周 平，朱 江

(重慶郵電大學 a.通信與信息工程學院;b.移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)

0 引 言

無人機(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)絡的重要補充部分。無人機沒有專用頻譜，為了更好地實現(xiàn)無人機通信，通常將無人機與蜂窩網(wǎng)絡進行頻譜共享。協(xié)作頻譜共享作為頻譜共享的一種有效方法，通過允許無人機作為蜂窩用戶(Cellular Network User，CU)的中繼傳輸節(jié)點，使得無人機獲得許可頻譜訪問機會，并提高蜂窩用戶的傳輸速率，進而實現(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]，但是在無人機場景下的研究較少。協(xié)作頻譜共享在實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，在缺乏有效的激勵策略的情況下很難平衡多方利益。

目前應用到無人機通信的協(xié)作頻譜共享研究還存在一些局限性：一方面，缺乏可靠的激勵機制;另一方面，缺乏安全的頻譜共享機制。為此，公平、可靠的資源分配是上述通信系統(tǒng)設計的關鍵問題。拍賣理論是解決頻譜分配公平性和分配效率的有效途徑。針對無人機在協(xié)作過程中可能存在的惡意行為，文獻[4]提出了一種聲譽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)字簽名和密碼學等技術(shù)提供安全的數(shù)據(jù)存儲和驗證服務。許多基于區(qū)塊鏈的頻譜共享的相關研究工作已被提出，例如文獻[5]利用合同理論設計了一種基于區(qū)塊鏈的異構(gòu)網(wǎng)絡安全頻譜共享，文獻[6]基于Stackelberg博弈模型提出了一種基于區(qū)塊鏈的隱私保護頻譜交易框架。

綜上，在無人機與蜂窩網(wǎng)絡的協(xié)作頻譜共享問題中，考慮無人機在協(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計基于信譽的拍賣機制，綜合考慮無人機的中繼速率、信譽進行選擇。

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CU向遠端基站(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采用頻分復用接入方式。同時，系統(tǒng)中存在N個UAV需要為其地面接收器(UAV Receiver,UR)發(fā)送數(shù)據(jù)。UAV充當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CU，UAVn表示第n個UAV，URn表示第n個UAV的接收器。假設除基站外，所有節(jié)點均配備單根天線且所有鏈路都是準靜態(tài)衰落信道，無人機通過導頻獲得其接收器和蜂窩用戶的信道狀態(tài)信息和位置，并且由于無人機的移動性引起的多普勒效應在接收機處均得到了預補償。

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。

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

圖2 每個時隙中繼和無人機通信傳輸?shù)臅r間分配

當CUm不與無人機進行協(xié)作時，整個時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CUm與UAVn進行協(xié)作時，在第一個階段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通信的最小傳輸速率前提下，使用信譽值評估無人機在協(xié)作通信過程的可靠性，提出最大化蜂窩網(wǎng)絡傳輸容量的優(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，但該方法有兩個缺點：首先，需要知道全局信道狀態(tài)信息，這在實際的異構(gòu)網(wǎng)絡不可能實現(xiàn)；此外，需要很高的計算能力在短時間內(nèi)解決復雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，對于計算資源受限且傳輸延遲大的無人機和蜂窩網(wǎng)絡來說不太可能。因此，本文采用區(qū)塊鏈輔助的拍賣機制來設計上述協(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)，設計了基于區(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)頻譜交易事務中集中機構(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)境看作一個市場，市場中的參與人有無人機、基站、蜂窩用戶和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，市場中待銷售的物品為多個信道，基站為物品所有者，無人機為競標者。首先，所有者和競標者分別根據(jù)其要價策略和競標策略向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡發(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的中繼傳輸速率。

圖3 基于智能合約的拍賣框圖

2.1 要價策略

為保證協(xié)作中繼可以提高蜂窩用戶的傳輸速率，對要價am進行定義。

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

2.2 競標策略

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

(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可能不會按照付款速率進行協(xié)作。為了保證協(xié)作頻譜共享的可靠性，本文采用與信譽值相關的贏家確定模型，獲勝的UAV不僅取決于其出價，還取決于由UAV過去的操作而建立起來的信譽。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的計算結(jié)果及am構(gòu)建M×N的出價矩陣。

Step3 對出價矩陣使用加邊補零原則構(gòu)造為方陣。

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

Step5 連接行或列中所有0項，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

為了確保拍賣真實性，并兼顧系統(tǒng)公平性，對付款進行定義。

(11)

綜上，競標人通過高于真實值的報價是無利可圖的。因此，在提議的拍賣機制下，競標人會將真實價值作為出價。

證畢。

3 基于區(qū)塊鏈的安全頻譜共享

為實現(xiàn)上述協(xié)作頻譜共享的基于信譽的拍賣分配機制和使用區(qū)塊鏈的拍賣框架，設計出相應的信令流程，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)目標函數(shù)對頻譜進行價值計算，然后將標價信息提交給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡;

(2)區(qū)塊鏈收集完各參與者的標價信息后，根據(jù)標價信息進行判決，其中假設每個無人機都有初始信譽值;

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

(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)果進行服務反饋。

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通過多個假身份提交多個出價來作弊。其次在通信系統(tǒng)中通常需要一個可信的第三方用于確定激勵和資源分配，實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)通過修改買家信譽值等操作來提高他和惡意買家的個人利益。為了阻止這些作弊行為并且完全利用所提出的拍賣機制的好處，使用區(qū)塊鏈來執(zhí)行激勵和資源分配。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，從而實現(xiàn)分散、安全和公平的資源分配協(xié)商機制[6]。

