CN112954799B - 一种基于区块链的动态用频协同规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的动态用频协同规划方法，包括步骤如下：S1：M个用频需求节点广播包括用频需求和用频参数几种信息；S2：规划节点在收到广播信息后，将对用频需求节点的身份进行验证，并对其用频参数的合规性进行验证；S3：各规划节点根据资源分配算法对具有合规性用频需求节点的用频需求进行资源配置；S4：在用频规划完成后，规划节点将规划结果进行区块的封装，并向周围广播该区块信息进行更新；S5：设备节点在收到广播的区块后，对其进行有效性验证，若验证通过，则将其区块链进行相应的更新，所有节点形成最终的用频合约，用频需求节点将按照该合约共识进行实际用频。本发明能避免过多的通信协商和分配方案比较，满足各个设备节点的用频需求。

Description

一种基于区块链的动态用频协同规划方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体的，涉及一种基于区块链的动态用频协同规划方法。

背景技术

目前，在部署大量电磁或通信系统的无线网络应用场景中，各系统的设备在用频资源分配方面的合理与否会极大程度上影响到设备和系统整体的正常工作过程，合理的资源规划要求场景中任意两个设备间不存在能够明显影响到各个设备性能的干扰。与此同时，考虑设备在安全层面存在物理和网络攻击的情形，当中心设备由于被攻击而瘫痪时，传统的中心式资源配置方法将失去作用，使得诸多电磁通信设备的工作陷入混乱。

对于设备的用频规划问题，现有研究提出了较多的基于中心式的资源划分方法，且所提方法一般具备较优的性能。在运用区块链技术解决分布式设备的资源配置问题方面，目前存在一定数量的研究，旨在为设备(客户端)提供可靠的资源。

如文献【1】Kronestedt F,Frodigh M.Frequency planning strategies forfrequency hopping GSM[C]//IEEE Vehicular Technology Conference.IEEE,1997关注于时分复用和频分复用场景下的资源分配问题，提出使用空间着色的方法对不同通信小区的用频资源进行划分。

如文献【2】Kosmowski K.Frequency re-usage in radio planning systems[C]//2019Communication and Information Technologies(KIT).IEEE,2019分析了军事应用场景下的频率资源规划问题，提出应用信干噪比和保护率两个概念，使得设备间的干扰在一定的水平之下，确保各设备能够正常工作。

如中国专利公开号：CN110889617A，公开日：2020-03-17，公开了一种基于区块链的资源分配方法、设备及存储介质，该资源分配方法包括获取目标产品的产品信息；对该产品信息匹配预设数量的区块链的链上资源；获取消费者发送的产品请求，其中，该产品请求包括查询请求和消费请求；根据该产品请求，分配链上资源至消费者，并锁定预定量的链上资源；响应于该产品请求为查询请求，且接收到消费者发送的二次产品请求，解锁预定量的链上资源，并分配预定量的链上资源至消费者。通过本发明实施例的基于区块链的资源分配方法，有助于通过资源分配的方式去激励消费者更加深入地了解该目标产品和产品信息。其通过结合区块链技术为消费者提供资源查询和预定的服务，以为消费者提供质量有保障、可追溯的资源。

如中国专利公开号：CN110557403A，公开日：2019-12-10，公开了一种基于区块链的资源分配方法、装置、存储介质及节点设备，其中，方法包括：接收终端针对资源包发起的资源获取请求，所述资源获取请求包括用于验证的属性信息，对所述属性信息进行验证，若验证成功，则在所述区块链网络中存储所述资源获取请求，并生成待获取的目标资源的索引，按照所述目标资源的索引对所述资源包进行分配处理，并将分配到的目标资源返回给所述终端。通过本发明实施例能够提高资源分配的公平性及真实性，并增强用户参与资源分配的积极性文献。其通过构建一个存储客户端资源请求的数据链，在对资源请求的合法性进行验证的基础上，来为客户端提供相应需求的资源。

