)就會被系統(tǒng)識別出來，然后通過反向哈希函數(shù)檢查出價(jià)等信息是否正確：

H(Bn‖nonce‖txid‖pkn‖Time)=

Decpkn(TUAV→BlockChain)。

(18)

如果都正確，則智能合約執(zhí)行贏家判決算法來宣布獲勝者。

4 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)通過仿真驗(yàn)證所提方案的性能，在Python平臺上進(jìn)行仿真分析，具體仿真參數(shù)如表1所示。其中，CU隨機(jī)分布在距離基站約500 m的區(qū)域，UAV與基站之間的距離在200～500 m之間均勻分布，UAV-UR鏈路的長度在100～500 m之間均勻分布。從基站到每個(gè)CU的傳輸功率和UAV的最大發(fā)射功率設(shè)為相同，所有仿真結(jié)果均在具有不同拓?fù)涞?00次試驗(yàn)中取平均值所得。

表1 仿真參數(shù)

4.1 區(qū)塊鏈防篡改分析

圖5顯示了當(dāng)系統(tǒng)中的無人機(jī)是惡意的時(shí)候，有區(qū)塊鏈與無區(qū)塊鏈系統(tǒng)對于無人機(jī)信譽(yù)值管理的影響。假設(shè)無人機(jī)的初始信譽(yù)值為0.5，在信譽(yù)管理中，蜂窩用戶采用反饋機(jī)制評估無人機(jī)信譽(yù)值，并由區(qū)塊鏈管理更新。從圖中可以看出，區(qū)塊鏈可以有效監(jiān)測出無人機(jī)的惡意行為從而使得信譽(yù)值降低，而無區(qū)塊鏈系統(tǒng)可通過修改信譽(yù)值使得信譽(yù)值提升，從而損害蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。

圖5 無人機(jī)信譽(yù)值與拍賣輪次關(guān)系

4.2 付款方案分析

圖6顯示了買方市場的一種情況，此時(shí)獲勝的有5個(gè)買家。圖7顯示了賣方市場的一種情況，此時(shí)獲勝的有5個(gè)賣家。出價(jià)為UAV能夠?yàn)镃U提供的最大中繼速率，要價(jià)為CU在直接鏈路獲取的數(shù)據(jù)速率，付款為UAV在協(xié)作過程中實(shí)際為CU提供的中繼速率。從圖中可以看出每個(gè)獲勝的賣方得到的中繼速率不低于其要價(jià)，每個(gè)獲勝的買方的付款不高于其出價(jià)，這意味著CU和UAV可以成功的匹配并獲得了積極的效用。因此，買賣雙方有足夠的動機(jī)參與交易。

圖6 在提議的付款方案下的系統(tǒng)收益(M=5,N=8)

圖7 在提議的付款方案下的系統(tǒng)收益(M=8,N=5)

4.3 傳輸方法分析

圖8和圖9顯示了在協(xié)作通信的第二個(gè)傳輸階段，本文所采用的有反饋的OFDMA傳輸方案與其他傳輸方案下的蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量的無人機(jī)發(fā)射功率和數(shù)量的關(guān)系圖。

圖8 蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量與發(fā)射功率的關(guān)系(M=5,N=5)

圖9 蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量與UAV數(shù)量的關(guān)系(M=5,Pnmax=1 W)

無反饋的傳輸方案是指無信譽(yù)值反饋的拍賣分配機(jī)制，在這種情況下，無人機(jī)將有動機(jī)將獲得的頻譜資源更多地用于自身信息傳輸，即損害蜂窩用戶的利益，將會導(dǎo)致蜂窩用戶與無人機(jī)進(jìn)行協(xié)作頻譜共享的動力降低。從圖8和圖9可以看出，蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量隨著無人機(jī)的發(fā)射功率的增加而增加，在無人機(jī)數(shù)量變化下保持相對穩(wěn)定。這是由于隨著發(fā)射功率的提高，分配給蜂窩用戶的功率也逐漸增多，導(dǎo)致容量逐漸增大。TDMA方式會存在用戶的等待時(shí)延，而OFDMA對頻帶進(jìn)行了劃分，可以同時(shí)傳輸多個(gè)任務(wù)，具有更好的頻譜利用率，所以從圖8和圖9也可以看出OFDMA傳輸方式下蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量最高。

4.4 與其他方法的對比分析

公平性是促進(jìn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行協(xié)作的關(guān)鍵指標(biāo)，表明系統(tǒng)中用戶傳輸速率上的差異。本文用公平因子(Jain Fairness Index,JFI)[12]來研究網(wǎng)絡(luò)之間的公平性，定義如下：

(19)

圖10和圖11表示不同方案下，不同無人機(jī)發(fā)射功率及無人機(jī)數(shù)量與公平因子之間的關(guān)系。其中，文獻(xiàn)[7]為集中式方法，具有全局信道狀態(tài)信息。從仿真結(jié)果可以看出，本文所提機(jī)制最接近集中式方法，這是因?yàn)楸疚膽?yīng)用匈牙利算法得到了出價(jià)的全局最優(yōu)，文獻(xiàn)[2]以最大化系統(tǒng)總?cè)萘繛槟繕?biāo)，文獻(xiàn)[3]以最大化次用戶的總?cè)萘繛槟繕?biāo)，且兩者均考慮了干擾，而文本采用的傳輸方案沒有用戶間干擾，且運(yùn)用維克里拍賣付款規(guī)則為無人機(jī)接收器做資源的二次分配，獲得了更好的公平性。

圖10 公平因子與發(fā)射功率的關(guān)系(M=5,N=5)

圖11 公平因子與UAV數(shù)量的關(guān)系(M=5,Pnmax=1 W)

圖12表示不同方案在不同無人機(jī)發(fā)射功率下的協(xié)作中斷百分比。中斷百分比是指無人機(jī)不參與到協(xié)作頻譜共享的情況。仿真結(jié)果表明，本文所提的方案最接近集中式方案，并且可以使得無人機(jī)在較低的發(fā)射功率下參與到與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作頻譜共享。這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]在考慮干擾的情況下設(shè)置了蜂窩用戶的最小速率要求，無人機(jī)是能量受限的，這樣會降低無人機(jī)參與協(xié)作頻譜共享的動機(jī)。本文在沒有干擾的情況下采用優(yōu)先滿足無人機(jī)通信需求的優(yōu)化方案，可以更好地促進(jìn)協(xié)作通信傳輸。

圖12 協(xié)作中斷百分比與發(fā)射功率的關(guān)系(M=5,N=5)

5 結(jié) 論

本文采用基于信譽(yù)的贏家判決方法和維克里付款規(guī)則保證了無人機(jī)在協(xié)作通信的可靠性和真實(shí)性。在保證無人機(jī)最小傳輸速率的同時(shí)，以最大化蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸為目標(biāo)，提出了一種協(xié)作通信系統(tǒng)下行資源分配機(jī)制。使用區(qū)塊鏈以分散式方式存儲無人機(jī)的信譽(yù)值，由于傳統(tǒng)拍賣過程中的隱私泄露威脅，采用區(qū)塊鏈的智能合約功能執(zhí)行拍賣機(jī)制。仿真表明，使用區(qū)塊鏈可以有效管理信譽(yù)值，防止惡意節(jié)點(diǎn)篡改，與無反饋的機(jī)制相比，有反饋的頻譜共享可以更好地提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量。此外，所提機(jī)制保證了UAV的最低傳輸速率，并使得蜂窩用戶的效用有所提高，且相較于其他資源分配方式可以獲得更好的公平性，有效地促進(jìn)了無人機(jī)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作頻譜共享。