CN110601780B - 一种基于区块链的动态频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于区块链的动态频谱接入方法。本发明针对无线通信系统提出一种基于区块链技术的动态频谱接入方法，次用户通过协同进行频谱感知和在区块链中记录频谱接入的相关信息来获得由区块链保护的虚拟货币，并使用积累的虚拟货币竞拍由协作频谱感知获得的频谱接入机会。和现有的方案相比，本发明有效激励了次用户进行协同频谱感知，公平地分配了各次用户协同获得的频谱接入机会以及分布式和安全地记录了相关的频谱感知与接入信息。

Description

一种基于区块链的动态频谱接入方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于区块链的动态频谱接入方法。

背景技术

近年来，如自动驾驶、远程医疗、增强现实和虚拟现实等新兴应用的发展持续加速了移动数据传输的增长。作为数据传输的重要媒介，无线电频谱受到了广泛的需求。为了更高效地利用频谱资源，人们提出了动态频谱接入技术，即在保证授权用户(主用户)的正常使用的前提下，非授权用户(次用户)能接入主用户的频谱。一种方式是次用户通过频谱感知技术感知主用户信道的状态，当感知到主用户的信道为空闲时，次用户便可以接入频谱；当感知到主用户的信道繁忙时，次用户不可接入频谱。然而，这样的方法存在三个方面的问题：第一是由于不利的信道条件例如噪声不确定性、多径衰落和阴影衰落等，单个用户的频谱感知结果可能不正确，因此需要多个用户进行协同频谱感知。然而，因频谱感知会带来能量消耗，协同频谱感知中存在次用户不参与频谱感知而仅靠获取别的次用户的频谱感知结果的情况；第二是若次用户独立地进行频谱感知和接入，会存在多个用户同时感知和接入相同的频谱的可能性。在这种情况下，次用户的数据传输将出现严重的相互干扰，这种干扰将影响用户的传输性能；第三是安全性的缺失：现有的动态频谱接入中没有要求次用户对其频谱接入进行记录，这将导致主用户无法了解自己的频谱被次用户使用的具体情况，也因此面临着被恶意次用户攻击的风险。

发明内容

本发明针对无线通信系统提出一种基于区块链技术的动态频谱接入方法，次用户通过协同进行频谱感知和在区块链中记录频谱接入的相关信息来获得由区块链保护的虚拟货币，并使用积累的虚拟货币竞拍由协作频谱感知获得的频谱接入机会。和现有的方案相比，本发明有效激励了次用户进行协同频谱感知，公平地分配了各次用户协同获得的频谱接入机会以及分布式和安全地记录了相关的频谱感知与接入信息。

本发明考虑一个如图1所示的具有次用户和主用户的无线通信系统。图2表示本发明中基于区块链的动态频谱接入的帧结构。为获得频谱接入权利，各个次用户将依序进行五个操作：

1.次用户在时隙初决定是否进行频谱感知，未进行频谱感知的用户进入休眠；

2.进行了频谱感知的用户将频谱感知的结果广播给其他所有次用户；

3.各个次用户根据公用的融合原则得出最后的频谱感知结果。若结果为主用户在此刻未接入频谱，则次用户进行频谱竞拍，广播自己的出价。在收到所有其他的次用户的出价后，各个次用户本地判断频谱竞拍的胜出者，即出价最高的次用户；

4.各个次用户决定是否参与竞争来获得在区块链中写入频谱接入信息的权利。次用户通过参与哈希运算或其他共识算法，获取发布新的区块的权利，我们将这个过程简称为挖矿。第一个成功挖矿的用户将在区块中记录本时隙内有关频谱接入的信息，包括各次用户进行频谱感知的决策结果、进行了频谱感知的用户的频谱感知结果。若协同频谱感知结果为主用户信道空闲，需要记录的信息还包括各个用户在频谱竞拍中的出价。在记录了相关信息后，第一个成功挖矿的用户将这个区块广播给其他次用户，各次用户收到新的区块后将其保存在本地。根据记录的这些信息，参与了频谱感知和率先挖矿成功的次用户将会被自动奖励被区块链保护的虚拟货币，赢得竞拍的次用户将会被扣除其出价数量的虚拟货币；若没有用户成功挖矿，则这个时隙中的频谱接入信息无法记录到区块链中导致此时刻的频谱竞拍失效，各次用户休眠等待时隙结束；若协同频谱感知结果为主用户信道繁忙时，各次用户休眠等待时隙结束；

