A Distributed Framework for Energy Trading Between UAVs and Charging Stations for Critical Applications

摘要无人机（UAV）在灾害管理、货物交付、监视、军事等各个领域的使用正在迅速增加。无人机应用扩展中的重要问题是（物联网到无人机）通信的安全性，考虑到电池功率有限，无人机和物联网设备的飞行时间有限。独立无人机无法完成多项任务，因此正在探索无人机群。无人机群中的安全问题不允许应用程序充分利用所能提供的好处。最近的几项研究建议使用无人机分布式网络来提升无人机群的安全级别
本文提出了一个无人机和充电站之间安全可靠的能源交易框架。基于tangle数据结构的高级区块链用于创建无人机和充电站的分布式网络。建议的模型允许无人机从充电站购买能源，以换取代币。如果无人机没有足够的代币购买能源，则该模型允许无人机从充电站借用代币。借来的代币可以连同利息或滞纳金退还给充电站。采用博弈论模型确定无人机的能源购买策略。数值分析表明，与传统方案相比，该模型有助于以安全且成本最优的方式为无人机群和充电站提供更高的效用。研究结果最终可以应用于在理想条件下持续需要能量的物联网设备。
I. I NTRODUCTION
近年来，几乎所有工程领域都出现了从手工工作到自动化的范式转变[1]，[2]。无人机的使用有助于实现这一转变。例如，无人机被用于各种应用，如医疗、军事、监视、灾害管理等[3]、[4]、[5]。然而，实际使用无人机执行实时和可扩展任务的应用程序很少[6]。这是因为与在现实生活中使用无人机相关的各种基本问题。第一个也是最重要的问题是无人机的飞行时间有限，这是由于电池存储容量有限[7]。由于重量限制，无人机中的电池尺寸无法增加。如果无人机重量较大，则很难在高空长时间飞行无人机[8]。各种工作建议在各种应用中使用成群的无人机，而不是单独的无人机[9]。尽管与独立无人机相比，无人机群显示出各种优势，但无人机群的安全问题远高于单个无人机[10]，[11]。对于较长的飞行或任务，无人机需要定时充电。在这种情况下，无人机可以利用中间充电站的服务[12]，
[13]. 如果大量使用无人机，则无人机和充电站之间的传统能源交易方式是非常无效的。在传统系统中，所有充电站均以独立模式运行，无人机也不知道特定充电站的当前能量可用性[14]。无人机需要以尽可能低的成本和尽可能短的时间获得能源。这需要无人机和充电站之间进行强大的点对点通信[15]。因此，最近很少有工作建议使用充电站和无人机的分布式网络。
近年来的一些工作集中于无人机对无人机通信中区块链的使用[16]，[17].
区块链是一种DLT（分布式账本技术），允许位于不同地理位置的多个实体之间进行安全的对等交易[18]，[19]。区块链技术为网络不同节点之间的所有交易创建了一个不可变的分布式账本[20]，[21]。每个节点都可以查看链中提交的所有事务，但没有节点可以篡改或更改链中提交的数据[22]，[23]。
尽管区块链在创建无人机和充电站之间能源交易的分布式网络方面被证明是非常有效的，但区块链的一些基本限制限制了该技术在此类应用中的使用。区块链算法存在一些基本缺陷，如交易确认的延迟、可扩展性限制以及共识算法的概率性质[32]，[33]。区块链中使用的共识算法也非常耗电[34]。微型交易不能添加到普通区块链中，因为给予矿工的此类交易激励最终会高于实际交易价值。手续费交易数量越来越高，区块的大小受到限制，从而限制了大量小型交易使用通用区块链[35]。各种工作建议使用其他共识算法，如股权证明（POS）、烧录证明（POB）或已用时间证明（POET），以克服通用区块链的限制。然而，所有这些一致性算法都遵循工作证明（POW）算法。无法使用POS共识流程创建新的分布式应用程序，因为网络中没有任何节点有任何利害关系或加密货币。在本文中，我们提出了一种基于先进区块链或物联网的充电站和无人机分布式网络的新应用。IOTA是一种DLT，它使用复杂的数据结构来存储事务。基于物联网的DLT与传统区块链一样安全和分布，但同时，与普通区块链相比，它提供了低延迟和非常低的功耗[36]。与普通区块链不同，基于物联网的区块链分类账没有任何矿工来处理交易[37]。物联网不涉及交易费用，微交易也是可能的。以下是本文的主要贡献：
