无人机协作通信系统中基于区块链的频谱共享机制*
2022-08-26周平,朱江
周 平,朱 江
(重庆邮电大学 a.通信与信息工程学院;b.移动通信技术重庆市重点实验室,重庆 400065)
0 引 言
无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)成本低、移动性高且部署灵活,有望成为未来无线通信网络的重要补充部分。无人机没有专用频谱,为了更好地实现无人机通信,通常将无人机与蜂窝网络进行频谱共享。协作频谱共享作为频谱共享的一种有效方法,通过允许无人机作为蜂窝用户(Cellular Network User,CU)的中继传输节点,使得无人机获得许可频谱访问机会,并提高蜂窝用户的传输速率,进而实现一种双赢的局面。目前一些工作已经研究了协作频谱共享问题[1-3],但是在无人机场景下的研究较少。协作频谱共享在实践过程中通常需要消耗共享参与者一定数量的资源和成本,在缺乏有效的激励策略的情况下很难平衡多方利益。
目前应用到无人机通信的协作频谱共享研究还存在一些局限性:一方面,缺乏可靠的激励机制;另一方面,缺乏安全的频谱共享机制。为此,公平、可靠的资源分配是上述通信系统设计的关键问题。拍卖理论是解决频谱分配公平性和分配效率的有效途径。针对无人机在协作过程中可能存在的恶意行为,文献[4]提出了一种声誉和信任模型来提高交易可靠性。区块链具有分散、匿名和可追踪等性质,可以被用来解决频谱共享参与者的信任问题,并通过数据加密、数字签名和密码学等技术提供安全的数据存储和验证服务。许多基于区块链的频谱共享的相关研究工作已被提出,例如文献[5]利用合同理论设计了一种基于区块链的异构网络安全频谱共享,文献[6]基于Stackelberg博弈模型提出了一种基于区块链的隐私保护频谱交易框架。
综上,在无人机与蜂窝网络的协作频谱共享问题中,考虑无人机在协作过程中的可靠性问题和频谱交易过程的安全性,本文提出一种基于区块链的去中心化拍卖模型,在频谱分配过程中设计基于信誉的拍卖机制,综合考虑无人机的中继速率、信誉进行选择。
1 系统模型及问题描述
1.1 系统模型
图1所示为协作频谱共享的下行链路系统。系统中有M个CU向远端基站(Base Station,BS)请求数据,其直接链路受到阴影或路径损耗等原因不能满足其高吞吐量需求。不同的CU采用频分复用接入方式。同时,系统中存在N个UAV需要为其地面接收器(UAV Receiver,UR)发送数据。UAV充当CU的中继来帮助CU提高传输容量以得到蜂窝信道的访问机会。在下文中,CU的集合用M={1,2,…,M}表示,UAV-UR发射器-接收器对的集合用N={1,2,…,N}表示,用CUm表示第m个CU,UAVn表示第n个UAV,URn表示第n个UAV的接收器。假设除基站外,所有节点均配备单根天线且所有链路都是准静态衰落信道,无人机通过导频获得其接收器和蜂窝用户的信道状态信息和位置,并且由于无人机的移动性引起的多普勒效应在接收机处均得到了预补偿。
图1 系统模型
(1)
式中:ρ0表示单位距离的信道功率增益,γ0表示路径损耗指数,dx,y表示节点之间的距离。
(2)
式中:ρ1表示路径损耗常数,γ1表示信道传播衰落指数,gb,m表示呈指数分布的小规模衰落增益,db,m表示BS到CUm的距离。
假设每个CU的下行链路最多选择一个UAV进行协作,一个UAV最多协作一个CU。使用半双工传输,将时域分为很多固定长度的时隙,当CUm与UAVn进行协作时,归一化时隙为两个阶段:在第一个阶段,基站向UAVn发送信号xm;在第二个阶段,UAVn利用正交频分多址技术同时发送信号xm和xr。图2说明了该下行通信系统每个时隙中两个网络之间的时间分配。
图2 每个时隙中继和无人机通信传输的时间分配
当CUm不与无人机进行协作时,整个时隙用于蜂窝链路通信,在CU端通过蜂窝链路接收到xm的数据速率表示为