5.频谱竞拍的获胜者将进行数据传输。若数据传输成功，次用户将收到ACK(Acknowledgement)信号。

本发明的有益效果在于有效地促成了次用户协作对主用户进行频谱感知和接入，并安全、分布式地记录了次用户频谱感知和接入的相关信息。

附图说明

图1示出了本发明中的无线通信系统模型；

图2示出了本发明中的通信系统的帧结构；

图3示出了本发明中的平均包传输率与各个次用户参与频谱感知的意愿大小的关系；

图4示出了本发明中的能量效率与各个次用户参与频谱感知和挖矿的意愿大小的关系。

具体实施方式

下面以一种简单的通信系统为例结合附图和仿真示例对本发明进行详细描述，以便技术人员能够更好地理解本发明。

图1表示该示例的通信模型。其中N个次用户通过动态频谱接入的方式接入1个主用户的频谱。考虑主用户的状态s(t)为离散马尔科夫过程，其中t＝0,1,2,...。用s(t)＝0表示主用户在t时刻未接入频谱，s(t)＝1表示主用户在t时刻接入了频谱。这两种状态间的转移服从如下的概率模型，

Pr{s(t+1)＝0|s(t)＝0}＝α,

Pr{s(t+1)＝0|s(t)＝1}＝β.

假设t时刻到t+1时刻内到达的包的数量a_i(t)服从参数为λ_i的泊松过程，其中t＝0,1,2,...；i＝1,2,...,N。用q_i(t)表示次用户i在t时刻初的缓冲区的数据包数量；用m_i(t)表示次用户i在t时刻内的成功传输的包的数量，则m_i(t)＝min{q_i(t),K}，其中K为信道所能允许最大传输的包的数目；用Q_i表示次用户i的数据缓冲区的所能存放数据包的最大数量。在t+1时刻初，次用户的数据缓冲区的数据包数量为q_i(t+1)＝min{(q_i(t)-m_i(t))⁺+a_i(t),Q_i}.

假设用户通过大多数原则(Majority Rule)对收集到的频谱感知结果进行融合，在这个原则下，若大于或等于一半的频谱感知结果表示主用户正在使用频谱，则协作频谱感知的结果为主用户正在使用频谱，否则，协作频谱感知结果为主用户未使用频谱。假设各用户频谱感知的误警概率(False Alarm Probability)P_f和检测概率(DetectionProbability)P_d相同，则将n个用户频谱感知结果通过大多数原则得到的协作频谱感知结果的误警概率为

检测概率为

图2表示本发明中基于区块链的动态频谱接入的帧结构。在时隙初，次用户需要决定是否对主用户的频谱进行感知。若次用户进行感知，它会将感知的结果(空闲或繁忙)通过控制信道广播给其他所有的次用户，并接受来自其他用户的频谱感知结果。之后，通过将所有的频谱感知结果输入一个公用的融合算法，次用户将得到协同频谱感知的结果。若次用户不进行感知，它将仅根据收到的其他用户的频谱感知结果和公用的融合算法来得到协同频谱感知的结果。

若协同频谱感知的结果显示主用户信道空闲，则次用户决定自己竞拍频谱接入权的出价，并广播自己的出价给其他的用户。在收到所有其他的用户的出价后，次用户本地判断竞拍的获胜者，该获胜者便赢得了此时隙的频谱接入权。若协同频谱感知的结果显示主用户信道繁忙，出于对主用户的保护，此时隙次用户不得接入主用户信道，次用户将跳过频谱竞拍的步骤。

