CN114329619A

CN114329619A - 基于区块链的频谱资源共享方法、设备及存储介质

Info

Publication number: CN114329619A
Application number: CN202111359231.8A
Authority: CN
Inventors: 孙圣力; 王旭; 李硕; 李青山
Original assignee: Nanjing Boya Blockchain Research Institute Co ltd; Guangxi Guoxin Yunfu Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Boya Blockchain Research Institute Co ltd; Guangxi Guoxin Yunfu Technology Co ltd
Priority date: 2021-11-16
Filing date: 2021-11-16
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明提供了一种基于区块链的频谱资源共享方法，包括：卖方运营商节点创建共享频谱信息，并将带有第一数字签名的共享频谱信息广播于区块链；买方运营商节点获取带有第一数字签名的共享频谱信息并进行验证；验证通过后，买方运营商对求购频谱信息进行签名，并将带有第二数字签名的求购频谱信息发送给卖方运营商节点；卖方运营商节点接收到求购频谱信息后对第二数字签名进行验证；验证通过后，卖方运营商节点修改频谱使用状态并生成交易单，并将交易单打包成区块数据；卖方运营商节点向共识节点发送区块数据以触发共识节点验证区块数据。本发明采用区块链技术实施对频谱的共享，从而实现了对频谱资源的共享及可追溯，防止了交易过程信息被篡改。

Description

基于区块链的频谱资源共享方法、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及网络通信和数据处理技术领域，特别是涉及一种基于区块链的频谱资源共享方法、设备及存储介质。

背景技术

无线电频谱是移动通信中不可或缺的宝贵资源，是移动通信传输的重要载体。随着5G移动通信技术的发展普及，移动通信系统对频谱资源的需求大幅增长，使得频谱资源日益紧缺。而频谱资源在不同运营商之间的分配难以保持实时均衡，经常会出现，某个运营商的频谱无法满足其当前需求时，其他运营商的频谱则处于空闲状态，如此就造成了频谱资源的极大浪费。

为此，实现频谱资源在各运营商之间的共享成为必然，现有的频谱资源共享策略存在诸多问题，如，缺乏统一记录的数据库，导致各运营商的频谱资源的使用情况不透明。共享各方之间缺乏信任机制，信息容易被篡改，容易产生诸多隐私信息泄露等。

发明内容

为了实现解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种基于区块链的频谱资源共享方法，其具体技术方案如下：

一种基于区块链的频谱资源共享方法，包括：

卖方运营商节点创建共享频谱信息，并采用持有的第一私钥对共享频谱信息进行签名，并将带有第一数字签名的共享频谱信息广播于所述区块链中；且，所述区块链中存储有所述卖方运营商节所拥有的频谱资源清单及频谱使用状态；

买方运营商节点获取所述带有第一数字签名的共享频谱信息，并使用与所述第一私钥成对的第一公钥对所述第一数字签名进行验证；

验证通过后，所述买方运营商采用持有的第二私钥对求购频谱信息进行签名，并将带有第二数字签名的求购频谱信息发送给所述卖方运营商节点；

所述卖方运营商节点接收所述带有第二数字签名的求购频谱信息并使用与所述第二私钥成对的第二公钥对所述第二数字签名进行验证；

验证通过后，所述卖方运营商节点将与共享频谱信息对应的频谱资源的频谱使用状态修改为已共享状态并更新所述频谱资源清单，并生成交易单，然后将生成的交易单打包成区块数据；

所述卖方运营商节点向共识节点发送所述区块数据，以触发所述共识节点验证所述区块数据。

在一些实施例中，所述共享频谱信息包括共享频谱的频谱频段、频谱数量、频谱价格及频谱时长，所述采用持有的第一私钥对共享频谱信息进行签名，包括：对所述共享频谱信息做哈希运算，得到第一摘要值；使用所述第一私钥对所述第一摘要值进行加密，得到所述第一数字签名。

