CN110035440A - 一种基于区块链的新型分布式接入网架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的新型分布式接入网架构，包括：无线射频通信系统中作为接入点的RRH和RRU设备、用户、由RRH和RRU设备各自管理的数字化频谱资源、维护区块链的矿工组成的矿工网络、管理无线频谱资源共享与接入的新型分布式机制；RRH与RRU设备向用户提供无线频谱资源共享与接入服务，服务过程受管理网络接入的新型分布式机制控制。本发明提供一种基于区块链的新型分布式接入网架构，架构中的RRH或RRU与用户可以在无信任环境下进行安全可靠的频谱资源交易。

Description

一种基于区块链的新型分布式接入网架构
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种基于区块链的新型分布式接入网架构。
背景技术
自2008年比特币(Bitcoin)这一加密货币出现以来，其背后的支撑技术：区块链，正式出现于公众面前。基于比特币的电子现金交易打破了原有法定货币作为唯一交易代币的模式，创造出了一种去中心化的全新交易机制，通过密码学原理与分布式共识机制将交易固化于首尾相接的区块并存储在网络的各个节点中，其具备的去中心化、安全性、不可篡改性等特点带来了巨大价值。近十年的发展中，区块链技术经历过数个阶段，从完全服务于数字货币的1.0时代和以智能合约为代表的2.0时代，进入了以跨领域综合应用为代表的区块链3.0时代。
进入跨领域应用与融合的区块链3.0时代的同时，无线通信也作为最具活力和创新性的技术领域，特别是近年来随着第五代移动通信(5G)、物联网、车联网等技术的推进与应用，深刻地改变了人们的生活方式与社会关系，无线通信与区块链技术结合具备良好前景。美国联邦通信委员会委员Jessica Rosenworcel在2018年的世界移动通信大会上展望了结合区块链技术的第六代移动通信网络(6G)。大会报告指出，网络的高速发展需要更加有效的频谱资源接入模型，基于区块链技术的频谱资源接入模型可充分利用区块链分布式存储、不可篡改等特点，维护动态频谱接入列表并打破运营商之间与无线资源种类间的壁垒。
随着我国无线通信产业的迅猛发展，传统的集中式无线网络越来越难以满足无线用户的爆发式增长与无处不在的连接需求。在现行的分布式频谱资源共享与接入架构中，由于存在买卖方信任、网络安全等诸多问题，多数频谱资源共享与接入服务仍于线下以频谱拍卖等形式展开，且通常只针对蜂窝网络资源进行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于区块链的新型分布式接入网架构，架构中的RRH或RRU与用户可以在无信任环境下进行安全可靠的频谱资源交易。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于区块链的新型分布式接入网架构，包括：无线射频通信系统中作为接入点的RRH和RRU设备、用户、由RRH和RRU设备各自管理的数字化频谱资源、维护区块链的矿工组成的矿工网络、管理无线频谱资源共享与接入的新型分布式机制；RRH与RRU设备向用户提供无线频谱资源共享与接入服务，服务过程受管理网络接入的新型分布式机制控制。
优选的，新型分布式机制控制具体包括如下步骤：
(1)服务开始前，用户和RRH或RRU设备就服务达成一致，随即共同填写并使用各自的电子签名签署一份包含此次接入服务细节的电子智能合约；
(2)按照合约约定好的服务费用，用户同时需将一笔包含服务费用的预付款附在智能合约中，并和RRH或RRU设备共同向区块链矿工网络广播该份存有用户预付款和服务细节的智能合约；
(3)智能合约通过管理区块链的矿工网络被更新到区块链中，在得到一定数量后续区块的确认，保证该份合约数据及其内部存储的预付款不可被篡改后，智能合约随即自动执行并向RRH或RRU设备发送指令消息，从而自动控制RRH或RRU设备向用户提供符合合约要求的接入服务；
(4)在合约规定的服务时间结束后，所述新型分布式机制将保证智能合约中存储的用户预付款安全地汇入RRH或RRU设备的电子账户并结束服务。