次用户决定是否参与挖矿来获得在区块链中写入频谱接入信息的权利。若参与挖矿并率先成功，次用户需要在区块链中写入各个次用户在本时隙的行为及其结果，包括哪些用户在本时隙参与了协同频谱感知、此次协同频谱感知的结果、参与挖矿的用户和率先挖矿成功的用户。若结果为主用户信道空闲，需要记录的信息还包括各个用户在频谱竞拍中的出价。根据新的区块中记录的各个信息，参与了频谱感知的次用户将会被奖励τ_s个虚拟货币；第一个挖矿成功的次用户将会被奖励τ_m个虚拟货币；频谱竞拍的获胜者的账户将会被扣除相应出价数量的虚拟货币，并接入频谱。若没有用户成功挖矿，则这个时隙中的频谱接入信息无法记录到区块链中导致此时刻的频谱竞拍失效，各次用户休眠等待时隙结束；若协同频谱感知结果为主用户信道繁忙时，各次用户也将休眠等待时隙结束。

为了最大化自己获得的虚拟货币的收益，选择在每个时刻都做频谱感知和挖矿是最优的决策，然而，这样会造成一定的资源浪费。这种浪费体现在两方面，第一是协同频谱感知可能不需要所有用户参与就可以得到满足目前需求的性能；第二是挖矿中不需要所有用户同时参与，只要每个时刻每个用户独立地进行是否挖矿的决策，也能保证公平地选举出在区块链中记录信息的次用户。

基于上述的考虑，本发明以一个对所有用户公用的连续决策策略为例。

1.频谱感知的策略：频谱感知策略a_i(t)用于决定次用户i在t时刻是否进行频谱感知。具体来说，a_i(t)＝1表示用户i在t时刻进行频谱感知，而a_i(t)＝0表示用户i在t时刻不进行频谱感知。各个用户根据一个相同的频谱感知参与概率P_s来决定是否进行频谱感知，即

2.竞价策略：竞价策略b_i(t)决定用户i在t时刻进行频谱竞拍的出价。一个启发式的出价策略是用户以自己目前缓冲区内需要传输的数据q_i(t)占其缓冲区能存放的数据包最大数量Q_i(t)的比例，即q_i(t)/Q_i，来决定自己的出价占目前自己的钱包余额n_i(t)的比例。具体来说，

3.挖矿策略：挖矿策略c_i(t)决定用户i在t时刻是否参与挖矿。具体来说，c_i(t)＝1表示用户i在t时刻进行挖矿，而c_i(t)＝0表示用户i在t时刻不进行挖矿。与频谱感知的策略类似，各个次用户根据一个相同的挖矿参与概率P_m决定是否进行挖矿，即

下面，本发明将结合仿真结果来阐述本发明所提方案的性能。仿真条件如下：我们假设N＝6个次用户动态接入1个主用户的频谱，仿真T＝50000个时隙内次用户频谱接入的平均性能。主用户状态的马尔科夫过程的参数为α＝β＝0.5。每个次用户进行频谱感知的误警概率P_f和检测概率P_d分别为0.15和0.95；我们假设各个次用户的包到达率相同，即λ_i＝λ₀，我们考虑三种情况，λ₀分别为2.0,3.0和4.0，同时令主用户信道容量K＝48.0；每个次用户的数据缓冲区最多能存放100个数据包，即Q_i＝100，其中i＝1,2,3...,6；每个次用户的累积虚拟货币的最大数量为10000。假设进行频谱感知和成功挖矿的奖励分别为τ_s＝2.0和τ_m＝4.0。此外，我们假设参与挖矿的次用户在挖矿中投入相同的能量，因次它们具有相等的概率能率先挖矿成功。

图3展示了当挖矿参与概率P_m＝1时，在不同的频谱感知参与概率P_s下，次用户的总平均包传输速率

其中m_i(t)表示次用户i在t时刻传送的包的数目。可以看到，在相同的λ₀下，次用户的平均包传输速率随着P_s的增大而增大，这说明了本发明实现了将用户的数据包传输速率与参与频谱感知的意愿相联系的功能，这将有效激励用户进行协作频谱感知。同时，图4中也给出了若次用户在获得接入权后以传输刚好等于信道容量大小的数据包的期望包传输速率。因为次用户传输前数据缓冲区内的包的数目有可能小于信道容量，上述的期望包传输速率为上界。当λ₀＝4.0的时候，用户的平均包传输速率与上界靠近，说明了本发明使次用户对信道进行了很好的利用。

