CN115882925A - 基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，本申请应用于认知双卫星网络系统中，认知双卫星网络系统包括：主卫星和从卫星；其中，主卫星和从卫星覆盖相同区域；方法步骤包括：通过主卫星的终端发送频谱租赁帧；从卫星的终端接收并解析频谱租赁帧，得到可租赁的频谱频段；并根据频谱租赁帧发送对应的频谱请求帧；主卫星的终端接收并解析频谱请求帧，获得请求租赁的频谱频段和对应的租赁费用；将可租赁的频谱频段与请求租赁的频谱频段进行匹配，得到匹配结果；根据匹配结果，选择最高的租赁费用，将可租赁的频谱频段分配给对应的从卫星的终端并生成区块；将区块发送至区块链网络中进行验证，完成认知卫星网络频谱共享。

Description

基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法

技术领域

本申请涉及认知卫星网络技术领域，具体涉及基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法。

背景技术

无线互联网服务的快速扩展，使得无线通信系统用户数量呈指数级增长，这种快速增长需要更多的频谱和连续带宽。当前频谱管理缺乏灵活性，为了满足不断在增长的频谱需求，对频谱分配、利用和管理需要新的监管方法和技术手段，实现更加灵活的频谱共享和动态频谱访问，满足日益增长的频谱危机的需求。

动态频谱接入是实现频谱共享的一个有效方法，可以实现频谱资源的有效利用。认知无线电技术提升了频谱利用效率。在认知无线电技术中，主用户，即频谱授权用户，从用户，即频谱未授权用户，从用户通过频谱感知技术获知主用户的频谱使用情况，从而确定没有被主用户利用的频谱，这类频谱称为频谱漏洞。虽然认知无线电技术提升了频谱的利用效率，但对于频谱接入安全问题没有很好的解决机制，此外认知无线系统也需要额外的频谱感知功能模块。

发明内容

本申请通过主卫星的终端和从卫星的终端之间频谱共享，舍弃了额外的频谱感知模块；同时，实现了安全的频谱接入，不仅实现了频谱的最大化利用，而且解决了动态频谱接入的安全问题。

为实现上述目的，本申请提供了基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，该方法应用于认知双卫星网络系统中，所述认知双卫星网络系统包括：主卫星和从卫星；其中，所述主卫星和所述从卫星覆盖相同区域，所述主卫星的终端称为主用户节点，所述从卫星的终端称为从用户节点；所述主用户节点和所述从用户节点通过一个已知的公共控制信道组成区块链网络；所述方法步骤包括：

通过所述主卫星的终端发送频谱租赁帧；

所述从卫星的终端接收并解析所述频谱租赁帧，得到可租赁的频谱频段；并根据所述频谱租赁帧发送对应的频谱请求帧；

所述主卫星的终端接收并解析所述频谱请求帧，获得请求租赁的频谱频段和对应的租赁费用；

将所述可租赁的频谱频段与所述请求租赁的频谱频段进行匹配，得到匹配结果；

根据所述匹配结果，选择最高的租赁费用，将所述可租赁的频谱频段分配给对应的所述从卫星的终端并生成区块；

将所述区块发送至所述区块链网络中进行验证，完成认知卫星网络频谱共享。

优选的，所述频谱租赁帧包括：第一帧前导码、第一帧类型和第一信息域；其中，所述第一信息域包括：所述可租赁的频谱频段、租赁时间、使用区域和最低租赁费用；所述第一帧类型为所述频谱租赁帧。

优选的，所述请求租赁的频谱频段包括：第二帧前导码、第二帧类型和第二信息域；所述第二信息域包括：所述请求租赁的频谱频段和频谱电子币；所述第二帧类型为所述频谱请求帧。

优选的，所述区块包括：区块链头部信息、租赁频谱频段、租赁时间、使用区域、从用户节点信息和租赁交易信息。

优选的，获得所述可租赁的频谱频段的方法包括：通过所述从卫星的终端感知所述主卫星的所有频谱无线资源块来获得所述可租赁的频谱频段；其中，所述可租赁的频谱频段会构成目标频谱漏洞。

