一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法技术

本发明专利技术公开一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法，应用于区块链与认知无线电领域，针对现有无线网络中基于认知无线电的频谱共享机制中，必须克服非诚实用户出于自身利益而干扰正常频谱感知与共享过程的问题，本发明专利技术设计了一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法；能够在不可信环境下，通过准确频谱感知机制实现用户对信道忙闲状态的准确判断，通过基于感知准确度的共识机制保障用户对空闲信道使用中的可信性与高效性，从而实现频谱感知与共享的准确性、可信性与高效性。可信性与高效性。可信性与高效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法


[0001]本专利技术属于区块链与认知无线电领域，特别涉及一种频谱感知和频谱共享的认证技术。

技术介绍

[0002]无线通信在研究与应用领域的快速发展，带来了用户数量的激增和海量设备的接入，互联互通的需求造成了对无线电频谱资源的需求呈指数增加，而无线通信的载体——无线电频谱资源却是十分昂贵且有限的。为有效解决频谱资源紧缺的问题，认知无线电技术被提出与研究应用。认知无线电技术是通过未授权用户对授权用户的频谱信号做感知，在感知到信道空闲时，在不妨碍授权用户正常通信情况下，未授权用户可以借用空闲的频谱资源进行通信。使用认知无线电技术，可以在授权频谱空闲的时候实现频谱资源的空间复用，有效地缓解频谱短缺问题，提高频谱资源的利用率。
[0003]但是，认知无线电技术的应用尚存在一些问题。由于网络规模越来越大，接入无线网络的未授权用户大多数情况下来自于不同的归属方，接入无线网络的目的也不尽相同，在网络中具有独立的决策方式和行为能力，在使用无线网络时很大程度上存在竞争。因此，应用对授权用户的频谱资源进行感知且在空闲时进行共享的认知无线电技术时，存在一些未授权用户抱以降低频谱资源利用效率、破坏网络正常运行或是欺瞒其他未授权用户以独享空闲信道的目的，这些非诚实用户在频谱感知时故意发布虚假的感知信息误导网络中其余未授权用户对信道忙闲状态的判断，在频谱共享时采用非正当手段竞争空闲信道的使用权，极大地降低了应用认知无线电技术解决频谱资源短缺问题的公平性和高效性。因此，认知无线电技术的有效运行，需建立在准确的频谱感知与可信的频谱共享基础上。
[0004]现行，对频谱感知和频谱共享的管理有认证和无认证两种方式。认证的方式通常依托一个集中式的管理环境，通过一个中心节点来传递和存储频谱感知信息和频谱共享结果，在无线网络中使用认证的方式，会带来额外的开销，也存在单点故障问题，因此在无线网络中各未授权用户归属不同的分布式场景中，不适合使用认证的方式管理频谱感知和频谱共享。无认证的方式借助区块链技术去中心化、不可篡改、可追溯、匿名性和透明性的优势特点，可以在无线网络中构建分布式可信的频谱感知和共享环境。但是，非认证方式也存在一定的问题。一方面，为了实现准确的频谱感知，无线网络中所有的未授权用户都参与协作频谱感知，则协作感知结果判断授权用户信道是否空闲的准确度会最高，网络中空闲频谱利用率很可能达到最大。然而，与不参与频谱感知相比，参与频谱感知需要消耗额外能量，网络中所有未授权用户都参加频谱感知将产生最高的额外能量消耗。因此，需要在频谱感知过程中额外能量消耗有限的情况下，提高频谱感知的准确度，从而整体提高无线网络的性能。另一方面，为了实现高效的频谱共享，利用区块链共识机制可以在无需互相信任的分布式系统中维持频谱共享的安全性与一致性。然而，在不可信的频谱共享环境中要共识出可使用空闲频谱的未授权用户，目前最广泛使用的POW共识算法只依赖未授权用户的算力大小，无法有效降低非诚实用户的影响。因此，要实现高效的频谱共享，需要一个能够有
效区分诚实与非诚实用户的共识算法，以此保障对空闲授权频谱资源使用中的公平性与高效性。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法，高效可靠地实现不可信环境下的准确频谱感知和高效频谱共享，有利于解决无线频谱资源日益稀缺的问题、促进认知无线电的发展，有着重要的研究意义与应用价值。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法，基于应用场景包括：主用户PU、次用户SU，在不可信的网络环境下，各次用户SU竞争使用主用户PU空闲信道；具体共享方法包括以下步骤：
[0007]S1、每个次用户SU通过控制信道广播其是否有数据发送需求，若第i个次用户SU参与了频谱感知，则同时广播自己的频谱感知值SNR
i
(t)；
[0008]S2、所有次用户根据自身的频谱感知值与接收到的其他次用户的频谱感知值，得到全网的协作频谱感知结果
[0009]S3、每个次用户根据自身的频谱感知值与全网的协作频谱感知结果的差值的绝对值，更新各自的积分值与信誉值；并通过控制信道广播各自更新后的积分值与信誉值；
[0010]S4、若存在信誉值小于基础信誉的次用户SU，则该次用户SU在本轮失去申请空闲信道的资格；
[0011]S5、若本时隙全网的协作频谱感知结果大于判断PU信道忙闲的门限值，则认为主用户PU当前信道不空闲，执行步骤S7；否则执行步骤S6；
