CN113328782B - 基于区块链的星地网络资源共享架构系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的星地网络资源共享架构及其服务运行方法，所述共享架构包括卫星通信层系统、地面接入系统和区块链系统，涉及卫星运营商、卫星用户及地面非卫星用户三方；所述服务运行方法借助区块链技术激励普通地面卫星终端参与无通信基础设施支持的地面通信设备连网过程，通过智能合约营造卫星用户与普通地面用户的资源共享交易环境，构建该融合网络的分散卫星通信资源交易模型，采用侧链和基于卫星广播特性的区块链模型解决了终端算力和存储能力不足、公有链昂贵的交易手续费不适合频繁小额交易等问题。

Description

基于区块链的星地网络资源共享架构系统及其运行方法
技术领域
本发明属于卫星通信领域，涉及一种基于区块链的星地网络资源共享架构系统及其运行方法。
背景技术
随着地面移动通信面临的网络覆盖瓶颈日益严重及卫星通信仍无法摆脱使用成本高而限制其广泛民用化问题的情况下，各国政府、 组织及学者对于星地网络融合研究给予了高度关注。按照发起方不同，可将现有星地融合设计分为地面网络运营商主导和卫星网络运营商主导两大类。第一种方式中,卫星网络运营商将卫星链路的使用权出租给地面运营商,一定程度上增加了卫星的业务量,但盈利主要来自收取的租赁费,没有增加实际卫星用户的数量.此外,地面段的传输仍依赖传统的基础设施,这给恶劣环境地区的连网带来困难。而第二种方式中，卫星通信资源的售卖权掌握在其手中，盈利来自于增加的卫星业务量，但辅助基站多固定建在较为中心的地理位置上，灵活性不高，对于用户数及业务量的扩展仍然有限。
考虑到卫星用户地理分布范围广阔，且终端设备逐渐具备接入能力，因此可从资源共享角度，为普通卫星用户下放卫星资源出售权，使地面非卫星用户可与周围卫星用户直接进行通信资源交易来连网，从而获得大量广泛分布的卫星网络接入点，进一步扩大了卫星网络接入范围。本发明利用区块链技术分布式记账、匿名交易、数据不可篡改且可审计等性质，构建安全、可信、透明的分散卫星通信资源交易模型，从而提出一种由卫星用户发起的星地网络融合资源共享架构及其服务运行方法。
发明目的
本发明的目的在于提出一种基于区块链的星地网络资源共享架构系统及其运行方法，利用区块链技术的分布式记账、匿名交易、数据不可篡改且可审计等性质，构建安全、可信、透明的分散卫星通信资源交易模型，从而使卫星终端能够充当基础设施，为普通地面终端提供大量广泛分布的卫星网络接入点，进一步扩大卫星网络接入范围。
发明内容
本发明从现有星地融合网络对于卫星业务量拓展和接入范围有限的问题入手，基于资源共享理念，提出以卫星用户发起的新型星地网络资源共享架构系统及其服务运行方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于区块链的星地网络资源共享架构系统，包括卫星通信层系统、地面接入系统和区块链系统，涉及卫星运营商、卫星用户及地面非卫星用户三方；其中，所述卫星用户、地面非卫星用户为一个或多个；
所述卫星运营商为所述卫星用户下放卫星资源出售权；
所述卫星用户为所述地面非卫星用户提供网络接入点，“零售”卫星网络通信资源，从中收取转发入网回报，所述“零售”指售卖或销售；
所述地面非卫星用户通过其周围的所述卫星用户“零售”的通信资源连网，并向所述卫星用户提供接入费用；
所述卫星通信系统为卫星通信网络中所有合法的卫星用户提供卫星通信所述卫星通信系统为卫星通信网络中所有合法的卫星用户提供卫星通信服务，包括卫星、地面站和卫星终端SE，其中卫星由卫星运行商运营，地面站包括数据及网络运营中心，可与电话网络和数据网络进行信息交互，卫星用户通过卫星终端SE向地面非卫星用户提供网络接入点；
