基于区块链的无人机辅助无线能量安全交易机制研究

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近年来,由于具有部署灵活、高质量视距信道、高移动性以及适应性强等优点,无人机成为学术界和工业界的研究热点。在未来的6G通信网络中,无人机相较于地面固定式通信设备能够提供更加灵活的通信服务,将成为通信网络不可或缺的组成部分。无人机的应用场景主要为按需的短期服务场景,比如为高度密集区域提供通信卸载、计算卸载和无线能量传输等服务。在这种情况下,由于突发的服务请求和复杂多变的环境,部署地面基础设施存在成本高、灵活性差等缺点,运用无人机提供灵活的按需服务可以有效满足突发的服务请求,进而提升网络服务质量和性能。本文考虑利用无人机辅助地面基站为低功率智能设备提供无线能量传输服务,以最大化地面基站的效益。另外,考虑不可信无人机辅助无线能量传输存在的安全和隐私问题,提出基于区块链的安全能量共享机制,有效提高了无线能量传输的安全性。本文首先提出了一种基于区块链的无人机辅助无线能量传输网络架构,设计无人机辅助无线能量安全交易机制。然后,对机制中存在的两个问题进行研究。第一个是无线能量共享的激励问题,即如何激励无人机参与无线能量传输服务以及解决无人机和地面基站信息不对称的问题,针对此问题本文提出了基于契约理论的解决方案。另一个是超时能量微交易的共识问题,即如何有效将共识超时的能量微交易链接到区块链上,针对此问题本文提出了基于深度强化学习的解决方案。具体的工作如下:(1)首先,提出了基于区块链的无人机辅助无线能量传输网络架构,该架构将无人机辅助无线能量传输网络分为能量层和区块链层。结合无人机和地面网络的特性,设计了一种融合实用拜占庭容错机制(PBFT)和有向无环图机制(DAG)的空-地区块链,并对身份认证、能量微交易、异构共识过程和能量币支付等关键细节进行了设计。(2)其次,为了激励无人机参与无线能量传输服务以及解决无人机和地面基站信息不对称的问题,从地面基站的角度建立基于契约理论的无线能量交易模型,该模型能够在最大化地面基站效益的情况下激励无人机参与无能能量传输服务。通过利用拉格朗日乘子法求解最优化方程,并利用MATLAB完成实验仿真。实验结果显示,该方案能够有效激励无人机提供无线能量传输服务,并且能够有效提高地面基站的效益。(3)最后,基于PBFT协议设计超时能量微交易的异构共识机制。从共识时延的角度构建最大化空-地区块链长期效益的优化问题,通过优化客户节点选择、带宽分配和计算资源分配等变量,来提高主节点的效益和交易共识的吞吐量。考虑到空-地区块链网络环境时变特性,采用Deep Q-Learning(DQN)算法求解最优解。实验结果表明,该方案能够有效提高空-地区块链网络的吞吐量和主节点的长期效益。
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