在一些实施例中，所述求购频谱信息包括求购频谱的频谱频段、频谱数量、频谱价格及频谱时长，所述采用持有的第二私钥对求购频谱信息进行签名，包括：对所述求购频谱信息做哈希运算，得到第二摘要值；使用所述第二私钥对所述第二摘要值进行加密，得到所述第二数字签名。

在一些实施例中，所述成交易单包括：交易编号、交易哈希值、共享频谱的频段、共享频谱的价格及共享频谱的时长、所述卖方运营商节点的地址及所述买方运营商节点的地址。

在一些实施例中，所述交易单还包括有智能合约及所述买方运营商节点的第三数字签名，所述第三数字签名由所述买方运营商节点的频谱币地址和所述卖方运营商节点的所述第一公钥连接后经哈希运算得到。

在一些实施例中，所述共识节点验证所述区块数据后，将所述区块数据缓存至所述共识节点的本地数据库；当存储至所述数据库中的所述区块数据的数据量达到预定阈值时，所述共识节点在所述区块链上创造一新区块。

在一些实施例中，所述卖方运营商节点的数量至少为两个，所述卖方运营商节点创建共享频谱信息包括：所述卖方运营商节点通过非合作博弈模型生成所述共享频谱的频谱数量及频谱价格。

在一些实施例中，所述非合作博弈模型如下：卖方运营商节点的效用函数为：

profit_i(P)＝b_ip_i+c₁M_i-ζ_i(b_i)，

卖方运营商节点的成本函数为：

其中：Profiti(P)为第i个卖方运营商节点出租频谱获得的收益，b_i为第i个卖方运营商节点共享的频谱量，p_i为第i个卖方运营商节点的频谱报价，w_i为第i个卖方运营商节点拥有的总频谱量，M_i为第i个卖方运营商节点的终端用户数，

为第i个卖方运营商节点正常工作时所需要的频谱量，C₁、C₂为常数；

买方运营商节点的效用函数为：

其中：b_i为第i个卖方运营商节点共享的频谱量，p_i为第i个卖方运营商节点的频谱报价，

是买方运营商节点利用卖方运营商节的频谱进行无线传输的频谱利用率，μ为自由度。

本发明第二方面提供了一种电子设备，其包括存储器、处理器及存储在存储器内并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现本发明第一方面任一项所述的基于区块链的频谱资源共享方法。

本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明第一方面任一项所述的基于区块链的频谱资源共享方法。

采用本发明提供的基于区块链的频谱资源交易方法对频谱资源共享过程进行管理，从而实现了对频谱资源的共享及可追溯，并防止了交易过程信息被篡改。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例与所设计的系统架构中的技术方案，下面结合附图对系统实施例与系统架构和技术方案中所需要的使用的附图进行简单介绍，显而易见，下面描述的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的基于区块链的频谱资源交易方法的执行过程流程图；

图2为本发明实施例的基于区块链的频谱资源交易方法的在系统内的信息交互流程图；

图3为本发明实施例中的交易单的数据结构示意图；

图4为本发明实施例中的区块的数据结构示意图；

图5为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

应当指明，以下详细说明的内容都是示例性的，目的是对本发明的内容进行指示性的说明，需要注意的是，本发明使用的所有技术和科学术语具有与发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

下面将结合本发明实施例中的附图说明，对本发明实施例中的系统架构与现有技术中的解决方案进行清晰、完整的描述，需要注意的是，所描述的实施例仅是为了对本发明进行解释与说明，而不是全部的内容。在本发明所提供的实施例的基础上，本领域内的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他所有实施例，都在本发明申请的保护范围之内。

申请概述

现有的频谱资源共享策略存在诸多问题，如，缺乏统一记录的数据库，导致各运营商的频谱资源的使用情况不透明。共享各方之间缺乏信任机制，信息容易被篡改，容易产生诸多隐私信息泄露等。