优选的，RRH或RRU设备将所能提供的连续的无线频谱进行合理分割，对分割后的无线频段进行标号并以数字化的形式存储在设备中，成为数字化频谱资源；合理分割频谱的方法有非均匀切割，同时考虑到接入服务质量约束，所述分割原则具体表述如下：
上式中，函数L(X)指数字化频谱资源X的带宽；Bi(i＝0,…,K-1)是当前RRH或RRU设备所提供的K个数字化频谱资源；ε是数字化频谱资源对应的无线频谱类型所允许的最小通信带宽，以保障向用户提供的接入服务质量；WRRH/RRU是当前RRH或RRU设备所能提供的全部无线频段带宽，表征充分利用当前RRH或RRU设备的频谱资源。
优选的，在存储数字化频谱资源时，RRH或RRU设备仍需对应不同数字化频谱资源设定不同的加密接入授权码，供RRH或RRU设备向用户提供符合合约要求的接入服务时使用；服务开始时，RRH或RRU设备依据申请的接入数字化频谱资源类型分配具体的数字化频谱资源供用户接入，RRH或RRU设备会向用户提供具体数字化频谱资源所对应的接入授权码；若RRH或RRU设备中暂无对应申请类型的空闲数字化频谱资源，则该接入请求会进入RRH或RRU设备内部的等待队列，直至有满足服务条件的数字化频谱资源空闲，接入服务会自动结束等待并进入服务状态。
当智能合约通过管理区块链的矿工网络被更新到区块链中时，需得到一定数量后续区块的确认。优选的，当多个新区块被追加在包含申请接入服务的智能合约的区块后时，“双花”欺诈消费成功概率将会降低，从而保证区块链链上作为接入服务担保的智能合约的高度可信。所述“双花”欺诈消费的特征在于，拥有强算力的恶意矿工在区块链主链之外的某一支链上进行连续挖矿，并反复尝试在支链中包含已在主链中花费的虚拟货币的交易，从而当支链在最长链为主链的规则下取代主链时，会造成原主链中的交易流失，损害交易方利益。追加的确认区块数量越多，则所述欺诈攻击成功概率越低；恶意矿工算力全网占比越高，则所述欺诈攻击成功概率越高。等待追加确认区块数通常设置为6个，可大幅降低此类欺诈消费成功的可能性；在实际架构部署中需考虑接入服务中的用户服务质量指标，等待后续追加区块的数量与接入服务交易安全间应进行合理权衡，在保证交易安全的同时，尽量减少用户在服务开始前的等待时间。对于所述的基于区块链的新型分布式接入网架构，因其服务时长通常处于分钟级与小时级间，则较优等待时延应控制在60秒之内，“双花”欺诈消费成功的概率应控制在0.1％以下。
本发明的有益效果为：(1)本发明相比使用集中式架构来支持频谱资源共享与接入的方案，可大幅节省设备部署与升级开销，显著提高系统整体效率，打开轻量级频谱资源共享与接入服务市场并激发开放区块链网络中的技术创新；(2)本发明将区块链技术引入分布式接入网架构中，可进一步扩大无线频谱共享与交易的受众规模，拓宽无线频谱资源共享与交易的种类，并同时支持包括无线局域网、广播电视频段等在内的多种无线频谱资源；(3)本发明可有效缓和现有无线服务提供商的负载压力，整合多类无线资源，提升无线频谱利用率并大幅改善现有无线频谱资源共享与接入的服务质量；(4)本发明所述的基于区块链的新型分布式接入网架构有效地利用区块链特性解决了一般分布式接入网架构中广泛存在的信任问题，架构中的RRH或RRU与用户可以在无信任环境下进行安全可靠的交易。
附图说明
图1为现有技术区块链系统架构示意图。
图2为本发明基于区块链的新型分布式接入网架构示意图。
图3为本发明在1台拥有2项数字化频谱资源的RRU设备、1台拥有2项数字化频谱资源的RRH设备、2位用户且等待确认区块数为2的条件下，基于区块链的新型分布式接入网架构的工作流程示意图。
图4为本发明在1台拥有2项数字化频谱资源的RRU设备、1台拥有2项数字化频谱资源的RRH设备、2位用户、区块大小无限制且等待确认区块数为2的条件下，基于区块链的新型分布式接入网架构中用户在正式接受服务前的等待时长分布示意图。
图5为本发明在1台拥有2项数字化频谱资源的RRU设备、1台拥有2项数字化频谱资源的RRH设备、2位用户、区块大小无限制且等待确认区块数为2的条件下，基于区块链的新型分布式接入网架构中在均匀间隔的多个观测点下，RRU和RRH设备中等候服务队列长度变化示意图。
具体实施方式
