一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法技术

本发明专利技术涉及一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，属于无线通信技术领域。在该方法中，将系统用户分为三类，分别具有不同等级的频谱接入权限并通过区块链技术在用户之间构建GBC与LBC；结合所提系统，在该方法中，PAL用户可拍卖获得优先接入许可证用于频谱接入和数据传输，GAA用户可申请接入PAL用户管理的频谱，有效实现频谱的安全共享及动态接入，从而提高频谱资源利用率。本发明专利技术所述系统和方法，基于区块链技术实现频谱的安全共享及动态接入，从而提升频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法
本专利技术属于无线通信
，涉及一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法。
技术介绍
目前已提出了多种共享频谱方案，如认知无线电(CognitiveRadio，CR)方案，CR设备对周围环境感知、探测、分析，并根据分析结果设置调整自身传输参数；电视空白频段(TVWhiteSpace，TVWS)方案，基于数字电视逐步取代传统模拟电视后空闲的TVWS频段，将其用于非授权用户的动态频谱接入；公民宽带无线电服务(CitizensBroadbandRadioService，CBRS)方案，CBRS的频谱与载波LTE、3550到3700MHz的150MHz带宽的连续频谱共享一个三层的结构。在上述方案中多采用集中式管理架构，即基于一个高度可信任的中央实体管理频谱接入系统。然而，集中式架构导致系统存在单点故障问题。作为一种去中心化的分布式记账技术，区块链技术通过使用共识算法、哈希函数、时间戳、非对称加密、可编程智能合约等先进技术，构建区块链，以保证数据的可追溯性、一致性和不可篡改。针对当前动态频谱共享方案存在的缺陷，本专利技术公开一种基于区块链技术的多级频谱共享系统及方法，将系统用户共分为三级，分别构建GBC及LBC并部署智能合约，以实现对动态频谱的高效分层管理。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，该方法包括以下步骤：S1：基于频谱接入系统SAS构建全局区块链GBC；S2：在GBC中部署全局频谱接入智能合约；S3：普通节点与智能合约交互，经验证后注册进入频谱共享系统，成为候选优先接入许可CPAL用户并获得拍卖优先接入许可证资格；S4：CPAL用户查询优先接入许可证拍卖列表，并对拟申请的优先接入许可证发起出价；S5：若CPAL用户在拍卖中获胜，智能合约生成交易，CPAL用户成为PAL用户，获得优先接入许可证所有权；S6：若CPAL用户竞价多次均失败，智能合约将其移出GBC；S7：基于PAL用户与网关节点构建本地区块链LBC；S8：在PAL用户处部署本地频谱接入智能合约；S9：一般授权接入GAA用户在入网阶段，通过认证注册与网关节点建立关联，并在频谱共享系统中注册信息；S10：拟申请频谱接入的GAA用户，即请求用户，向附近网关节点发送频谱接入请求消息；S11：网关节点接收到来自请求用户的频谱接入请求消息后，根据消息内容生成频谱接入请求交易并在LBC上广播；S12：PAL用户收集网关节点广播的请求交易后建模频谱分配共识问题，优化得到频谱分配方案；S13：PAL用户在LBC中广播自身生成的区块，包含最大全局收益的频谱分配方案的区块将最终得到确认并在LBC中同步；S14：网关节点查询LBC获得请求用户的频谱分配方案并转发至所关联请求用户；S15：请求用户收到频谱接入方案后，执行频谱接入。2、根据权利要求1所述一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在步骤S1中，所述GBC是由各地区的PAL用户和多个SAS组成的联盟链，负责频谱拍卖和PAL用户的频谱管理及记录，其中，SAS为GBC中的记账节点，执行授权拜占庭容错DBFT算法达成共识。