如中国专利公开号：CN110796399A，公开日：2020-02-14，公开了基于区块链的资源分配方法以及装置，其中方法包括：接收由多个客户端上传的根据将与待预测业务指标相关的目标业务数据输入预先训练的预测模型生成的初始预测结果；调用满足执行条件的智能合约，并执行所述智能合约声明的集成计算逻辑以及归因分析逻辑，对初始预测结果进行归因分析获得与所述初始预测结果对应的所述多个客户端的资源分配占比；根据所述资源分配占比以及智能合约中与待预测业务指标所属业务相关的资源分配策略对所述多个客户端进行资源分配并下发资源分配结果。其结合机器学习技术对用户的业务数据进行预测，并依据预测结果完成对客户端的资源分配占比，通过区块链技术达成客户端间的分配结果共识。

以上这些对于大量设备的用频规划方法一般适用于主从式场景，即由一个信息处理或管控中心负责对所有设备的用频需求进行收集，并由其完成具体的用频资源配置和对设备进行分配结果的下发告知。这种主从式的方法虽然具备较高的资源配置效率，但却存在若中心瘫痪则系统整体无法正常工作的缺陷。

与此同时，目前已有部分结合区块链技术的相关文献关注了资源分配的场景，但却没有关注设备的用频规划问题，也未有研究提出适用于分布式场景下的多设备用频规划方法。

发明内容

本发明为了解决目前还未有考虑分布式场景下可靠的设备频谱资源划分的问题，提供了一种基于区块链的动态用频协同规划方法，其能快速形成一套设备节点用频的共识合约，避免过多的通信协商和分配方案比较，满足各个设备节点的用频需求。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种基于区块链的动态用频协同规划方法，所述的方法包括步骤如下：

S1：首先，M个用频需求节点向周围广播包括用频需求和用频参数几种信息；

S2：规划节点在收到用频需求节点的广播信息后，将对用频需求节点的身份进行验证，并对其用频参数的合规性进行验证；

S3：各规划节点根据资源分配算法对具有合规性用频需求节点进行资源配置；

S4：在用频规划完成后，规划节点将规划结果进行区块的封装，并向周围广播该区块信息进行更新；

S5：周边设备节点在收到广播的区块后，对其进行有效性验证，若验证通过，则将其区块链进行相应的更新，所有节点形成最终的用频合约，用频需求节点将按照用频合约共识进行实际用频。

优选地，步骤S2，对用频需求节点身份验证，具体地，用频需求节点对其用频需求进行hash操作，对操作结果使用私钥进行签名，并将用频需求和签名结果进行广播；

规划节点收到用频需求节点广播信息后使用用频需求节点对应的公钥对其签名信息进行验证，以确认该信息是否由对应的用频需求节点所发出，若验证通过，则进行下一步的用频需求合规性验证。

进一步地，步骤S2，所述的用频需求包括用频资源数量、节点的三维空间位置、节点所在空间的传播路径损耗指数、节点的发送功率等多项内容几种信息。

再进一步地，规划节点对用频参数进行合规性验证，即验证用频参数是否在预设的取值范围内，同时，验证用频参数与登记信息或者区块链中的历史信息的偏差是否大于阈值，若用频参数在预设的取值范围之内，且偏差小于阈值，则验证通过；否则，不通过，并舍弃该节点，不予分配资源。

再进一步地，所述的资源分配算法，具体步骤如下：

对于规划节点n,n＝1,2,...,N；初始化：已分配频率资源集合η_n＝{}；总可用频率资源集合R_tot；已分配资源的节点集合μ_n＝{}。

S301：得到用频需求节点集合τ_n；

S302：对于用频需求节点i∈τ_n，执行下一步：

S303：依据用频需求节点i广播的用频参数计算其可靠距离d_i；

S304：对于所有j∈μ_n，得到满足d_i+d_j≤d_ij的节点集合ρ_n；其中，d_ij表示用频需求节点i与用频需求节点j的欧几里得距离；

S305：更新对应于用频需求节点集合ρ_n的频率资源集合ε；

S306：得到可分配资源集合β＝{R_tot-η_n,ε}，为用频需求节点i分配对用频需求的资源集合R_i；

S307：更新节点集合μ_n＝{μ_n,i}，资源集合η_n；

S308：结束。

再进一步地，步骤S303中，所述的可靠距离d_i的计算公式如下：

其中，P_i表示用频需求节点i的发送功率；α_i表示用频需求节点i所在空间区域的路径损耗指数；β₀表示距离发送源1米位置的功率损耗；Q表示其他节点设备能够接受的干扰功率强度。