参考图1所示，展示了本发明所采用的区块链结构中某连续三个区块的内部结构。以编号为N+1的区块为例，区块内主要包括四部分数据：前一区块哈希值、区块数据、随机数和当前区块哈希值。所述的区块数据包括虚拟货币交易、智能合约等多种数据类型，所述的当前区块哈希值是利用前一区块哈希值、区块数据和随机数三个部分共同作哈希运算得到。所述的随机数由区块链矿工网络中参与挖矿的矿工不断调整，直至使运算出的当前区块哈希值小于特定难度值为止，且第一位计算出满足前述条件的矿工获得最新区块的记账权。区块之间通过区块哈希值前后相接形成区块链，参考图1所示，编号N+1的区块中前一区块哈希引用的是编号N区块的哈希值，编号N+2的区块中前一区块哈希引用的是编号N+1区块的哈希值，以此类推。从而通过所述的连接方法，区块链中的数据无法轻易被攻击者篡改。
参考图2所示，基于区块链的新型分布式接入网架构结构如下：无线射频通信系统中多用于室内分布系统覆盖的RRH设备或用于常规室外覆盖的RRU设备、用户、接入服务过程中使用的数字化频谱资源、管理区块链的矿工组成的矿工网络、管理无线频谱资源共享与接入的新型分布式机制。所述的RRH或RRU设备均各自拥有不同类型、不同数量的数字化频谱资源，并预先设定了对应不同数字化频谱资源的加密接入码以便服务开始时提供给用户使用。用户与RRH或RRU设备在服务前可通过安全的点对点无线信道就服务内容沟通并达成一致。另外，用户与RRH或RRU设备均可向区块链矿工网络广播包含接入服务细节的智能合约，反之，区块链网络也可向用户与RRH或RRU设备发送控制或交易消息，以控制接入服务启动并完成相关的资金交易。如图2所示的数字化频谱资源在智能合约上链并得到一定数量的后续确认区块后，将自动按照智能合约所约定的内容和时长授权给用户使用。
参考图3所示，根据本发明的一种典型实施例，给定基于区块链的新型分布式接入网架构的具体参数如下：1台拥有2个数字化频谱资源的RRU设备(编号为RRU1，2个数字化频谱资源分别标记为A和B)，1台拥有2个数字化频谱资源的RRH设备(编号为RRH1，2个数字化频谱资源分别标记为A和B)，2位用户(编号为用户1和用户2)，区块大小无限制，区块时间为10秒且等待确认区块数为2个。
如图3所示，仅展示所述的本发明典型实施例中3次按序发生的无线频谱资源接入服务，对应的申请接入服务的智能合约被分别标记为申请合约#1、申请合约#2与申请合约#3。
本发明的典型实施例流程如下：
1)服务开始前，用户1和RRU1就服务内容达成一致，声明本次接入服务使用RRU1的数字化频谱资源B，使用时间为20分钟且支付60个单位虚拟货币作为服务费。随即用户1与RRU1共同填写并使用各自的电子签名签署一份包含此次接入服务细节的申请合约#1；
2)按照申请合约#1约定好的服务费用，用户1同时需将一笔满足服务费用，即金额为60个单位虚拟货币的预付款附在合约中，并和RRU1共同向区块链矿工网络广播该份存有用户预付款和服务细节的智能合约；
3)申请合约#1通过管理区块链的矿工网络被更新到区块链中。在得到2个后续区块的确认后，智能合约随即自动执行并向RRU1设备发送指令消息，从而控制RRU1设备向用户1提供符合合约要求的接入服务。RRU1在服务开始时将向用户1提供数字化频谱资源B对应的加密接入码，以供用户1顺利地接入使用；
4)在申请合约#1规定的服务时间结束后，智能合约#1将自动将其内部存储的用户预付款安全地汇入RRU1的电子账户并结束服务；
5)用户1与RRH1设备共同发起的申请合约#2也同样按照类似于步骤1至步骤4的流程进行处理。RRH1将按照申请合约#2的规定向用户1提供时长50分钟的数字化频谱资源A的接入服务；
6)申请合约#3由用户2与RRH1设备共同发起，约定由RRH1向用户2提供时长30分钟的数字化频谱资源A的接入服务。申请合约#3首先按照类似于步骤1至步骤2的流程进行处理，但在其被更新到区块链并得到2个后续区块的确认后，申请合约#3所约定的接入服务不会立即开始，因为步骤5所述的接入服务正在进行中且当前申请合约#3所申请的数字化频谱资源正在被占用。在此情况下，申请合约#3所申请的接入服务会在RRH1设备中等待，直至冲突的服务全部完成后才会正式进入服务状态。
参考图4至图5，对所述的本发明典型实施例进行了多达1600个区块长度的仿真与数据分析，结果如下。