区块链技术因其去中心化、多方共识、信息不可篡改、公开透明等特点非常适合用于物流运输领域的信息追溯及隐私保护。区块链本质上就是一种可信的分布式数据库，是分布式存储、共识机制、点对点通讯、加密算法等传统计算机技术的新型应用模式。在区块链中，信息是链式分散存储和交叉验证，所以不可伪造和篡改。区块链的智能合约可以被自动执行，无需任何中心化机构的审核。

利用区块链技术对现有的频谱资源共享系统进行优化，可充分发挥区块链技术的优点，实现频谱资源共享过程中的信息可追溯。对新模式下的参与方进行规范化，统一业务流程，从而解决物频谱资源共享过程中的信任危机。

鉴于此，本发明旨在提供一种基于区块链的频谱资源共享方法、电子设备及存储介质，其将频谱资源的交易要求信息、交易过程信息均存储至区块链，并采用智能合约实施对频谱交易的全过程，本发明实现了对频谱资源的共享及可追溯，并防止了交易过程信息被篡改。

实施例：频谱资源共享系统

本发明实施例提供的基于区块链的频谱资源共享方法，实施于频谱资源共享系统内，频谱资源共享系统包括基于区块链框架构建的区块链平台，区块链平台中的节点至少包括管理节点、参与共享节点及共识节点。

基于注册许可的区块链平台旨在为各参与共享节点构建一个可信任的频谱交易环境，以满足各运营商的频谱资源共享需求。本发明的区块链平台采用联盟链架构。加入至区块链平台内的包括两类实体，管理者和参与共享者，其中：管理者不参与频谱共享，其负责与参与共享者及共享过程进行管理。

每个参与共享节点加入至区块链平台时，均需提交注册申请请求给管理节点，管理节点通过注册请求后分配给每个参与共享节点一对公钥和私钥，及合法证书，并将生成的公钥、私钥及合法证书发送给参与交易节点，其中，公钥被广播于区块链中。

参与共享者包括卖方运营商和买方运营商，当然，卖方运营商、买方运营商的身份并不是固定不变的，对于每个运营商，其在一个时间节点、一个交易过程中的身份可能是卖方运营商，而在另一个时间节点、另一个交易过程中的身份则可能切换为买房运营商。

卖方运营商：由若干在某一确定的时间段拥有多余的频谱资源可以共享的运营商组成。共享可以是出租，也可以是出卖。

买方运营商：由若干在某一确定的时间需要购买或租赁频谱资源的运营商组成。

管理者、卖方运营商、买方运营商之间通过区块链网络进行连接和通信。当然，卖方运营商、买方运营商的数量并不止一个。

实施例：基于区块链的频谱资源共享方法

本发明提供的基于区块链的频谱资源共享方法，实施于上述的频谱资源共享系统中。

如图1所示，本发明实施例的频谱资源共享方法包括如下步骤：

S100、卖方运营商节点创建共享频谱信息，并采用持有的第一私钥对共享频谱信息进行签名，并将带有第一数字签名的共享频谱信息广播于所述区块链中；且，所述区块链中存储有所述卖方运营商节所拥有的频谱资源清单及频谱使用状态。

区块链中的每个阶段中均存储有频谱资源清单及频谱使用状态，且，频谱资源清单及频谱使用状态已经被共识。频谱资源清单记录了各参与共享节点所拥有的频谱资源的频谱频段、频谱数量、频谱时长等信息，频谱使用状态则标准了各频谱资源的状态，例如，使用状态包括“正在使用”、“空闲”及“已共享”等状态。

当卖方运营商计划将拥有的“空闲”的频谱资源共享出去时，其通过其对应的卖方运营商节点创建一共享频谱信息，该共享频谱信息例如，包括共享频谱的频谱频段、频谱数量、频谱价格及频谱时长等。