再进一步地，各规划节点对用频需求节点广播信息的接收与验证的同时，执行资源分配算法。

再进一步地，所述的规划节点在完成对所有用频需求节点进行资源配置后，将进行区块数据生成，具体根据区块链技术，所生成的新区块要连接在上一区块上，因而当前区块包括对上一区块的hash结果，此外，当前区块以梅克尔树的形式包括验证通过的用频需求节点的用频需求信息以及对应的资源分配结果。

再进一步地，所述的当前区块还包括对梅克尔树根数据使用当前规划节点私钥签名的数据信息。

再进一步地，所述的规划节点在生成区块数据后，将向周围节点进行广播，周围的设备节点在收到广播的区块数据后，进行验证，若验证通过，则将该区块更新到其存储的区块链上，并向周围节点进行转发，若验证不通过，则遗弃该区块；

所述的验证过程包括：

一是验证当前区块的hash结果是否对应于上一区块；

二是用规划节点所对应的公钥对其签名信息进行验证，以确认该数据内容由该规划节点所发出；

三是验证区块数据中的资源分配情况，即确认下当前的资源分配结果是否满足具体合规性的用频需求节点的用频需求。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的方法，由N个规划节点对所有M个设备的用频资源进行分配，通过规划节点的处理以及节点间的协同，快速形成一套设备节点用频的共识合约，避免过多的通信协商和分配方案比较，满足各个设备节点的用频需求。

本发明所述的方法具备多方面的安全性，首要的是避免了传统主从式方法对中心节点过度依赖的缺点，提升了设备网络的整体安全性，具备网络生存能力强的特点。

本发明所述的方法依靠签名技术、需求验证、结果合规性检验等过程，能够很好的避免网络节点的伪装、网络节点被物理攻击后失效以及被网络攻击后提出无理的用频需求或给出不合理的资源配置方案，因此具备抗伪装及物理和网络攻击的特点。

本发明所述的方法依靠具备较强计算能力的规划节点的竞争性运算，同时资源分配过程与广播信息接收过程同步执行，使得资源的划分过程较为高效。

附图说明

图1是本实施例所述的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

本实施例的目标为对多节点设备进行分布式的可靠用频资源划分，假定所关注场景中共有M个具备用频需求的设备节点，在这些设备中，有N个能够执行用频资源划分的规划节点，且有N≤M成立。

如图1所示，一种基于区块链的动态用频协同规划方法，所述的方法包括步骤如下：

S1：首先，所有M个用频需求节点向周围广播包括用频需求和用频参数几种信息；

S2：规划节点在收到用频需求节点的广播信息后，将对用频需求节点的身份进行验证，并对其用频参数的合规性进行验证；

S3：各规划节点根据资源分配算法对具有合规性用频需求节点进行资源配置；

S4：在用频规划完成后，规划节点将规划结果进行区块的封装，并向周围广播该区块信息进行更新；

S5：周边设备节点在收到广播的区块后，对其进行有效性验证，若验证通过，则将其区块链进行相应的更新，所有节点形成最终的用频合约，用频需求节点将按照用频合约共识进行实际用频。

在一个具体的实施例中，步骤S2，为了防止恶意节点对无线网络进行安全攻击或者扰乱节点网络的用频规划过程，需要开展对用频需求节点的身份验证过程，与此同时，也需要对节点的用频需求进行合理性方面的验证。

本实施例的用频资源配置流程中对用频需求节点身份的验证参考区块链技术的非对称密码体制，由于每个设备节点均保存有无线网络中所有用频需求节点的能够标识身份的公钥信息，因此对用频需求节点身份验证，具体地，

所述的用频需求节点对其用频需求进行hash操作，对操作结果使用私钥进行签名，并将用频需求和签名结果进行广播；

规划节点收到用频需求节点广播信息后使用用频需求节点对应的公钥对其签名信息进行验证，以确认该信息是否由对应的用频需求节点所发出，若验证通过，则进行下一步的用频需求合规性验证。