(3)
当CUm与UAVn进行协作时,在第一个阶段UAVn收到信号xm的数据速率为
(4)
(5)
URn接收到信号xr的数据速率为
(6)
1.2 问题描述
本文研究在保证无人机通信的最小传输速率前提下,使用信誉值评估无人机在协作通信过程的可靠性,提出最大化蜂窝网络传输容量的优化方案,将优化问题建模为
(7a)
(7b)
(7c)
(7d)
(7e)
(7f)
(7g)
(8)
问题(7)可以通过穷举的集中式方法[7]来解决,但该方法有两个缺点:首先,需要知道全局信道状态信息,这在实际的异构网络不可能实现;此外,需要很高的计算能力在短时间内解决复杂的混合整数非线性规划问题,对于计算资源受限且传输延迟大的无人机和蜂窝网络来说不太可能。因此,本文采用区块链辅助的拍卖机制来设计上述协作频谱共享问题的分散式解决方案。
2 基于区块链的拍卖框架
为解决问题(7),设计了基于区块链的拍卖框图,如图3所示。区块链将不信任的参与者们联系在一起,避免了传统频谱交易事务中集中机构可能带来的安全威胁。在该框图中,将协作频谱共享所处的环境看作一个市场,市场中的参与人有无人机、基站、蜂窝用户和区块链网络,市场中待销售的物品为多个信道,基站为物品所有者,无人机为竞标者。首先,所有者和竞标者分别根据其要价策略和竞标策略向区块链网络发送信息;然后,由区块链的智能合约功能来执行拍卖;最后,根据赢家判决结果和方案宣布结果,即最优协作频谱共享的中继选择和相应的中继传输速率。
图3 基于智能合约的拍卖框图
2.1 要价策略
为保证协作中继可以提高蜂窝用户的传输速率,对要价am进行定义。
定义1:要价am为蜂窝用户不与无人机协作时的直接链路传输速率,即am=Rb,m。
2.2 竞标策略
竞标者根据当前状态的信道信息和优化目标来确定信道的出价。为保证在协作频谱共享中无人机通信的最低速率要求,定义信道价值和出价。
(9a)
(9b)
(9c)
(9d)
(9e)
2.3 赢家判决
参与协作频谱共享的恶意无人机可能不会按照付款速率进行协作。为了保证协作频谱共享的可靠性,本文采用与信誉值相关的赢家确定模型,获胜的UAV不仅取决于其出价,还取决于由UAV过去的操作而建立起来的信誉。根据该模型,将赢家判决问题公式化如下:
(10a)
(10b)
(10c)
(10d)
根据上述的拍卖框架,具体的赢家判决算法如下:
输出:E
Step2 基于1的计算结果及am构建M×N的出价矩阵。
Step3 对出价矩阵使用加边补零原则构造为方阵。
Step4 将每一行中的所有出价减去这一行中的最小出价,每一列中的所有出价减去这一列中的最小出价。
Step5 连接行或列中所有0项,记录最少的连线数。
Step6 如果连线数量等于M或N,则存在最优的分配,输出分配结果矩阵E,否则执行下一步。
Step7 找到连线未覆盖区域中的最小出价值,将所有未覆盖区域的值减去该最小值,返回Step 5。
2.4 付款方案
为了确保拍卖真实性,并兼顾系统公平性,对付款进行定义。
(11)
综上,竞标人通过高于真实值的报价是无利可图的。因此,在提议的拍卖机制下,竞标人会将真实价值作为出价。
证毕。
3 基于区块链的安全频谱共享
为实现上述协作频谱共享的基于信誉的拍卖分配机制和使用区块链的拍卖框架,设计出相应的信令流程,具体如图4所示。
图4 信令流程与资源分配过程
在协作频谱共享的交易过程中各方参与者只需要向区块链提交信息,无需知道其他各方的信息,信令交互如下:
(1)买家和卖家根据目标函数对频谱进行价值计算,然后将标价信息提交给区块链网络;
(2)区块链收集完各参与者的标价信息后,根据标价信息进行判决,其中假设每个无人机都有初始信誉值;
(3) 判决完成以后,区块链网络向所有用户广播结果,买家按照约定速率进行中继传输;