创建完共享频谱信息后，卖方运营商节点采用其持有的第一私钥对共享频谱信息进行签名，并将完成签名的带有第一数字签名的共享频谱信息广播于区块链中。此时，区块链中的其他节点均能接收到该带有第一数字签名的共享频谱信息。

可选的，卖方运营商节点采用其持有的第一私钥对共享频谱信息进行签名的具体过程为：对共享频谱信息做哈希运算，得到第一摘要值。使用第一私钥对第一摘要值进行加密，得到第一数字签名。

S200、买方运营商节点获取带有第一数字签名的共享频谱信息，并使用与第一私钥成对的第一公钥对第一数字签名进行验证。

需要租赁或购买频谱资源的参与共享节点均能够成为买方运营商节点，其首先从区块链上获取到卖方运营商节点广播的带有第一数字签名的共享频谱信息。

买方运营商节点如对共享频谱信息中的共享频谱资源敢兴趣，则采用与第一私钥成对的第一公钥对第一数字签名进行验证。

S300、验证通过后，买方运营商采用持有的第二私钥对求购频谱信息进行签名，并将带有第二数字签名的求购频谱信息发送给卖方运营商节点。

可选的，求购频谱信息例如，包括求购频谱的频谱频段、频谱数量、频谱价格及频谱时长等。当然，作为对卖方运营商节点发出的共享频谱信息的响应，买方运营商节点发出的求购频谱信息与卖方运营商节点发出的共享频谱信息存在对应关系，如，求购频谱的频谱频段与共享频谱的频谱频段一致，求购频谱的频谱数量不大于共享频谱的频谱频段，等。

可选的，卖方运营商节点采用持有的第二私钥对求购频谱信息进行签名，包括：对求购频谱信息做哈希运算，得到第二摘要值；使用第二私钥对第二摘要值进行加密，得到第二数字签名。

S400、卖方运营商节点接收带有第二数字签名的求购频谱信息并使用与第二私钥成对的第二公钥对所述第二数字签名进行验证。

卖方运营商节点接收到卖方运营商发送的求购频谱信息后，如果能够接收卖方运营商给出的频谱数量、频谱价格等条件，则使用与第二私钥成对的第二公钥对第二数字签名进行验证。

S500、验证通过后，卖方运营商节点将与共享频谱信息对应的频谱资源的使用状态修改为已共享状态并更新频谱资源清单，并生成交易单，然后将生成的交易单打包成区块数据。

如图3所示，可选的，每笔交易单的内容包括：交易编号、交易哈希值，以及共享频谱的频段、共享频谱的价格及共享频谱的时长等信息，以及卖方运营商节点的地址及买方运营商节点的地址。

可选的，每笔交易单上还还包括有智能合约及买方运营商节点的第三数字签名，第三数字签名由买方运营商节点的频谱币地址和卖方运营商节点的第一公钥连接后经哈希运算得到。其中，智能合约经买方运营商和卖方运营商经协商形成，其中设置有触发条件及触发事务，当触发条件满足时，触发事务即能自动执行。

如，交易单形成后的预定时长后，智能合约自动执行，智能合约首先通过卖方运营商节点的第一公钥完成对第三数字签名的验证，验证通过后，智能合约从买方运营商节点的频谱币地址获取预定数量的频谱币，并将频谱币自动划拨至买方运营商节点。如此，不需要卖方运营商和买方运营商再执行额外的操作，既能完成自动结算，解决了卖方运营商、买方运营商的信任问题，

S600、卖方运营商节点向共识节点发送区块数据，以触发共识节点验证区块数据。

共识节点是区块链平台上的除管理节点及普通的参与共享节点之外的一类特殊的节点，每个共识节点皆需要在完成注册及授权，待注册、授权成功后，该共识节点便为合法的共识节点。

共识节点用于共识区块数据。其中，共识节点可以支持以下任意一种共识算法：工作量证明、权益证明，股份授权证明、实用拜占庭容错、授权拜占庭容错等等。经过共识节点共识后的区块数据，即能够作为形成新区块的数据，被加入至区块链上。