在一个具体的实施例中，所述的用频需求节点广播的用频需求信息包括用频资源数量、节点的三维空间位置、节点所在空间的传播路径损耗指数、节点的发送功率等多项内容几种信息。

在一个具体的实施例中，规划节点对用频参数进行合规性验证，即验证用频参数是否在预设的取值范围内，同时，验证用频参数与登记信息或者区块链中的历史信息的偏差是否大于阈值，若用频参数在预设的取值范围之内，且偏差小于阈值，则验证通过；否则，不通过，并舍弃该节点，不予分配资源。

在一个具体的实施例中，用频资源规划过程的目标是以最快的速度得到能够满足所有合法设备节点的用频需求。在本实施例所关注的分布式场景中，各规划节点设备通过分别执行资源分配算法的形式对最终用频规划结果的确定进行竞争。

所述的资源分配算法，具体步骤如下：

对于规划节点n,n＝1,2,...,N；初始化：已分配频率资源集合η_n＝{}；总可用频率资源集合R_tot；已分配资源的节点集合μ_n＝{}。

S301：得到用频需求节点集合τ_n；

S302：对于用频需求节点i∈τ_n，执行下一步：

S303：依据用频需求节点i广播的用频参数计算其可靠距离d_i；

S304：对于所有j∈μ_n，得到满足d_i+d_j≤d_ij的节点集合ρ_n；其中，d_ij表示用频需求节点i与用频需求节点j的欧几里得距离；

S305：更新对应于用频需求节点集合ρ_n的频率资源集合ε；

S306：得到可分配资源集合β＝{R_tot-η_n,ε}，为用频需求节点i分配对用频需求的资源集合R_i；

S307：更新节点集合μ_n＝{μ_n,i}，资源集合η_n；

S308：结束。

其中，步骤S303中，节点i的可靠距离d_i的计算公式如下：

其中，P_i表示用频需求节点i的发送功率；α_i表示用频需求节点i所在空间区域的路径损耗指数；β₀表示距离发送源1米位置的功率损耗；Q表示其他节点设备能够接受的干扰功率强度。

在一个具体的实施例中，为了更快的对频率资源进行划分，各规划节点在对用频需求节点广播信息的接收与验证的同时执行资源分配算法。由于各规划节点所处的空间位置不同，其接收到用频需求节点广播信息的顺序可能存在差异，加之各规划节点的处理能力可能存在区别。因而在资源分配算法中，各规划节点的最终资源分配结果和规划所用时间一般是不相同的。由于各用频需求节点一般是非静止的，这样就确保了每次最先完成资源分配的规划节点不总是同一个，这种情况也保证了分布式场景下各规划节点的参与必要性。

在一个具体的实施例中，所述的规划节点在完成对所有用频需求节点进行资源配置后，将进行区块数据生成，具体根据区块链技术，所生成的新区块要连接在上一区块上，因而当前区块包括对上一区块的hash结果，此外，当前区块以梅克尔树的形式包括验证通过的用频需求节点的用频需求信息以及对应的资源分配结果。所述的当前区块还包括对梅克尔树根数据使用当前规划节点私钥签名的数据信息。

在一个具体的实施例中，所述的规划节点在生成区块数据后，将向周围节点进行广播，周围的设备节点在收到广播的区块数据后，进行验证，若验证通过，则将该区块更新到其存储的区块链上，并向周围节点进行转发，若验证不通过，则遗弃该区块；

所述的验证过程包括：

一是验证当前区块的hash结果是否对应于上一区块；

二是用规划节点所对应的公钥对其签名信息进行验证，以确认该数据内容由该规划节点所发出；

三是验证区块数据中的资源分配情况，即确认下当前的资源分配结果是否满足具体合规性的用频需求节点的用频需求。

本实施例所述的区块是一种被包含在公开账簿(区块链)里的聚合了交易信息的容器数据结构，由头部(header)，元数据和一系列交易组成，每个区块可分为区块头部信息和包含在区块中的所有交易信息，这些交易信息以梅克尔树的结构组织在一起，梅克尔的根节点被放在了区块的头部中。

