CN110381447B - 基于区块链的无线频谱接入方法及系统 - Google Patents

基于区块链的无线频谱接入方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于区块链的无线频谱接入方法，包括：频谱感知节点获取主用户节点的频谱空洞信息；次级用户节点与频谱感知节点完成第一交易，次级用户节点获取频谱空洞信息；次级用户节点根据频谱空洞信息，与对应的主用户节点完成第二交易，获取对应频谱的使用权限；其中，在第一交易和第二交易完成后，生成待确认交易信息，记账节点将待确认交易信息打包，生成区块；使用PoP算法选取记账节点，所述PoP算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的位置信息和当前时间戳信息。本发明针对当前分布式频谱接入管理的诸多安全性问题，提出了利用区块链技术对无线频谱接入进行管理，有效提高了频谱接入的安全性。

Description

基于区块链的无线频谱接入方法及系统
技术领域
本发明涉及频谱共享技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于区块链的无线频谱接入方法及系统。
背景技术
随着无线通信技术的不断革新，无线网络服务在规模、速度、广度上发生了急剧的增长与扩张，现有的网络基础不能够完全满足如此庞大的负担，并对下一代无线网络的网络接入与通信质量保证构成了一系列挑战。传统的无线接入网(Radio Access Network)越来越难以跟上无线用户数目的巨大增长以及对于实时连接服务的要求。目前对于这类问题的解决方法是使用分布式、众包的多层网络覆盖服务，这种方式虽然大大降低了实际网络接入成本，也克服了集中式频谱接入管理方式易受恶意节点攻击的缺陷，但当前的分布式频谱接入管理仍不是完全去中心化的，总是有中心节点对全局进行控制，使得分布式系统的安全、隐私特性不宜发挥。因此，亟需设计一种能够一定程度克服上述缺陷的技术方案。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种基于区块链的无线频谱接入方法，其针对当前分布式频谱接入管理的诸多安全性问题，提出了利用区块链技术对无线频谱接入进行管理，通过区块链节点对无线接入节点身份验证，分布式区块链账本进行数据加密存储，有效提高了频谱接入的安全性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了基于区块链的无线频谱接入方法，包括：
频谱感知节点获取主用户节点的频谱空洞信息；
次级用户节点与频谱感知节点完成第一交易，次级用户节点获取频谱空洞信息；
次级用户节点根据频谱空洞信息，与对应的主用户节点完成第二交易，获取对应频谱的使用权限；
其中，在第一交易和第二交易完成后，生成待确认交易信息，记账节点将待确认交易信息打包，生成区块；
使用PoP算法选取记账节点，所述PoP算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的位置信息。
优选的是，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，所述PoP算法中，相邻两次哈希运算的时间戳差值固定。
优选的是，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，若一竞争记账权的节点得到的哈希值小于预设值，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。
优选的是，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，
频谱感知节点从次级用户节点获取感知任务；
频谱感知节点获取主用户节点的频谱空洞信息，生成第一定价；
次级用户节点向频谱感知节点提供第一报价；
若第一定价和第一报价满足第一预设规则，则次级用户节点与频谱感知节点进行第一交易。
优选的是，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，主用户节点根据频谱空洞信息生成第二定价；
次级用户节点向主用户节点提供第二报价和位置信息；
若第二定价、第二报价和位置信息满足第二预设规则，则次级用户节点与主用户节点进行第二交易。
优选的是，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，次级用户节点将第一报价或第二报价和位置信息用公钥加密后提供，主用户节点或频谱感知节点预置有与公钥相对应的私钥。
