基于博弈激励与联盟链的无人机内生安全频谱交易方法

本发明属于无人机通信安全与频谱资源管理，涉及一种基于博弈激励与联盟链的无人机内生安全频谱交易方法。

背景技术：

1、随着低空经济的蓬勃发展，无人机在物流运输、环境遥感及空中应急通信等领域的应用价值日益凸显 。然而，目前商用无人机主要工作于 ism（工业、科学和医疗）等免授权频段，随着设备数量的激增，频谱资源稀缺、同频干扰严重及链路可靠性差等问题愈发严峻，已严重制约了无人机业务的服务质量 。为了突破这一瓶颈，通过向拥有授权频谱的移动网络运营商（mno）动态租赁闲置频谱资源，已成为提升通信性能的关键途径 。

2、在现有的频谱共享与交易技术体系中，早期的技术方案多采用静态频谱划分或固定定价模式。这种模式下，运营商往往以固定的价格将频谱长时间租赁给特定用户，缺乏对实时市场供需变化的响应机制 。然而，在实际的无人机辅助蜂窝网络场景中，运营商（mno）与无人机运营方均属于理性的利益主体，双方均追求自身利益的最大化 。静态的交易方式存在显著缺陷：一方面，无法激励运营商在频谱紧张时分享资源，导致频谱利用率低下；另一方面，单一的定价策略无法满足不同无人机业务对带宽的多样化需求，难以实现系统整体收益的最优化 。虽然已有部分研究引入了拍卖或合同理论来尝试解决分配问题，但现有的激励机制往往假设交易环境是完全可信的，忽视了开放网络环境下的安全威胁 。

3、此外，传统的频谱交易架构通常基于中心化数据库或第三方中介进行管理 。这种中心化架构存在天然的单点故障隐患，中心服务器极易成为网络攻击的目标，一旦遭受攻击可能导致交易数据被篡改、用户隐私泄露甚至整个交易系统瘫痪。特别是在点对点（p2p）的频谱交易过程中，由于缺乏内生安全机制，交易双方极易面临恶意欺诈风险，例如恶意运营商发布虚假频谱信息、恶意无人机拒绝支付费用等。

4、为了解决上述信任与安全问题，区块链技术凭借其去中心化、不可篡改及可追溯的特性提供了新的解决方案 。但是，现有的公有链技术（如比特币、以太坊）主要采用工作量证明（pow）等高算力共识机制，其计算复杂度高、能源消耗大。而无人机集群通常受限于机载能量与计算能力，且网络拓扑具有高动态变化的特征，直接应用传统区块链技术会导致严重的通信延迟与能耗负担，无法满足频谱交易的高频次与低时延需求。

5、因此，现有技术尚缺乏一种既能通过博弈论实现动态定价与激励，又能利用轻量化区块链技术保障交易内生安全的高效频谱交易方法。

技术实现思路

1、为解决现有频谱交易方案存在的单点故障、隐私泄露风险高、计算开销大及缺乏有效激励机制等技术问题，本发明目的是提供一种基于博弈激励与联盟链的无人机内生安全频谱交易方法，通过融合联盟区块链、边缘计算技术与斯塔克尔伯格（stackelberg）博弈模型，在有效防御恶意攻击、保障频谱交易安全的同时，实现频谱资源的动态定价与交易双方收益的最大化。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的基于博弈激励与联盟链的无人机内生安全频谱交易方法，构建基于联盟链的去中心化交易架构，为频谱交易提供不可篡改的内生安全环境；利用多权重主观逻辑模型对边缘节点进行信誉评估，遴选高信誉节点参与共识维护，保障交易验证的可靠性；引入斯塔克尔伯格stackelberg博弈论模型设计动态定价机制，由移动网络运营商作为领导者制定动态价格策略，无人机运营商作为跟随者根据效用函数确定最优带宽需求，实现市场供需的纳什均衡；通过分布式共识将合法交易记录上链存储。本发明通过联盟链构建的可信底座与博弈激励机制的深度结合，在有效防御恶意攻击、保障频谱交易安全的同时，实现频谱资源的动态定价与交易双方收益的最大化。