所述地面接入系统包括充当网络接入点的卫星终端SE和普通地面终端UE；所述卫星用户的卫星终端SE作为接入点，为所述地面非卫星用户的普通地面终端UE提供入网服务，即接入所述卫星通信网络；所述地面接入系统的通信信道为ISM非授权频段，或采用其所属的卫星频段，即通过认知无线电技术与卫星共享频谱；
所述区块链系统是叠加在两个通信系统上的第二层控制和管理网络，包括可信授权中心、主链、侧链、数字货币、账户和智能合约；所述区块链系统利用区块链分布式的共识机制、不可篡改的链式数据结构及非对称加密操作，实现安全分布式交易结算；在该区块链系统中，所述卫星用户和非卫星用户均为区块链节点；在区域内，所述卫星用户和非卫星用户间通过侧链或DPoS的共识机制进行交易结算；在区域外，通过卫星地面数据中心DC连接主链，完成分布式记账，其中，资源共享的所有参与者需先在主链的可信授权中心通过智能合约缴纳不少于与一次服务等价的抵押金从而完成注册，并获得公私钥对及账户。
根据本发明的另一个方面，提供了一种上述基于区块链的星地网络资源共享架构的服务运行方法，包括以下步骤：
步骤1：注册，资源共享的所有参与者先在主链的可信授权中心完成注册，并获得公私钥对及账户；
步骤2：普通地面终端UE发起广播服务请求，所请求的信息包含所需的通信需求；
步骤3：服务请求应答，当普通地面终端UE周围的卫星终端SE收到步骤2中的服务请求后，进行定价和选择决策，有服务意愿的卫星终端SE向发出广播服务请求的普通地面终端UE回复应答信息，所述应答信息包含所能提供的服务质量和定价，所述服务质量包括速率；
步骤4：当普通地面终端UE收到步骤3中所述的应答信息后，通过决策算法选择欲接入的卫星终端SE并建链通信；
步骤5：创建交易，每完成一次卫星通信服务，普通地面终端UE将按智能合约给向其提供卫星通信服务的卫星终端SE支付数字货币，并打包一条交易信息利用私钥签名后发送给该卫星终端SE验证，所述交易信息包含对本次卫星通信服务的评价信息；
步骤6：验证记账，当所述卫星终端SE验证无误后，再次数字签名，并广播给区块链网络中的其他验证节点Peers，所述其他验证节点Peers通过事先确定的共识机制产生侧链区块，对本区域资源交易进行记账；
步骤7：写入主链，当满足与主链合并条件时，侧链信息将通过卫星转发到所述地面站的数据及网络运行中心，完成主链记账。
优选地，步骤2中所述通信需求包括通信的速率、时限。
优选地，步骤4中所述建链时考虑速率和时限。
附图说明
图1为本发明所述星地网络资源共享架构参与三方的运行关系。
图2为本发明所述星地网络资源共享架构的一个具体实施例模型。
图3为本发明所述星地网络资源共享架构的服务运行流程图。
具体实施方式
以下结合附图，以实施例示例性的方式，详细阐述本发明。
本发明结合资源共享理念和区块链技术提出了一种由卫星用户发起的新型星地资源共享架构与实现方法。该方法借助区块链技术激励普通地面卫星终端参与无通信基础设施支持的地面通信设备连网过程，通过智能合约营造可信的卫星用户与普通地面用户的资源共享交易环境，进而构建该融合网络的分散卫星通信资源交易模型，为解决终端算力和存储能力不足、公有链昂贵的交易手续费不适合频繁小额交易等问题，本发明采用了侧链和基于卫星广播特性的区块链模型。
图1为本发明所述星地网络资源共享架构参与三方的运行关系，其中卫星运营商为普通卫星用户下放卫星资源出售权，使地面非卫星用户通过周围卫星用户“零售”的通信资源连网，卫星用户从中可以收取转发入网回报，而卫星运营商通过广泛分布卫星用户的中继，进一步扩大了卫星网络接入范围，增加了卫星通信业务量，加快了卫星通信广泛民用化的步伐。
图2为本发明所述星地网络资源共享架构的一个具体实施例模型。所述星地网络资源共享架构包括卫星通信系统、地面接入系统、区块链系统。其中，所述卫星通信系统为卫星通信网络中所有合法的卫星用户提供卫星通信服务，包括卫星、地面站和卫星终端SE。