优选的是，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，完成第一交易或第二交易后，主用户节点或频谱感知节点用私钥加密预设明文，并将预设明文和经加密的预设明文发送给次级用户节点，次级用户节点用公钥解密经加密的预设明文，并与预设明文比对。
优选的是，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，区块链网络中部署有智能合约，通过智能合约完成第一交易、第二交易。
优选的是，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，
若一竞争记账权的节点得到的哈希值小于预设值，则将该哈希值和该竞争记账权的节点的位置信息广播，其余节点对该哈希值进行验证，若所有节点均验证通过，则选取该竞争记账权的节点为记账节点；当多个节点同时得到的哈希值小于预设值，则选择验证通过节点数目最多的哈希值对应的节点作为记账节点。
本发明还提供了基于区块链的无线频谱接入系统，包括：
主用户节点；
频谱感知节点，其获取主用户节点的频谱空洞信息；
次级用户节点，其与频谱感知节点完成第一交易，获取频谱空洞信息，根据频谱空洞信息，与对应的主用户节点完成第二交易，获取对应频谱的使用权限；
其中，在第一交易和第二交易完成后，生成待确认交易信息，记账节点将待确认交易信息打包，生成区块；
使用PoP算法选取记账节点，所述PoP算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的位置信息；
所述PoP算法中，相邻两次哈希运算的时间戳差值固定；
若一竞争记账权的节点得到的哈希值小于预设值，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。
本发明至少包括以下有益效果：
(1)本发明为了准确识别频谱接入的机会，引入多个频谱感知传感器分别组成频谱感知节点，次级用户节点(SU节点)可以将感知任务派发给邻近的频谱感知节点来感知主用户节点(PU节点)的频谱空洞。每一个频谱感知节点仅对频谱感知任务负责，通过完成感知任务获得报酬。
(2)本发明通过引入区块链，可以提供足够的经济激励措施，避免集中化方案中不必要的开销成本，帮助建立参与者之间的信任。
(3)本发明通过智能合约可以帮助频谱感知节点(sensing节点)、PU节点以及SU节点之间快速建立契约关系，当交易双方条件达成后，智能合约可迅速自动完成交易，并将交易数据储存到区块链中保存，整个交易期间不需第三方干涉，有效地提高了安全性。
(4)本发明区别于比特币的PoW算法，引入基于位置的PoP算法(Power ofPosition)，使得每个维护节点参与到区块链维护的几率是一样的，即参与到挖矿的节点挖到新区块的概率是一样的。且每个寻求接入频谱服务的设备将当前位置信息上写入到智能合约中，PU节点可以根据当前设备的位置信息预测二者之间信道质量情况，进而优化频谱的分配策略。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
在一种技术方案中，如图1所示，基于区块链的无线频谱接入方法，包括：
基于区块链的无线频谱接入方法，包括：
频谱感知节点获取主用户节点的频谱空洞信息；
次级用户节点与频谱感知节点完成第一交易，次级用户节点获取频谱空洞信息；
次级用户节点根据频谱空洞信息，与对应的主用户节点完成第二交易，获取对应频谱的使用权限；
其中，在第一交易和第二交易完成后，生成待确认交易信息，记账节点将待确认交易信息打包，生成区块；
使用PoP算法选取记账节点，所述PoP算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的位置信息和当前时间戳信息和时间戳信息。
在上述技术方案中，部署有主用户节点、次级用户节点和频谱感知节点，主用户节点具有频谱资源，频谱感知节点围绕在各主用户节点周围，感知主用户节点的频谱空洞信息，次级用户节点在不影响主用户通信的情况下通过交易方式使用主用户节点的部分频谱资源。具体地，频谱感知节点与次级用户节点进行第一交易，并在第一交易完成后，将频谱空洞信息告知次级用户节点。随后，次级用户节点根据频谱空洞信息与主用户节点进行第二交易，并在第二交易完成后，获得频谱使用权，即频谱空洞对应频段的使用权。次级用户节点在获得频谱空洞信息和频谱使用权的过程中，均支付适当报酬。