提出了一种充电站和无人机的分布式网络，在该网络中，充电站和无人机可以通过网络进行交互并协商收费价格。基于物联网的共识用于在网络中的节点之间达成协议。
•允许无人机与充电站进行能源交易，根据其即时需求交换代币。如果无人机没有足够的代币购买能源，则该模型允许无人机从充电站借用代币。
•借用的代币可以连同利息或滞纳金退还给充电站。收费站也可以根据还款时间调整滞纳金，以增加收入。
•提出了一个博弈论模型，以并行提高无人机和充电站的效用和收益。
•对提出的模型进行了模拟，并进行了数值分析，以证明提出的模型优于传统方案。
本文的其余部分组织如下。第二节介绍了无人机充电领域的最新相关工作。第三节介绍了无人机和充电站之间能源交易分布式网络所涉及的总体程序。第四节介绍了与物联网技术和分布式系统相关的一些前期和背景细节
网络。第五节讨论了拟议的系统模型。第六节介绍了拟议的充电站和无人机之间能源交易的博弈论模型，以交换物联网代币。第六节介绍了能源交易的最优价格制定策略，该策略使无人机和充电站的效用最大化。第七节介绍了模拟设置和数值分析。第八节给出了最终结论。
二、相关工作
本节概述了与无人机充电相关的所有现有文献及其优点和局限性。Myung Jae Shin等人[29]提出了一个基于机器学习和拍卖机制的框架，用于调度无人机网络的能源需求。
如今，基于机器学习的模型也以不同的方式应用于无人机中。根据机器学习算法的预测，设计了一个拍卖模型，允许无人机竞价购买能源。[26]中的作者提出了一个选择无人机充电站的协作方案。所有飞行的无人机都向云服务器发送能量请求，云决定将无人机分配到充电站。该模型的局限性在于它是完全集中的，无人机的所有活动都完全依赖于来自中央云服务器的决策。这将导致大量的延迟，这在无人机的各种关键应用中可能是一个问题，例如使用无人机进行医疗和药物输送。
David Dominique等人[25]提出了一种基于合同的无人机收费系统。无人机可以在指定的方向位置降落在充电垫上。未考虑无人机的充电成本和充电站的收入。[30]的作者专注于减少无人机运送的路线，而不是增加飞行时间。作者使用旅行商问题（TSP）来计算配送的最小可能路线。分析了TSP的基本特征，并定义了路径失真。
Haider Mahmood Jawad等人[38]专注于农业应用中无人机的使用。电磁感应（EM）用于给飞行中的无人机充电，以增加其飞行时间和通信距离。使用磁共振耦合技术，因为它允许高传输功率，并有助于最小化传输过程中的能量损失。文献[27]的作者详细回顾了用于无人机充电的所有不同无线充电技术作者详细比较了每种技术的工作原理、优点和局限性。Chiuk Song等人[28]提出了减少无人机无线充电中电磁干扰的方法。当能量从电源传输到电池时，会产生强大的电磁场。这样的电场还可以向终端用户提供强大的电流。
Sheng Zhang等人[24]提出了一种灵活的无线充电模型。作者认为无人机的能量需求并不总是一致的，可能会基于各种因素而改变。考虑了能量消耗的影响，提出了一种行程选择和计费关联算法。Roberto G.Ribeiro等人[31]提出在采矿业中使用无人机。定期检查矿山灾害是一项非常重要和艰巨的任务。无人机可用于检查矿井中的泄漏或其他问题。由于无法获得太阳能，太阳能无人机不能用于矿山。进行有效检查还需要高亮度时间。作者提出了一个简明的混合整数线性规划（MILP）模型，用于充电站规划和无人机路径规划。
有几项工作侧重于增强无人机在多个领域的能力。这些工作还侧重于使用最新技术来提高无人机的整体电池寿命和飞行时间。然而，这些工作大多使用集中服务器或第三方云服务来管理无人机通信。此外，很少有工作专注于降低无人机充电成本和同时增加充电站收入。集中式方法极易受到数据窃取的影响，并且也是单点故障。现有文献缺乏充电站和无人机分布式网络的概念，其中节点可以安全地请求能量，并可以协商或决定充电价格。此外，在现有文献中，充电站收取的价格被视为固定价格。这限制了充电站通过改变价格来增加收入。因此，我们提出了一个公平、成本最优、准确和安全的无人机分布式收费框架。此外，我们考虑的因素，如充电站提供的动态定价根据不同的使用情况，这是在后面的部分讨论。