可选的，在所述S2中，全局频谱接入智能合约包含以下功能函数：CPAL用户注册函数：GBC节点通过与此函数交互，注册成为CPAL用户，获得拍卖优先接入许可证的资格；拍卖函数：SAS通过与此函数交互发布拟拍卖的优先接入许可证，并确定拍卖时间和起拍价格等；出价函数：GBA节点通过与此函数交互参与拍卖，对拟购买的优先接入许可证发起出价；揭示报价函数：拍卖截止后，CPAL用户与此函数交互揭示实际出价；频谱资源分配函数：PAL用户通过与此函数交互获得SAS节点为其分配的频谱。可选的，所述S4具体为：SAS发布拟拍卖的优先接入许可证及相关信息，包括许可证所属区域、起拍价格、起拍时间和截止时间；令U＝{U1,...,Ui,...,UP}表示拟对许可证出价的CPAL用户集合，其中，Ui表示第i个拟出价用户，P为CPAL用户数目；Ui通过密钥Si对出价金额Mi进行加密得到字符串M’i＝SHA256(Mi,Si)，其中，SHA256为安全散列算法；Ui发送交易TX(M’i,Ni)到智能合约触发出价函数，其中，Ni表示该交易的实际金额；拍卖截止后，Ui向智能合约发送出价金额Mi和密钥Si触发揭示报价函数；揭示报价函数将Mi与Si输入SHA256算法得到输出字符串M”i，并进行验证比对，若M”i＝M’i且Ni≥Mi，表示出价有效；否则，出价无效，合约退还相应的资金到Ui；智能合约比较全部有效出价，出价最高的CPAL用户在本次拍卖胜出，获得优先接入许可证的所有权并成为PAL用户。可选的，在所述S7中，LBC是由PAL用户和网关节点组成的联盟链，负责GAA用户的频谱接入管理和记录，其中，PAL用户为LBC中的记账节点。可选的，在所述S8中，本地频谱接入智能合约包含以下功能函数：管理员注册函数：网关节点通过与此函数交互注册成为管理员；管理员切换函数：管理员与此函数交互，将其管理下的GAA用户切换至其他管理员；管理员注销函数：管理员节点通过与此函数交互注销管理员身份；GAA用户注册函数：普通用户与此函数交互注册进入频谱共享系统，成为GAA用户并实现与管理员的关联；GAA用户注销函数：GAA用户通过当前网关节点与此函数交互，注销退出频谱共享系统；频谱使用权限撤销函数：PAL用户与此函数交互撤销GAA用户当前占用频谱的使用权限。可选的，在所述S12中，共识问题具体建模为：假设LBC中存在M个PAL用户，令PALi表示第i个PAL用户，1≤i≤M；假设总系统带宽分为K个相等大小的子信道，令CHk表示第k个子信道；令bi,k∈{0,1}表示信道管理变量，bi,k＝1表示CHk由PALi管理；反之，CHk不受PALi管理；假设共有N个GAA用户发出频谱接入请求，令GAAj表示第j个GAA用户，1≤j≤N；令γi,j,k∈{0,1}表示信道分配变量，若PALi为GAAj分配CHk，则γi,j,k＝1；否则，γi,j,k＝0；建模PALi的效用函数Qi为所分配频谱对应用户本地和速率及全局和速率的加权和，即其中，λ1与λ2为权重因子；表示GAAj占用CHk传输数据对应的传输速率，其中，B表示信道带宽，σ2表示噪声功率，pj,k表示GAAj占用CHk传输数据所采用的发送功率，hj,k表示GAAj通过CHk传输数据到对端的信道增益；建模传输速率限制约束为其中，为GAAj的最小传输速率要求；建模信道分配约束条件为γi,j,k＝0，若bi,k＝0；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：/nS1：基于频谱接入系统SAS构建全局区块链GBC；/nS2：在GBC中部署全局频谱接入智能合约；/nS3：普通节点与智能合约交互，经验证后注册进入频谱共享系统，成为候选优先接入许可CPAL用户并获得拍卖优先接入许可证资格；/nS4：CPAL用户查询优先接入许可证拍卖列表，并对拟申请的优先接入许可证发起出价；/nS5：若CPAL用户在拍卖中获胜，智能合约生成交易，CPAL用户成为PAL用户，获得优先接入许可证所有权；/nS6：若CPAL用户竞价多次均失败，智能合约将其移出GBC；/nS7：基于PAL用户与网关节点构建本地区块链LBC；/nS8：在PAL用户处部署本地频谱接入智能合约；/nS9：一般授权接入GAA用户在入网阶段，通过认证注册与网关节点建立关联，并在频谱共享系统中注册信息