图4展示了当频谱感知参与概率P_s＝1时，在不同的挖矿参与概率P_m下，次用户的总平均包传输速率γ。可以看到，在相同的λ₀下，次用户的平均包传输速率随着P_m的增大而增大，这说明了本发明实现了将用户的数据包传输速率与参与挖矿来记录频谱接入信息相联系的功能，这将有效激励次用户进行挖矿，以达到安全有效地记录频谱接入信息的功能。同时，图4中也给出了若次用户在获得接入权后以传输刚好等于信道容量大小的数据包的期望包传输速率。因为次用户传输前数据缓冲区内的包的数目有可能小于信道容量，上述的期望包传输速率为上界。当λ₀＝4.0的时候，用户的平均包传输速率与上界接近，说明了本发明使次用户对信道进行了很好的利用。

Claims (2)

1.一种基于区块链的动态频谱接入方法，该方法用于具有次用户和主用户的无线通信系统，其中N个次用户通过动态频谱接入的方式接入1个主用户的频谱，其特征在于，所述动态频谱接入方法包括以下步骤：

S1、次用户在时隙初决定是否进行频谱感知，未进行频谱感知的用户进入休眠：

设频谱感知策略a_i(t)用于决定次用户i在t时刻是否进行频谱感知，令a_i(t)＝1表示用户i在t时刻进行频谱感知，a_i(t)＝0表示用户i在t时刻不进行频谱感知；各个用户根据一个相同的频谱感知参与概率P_s来决定是否进行频谱感知，即：

S2、进行了频谱感知的用户将频谱感知的结果广播给其他所有次用户，并接收 来自其他用户的频谱感知结果，通过将所有的频谱感知结果输入一个公用的融合算法，根据公用的融合原则，次用户得到协同频谱感知的结果，所述协同频谱感知的结果为主用户正在使用频谱或者主用户未使用频谱；未进行频谱感知的用户根据收到的其他用户的频谱感知结果和公用的融合算法根据公用的融合原则得到协同频谱感知的结果；若协同频谱感知的结果为主用户未使用频谱，则进入步骤S3，否则此时隙次用户不得接入主用户信道，进入步骤S4；

S3、次用户进行频谱竞拍，并广播自己的出价给其他的用户，在收到所有其他的次用户的出价后，各个次用户本地判断频谱竞拍的胜出者，出价最高的次用户获得此时隙的频谱接入权；

S4、各个次用户决定是否参与竞争来获得在区块链中写入频谱接入信息的权利，次用户通过参与共识算法，获取发布新的区块的权利，将这个过程定义为挖矿，设频谱感知策略c_i(t)用于决定次用户i在t时刻是否进行挖矿，令c_i(t)＝1表示用户i在t时刻进行挖矿，c_i(t)＝0表示用户i在t时刻不进行挖矿；各用户根据一个相同的挖矿参与概率P_m来决定是否进行挖矿，即：

第一个成功挖矿的用户将在区块中记录本时隙内有关频谱接入的信息，具体为各次用户进行频谱感知的决策结果、进行了频谱感知的用户的频谱感知结果，若协同频谱感知结果为主用户信道空闲，需要记录的信息还包括各个用户在步骤S3中频谱竞拍的出价；在记录了相关信息后，第一个成功挖矿的用户将这个区块广播给其他次用户；各次用户收到新的区块后将其保存在本地；根据记录的这些信息，参与了频谱感知和率先挖矿成功的次用户将会被自动奖励被区块链保护的虚拟货币，赢得竞拍的次用户将会被扣除其出价数量的虚拟货币；若没有用户成功挖矿，则这个时隙中的频谱接入信息无法记录到区块链中，导致此时刻的频谱竞拍失效，各次用户跳过步骤S5，休眠等待时隙结束；若协同频谱感知结果为主用户信道繁忙时，各次用户也将跳过步骤S5，休眠等待时隙结束；

S5、频谱竞拍的获胜者进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的动态频谱接入方法，其特征在于，所述公用的融合原则为通过大多数原则对收集到的频谱感知结果进行融合，即若大于或等于一半的频谱感知结果表示主用户正在使用频谱，则协作频谱感知的结果为主用户正在使用频谱，否则，协作频谱感知结果为主用户未使用频谱。

Images