三、 系统概述
图1显示了充电站和无人机之间能源交易的分布式网络中涉及的步骤。最初，在充电站和无人机加入网络后，他们开始一个信息交换过程。这些信息记录在IOTA tangle上。
1.第一个方框显示了充电站和无人机之间进行信息传递或信息交换的第一步。这些信息包括有关费用要求、关键性、无人机愿意支付的成本等信息。
2.第二个方框显示了创建的缠结，以安全地存储充电站和无人机之间交换的信息。所有信息
加密和数字签名，以防止与数据完整性和不可否认性相关的问题。
3.第三个方框显示了无人机和充电站之间的点对点网络中的能源交易的可能性，以交换物联网代币，而无需任何中介机构或集中控制机构。
4.第四个方框显示物联网中的所有无人机获得最少数量的物联网代币，以从充电站购买能源。如果无人机没有足够的代币，那么他们会根据博弈论从充电站借用物联网代币。
5.第五个方框显示了无人机和充电站之间根据第七节讨论的最优价格制定策略进行谈判的情况。
6.第六个方框最后显示了无人机在能源交易充电站的实际分配情况。
四、 背景和物联网前期
在充电站和无人机的分布式网络中，物联网缠结用于记录和处理大量频繁的微交易。Tangle是一种基于有向无环图（DAG）的分布式账本[36]。物联网tangle提供的一些功能包括无感觉的微交易、资产转移和可信身份。所有无人机和充电站在连接到物联网时都充当节点。所有无人机都可以根据能量需求从充电站借用能量，以增加飞行时间。此过程可以在不涉及任何集中的第三方的情况下完成。无人机可以在需要时从附近的充电站购买能源[39]，[40]。接下来，我们将讨论理解所提出的模型和解决方案框架所需的一些预备知识。
A.数字身份
数字身份是任何分布式账本技术的重要组成部分[41]，[42]。参与能源交易的各方之间的信任水平由其数字身份来保证[43]。当使用集中式和传统的识别方法时，以惊人速度增长的大量用户数据的安全性往往会受到损害[44]。更好的选择是使用分布式账本上存储的经验证的数字身份。此外，提供认证和验证服务的第三方通过使用数字身份验证方法来节省费用[45]。
B.尖端选择算法
在传统区块链中，计算能力是验证用户是否进行真实交易的主要因素[46]，[47]。矿工用于在下一个块中验证和添加新事务。挖掘任务由物联网中的新事务完成。网络中的所有节点直接或间接批准新事务。这使得参与的节点和矿工变得模糊。这还可以防止对物联网网络的分布式拒绝服务（DDOS）攻击，因为所有节点都是等价，并且没有节点具有某种特权。进入混乱状态的任何新交易都需要选择并批准之前的两个交易。将在所选事务和新添加的事务之间创建边缘。新事务需要解决一个加密难题才能被批准为事务。然后，新事务等待另一个即将到来的事务的批准。提示用于在有向无环图中引用未批准的交易。新事务验证tip的过程由tip选择算法决定[36]。因此，tipselection算法和新事务添加到tangle中的速率决定了事务确认延迟。
C.共识机制对于每种分布式账本技术，必须在节点之间为交易的真实性产生一定程度的信任[48]。与传统区块链中的工作证明（PoW）算法相比，上述计算的交易累积权重用于在物联网中达成共识[49]，[50]。一致性是指所有网络节点之间的最终协议。由于分叉和修剪问题，区块链从未达成一致意见。在通用区块链中，今天挖掘的区块或今天添加到主链的交易可能会在一段时间后从主链中删除。目前的交易是否会永远留在主链中还没有保证。因此，通用区块链从未达成一致意见。在物联网遵循的协商一致过程中，情况并非如此。在物联网中，当物联网中几乎所有参与者都声明某一特定交易比其他交易更有效时，就达成了共识。在物联网中，共识分布在混乱中，参与者需要验证过去的两个交易，以便将自己的新交易放入网络中，如上所述。
a=1
b=α+c
其中，X a是直接批准事件Xα的任何事件
除了通过tip选择算法和基于累积权重的共识机制保护IOTA外，IOTA共识协议还增加了一个新的安全层，以克服冲突tip的问题。这种安全措施是一种基于投票的机制，称为“闪烁”。传统的如果网络中的节点数量增加，投票机制无法自动扩展。此外，在传统的基于投票的算法中，每个节点都需要知道网络中的其他节点。在shimmer算法中，节点倾向于根据其他节点的状态改变其状态，而不需要知道网络中所有节点的状态。