可选的，本发明的频谱资源共享方法包括：

步骤700、共识节点验证区块数据后，将区块数据缓存至共识节点的本地数据库；当存储至数据库中的区块数据的数据量达到预定阈值时，共识节点在区块链上创造一新区块。

如图4所示，区块分为区块头和区块体两部分，其中：区块头存放区块信息，包含区块编号、当前及上一区块哈希值以及Merkle根和时间戳。因为联盟链无需挖矿，所以不再需要随机数。区块体存放交易信息和Merkle树，交易以编号+哈希值+时间戳的形式存储，这里的时间戳是交易生成时间。

新区块成功创建后，系统将发送消息通知所有在线的节点有新的区块创建成功。收到消息的节点将新区块信息同步到本体，不在线的节点将在下一次上线后更新区块链信息。

如本领域一般技术人员所知晓的，在同一时间节点，存在多个拥有相同或相似频谱资源的卖方运营商，这些卖方运营商之间必然存在竞争关系。在这样的前提下，在不考虑最大化收益的情况下，卖方运营商当然可以根据自身情况自由决定其共享频谱的价格、数量。

但是，为最大化自己的收益并且能够在竞争中胜出，卖方运营商需要使用合适的策略来确定其共享频谱的价格、数量。博弈论的非合作博弈模型非常符合各卖方运营商间的竞争关系。

基于此考虑，可选的，本发明采用非合作博弈模型为卖方运营商提供相应的出价策略，以帮助卖方运营商决定共享频谱的频谱数量及频谱价格。

可选的，非合作博弈模型如下：

卖方运营商节点的效用函数为：

profit_i(P)＝b_ip_i+c₁M_i-ζ_i(b_i)， (1)

卖方运营商节点的成本函数为：

买方运营商节点的效用函数为：

通过纳什均衡分析对模型求解，卖方运营商节点即能获取到共享频谱的频谱数量及频谱价格。需要进行说明的是：本发明所采用的非合作博弈模型及纳什均衡求解过程为本领域一般技术人员所熟知，本说明书在此不再赘述。

本领域一般技术人员在实施本发明时，可以参考刊登于南京邮电大学学报(自然科学版)第31卷第3期题为“一种改进的基于博弈论的动态频谱共享算法”、周惟风等人的题为“基于博弈论的频谱共享算法研究”的硕士研究生毕业论文等相关的现有技术文献。

为了使得本领域技术人员能够更加便利地了解及实施本发明的技术方案，下文还是选择对纳什均衡分析求解模型的过程进行简要介绍，具体的：

纳什均衡分析的过程如下：

式(1)中有两个变量b_i、p_i，即博弈的目标是求出的纳什均衡解，因此首先要求出b_i，求解原则是求出买方运营商效用最大时的b_i。根据式(2)，买方运营商的效用函数是连续函数，从数学角度出发，为了求得买方运营商的效用的最大值，必须求解：

求解上式可得：

式(4)可简化为：

b_i＝D₁(p_-i)-D₂p_i (5)

其中：

将式(5)代入式(1)，则可消去b_i变量，此时，卖方运营商效用为：

将式(7)对p_i求一次导数，得：

再将式(8)对p_i求导，得：

又，

代入式(9)有：

因此建立的博弈模型符合超模博弈的条件，该模型存在纳什均衡，经过重复剔除劣势后能获得唯一合理的均衡点。

在博弈论中，纳什均衡是一种策略组合，使得每个参与者的策略是对其他参与者策略的最优反应。在其他卖方运营商出价P_-i的基础上，第i个卖方运营商的最优策略可由下式得到：