(4) 蜂窝用户收到来自中继的数据以后,根据区块链广播的结果进行服务反馈。
上述过程涉及多方,可能存在很多安全威胁。例如可能存在恶意的无人机通过多个假身份提交多个出价来作弊。其次在通信系统中通常需要一个可信的第三方用于确定激励和资源分配,实际中很难保证第三方完全可信,例如恶意的拍卖人可能会与买家勾结通过修改买家信誉值等操作来提高他和恶意买家的个人利益。为了阻止这些作弊行为并且完全利用所提出的拍卖机制的好处,使用区块链来执行激励和资源分配。区块链通过使用公钥密码系统、数字签名和哈希函数,并以分散的方式将交易存储在防篡改公共账本中,保证了可靠性、完整性和一致性。此外,其智能合约功能使得拍卖可以在没有第三方的情况下执行,并且可以由买方、卖方和智能合约本身调用,从而实现分散、安全和公平的资源分配协商机制[6]。
3.1 竞标者可靠性
首先,想要参与协作频谱共享的各方生成自己的公钥和私钥对{pkn,skn},竞标者根据信道增益信息计算能够提供的协作中继速率,计算完成后就向区块链网络提交投标,将这一过程表示为
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表示当前的时间戳,txid表示唯一对应的交易识别号,Enc表示非对称密钥加密算法。竞标者对交易信息使用私钥进行数字签名,为了随机化哈希操作,竞标者在哈希计算过程添加一个随机数nonce。由于每个竞标人只有一个公私钥对,所以无法伪造身份来提交多个虚假投标。
3.2 信誉反馈
对于蜂窝用户来说,为了确保有效提高其数据接收速率,将对中继服务进行反馈,在接收到无人机的中继传输后,向区块链提交反馈信息:
TCU→BlockChain=
EncskCU(H(δn‖nonce‖txid‖pkCU‖Time))。
(13)
式中:δn为指示符函数,如果在无人机中继协作期间,未按照约定支付传输速率,它等于1,否则它等于0。将无人机的信誉评估为
(14)
式中:NI为信誉更新间隔。由于无人机操作员是理性的,他可能在协作初期具有更多的违规操作。考虑时间的影响,根据指数遗忘模型[11]设置系数wn:
(15)
式中:λ是一个比例因子。无人机过去及当前服务对于未来协作频谱共享中的声誉可以汇总为
(16)
3.3 去中心化拍卖
用户将信息提交至区块链以后,智能合约通过输入出价、要价、信誉反馈和相应的随机数来通过调用函数先验证竞标者签名:
Decpkn(TUAV→BlockChain)=
H(Bn‖nonce‖txid‖pkn‖Time)。
(17)
如果正确,则继续执行相同操作验证卖方签名,因为公私钥的唯一性,任何参与方传播虚假数据就会被系统识别出来,然后通过反向哈希函数检查出价等信息是否正确:
H(Bn‖nonce‖txid‖pkn‖Time)=
Decpkn(TUAV→BlockChain)。
(18)
如果都正确,则智能合约执行赢家判决算法来宣布获胜者。
4 仿真结果与分析
本节通过仿真验证所提方案的性能,在Python平台上进行仿真分析,具体仿真参数如表1所示。其中,CU随机分布在距离基站约500 m的区域,UAV与基站之间的距离在200~500 m之间均匀分布,UAV-UR链路的长度在100~500 m之间均匀分布。从基站到每个CU的传输功率和UAV的最大发射功率设为相同,所有仿真结果均在具有不同拓扑的100次试验中取平均值所得。
表1 仿真参数
4.1 区块链防篡改分析
图5显示了当系统中的无人机是恶意的时候,有区块链与无区块链系统对于无人机信誉值管理的影响。假设无人机的初始信誉值为0.5,在信誉管理中,蜂窝用户采用反馈机制评估无人机信誉值,并由区块链管理更新。从图中可以看出,区块链可以有效监测出无人机的恶意行为从而使得信誉值降低,而无区块链系统可通过修改信誉值使得信誉值提升,从而损害蜂窝网络的传输容量。
图5 无人机信誉值与拍卖轮次关系