；/nS10：拟申请频谱接入的GAA用户，即请求用户，向附近网关节点发送频谱接入请求消息；/nS11：网关节点接收到来自请求用户的频谱接入请求消息后，根据消息内容生成频谱接入请求交易并在LBC上广播；/nS12：PAL用户收集网关节点广播的请求交易后建模频谱分配共识问题，优化得到频谱分配方案；/nS13：PAL用户在LBC中广播自身生成的区块，包含最大全局收益的频谱分配方案的区块将最终得到确认并在LBC中同步；/nS14：网关节点查询LBC获得请求用户的频谱分配方案并转发至所关联请求用户；/nS15：请求用户收到频谱接入方案后，执行频谱接入。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：基于频谱接入系统SAS构建全局区块链GBC；
S2：在GBC中部署全局频谱接入智能合约；
S3：普通节点与智能合约交互，经验证后注册进入频谱共享系统，成为候选优先接入许可CPAL用户并获得拍卖优先接入许可证资格；
S4：CPAL用户查询优先接入许可证拍卖列表，并对拟申请的优先接入许可证发起出价；
S5：若CPAL用户在拍卖中获胜，智能合约生成交易，CPAL用户成为PAL用户，获得优先接入许可证所有权；
S6：若CPAL用户竞价多次均失败，智能合约将其移出GBC；
S7：基于PAL用户与网关节点构建本地区块链LBC；
S8：在PAL用户处部署本地频谱接入智能合约；
S9：一般授权接入GAA用户在入网阶段，通过认证注册与网关节点建立关联，并在频谱共享系统中注册信息；
S10：拟申请频谱接入的GAA用户，即请求用户，向附近网关节点发送频谱接入请求消息；
S11：网关节点接收到来自请求用户的频谱接入请求消息后，根据消息内容生成频谱接入请求交易并在LBC上广播；
S12：PAL用户收集网关节点广播的请求交易后建模频谱分配共识问题，优化得到频谱分配方案；
S13：PAL用户在LBC中广播自身生成的区块，包含最大全局收益的频谱分配方案的区块将最终得到确认并在LBC中同步；
S14：网关节点查询LBC获得请求用户的频谱分配方案并转发至所关联请求用户；
S15：请求用户收到频谱接入方案后，执行频谱接入。


2.根据权利要求1所述一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在步骤S1中，所述GBC是由各地区的PAL用户和多个SAS组成的联盟链，负责频谱拍卖和PAL用户的频谱管理及记录，其中，SAS为GBC中的记账节点，执行授权拜占庭容错DBFT算法达成共识。


3.根据权利要求1所述一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在所述S2中，全局频谱接入智能合约包含以下功能函数：
CPAL用户注册函数：GBC节点通过与此函数交互，注册成为CPAL用户，获得拍卖优先接入许可证的资格；
拍卖函数：SAS通过与此函数交互发布拟拍卖的优先接入许可证，并确定拍卖时间和起拍价格等；
出价函数：GBA节点通过与此函数交互参与拍卖，对拟购买的优先接入许可证发起出价；
揭示报价函数：拍卖截止后，CPAL用户与此函数交互揭示实际出价；
频谱资源分配函数：PAL用户通过与此函数交互获得SAS节点为其分配的频谱。


4.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：所述S4具体为：
SAS发布拟拍卖的优先接入许可证及相关信息，包括许可证所属区域、起拍价格、起拍时间和截止时间；
令U＝{U1,...,Ui,...,UP}表示拟对许可证出价的CPAL用户集合，其中，Ui表示第i个拟出价用户，P为CPAL用户数目；Ui通过密钥Si对出价金额Mi进行加密得到字符串M'i＝SHA256(Mi,Si)，其中，SHA256为安全散列算法；Ui发送交易TX(M'i,Ni)到智能合约触发出价函数，其中，N...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴蓉，胡夯，陈前斌，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50