区块链包含了两种类型的记录：区块(block)和交易。交易是被存储在区块链上的实际数据，而区块则是交易的集合，记录交易以何种顺序成为区块链数据库的一部分。这个分布式账本由每个节点中所有的区块链接而成，每个区块中都包含有前一个区块的hash值并将其存放在Pre_Hash字段中，像数据结构中的链表一样组成了一个链式的结构。

本实施例结合各设备节点的用频需求，对可用频率资源进行规划，并将规划结果进行广播，各设备在有效性验证的基础上，最终达成并执行对应规划结果的智能合约。所提的方法基于依靠密码体制的区块链技术，用频规划过程证明了参与节点设备的工作量，规划结果的有效性能够较快的得到设备节点的证明，所对应的智能合约具备可追溯性和权威性，所提的方法能够很好的完成设备间多个用频规划方案的对比选用任务，避免了过多的通信协调操作。

本实施例所述的方法的运算复杂度主要体现在以下三方面：

一是涉及到区块链技术相关的私钥签名、公钥验证、计算梅克尔树和求hash值的计算过程，该有关计算过程的复杂度已经被进行了足够的分析，区块链技术由于便捷可靠，得到了较为广泛的应用，因而这一方面的运算对于具备较为强大计算能力的节点设备来说不构成明显的挑战；

二是规划节点的资源分配所牵扯的计算过程，在该过程中，规划节点需要按时间顺序对需求节点进行资源的配置，由于需要检查已分配节点的资源划分情况，在最差的情况下，总的比较过程涉及的计算次数为O(n！)，但由于资源的比较过程很简单，且资源配置过程与用频需求数据接收过程时间重叠，因而总的时间花费并不高；

三是节点设备对资源分配结果的验证过程，若采用完全验证的方案，则其运算复杂度与资源分配过程的复杂度保持一致，考虑到时间因素，可以对验证过程进行简化，比如节点只对部分设备的用频满足情况进行验证，以提高运算效率。

综上所述，本实施例所提的方法同时具备了区块链技术的安全性以及资源配置过程工作量证明所带来的优点。所述的方法的安全性体现在如下几个方面：

一是能够防止陌生设备节点的伪装。对于分布式的资源配置过程来说，若存在恶意节点进行伪装并提出用频需求，则会扰乱正常的用频秩序，所提方法通过使用非对称密码体制的私钥签名、公钥验证技术细节，依靠各设备节点维护的公钥能够实现对所有设备节点合法性的验证，避免陌生恶意设备的混入。

二是能够防止由于中心节点的瘫痪而导致的资源使用混乱。所提的方法针对分布式场景所提出，用频资源的分配过程由大量的规划节点进行竞争性的配置，能够很好的避免由于传统中心式中控制节点的失效而引起的混乱，保证了设备网络的整体生存能力。

三是能够防止由于节点被攻破所导致的无理资源需求或是错误资源配置。在设备节点被攻破的情况下，其他节点对其所提的资源需求能够进行基于合理性和历史延续性方面的验证工作，因此能够避免其无理资源需求，与此同时，由于需要对资源配置进行有效性验证，因而被攻破节点的错误资源配置结果也不会被网络所采纳。

四是能够避免过多的用频协商通信。所提方法的资源配置过程具备工作量证明的特性，最早发布且具备有效性的资源配置方案会成为节点网络的共识合约，这样就避免了传统分布式计算过多的协商通信过程，一定程度上防止了通信过程低效所导致的规划效率低的问题。

五是分配结果和用频需求的可追溯性。设备节点的用频需求以及规划节点的频率资源划分结果均被保存于区块中，形成设备网络的共识数据库，对应的信息便于查询，也为设备网络整体的安全性提供了保障。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于区块链的动态用频协同规划方法，其特征在于：所述的方法包括步骤如下：

S1：首先，M个用频需求节点向周围广播包括用频需求和用频参数；

S2：规划节点在收到用频需求节点的广播信息后，将对用频需求节点的身份进行验证，并对其用频参数的合规性进行验证；

S3：各规划节点根据资源分配算法对具有合规性用频需求节点进行资源配置；

S4：在用频规划完成后，规划节点将规划结果进行区块的封装，并向周围广播区块信息进行更新；

S5：周边设备节点在收到广播的区块后，对其进行有效性验证，若验证通过，则将其区块链进行相应的更新，所有设备节点形成最终的用频合约，用频需求节点将按照用频合约共识进行实际用频；