所述地面接入系统包括充当网络接入点的卫星终端SE和普通地面终端UE，以所述卫星用户作为接入点，为所述地面非卫星用户提供入网服务，即接入所述卫星通信网络；所述地面接入系统的通信信道为ISM非授权频段，或采用其所属的卫星频段，即通过认知无线电技术与卫星共享频谱。
区块链系统是叠加在两个通信系统上的第二层控制和管理网络，包括可信授权中心、主链、侧链、数字货币、账户和智能合约。本发明利用区块链分布式的共识机制、不可篡改的链式数据结构及非对称加密等操作，可为安全分布式交易结算提供实现途径。该系统中，卫星用户和非卫星用户均为区块链节点，但二者算力及存储能力有限，不适合传统基于挖矿和工作量证明（PoW）共识机制的区块链，该网络采用区域内用户间通过侧链和DPoS等轻量级的共识机制进行交易结算，区域外通过卫星地面数据中心DC连接主链，完成分布式记账。其中资源共享的所有参与者需先在主链的可信授权中心完成注册，并获得公私钥对及账户。此外，为避免非卫星用户初始交易后逃单，其在注册时需通过智能合约缴纳不少于与一次服务等价的抵押金，以保障初始服务商的权益。
图3为本发明所述星地网络资源共享架构的服务运行流程图，由图可知，包括以下步骤：
步骤1：注册，资源共享的所有参与者先在主链的可信授权中心完成注册，并获得公私钥对及账户；
步骤2：普通地面终端UE发起广播服务请求，所请求的信息包含所需的通信需求；
步骤3：服务请求应答，当普通地面终端UE周围的卫星终端SE收到步骤2中的服务请求后，进行定价和选择决策，有服务意愿的卫星终端SE向发出广播服务请求的普通地面终端UE回复应答信息，所述应答信息包含所能提供的服务质量和定价，所述服务质量包括速率；
步骤4：当普通地面终端UE收到步骤3中所述的应答信息后，通过决策算法选择预接入的卫星终端SE并建链通信；
步骤5：创建交易，每完成一次卫星通信服务，普通地面终端UE将按智能合约给向其提供卫星通信服务的卫星终端SE支付数字货币，并打包一条交易信息利用私钥签名后发送给该卫星终端SE验证，所述交易信息包含对本次卫星通信服务的评价信息；
步骤6：验证记账，当所述卫星终端SE验证无误后，再次数字签名，并广播给区块链网络中的其他验证节点Peers，所述其他验证节点Peers通过事先确定的共识机制产生侧链区块，对本区域资源交易进行记账；
步骤7：写入主链，当满足与主链合并条件时，侧链信息将通过卫星转发到所述地面站的数据及网络运行中心，完成主链记账。
与现有技术相比，本发明具有以下创新：
（1）不同于以往地面网络运营商主导和卫星网络运营商主导的星地网络融合设计方式，本发明基于资源共享思想提出了卫星用户发起的星地资源共享架构与实现方法。考虑到卫星用户地理分布的广泛性及设备的可接入性，让卫星终端充当基础设施可为普通地面终端提供大量广泛分布的卫星网络接入点，能够使卫星网络地面接入位置更加灵活，接入范围进一步扩大，增加卫星通信业务量，促进卫星通信的广泛民用化发展。
（2）不同于以往地面移动用户接入的所有基站同属于一家运营商，服务费结算在核心网数据库完成，本发明中，为地面用户提供服务的卫星终端分属于不同实体，交易的分布式进行以及主动权的下放是对卫星用户权益的重要保障。本发明从区块链和智能合约技术着手，提出资源和价值在卫星用户和非卫星用户间直接传递的可靠方式，以此促进卫星用户参与资源共享的积极性。
（2）提出基于区块链的星地资源共享架构与实现工作流程，通过侧链和基于卫星广播特性的区块链模型来解决终端算力和存储能力不足、公有链昂贵的交易手续费不适合频繁小额交易等问题。
综上所述，本发明具有如下效果：
针对当前星地网络融合对卫星业务量促进有限且接入范围局限等问题，从资源共享角度出发，借助区块链和智能合约建立可信的卫星用户与普通地面用户的资源共享交易市场，进一步拓展了卫星网络在地面段的接入群体，扩大卫星网络地面接入范围，促进其业务量的大幅增加和卫星通信的广泛民用化发展。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的具体实施方式仅是对本发明的示例性说明，并不应视为对本发明的限制，任何不脱离本发明主旨和灵魂的对上述实施方式所进行的变动和变体都落入本发明的保护范围，本发明的保护范围由所提交的权利要求书所决定。