集合

表示该竞价博弈的纳什均衡，则：

其中，

指i≠j时的所有共享参与者j的最优策略的集合。为得到该纳什均衡态，需对所有的共享参与者i的效用函数对p_i求导并置零，即

此时，共享参与者i的效用函数中，买方运营商i能够共享到的频谱b_i需由D_i(p)代替，则表达式为：

profit_i(P)＝D_i(p)p_i+R_i-ζ_i(D_i(p)) (14)

求导后可得到：

该博弈的纳什均衡最终可通过求解方程组得到。

实施例电子设备

图5为本申请实施例提供的电子设备500的结构示意图，如图5所示，该电子设备500包括处理器501和存储器503，处理器501和存储器503相连，如通过总线502相连。

处理器501可以是CPU，通用处理器、DSP，ASIC，FPGA或者其他可编程器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其他任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器501也可以是实现计算功能的组合，例如包括一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。

总线502可以是PCI总线或EISA总线等。总线502可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为了便于表示，图中仅以一条粗线表示，但是并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

存储器503可以是ROM或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，RAM或者可以储存信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、光碟存储、磁盘存储介质或其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。

存储器503用于存储本申请方案的应用程序代码，并由处理器501来控制执行。处理器501用于执行存储器503中存储的应用程序代码，以实现前述实施例中的基于区块链的频谱资源共享方法。

本申请实施例最后还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述实施例中的基于区块链的频谱资源交易方法。

上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。

Claims

1.一种基于区块链的频谱资源共享方法，其特征在于，所述频谱资源共享方法包括：

2.如权利要求1所述的基于区块链的频谱资源共享方法，其特征在于，所述共享频谱信息包括共享频谱的频谱频段、频谱数量、频谱价格及频谱时长，所述采用持有的第一私钥对共享频谱信息进行签名，包括：

对所述共享频谱信息做哈希运算，得到第一摘要值；

使用所述第一私钥对所述第一摘要值进行加密，得到所述第一数字签名。

3.如权利要求1所述的基于区块链的频谱资源共享方法，其特征在于，所述求购频谱信息包括求购频谱的频谱频段、频谱数量、频谱价格及频谱时长，所述采用持有的第二私钥对求购频谱信息进行签名，包括：

对所述求购频谱信息做哈希运算，得到第二摘要值；

使用所述第二私钥对所述第二摘要值进行加密，得到所述第二数字签名。

4.如权利要求1所述的基于区块链的频谱资源共享方法，其特征在于，所述成交易单包括：交易编号、交易哈希值、共享频谱的频段、共享频谱的价格及共享频谱的时长、所述卖方运营商节点的地址及所述买方运营商节点的地址。

5.如权利要求4所述的基于区块链的频谱资源共享方法，其特征在于，所述交易单还包括有智能合约及所述买方运营商节点的第三数字签名，所述第三数字签名由所述买方运营商节点的频谱币地址和所述卖方运营商节点的所述第一公钥连接后经哈希运算得到。

6.如权利要求1所述的基于区块链的频谱资源共享方法，其特征在于，所述共识节点验证所述区块数据后，将所述区块数据缓存至所述共识节点的本地数据库；

当存储至所述数据库中的所述区块数据的数据量达到预定阈值时，所述共识节点在所述区块链上创造一新区块。

7.如权利要求1所述的基于区块链的频谱资源共享方法，其特征在于，所述卖方运营商节点的数量至少为两个，所述卖方运营商节点创建共享频谱信息包括：所述卖方运营商节点通过非合作博弈模型生成所述共享频谱的频谱数量及频谱价格。

8.如权利要求7所述的基于区块链的频谱资源共享方法，其特征在于，所述非合作博弈模型如下：

卖方运营商节点的效用函数为：

profit_i(P)＝b_ip_i+c₁M_i-ζ_i(b_i)，

卖方运营商节点的成本函数为：

买方运营商节点的效用函数为：

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器内并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至8任一项所述的基于区块链的频谱资源共享方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述的基于区块链的频谱资源共享方法。