D.交易程序
每个充电站和无人机都有自己的伪匿名、虚拟和私人钱包，用于存储用于进行交易的物联网代币[51]，[52]。用户必须创建一个名为seed（81 trytes的字符串）的秘密密码，以便将IOTA用作网络[53]。物联网基于三元或三元计算。Trit是基数为3（0或1或2）的数字。Tryte由3个trit组成。它可以是由26个大写字母或数字9组成的27种状态之一。每个种子可以使用IOTA地址生成算法创建9 57个地址和私钥。由于它是公共的，用户可以使用事务中的地址字段向其他用户发送消息和令牌。捆绑包使用唯一的私钥进行签名，用于从地址中提取IOTA令牌。
V.P建议的系统模型
本节将讨论完整的系统模型，以及物联网中不同组件的作用。该模型的目的是平衡无人机充电所需能源的供需。该模型侧重于增加无人机的总飞行时间。采用博弈论模型，以成本最优的方式进行能源交易。
A.拟议能源交易模式的组成部分
1.能量节点：节点可以是无人机（买方）或充电站（卖方）。无人机必须具有最低数量的物联网代币，才能从充电站购买能源。如果UAV没有最低数量的代币，则可以从充电站借用代币。借用的代币需要返还给充电站，并由充电站收取利息或滞纳金。
2.能量聚合器：物联网中的智能合约充当能量聚合器。智能合约的工作是买方和卖方节点之间的经纪人或调解人。它有助于在想要分享能量的双方之间建立沟通。买方和卖方通过智能合同直接互动，无需第三方经纪人。
3.智能电表：智能电表将通过考虑账户中已存在的电量、交易电量和收费价格等细节，纳入拟议的定价算法。无人机和充电站之间的充电价格和交易电量根据智能电表（作为中间经纪人）计算的值确定。
B.拟议能源交易模式的运作
本节将逐步讨论能源交易过程中涉及的各个步骤。
1.网络中的系统架构和节点入口：用户在物联网上注册，注册后的每个用户成为唯一的实体节点。每个具有唯一ID的节点都获得其公钥和私钥。每个节点获得一组钱包地址，分布式账本存储有关能源请求和交易映射列表的所有信息。钱包地址包含能源硬币，IOTA tangle存储无人机和充电站的所有交易记录。如上所述，一旦节点进入网络并希望执行交易，物联网网络就会将钱包地址提供给节点。有充电站作为无人机的能源供应商。无人机可以进入网络，与充电站进行能源交易，以交换物联网代币。如果无人机没有足够的代币，则可以从充电站借用代币购买所需能源。借用的代币随后将偿还给充电站，并由充电站收取利息或滞纳金。既不愿意购买能源也不愿意借用代币且没有最低能量阈值的无人机不允许进入网络。这将作为一个检查点，以确保只有满足上述标准的节点才能进入网络，并且网络不会受到更多节点的影响。
2.能源交易网络中的不同角色：网络中有许多节点充当买方节点（UAV）或卖方节点（充电站）。能源匮乏的无人机从充电站购买能源，以换取物联网代币。缺乏代币的无人机可以首先从充电站借用代币，然后购买能源以交换借用的代币。借来的代币需要连同利息或滞纳金退还给充电站。
3.买家和卖家之间的能量交换：智能合约的交换功能负责物联网中的所有交易。它需要一些参数，比如买家的地址和想要购买的能源量。智能合同根据卖方（充电站）征收的收费价格和滞纳金，将买方（无人机）的要求与卖方池中的卖方相匹配。
4.支付安全加奖励和奖励：网络中的无人机在每次交易后都会获得新卖家节点的更新数据和新卖家可用能源的信息。每个交易都需要由发起人的数字签名进行签名。
5.能源交易中的散列：为了验证，每个事件或交易都包含一个前一个交易的散列，就像在传统区块链中一样[54]。这
VI. G AME T HEORY IN E NERGY T RADING M ODEL
在拟议的能源交易模式中，无人机充当买家，充电站充当卖家。充电站的作用是为无人机提供能量。每架无人机都可以进入这些充电站，充电站有足够的物联网代币。无人机需要有足够的物联网代币来请求能源。充电站向无人机提供物联网代币，使其能够从充电站购买能量[55]。无人机和充电站之间的能源交易取决于无人机当前代币余额及其以前的交易历史。根据无人机的需求，充足的代币从充电站转移到无人机的钱包地址。无人机还可以从充电站请求能量，以换取他们已经拥有的代币。在本节中，将讨论网络中节点之间的能量和令牌交易的各种步骤和场景。