Claims (4)

1.一种基于区块链的星地网络资源共享架构系统，其特征在于，该架构系统包括卫星通信层系统、地面接入系统和区块链系统，涉及卫星运营商、卫星用户及地面非卫星用户三方，其中，所述卫星用户、地面非卫星用户为一个或多个；
所述卫星运营商为所述卫星用户下放卫星资源出售权；
所述卫星用户为所述地面非卫星用户提供网络接入点，“零售”卫星网络通信资源，从中收取转发入网回报，所述“零售”指售卖或销售；
所述地面非卫星用户通过其周围的所述卫星用户“零售”的通信资源连网，并向所述卫星用户提供接入费用；
所述卫星通信系统为卫星通信网络中所有合法的卫星用户提供卫星通信服务，包括卫星、地面站和卫星终端SE，其中卫星由卫星运行商运营，地面站包括数据及网络运营中心，可与电话网络和数据网络进行信息交互，卫星用户通过卫星终端SE向地面非卫星用户提供网络接入点；
所述地面接入系统包括充当网络接入点的卫星终端SE和普通地面终端UE；所述卫星用户的卫星终端SE作为接入点，为所述地面非卫星用户的普通地面终端UE提供入网服务，即接入所述卫星通信网络；所述地面接入系统的通信信道为ISM非授权频段，或采用其所属的卫星频段，即通过认知无线电技术与卫星共享频谱；
所述区块链系统是叠加在两个通信系统上的第二层控制和管理网络，包括可信授权中心、主链、侧链、数字货币、账户和智能合约；所述区块链系统利用区块链分布式的共识机制、不可篡改的链式数据结构及非对称加密操作，实现安全分布式交易结算；在该区块链系统中，所述卫星用户和非卫星用户均为区块链节点；在区域内，所述卫星用户和非卫星用户间通过侧链或DPoS的共识机制进行交易结算；在区域外，通过卫星地面数据中心DC连接主链，完成分布式记账，其中，资源共享的所有参与者需先在主链的可信授权中心通过智能合约缴纳不少于与一次服务等价的抵押金从而完成注册，并获得公私钥对及账户。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的星地网络资源共享架构系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：注册，资源共享的所有参与者先在主链的可信授权中心完成注册，并获得公私钥对及账户；
步骤2：普通地面终端UE发起广播服务请求，所请求的信息包含所需的通信需求；
步骤3：服务请求应答，当普通地面终端UE周围的卫星终端SE收到步骤2中的服务请求后，进行定价和选择决策，有服务意愿的卫星终端SE向发出广播服务请求的普通地面终端UE回复应答信息，所述应答信息包含所能提供的服务质量和定价，所述服务质量包括速率；
步骤4：当普通地面终端UE收到步骤3中所述的应答信息后，通过决策算法选择欲接入的卫星终端SE并建链通信；
步骤5：创建交易，每完成一次卫星通信服务，普通地面终端UE将按智能合约给向其提供卫星通信服务的卫星终端SE支付数字货币，并打包一条交易信息利用私钥签名后发送给该卫星终端SE验证，所述交易信息包含对本次卫星通信服务的评价信息；
步骤6：验证记账，当所述卫星终端SE验证无误后，再次数字签名，并广播给区块链网络中的其他验证节点Peers，所述其他验证节点Peers通过事先确定的共识机制产生侧链区块，对本区域资源交易进行记账；
步骤7：写入主链，当满足与主链合并条件时，侧链信息将通过卫星转发到所述地面站的数据及网络运行中心，完成主链记账。
3.根据权利要求2所述的运行方法，其特征在于，步骤2中所述通信需求包括通信的速率、时限。
4.根据权利要求2所述的运行方法，其特征在于，步骤4中所述建链时考虑通信的速率和时限。
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