所述的资源分配算法，具体步骤如下：

对于规划节点n,n＝1,2,...,N；初始化：已分配频率资源集合η_n＝{}；总可用频率资源集合R_tot；已分配资源的节点集合μ_n＝{}；

S301：得到用频需求节点集合τ_n；

S302：对于用频需求节点i∈τ_n，执行下一步：

S303：依据用频需求节点i广播的用频参数计算其可靠距离d_i；

S304：对于所有j∈μ_n，得到满足d_i+d_j≤d_ij的节点集合ρ_n；其中，d_ij表示用频需求节点i与用频需求节点j的欧几里得距离；

S305：更新对应于用频需求节点集合ρ_n的频率资源集合ε；

S306：得到可分配资源集合β＝{R_tot-η_n,ε}，为用频需求节点i分配对用频需求的资源集合R_i；

S307：更新节点集合μ_n＝{μ_n,i}，资源集合η_n；

S308：结束。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的动态用频协同规划方法，其特征在于：步骤S2，对用频需求节点身份验证，具体地，用频需求节点对其用频需求进行hash操作，对操作结果使用私钥进行签名，并将用频需求和签名结果进行广播；

规划节点收到用频需求节点广播信息后使用用频需求节点对应的公钥对其签名信息进行验证，以确认该信息是否由对应的用频需求节点所发出，若验证通过，则进行下一步的用频需求合规性验证。

3.根据权利要求2所述的基于区块链的动态用频协同规划方法，其特征在于：步骤S2，所述的用频需求包括用频资源数量、节点的三维空间位置、节点所在空间的传播路径损耗指数、节点的发送功率。

4.根据权利要求3所述的基于区块链的动态用频协同规划方法，其特征在于：规划节点对用频参数进行合规性验证，即验证用频参数是否在预设的取值范围内，同时，验证用频参数与登记信息或者区块链中的历史信息的偏差是否大于阈值，若用频参数在预设的取值范围之内，且偏差小于阈值，则验证通过；否则，不通过，并舍弃该节点，不予分配资源。

5.根据权利要求1所述的基于区块链的动态用频协同规划方法，其特征在于：步骤S303中，所述的可靠距离d_i的计算公式如下：

其中，P_i表示用频需求节点i的发送功率；α_i表示用频需求节点i所在空间区域的路径损耗指数；β₀表示距离发送源1米位置的功率损耗；Q表示其他节点设备能够接受的干扰功率强度。

6.根据权利要求1所述的基于区块链的动态用频协同规划方法，其特征在于：各规划节点对用频需求节点广播信息的接收与验证的同时，执行资源分配算法。

7.根据权利要求6所述的基于区块链的动态用频协同规划方法，其特征在于：所述的规划节点在完成对所有用频需求节点进行资源配置后，将进行区块数据生成，具体根据区块链技术，所生成的新区块要连接在上一区块上，因而当前区块包括对上一区块的hash结果，此外，当前区块以梅克尔树的形式包括验证通过的用频需求节点的用频需求信息以及对应的资源分配结果。

8.根据权利要求7所述的基于区块链的动态用频协同规划方法，其特征在于：所述的当前区块还包括对梅克尔树根数据使用当前规划节点私钥签名的数据信息。

9.根据权利要求8所述的基于区块链的动态用频协同规划方法，其特征在于：所述的规划节点在生成区块数据后，将向周围节点进行广播，周围的设备节点在收到广播的区块数据后，进行验证，若验证通过，则将该区块更新到其存储的区块链上，并向周围节点进行转发，若验证不通过，则遗弃该区块；

所述的验证过程包括：

一是验证当前区块的hash结果是否对应于上一区块；

二是用规划节点所对应的公钥对其签名信息进行验证，以确认该数据内容由该规划节点所发出；

三是验证区块数据中的资源分配情况，即确认下当前的资源分配结果是否满足具体合规性的用频需求节点的用频需求。