[0012]S6、本时隙积分值最高的次用户SU获得本时隙生成区块和使用主用户PU空闲信道的权利，该次用户SU使用主用户PU本时隙空闲信道发送需要发出的数据，数据发送成功后，对其本时隙积分值减去发送代价，得到其本时隙积分值；返回步骤S1进行下一时隙的主用户PU空闲信道竞争；
[0013]S7、本时隙积分值最高的次用户SU将基于本时隙全网的协作频谱感知结果、各次用户SU的频谱感知值、各次用户SU本时隙最新的积分值和信誉值，形成本时隙的区块，并写入区块链；返回步骤S1进行下一时隙的主用户PU空闲信道竞争。
[0014]本专利技术的有益效果：本专利技术的方法具有以下优点：
[0015]1.本专利技术所提出的基于区块链的频谱感知和共享网络架构，可以在不可信的无线网络环境中，有效地提高空闲频谱利用率，通过对PU、HSU、DSU行为的合理建模，考虑相互之间决策的影响和约束，实现在不可信环境下基于区块链的频谱感知和频谱共享方案；
[0016]2.本专利技术所提出的不可信环境下的准确频谱认知机制，可以有效提高分布式、不可信网络环境的频谱认知准确度；通过多个SU协作频谱感知的方式、动态分析SU参与协作频谱感知的概率、避免DSU干扰协作频谱感知结果，并综合考虑参与频谱感知的额外能量消耗，以感知准确度为导向，实现了频谱认知准确度与能量开销之间的折中；
[0017]3.本专利技术所提出的基于感知准确度的轻量型共识机制，可以有效保障用户对空闲信道使用中的高效性与可信性；通过提出一种依据频谱感知准确度的轻量型共识算法，以及使用积分值和信誉值的约束，在不可信的频谱共享环境中降低DSU的影响，公平高效地实现空闲频谱共享。
附图说明
[0018]图1是基于区块链的频谱感知和共享网络架构；
[0019]图2是时隙划分图。
[0020]图3是得分趋势示意图。
[0021]图4是积分值/信誉值累积趋势示意图。
具体实施方式
[0022]为便于本领域技术人员理解本专利技术的
技术实现思路
，下面结合附图对本
技术实现思路
进一步阐释。
[0023]由于无线网络中的SU参与频谱感知与共享的能力、立场与需求均不同，由此形成了一个不可信的频谱感知与共享环境。此处所说的“不可信环境”，主要针对因各节点频谱感知能力参差不齐、节点可能因为自身通信需求而隐蔽性发布误导性频谱感知结果等行为，但不包括非隐蔽的恶意攻击行为，如信道干扰、强制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法，其特征在于，基于的应用场景包括：主用户PU、次用户SU，在不可信的无线网络环境下，各次用户SU竞争使用主用户PU空闲信道；具体共享方法包括以下步骤：S1、每个次用户SU通过控制信道广播其是否有数据发送需求，若第i个次用户SU参与了频谱感知，则同时广播自己的频谱感知值SNR
i
(t)，t表示第t个时隙；S2、所有次用户根据自身的频谱感知值与接收到的其他次用户的频谱感知值，得到全网的协作频谱感知结果SNR(t)；S3、每个次用户根据自身的频谱感知值与全网的协作频谱感知结果的差值的绝对值，更新各自的积分值与信誉值；并通过控制信道广播各自更新后的积分值与信誉值；S4、若存在信誉值小于基础信誉的次用户SU，则该次用户SU在本轮失去申请空闲信道的资格；S5、若本时隙全网的协作频谱感知结果大于判断PU信道忙闲的门限值，则认为主用户PU当前信道不空闲，执行步骤S7；否则执行步骤S6；S6、本时隙积分值最高的次用户SU获得本时隙生成区块和使用主用户PU空闲信道的权利，该次用户SU使用主用户PU本时隙空闲信道发送需要发出的数据，数据发送成功后，对其本时隙积分值减去发送代价，得到其本时隙积分值；返回步骤S1进行下一时隙的主用户PU空闲信道竞争；S7、本时隙积分值最高的次用户SU将基于本时隙全网的协作频谱感知结果、各次用户SU的频谱感知值、各次用户SU本时隙最新的积分值和信誉值，形成本时隙的区块，并写入区块链；返回步骤S1进行下一时隙的主用户PU空闲信道竞争。2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法，其特征在于，步骤S2还包括：在一个时隙中，次用户SU进行频谱感知结果融合时，非诚实的次用户SU会根据自身对主用户PU的频谱感知值来决策在本时隙是否篡改自身的频谱感知值。3.根据权利要求2所述的一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法，其特征在于，非诚实的次用户SU篡改自身的频谱感知值的实现过程为：当ε
i
(t)
‑
SNR
i
(t)＜d时，非诚实的次用户SU将自身频谱感知值增加至以使得全网的频谱感知结果融合后大于判断PU信道忙闲的门限值；当SNR
i
(t)
‑
ε
i
(t)＜d时，非诚实的次用户SU将自身频谱感知值减小至以使得全网的频谱感知结果融合后小于判断PU信道忙闲的门限值；其中，ε
i
(t)是第t个时隙第i个次用户SU频谱感知的门限值，SNR
i
(t)表示在第t个时隙第i个次用户SU感知到的主用户PU信号的信噪比，为第t个时隙第i个非诚实次用户SU篡改后的感知到的主用户PU信号的信噪比，d为参数。4.根据权利要求3所述的一种基于区块链的频谱感知与可信共享方法，其特征在于，非诚实的次用户SU篡改自身频谱感知值不成功的概率为P
r
，其计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦云凯，杨苾妍，冷甦鹏，杨鲲，刘强，方琛，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院衢州，
类型：发明
国别省市：