图4反映了在1600个区块链长度的记录窗口中，基于区块链的新型分布式接入网架构中所有电子智能合约从签署开始至正式开始服务之间的等待时长分布。可以看出，大部分智能合约从签署开始至正式进入服务的等待时长都集中在20秒附近。实际数据表明，按照本发明所述的60秒内的用户等待时间标准，所统计的550个智能合约中，共526个合约从广播开始至正式进入服务的等待时长在60秒以内，占比高达95.64％。
图5反映了在基于区块链的新型分布式接入网架构中，RRU1与RRH1设备分别在高、中、低三种负载压力的情况下，设备内部的平均服务等待队列长度随区块时间的变化趋势。可以看出，在60秒以内区块时间范围内，RRU1和RRH1设备在高、中、低三种负载压力情况下均具有较短的平均服务等待队列长度，最长的平均服务等待队列长度未超过3。并且，在中低负载压力的情况下，更长的区块时间并未引发RRU1和RRH1的平均服务等待队列的显著增长。此特性表明，基于区块链的新型分布式接入网架构能够在保障服务等待队列长度相对稳定的前提下，通过增长区块时间给架构安全性带来更多的提升空间。另有实测数据表明，在RRU1和RRH1设备总计1246次观测中，仅75次观测到排队现象，占比6.02％。在本发明的典型实施例下，获得了较优表现。

Claims (4)

1.一种基于区块链的新型分布式接入网架构，其特征在于，包括：无线射频通信系统中作为接入点的RRH和RRU设备、用户、由RRH和RRU设备各自管理的数字化频谱资源、维护区块链的矿工组成的矿工网络、管理无线频谱资源共享与接入的新型分布式机制；RRH与RRU设备向用户提供无线频谱资源共享与接入服务，服务过程受管理网络接入的新型分布式机制控制。
2.如权利要求1所述的基于区块链的新型分布式接入网架构，其特征在于，新型分布式机制控制具体包括如下步骤：
(1)服务开始前，用户和RRH或RRU设备就服务达成一致，随即共同填写并使用各自的电子签名签署一份包含此次接入服务细节的电子智能合约；
(2)按照合约约定好的服务费用，用户同时需将一笔包含服务费用的预付款附在智能合约中，并和RRH或RRU设备共同向区块链矿工网络广播该份存有用户预付款和服务细节的智能合约；
(3)智能合约通过管理区块链的矿工网络被更新到区块链中，在得到一定数量后续区块的确认，保证该份合约数据及其内部存储的预付款不可被篡改后，智能合约随即自动执行并向RRH或RRU设备发送指令消息，从而自动控制RRH或RRU设备向用户提供符合合约要求的接入服务；
(4)在合约规定的服务时间结束后，所述新型分布式机制将保证智能合约中存储的用户预付款安全地汇入RRH或RRU设备的电子账户并结束服务。
3.如权利要求1所述的基于区块链的新型分布式接入网架构，其特征在于，RRH或RRU设备将所能提供的连续的无线频谱进行合理分割，对分割后的无线频段进行标号并以数字化的形式存储在设备中，成为数字化频谱资源；合理分割频谱的方法有非均匀切割，同时考虑到接入服务质量约束，所述分割原则具体表述如下：
上式中，函数L(X)指数字化频谱资源X的带宽；Bi(i＝0，...，K-1)是当前RRH或RRU设备所提供的K个数字化频谱资源；ε是数字化频谱资源对应的无线频谱类型所允许的最小通信带宽，以保障向用户提供的接入服务质量；WRRH/RRU是当前RRH或RRU设备所能提供的全部无线频段带宽，表征充分利用当前RRH或RRU设备的频谱资源。
4.如权利要求3所述的基于区块链的新型分布式接入网架构，其特征在于，在存储数字化频谱资源时，RRH或RRU设备仍需对应不同数字化频谱资源设定不同的加密接入授权码，供RRH或RRU设备向用户提供符合合约要求的接入服务时使用；服务开始时，RRH或RRU设备依据申请的接入数字化频谱资源类型分配具体的数字化频谱资源供用户接入，RRH或RRU设备会向用户提供具体数字化频谱资源所对应的接入授权码；若RRH或RRU设备中暂无对应申请类型的空闲数字化频谱资源，则该接入请求会进入RRH或RRU设备内部的等待队列，直至有满足服务条件的数字化频谱资源空闲，接入服务会自动结束等待并进入服务状态。
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