优选的，发送对应的所述频谱请求帧的方法包括：

计算所述所有频谱无线资源块被所述主卫星占用的占用率；

基于所述目标频谱漏洞和所述占用率得到所述目标频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率；

根据所述概率确定对应所述目标频谱漏洞的预期数据传输和切换时间；

根据所有频谱漏洞的所述预期数据传输和切换时间来确定所述目标频谱漏洞；

根据所述目标频谱漏洞对应的所述频谱租赁帧生成对应的所述频谱请求帧。

优选的，确定所述概率的方法包括：

根据所述从卫星的终端的信噪比、所述目标频谱漏洞中的频谱无线资源块数目和频谱无线资源块频谱来确定所述频谱漏洞的信息传输速率；

根据所述从卫星的终端的请求传输数据量和所述信息传输速率来确定对应传输时间；

根据所述占用率、所述传输时间和所述频谱无线资源块数目来确定所述概率。

优选的，确定所述预期数据传输和切换时间的方法包括：根据所述概率、所述信息传输速率、频谱迁移的时延时间和频谱切换的时延时间来获得所述预期数据传输和切换时间。

优选的，所述目标频谱漏洞为所述所有频谱漏洞中最小的所述预期数据传输和切换时间对应的频谱漏洞。

与现有技术相比，本申请有益效果如下：

本申请实现了主卫星的终端和从卫星的终端之间频谱共享，不需要额外的频谱感知模块，实现了频谱的安全接入。主卫星的终端拥有的频谱在特定时间和区域不使用时，从卫星的终端可以租用这些频谱，从而提高频谱利用效率，并使主卫星的终端产生额外收益。因此，本技术方案不仅实现了频谱的最大化利用，而且解决了动态频谱接入的安全问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请应用于认知卫星网络系统结构示意图；

图2为本申请应用于区块链网络的场景示意图；

图3为从卫星的终端功能框示意图；

图4为SLRA帧的帧结构示意图；

图5为本申请认知卫星网络系统的频谱共享方法流程示意图；

图6为所述频谱租赁帧发送对应的频谱请求帧的步骤流程示意图；

图7为所述频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率确定步骤流程示意图；

图8为一种认知卫星网络系统的频谱共享系统框示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

在认知无线网络系统中，随着主卫星的终端的工作状态变化，主卫星的终端使用的频谱也随之变化，即频谱漏洞在不断变化。从卫星的终端在接入频谱时，必须考虑到主卫星的终端所使用的频谱会发生改变的。认知卫星网络系统需要严格服从主/从关系，减少对主卫星的终端的干扰，同时保障频谱接入的安全性，在授权主卫星的终端要使用频谱时，从卫星的终端必须立即退出该频谱，使用其他空闲频谱，空闲频谱即频谱漏洞，这就需要在频谱共享中考虑到有效的频谱管理和频谱转移方案，进行频谱共享协调。本申请提出了基于区块链验证的认知卫星网络系统的频谱共享方案，该方案公开了一种基于区块链验证的媒体接入控制协议，实现了主卫星的终端和从卫星的终端的频谱共享，不需要额外的频谱感知模块，且同时实现了频谱的安全接入。本技术方案在主卫星的终端的频谱在特定时间和区域不使用时，从卫星的终端可以租用这些频谱，从而提高频谱利用效率，并使主卫星的终端产生额外收益。最终不仅实现了频谱的最大化利用，而且解决了动态频谱接入的安全问题。

如图1所示，为本申请认知卫星网络系统结构示意图，认知卫星网络系统由主从两种卫星组成。每种卫星都是GEO多波束宽带卫星，都是覆盖相同区域的多波束卫星，并且工作在正常前向模式。两种卫星连接到地面上不同的网关，分别是网关1和网关2，这些网关通过地面骨干网连接，并与地面的网络管理中心和卫星控制中心连接。认知卫星网络系统中一个定义为主卫星，其他定义为从卫星，从卫星的终端安装有认知无线电模块SDR。

如图2所示，为本申请应用于区块链网络的场景示意图。区块链网络由主卫星的终端和从卫星的终端组成，主卫星的终端是频谱许可网络用户节点，从卫星的终端是频谱非许可网络用户节点，主卫星的终端频谱在特定时间和区域不使用时，从卫星的终端可以租用这些频谱，从而提高频谱利用效率，并为主卫星的终端产生额外收益。其中，主卫星的终端称为主用户节点，从卫星的终端称为从卫星节点。