4.2 付款方案分析
图6显示了买方市场的一种情况,此时获胜的有5个买家。图7显示了卖方市场的一种情况,此时获胜的有5个卖家。出价为UAV能够为CU提供的最大中继速率,要价为CU在直接链路获取的数据速率,付款为UAV在协作过程中实际为CU提供的中继速率。从图中可以看出每个获胜的卖方得到的中继速率不低于其要价,每个获胜的买方的付款不高于其出价,这意味着CU和UAV可以成功的匹配并获得了积极的效用。因此,买卖双方有足够的动机参与交易。
图6 在提议的付款方案下的系统收益(M=5,N=8)
图7 在提议的付款方案下的系统收益(M=8,N=5)
4.3 传输方法分析
图8和图9显示了在协作通信的第二个传输阶段,本文所采用的有反馈的OFDMA传输方案与其他传输方案下的蜂窝网络容量的无人机发射功率和数量的关系图。
图8 蜂窝网络容量与发射功率的关系(M=5,N=5)
图9 蜂窝网络容量与UAV数量的关系(M=5,Pnmax=1 W)
无反馈的传输方案是指无信誉值反馈的拍卖分配机制,在这种情况下,无人机将有动机将获得的频谱资源更多地用于自身信息传输,即损害蜂窝用户的利益,将会导致蜂窝用户与无人机进行协作频谱共享的动力降低。从图8和图9可以看出,蜂窝网络容量随着无人机的发射功率的增加而增加,在无人机数量变化下保持相对稳定。这是由于随着发射功率的提高,分配给蜂窝用户的功率也逐渐增多,导致容量逐渐增大。TDMA方式会存在用户的等待时延,而OFDMA对频带进行了划分,可以同时传输多个任务,具有更好的频谱利用率,所以从图8和图9也可以看出OFDMA传输方式下蜂窝网络容量最高。
4.4 与其他方法的对比分析
公平性是促进异构网络之间进行协作的关键指标,表明系统中用户传输速率上的差异。本文用公平因子(Jain Fairness Index,JFI)[12]来研究网络之间的公平性,定义如下:
(19)
图10和图11表示不同方案下,不同无人机发射功率及无人机数量与公平因子之间的关系。其中,文献[7]为集中式方法,具有全局信道状态信息。从仿真结果可以看出,本文所提机制最接近集中式方法,这是因为本文应用匈牙利算法得到了出价的全局最优,文献[2]以最大化系统总容量为目标,文献[3]以最大化次用户的总容量为目标,且两者均考虑了干扰,而文本采用的传输方案没有用户间干扰,且运用维克里拍卖付款规则为无人机接收器做资源的二次分配,获得了更好的公平性。
图10 公平因子与发射功率的关系(M=5,N=5)
图11 公平因子与UAV数量的关系(M=5,Pnmax=1 W)
图12表示不同方案在不同无人机发射功率下的协作中断百分比。中断百分比是指无人机不参与到协作频谱共享的情况。仿真结果表明,本文所提的方案最接近集中式方案,并且可以使得无人机在较低的发射功率下参与到与蜂窝网络的协作频谱共享。这是因为文献[2]和文献[3]在考虑干扰的情况下设置了蜂窝用户的最小速率要求,无人机是能量受限的,这样会降低无人机参与协作频谱共享的动机。本文在没有干扰的情况下采用优先满足无人机通信需求的优化方案,可以更好地促进协作通信传输。
图12 协作中断百分比与发射功率的关系(M=5,N=5)
5 结 论
本文采用基于信誉的赢家判决方法和维克里付款规则保证了无人机在协作通信的可靠性和真实性。在保证无人机最小传输速率的同时,以最大化蜂窝网络传输为目标,提出了一种协作通信系统下行资源分配机制。使用区块链以分散式方式存储无人机的信誉值,由于传统拍卖过程中的隐私泄露威胁,采用区块链的智能合约功能执行拍卖机制。仿真表明,使用区块链可以有效管理信誉值,防止恶意节点篡改,与无反馈的机制相比,有反馈的频谱共享可以更好地提高蜂窝网络容量。此外,所提机制保证了UAV的最低传输速率,并使得蜂窝用户的效用有所提高,且相较于其他资源分配方式可以获得更好的公平性,有效地促进了无人机与蜂窝网络之间的协作频谱共享。