4、本发明公开的基于博弈激励与联盟链的无人机内生安全频谱交易方法，包括以下步骤：

5、步骤一：系统初始化与身份注册。由可信授权机构ta作为系统的信任根负责初始化整个频谱交易联盟链网络，利用椭圆曲线数字签名算法ecdsa或非对称加密算法生成系统公共参数。移动网络运营商mno、无人机运营商及边缘计算节点向ta提交注册信息，ta审核通过后，为各实体分发包含唯一身份标识id及公钥的数字证书，并分配对应的数字钱包地址和私钥。系统初始化与身份注册生成的数字证书将作为步骤二中计算节点信誉的身份基准，而生成的钱包地址将作为步骤五中最终交易结算的账户基础。

6、步骤二：基于信誉的共识节点选择。利用步骤一中注册合法的边缘计算节点信息，引入多权重主观逻辑模型来筛选维护联盟链的共识节点。系统收集边缘节点与其他运营商的历史交互记录，将交互结果量化为包含信任、不信任和不确定性的本地意见向量，并基于正向与负向交互次数计算各边缘节点的综合信誉值 。根据计算出的信誉值对边缘节点进行排序，筛选出信誉值排名靠前的节点作为活跃共识节点。被选出的活跃共识节点将在步骤三中充当频谱交易的经纪人与中继者，并在步骤四中承担区块生成的计算任务，从而防止低信誉或恶意节点破坏共识过程。

7、步骤三：基于博弈论的频谱交易匹配。无人机运营商向步骤二中选出的活跃共识节点发送包含频谱需求的交易请求，mno与无人机运营商之间建立斯塔克尔伯格stackelberg博弈模型进行动态定价。其中，mno作为领导者根据自身闲置频谱资源制定并发布频谱单价以最大化自身售卖收益，而无人机运营商作为跟随者根据发布的单价及自身业务效用函数决定最优带宽购买量。双方通过逆向归纳法求解博弈的纳什均衡或斯塔克尔伯格均衡，确定最优交易价格与最优带宽分配，基于博弈论的频谱交易匹配过程中达成的包含价格、带宽及买卖双方签名的最优交易记录将被实时传送给步骤二选出的活跃共识节点，作为步骤四中区块打包的核心数据来源。

8、步骤四：区块生成与计算卸载。步骤二选出的活跃共识节点收集步骤三中生成的频谱交易记录，将其加密并签名后打包成候选区块，构建包含时间戳、上一区块哈希值及交易merkle根的区块头。利用边缘计算节点的计算资源执行工作量证明pow，即寻找满足系统难度目标的随机数。将计算密集型的共识任务卸载至边缘节点，缓解无人机节点的计算与能量压力。找到合法随机数的活跃共识节点将生成新区块，该区块即成为步骤五中分布式共识与验证的对象 。

9、步骤五：分布式共识验证与上链。主共识节点将步骤四生成的新区块广播至集群内，其他验证节点执行分布式共识算法，利用步骤一生成的公钥对区块内的交易签名、前一区块哈希值及工作量证明解的正确性进行审计与比对。当多数节点达成共识即验证通过后，将新区块按时序追加至联盟链账本中。同时，智能合约或系统逻辑将根据区块内的交易信息，自动更新步骤一中生成的钱包地址余额，即从无人机运营商钱包扣除相应代币并转入mno钱包，从而完成交易的安全结算与不可篡改的存证。

10、经由上述五个步骤，融合联盟区块链、边缘计算与斯塔克尔伯格stackelberg博弈模型，既可有效防御恶意攻击、保障频谱交易安全，又能实现频谱资源动态定价与交易双方收益最优。