第一交易和第二交易的交易信息均需写入区块链。针对PoW算法(寻找合适的随机数nonce)算力开销大、浪费电力的缺陷，利用PoP算法来选取记账节点，PoP算法是将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的位置信息和时间戳信息，当用PoP算法得到的哈希值满足预设的要求，则将相应的竞争记账权的节点作为记账节点。主用户节点、次级用户节点和频谱感知节点均可以竞争记账节点。PoP算法优选的计算式为：Hash(prev hash+data+position+timestamp)，prev hash为上一个区块内容的hash值，data为本区块中的待确认交易信息，position为当前节点的位置信息，timestamp为当前时间戳。待确认交易信息可以包括报价、使用时长、转账信息等内容。每次交易完成后都生成待确认交易信息。
可以看出，本技术方案引入多个频谱感知传感器分别组成频谱感知节点，能够准确地感知频谱空洞，并告知合适的次级用户节点，使得频谱供方和需方分别能够得到合适的报酬和合适的频谱使用权。本技术方案采用PoP算法来选取记账节点，能够避免耗费大量算力和电力的随机数寻找过程。
在另一种技术方案中，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，所述PoP算法中，相邻两次哈希运算的时间戳差值固定。这里，通过限制时间戳的差值，使得同样时间内共识节点进行哈希运算的速率一定，避免了恶意用户通过提高算力垄断记账权的情况，进而避免恶意节点破坏系统，同时降低记账节点的计算速率，降低能耗。
在另一种技术方案中，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，若一竞争记账权的节点得到的哈希值小于预设值，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。这里，提供了选取记账节点的一种优选方式，简单易行，进一步减少算力和电力的浪费。
在另一种技术方案中，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，
频谱感知节点从次级用户节点获取感知任务；
频谱感知节点获取主用户节点的频谱空洞信息，生成第一定价；
次级用户节点向频谱感知节点提供第一报价；
若第一定价和第一报价满足第一预设规则，则次级用户节点与频谱感知节点进行第一交易。这里，提供了频谱感知节点与次级用户节点的交易方式。频谱感知节点接受感知任务，频谱感知节点完成感知任务，获得报酬。频谱感知节点获取主用户节点的频谱空洞信息后，生成第一定价，第一定价根据统计、难度等方法确定。次级用户节点对该频谱空洞信息提供第一报价。一般情况，选取第一报价最高的次级用户节点，并与其完成第一交易。
在另一种技术方案中，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，主用户节点根据频谱空洞信息生成第二定价；
次级用户节点向主用户节点提供第二报价和位置信息；
若第二定价、第二报价和位置信息满足第二预设规则，则次级用户节点与主用户节点进行第二交易。这里，主用户节点也根据频谱空洞信息生成第二定价，次级用户节点提供第二报价和位置信息。一般情况，选择位置合适，且第二报价最高的次级用户节点，完成第二交易。位置合适是指与主用户节点的距离合适，能够充分地使用主用户节点的频谱。
在另一种技术方案中，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，次级用户节点将第一报价或第二报价和位置信息用公钥加密后提供，主用户节点或频谱感知节点预置有与公钥相对应的私钥。这里，提供了采用非对称加密，保障交易的安全性。
在另一种技术方案中，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，完成第一交易或第二交易后，主用户节点或频谱感知节点用私钥加密预设明文，并将预设明文和经加密的预设明文发送给次级用户节点，次级用户节点用公钥解密经加密的预设明文，并与预设明文比对。这里提供了验证次级用户节点的一种方式，即将加密的预设明文和明文发送给次级节点用户，次级节点用户解密加密的预设明文，并与同时提供的预设明文比对，若匹配，则确定为完成交易的次级用户节点。
在另一种技术方案中，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，区块链网络中部署有智能合约，通过智能合约完成第一交易、第二交易。这里，使用智能合约，避免第三方干涉交易，有效地提高了安全性。
在另一种技术方案中，所述的基于区块链的无线频谱接入方法，
若一竞争记账权的节点得到的哈希值小于预设值，则将该哈希值和该竞争记账权的节点的位置信息广播，其余节点对该哈希值进行验证，若所有节点均验证通过，则选取该竞争记账权的节点为记账节点；当多个节点同时得到的哈希值小于预设值，则选择验证通过节点数目最多的哈希值对应的节点作为记账节点。