3.1 競標者可靠性

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}，競標者根據(jù)信道增益信息計算能夠提供的協(xié)作中繼速率，計算完成后就向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡提交投標，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表示當前的時間戳，txid表示唯一對應的交易識別號，Enc表示非對稱密鑰加密算法。競標者對交易信息使用私鑰進行數(shù)字簽名，為了隨機化哈希操作，競標者在哈希計算過程添加一個隨機數(shù)nonce。由于每個競標人只有一個公私鑰對，所以無法偽造身份來提交多個虛假投標。

3.2 信譽反饋

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，將對中繼服務進行反饋，在接收到無人機的中繼傳輸后，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。將無人機的信譽評估為

(14)

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

(15)

式中：λ是一個比例因子。無人機過去及當前服務對于未來協(xié)作頻譜共享中的聲譽可以匯總為

(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、要價、信譽反饋和相應的隨機數(shù)來通過調(diào)用函數(shù)先驗證競標者簽名：

Decpkn(TUAV→BlockChain)=

H(Bn‖nonce‖txid‖pkn‖Time)。

(17)

如果正確，則繼續(xù)執(zhí)行相同操作驗證賣方簽名，因為公私鑰的唯一性，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)通過仿真驗證所提方案的性能，在Python平臺上進行仿真分析，具體仿真參數(shù)如表1所示。其中，CU隨機分布在距離基站約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CU的傳輸功率和UAV的最大發(fā)射功率設為相同，所有仿真結(jié)果均在具有不同拓撲的100次試驗中取平均值所得。

表1 仿真參數(shù)

4.1 區(qū)塊鏈防篡改分析

圖5顯示了當系統(tǒng)中的無人機是惡意的時候，有區(qū)塊鏈與無區(qū)塊鏈系統(tǒng)對于無人機信譽值管理的影響。假設無人機的初始信譽值為0.5，在信譽管理中，蜂窩用戶采用反饋機制評估無人機信譽值，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)測出無人機的惡意行為從而使得信譽值降低，而無區(qū)塊鏈系統(tǒng)可通過修改信譽值使得信譽值提升，從而損害蜂窩網(wǎng)絡的傳輸容量。

圖5 無人機信譽值與拍賣輪次關系

4.2 付款方案分析

圖6顯示了買方市場的一種情況，此時獲勝的有5個買家。圖7顯示了賣方市場的一種情況，此時獲勝的有5個賣家。出價為UAV能夠為CU提供的最大中繼速率，要價為CU在直接鏈路獲取的數(shù)據(jù)速率，付款為UAV在協(xié)作過程中實際為CU提供的中繼速率。從圖中可以看出每個獲勝的賣方得到的中繼速率不低于其要價，每個獲勝的買方的付款不高于其出價，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)絡容量的無人機發(fā)射功率和數(shù)量的關系圖。

圖8 蜂窩網(wǎng)絡容量與發(fā)射功率的關系(M=5,N=5)

圖9 蜂窩網(wǎng)絡容量與UAV數(shù)量的關系(M=5,Pnmax=1 W)

無反饋的傳輸方案是指無信譽值反饋的拍賣分配機制，在這種情況下，無人機將有動機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，將會導致蜂窩用戶與無人機進行協(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)絡容量隨著無人機的發(fā)射功率的增加而增加，在無人機數(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，導致容量逐漸增大。TDMA方式會存在用戶的等待時延，而OFDMA對頻帶進行了劃分，可以同時傳輸多個任務，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)絡容量最高。

4.4 與其他方法的對比分析

公平性是促進異構(gòu)網(wǎng)絡之間進行協(xié)作的關鍵指標，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，不同無人機發(fā)射功率及無人機數(shù)量與公平因子之間的關系。其中，文獻[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，本文所提機制最接近集中式方法，這是因為本文應用匈牙利算法得到了出價的全局最優(yōu)，文獻[2]以最大化系統(tǒng)總?cè)萘繛槟繕耍墨I[3]以最大化次用戶的總?cè)萘繛槟繕?，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，且運用維克里拍賣付款規(guī)則為無人機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)射功率的關系(M=5,N=5)

圖11 公平因子與UAV數(shù)量的關系(M=5,Pnmax=1 W)

圖12表示不同方案在不同無人機發(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在較低的發(fā)射功率下參與到與蜂窩網(wǎng)絡的協(xié)作頻譜共享。這是因為文獻[2]和文獻[3]在考慮干擾的情況下設置了蜂窩用戶的最小速率要求，無人機是能量受限的，這樣會降低無人機參與協(xié)作頻譜共享的動機。本文在沒有干擾的情況下采用優(yōu)先滿足無人機通信需求的優(yōu)化方案，可以更好地促進協(xié)作通信傳輸。

圖12 協(xié)作中斷百分比與發(fā)射功率的關系(M=5,N=5)

5 結(jié) 論

本文采用基于信譽的贏家判決方法和維克里付款規(guī)則保證了無人機在協(xié)作通信的可靠性和真實性。在保證無人機最小傳輸速率的同時，以最大化蜂窩網(wǎng)絡傳輸為目標，提出了一種協(xié)作通信系統(tǒng)下行資源分配機制。使用區(qū)塊鏈以分散式方式存儲無人機的信譽值，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)行拍賣機制。仿真表明，使用區(qū)塊鏈可以有效管理信譽值，防止惡意節(jié)點篡改，與無反饋的機制相比，有反饋的頻譜共享可以更好地提高蜂窩網(wǎng)絡容量。此外，所提機制保證了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，有效地促進了無人機與蜂窩網(wǎng)絡之間的協(xié)作頻譜共享。