11、进一步的，步骤二中，

12、所述信誉值计算基于主观逻辑模型，其中局部观点向量表示为，分别代表信任、不信任和不确定度。计算公式满足：

13、 ;;;

14、其中，为正向交互次数，为负向交互次数。

15、节点的信誉值计算公式为，其中为不确定度权重的常数。

16、进一步的，步骤三中，

17、所述斯塔克尔伯格博弈机制包含mno的定价策略与无人机运营商的购买策略。

18、无人机运营商i的效用函数定义为:，其中为无人机购买的带宽量，为无人机基础带宽需求，为拥有的频谱币数量，为单位带宽价格。

19、mno的效用函数定义为：，其中  表示共识记账奖励。 为发布共识打包任务所支付的积分币，其中为积分币与任务规模之间的系数， 为无人机 i 交易的任务规模。需满足条件总分配带宽不超过可用空闲频谱总量q。

20、进一步的，步骤三中，

21、所述联合优化包括非统一定价方案，对于给定的带宽价格，无人机运营商的最优带宽购买策略满足：

22、当 时，

23、否则，= 0;

24、mno的最优非统一定价策略满足： ，其中n为参与交易的无人机数量，q为空闲频谱总量。

25、进一步的，步骤四中，

26、所述工作量证明pow计算需寻找一个随机数，使得区块哈希值满足难度要求：

27、；

28、其中包含时间戳、交易merkle根及前一区块哈希值，为系统设定的难度目标值。

29、步骤五中，分布式共识验证基于四阶段确认机制实现。 信誉值排名最高的主共识节点成为领导者leader，将新生成的候选区块进入分布式共识与验证流程。该共识验证算法具体包括广播、审计、结果比对与确认四个阶段：

30、广播阶段：领导者将包含时间戳、交易merkle根、前一区块哈希值以及自身pow工作量证明的候选区块，通过安全信道广播至集群内的所有其他活跃验证节点。

31、审计阶段：各验证节点接收到候选区块后，独立对区块内包含的买卖双方数字签名、交易逻辑（如频谱余额与积分币是否充足）以及pow哈希难度目标进行合法性审计计算。

32、结果比对阶段：各验证节点将自身的审计结果（通过/拒绝）及对应签名在联盟链网络中进行二次广播，并收集其他节点的审计结果进行比对验证。

33、确认阶段：采用拜占庭容错原则，当超过预设安全阈值（如集群内三分之二以上）的验证节点对区块数据的审计结果一致并投出赞成票时，判定共识通过。 共识达成后，新区块被按时序追加至联盟链账本中，并同步至所有节点的本地存储。同时，智能合约将根据最终上链的交易结果，自动更新步骤一中为各实体生成的钱包地址余额，从而闭环完成交易的安全结算与不可篡改存证。

34、有益效果：

35、1. 去中心化与高可靠性：本发明采用联盟区块链架构替代传统中心化中介，消除了单点故障风险；交易数据分布存储于多节点，任何单一节点的故障或被攻击不会导致系统瘫痪，显著提升了频谱交易系统的抗毁性与运行稳定性 。

36、2.增强的安全性与隐私保护：本发明通过非对称加密、数字签名及分布式账本技术，确保交易内容的不可篡改性与可追溯性；结合匿名身份认证与钱包机制，有效防止了恶意节点的伪装、重放攻击及隐私窃取，构建可信的频谱交易环境 。

37、3. 资源效率与高性能：本发明利用边缘计算节点承担区块链的共识计算任务，结合轻量级的联盟链共识机制，精准适配无人机网络资源受限的特性，保障交易过程的高效性 。

38、4. 收益最大化与激励相容：引入斯塔克尔伯格博弈模型设计的定价机制，能够根据市场供需关系动态调整频谱价格与分配策略，不仅激励mno分享闲置频谱，也确保无人机运营商能以合理成本获取资源，实现系统整体效用与个体收益的联合优化 。