这里，提供了验证记账节点的一种方式，一般情况下，所有节点验证通过了哈希值，相应的节点才成为记账节点，提高安全性。在出现多个可能的记账节点时，验证通过节点最多的，选择为记账节点。
基于与基于区块链的无线频谱接入方法相同的发明构思，本发明还提供了基于区块链的无线频谱接入系统，包括：
主用户节点；
频谱感知节点，其获取主用户节点的频谱空洞信息；
次级用户节点，其与频谱感知节点完成第一交易，获取频谱空洞信息，根据频谱空洞信息，与对应的主用户节点完成第二交易，获取对应频谱的使用权限；
其中，在第一交易和第二交易完成后，生成待确认交易信息，记账节点将待确认交易信息打包，生成区块；
使用PoP算法选取记账节点，所述PoP算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的位置信息和当前时间戳信息和时间戳信息；
所述PoP算法中，相邻两次哈希运算的时间戳差值固定；
若一竞争记账权的节点得到的哈希值小于预设值，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。本技术方案基于与方法相同的发明构思，频谱感知节点和次级用户节点围绕在主用户节点周围，分别用于感知频谱空洞和频谱使用权限，具体请参加上述对方法的描述。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明基于区块链的无线频谱接入方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.基于区块链的无线频谱接入方法，其特征在于，包括：
频谱感知节点获取主用户节点的频谱空洞信息；
次级用户节点与频谱感知节点完成第一交易，次级用户节点获取频谱空洞信息；
次级用户节点根据频谱空洞信息，与对应的主用户节点完成第二交易，获取对应频谱的使用权限；
其中，在第一交易和第二交易完成后，生成待确认交易信息，记账节点将待确认交易信息打包，生成区块；
使用PoP算法选取记账节点，所述PoP算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的位置信息和当前时间戳信息。
2.如权利要求1所述的基于区块链的无线频谱接入方法，其特征在于，所述PoP算法中，相邻两次哈希运算的时间戳差值固定。
3.如权利要求1或2所述的基于区块链的无线频谱接入方法，其特征在于，若一竞争记账权的节点得到的哈希值小于预设值，则选取该竞争记账权的节点为记账节点。
4.如权利要求1所述的基于区块链的无线频谱接入方法，其特征在于，
频谱感知节点从次级用户节点获取感知任务；
频谱感知节点获取主用户节点的频谱空洞信息，生成第一定价；
次级用户节点向频谱感知节点提供第一报价；
若第一定价和第一报价满足第一预设规则，则次级用户节点与频谱感知节点进行第一交易。
5.如权利要求1所述的基于区块链的无线频谱接入方法，其特征在于，主用户节点根据频谱空洞信息生成第二定价；
次级用户节点向主用户节点提供第二报价和位置信息；
若第二定价、第二报价和位置信息满足第二预设规则，则次级用户节点与主用户节点进行第二交易。
6.如权利要求4或5所述的基于区块链的无线频谱接入方法，其特征在于，次级用户节点将第一报价或第二报价和位置信息用公钥加密后提供，主用户节点或频谱感知节点预置有与公钥相对应的私钥。
7.如权利要求5所述的基于区块链的无线频谱接入方法，其特征在于，完成第一交易或第二交易后，主用户节点或频谱感知节点用私钥加密预设明文，并将预设明文和经加密的预设明文发送给次级用户节点，次级用户节点用公钥解密经加密的预设明文，并与预设明文比对。
8.如权利要求4或5所述的基于区块链的无线频谱接入方法，其特征在于，通过智能合约完成第一交易、第二交易。
9.如权利要求3所述的基于区块链的无线频谱接入方法，其特征在于，若一竞争记账权的节点得到的哈希值小于预设值，则将该哈希值和该竞争记账权的节点的位置信息广播，其余节点对该哈希值进行验证，若所有节点均验证通过，则选取该竞争记账权的节点为记账节点；当多个节点同时得到的哈希值小于预设值，则选择验证通过节点数目最多的哈希值对应的节点作为记账节点。
10.基于区块链的无线频谱接入系统，其特征在于，包括：
主用户节点；
频谱感知节点，其获取主用户节点的频谱空洞信息；
次级用户节点，其与频谱感知节点完成第一交易，获取频谱空洞信息，根据频谱空洞信息，与对应的主用户节点完成第二交易，获取对应频谱的使用权限；
其中，在第一交易和第二交易完成后，生成待确认交易信息，记账节点将待确认交易信息打包，生成区块；
使用PoP算法选取记账节点，所述PoP算法包括：将PoW算法中的随机数替换为竞争记账权的节点的位置信息和当前时间戳信息；
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