在图2所示的区块链网络中，假设有N个无线网络节点，在覆盖区域的用户分为主卫星的终端，用PU表示；从卫星的终端，用SU表示，从卫星用户的终端配备认知无线电模块SDR，机会性地访问主卫星用户不使用的频谱。其中，有P个主卫星的终端PU₁，PU₂，...，PU_p，S个从卫星的终端SU_p+1,SU_p+2，...,SU_p+s，这些终端都带有双工收发器，双工发送器可以在无线信道上随时发送或接收。在认知卫星网络系统中，有一个中心接入点管理上下行信道和用户数据，频谱分为M个正交信道，这些信道是对称的。其中，M取值为1，2，…，m，所有终端有一个公共的控制信道可用于在主卫星的终端和从卫星的终端之间交换控制消息，这个控制信道运行一个频谱管理控制帧，该频谱管理控制帧定义为SLRA帧，该SLRA帧用于节点的频谱租赁、频谱请求、以及频谱分配。在认知卫星网络系统中，随着主卫星的工作状态变化，主卫星使用的频谱也随之变化，即频谱漏洞在不断变化。从卫星的终端在接入频谱时，必须考虑到主卫星所使用的频谱发生改变的情况，认知卫星网络系统需要严格服从主/从关系，减少对主卫星的干扰，在授权主卫星要使用频谱时，从卫星必须立即退出该频谱，使用其他空闲频谱，空闲频谱即频谱漏洞，这就需要在频谱共享中考虑到有效的频谱管理和频谱迁移方案，进行频谱共享协调。本申请披露一种认知卫星网络系统中从卫星的终端频谱调整方案，其基本思想是从卫星的终端通过观察频谱占用率，预测主卫星回收资源的概率，从卫星的终端通过频谱感知，获得可用的频谱漏洞后，从众多频谱漏洞中选择一个频谱时需计算出符合预期的传输时间，通过切换程序进行频谱迁移。通过在选择一个频谱时依据最短的预期传输时间，克服了目前认知无线电的高层频谱管理机制进行频谱漏洞选择一般使用最大空闲时间方案的缺陷，使得认知卫星网络系统整体上降低频谱迁移的概率，达到提升系统性能的目的。

在认知卫星网络系统中，主卫星的终端使用SLRA帧发布可租赁的空闲频谱，从卫星的终端使用SLRA帧请求可用频谱，主卫星的终端再分配可租赁的空闲频谱给从卫星的终端使用。终端需要系统时钟同步，时钟同步通过GPS接收机来实现。在这个控制信道上建立区块链网络，区块链网络记录各个节点的GPS信息、频谱使用信息、频谱租赁信息。

如图3所示，为从卫星的终端功能框示意图。从卫星的终端包括认知无线电模块SDR、MAC、网络层、传输层和应用层。其中，从卫星的终端实施频谱调整方案涉及认知无线电模块SDR，MAC层和网络层，实现了频谱感知、频谱分析、频谱决策、频谱调整。

认知无线电的核心技术是频谱感知，频谱感知的目的是发现频谱漏洞，从卫星的终端利用频谱漏洞传输信息，同时不能对主卫星的终端造成有害干扰。从卫星的终端在利用频谱漏洞进行通信过程中，必须能够快速感知到主卫星的终端需要使用该频谱的情况，并及时进行频谱切换，释放所占用的频谱给主卫星使用。从卫星的终端具体工作过程如下：在每个特定的时隙，天线接收信号，传给宽带射频前端，决策可用信道，把信息通过可用信道传给MAC层。具体实现可通过能量检测并从多个候选可用信道中选择一个，对候选可用信道中接收到的信号类型进行识别，如果在对应候选可用信道中发现了信号，MAC层则将选择另外一条候选可用信道，继续再对此候选可用信道进行检测，直到发现未被占用的候选可用信道为止。

主卫星在较大主波束下操作，而从卫星在相同覆盖区域中具有较小波束。对于较大主波束，在每个主波束内具有许多点波束的覆盖区域，并且这些点波束是属于从卫星的。主卫星的波束选择模式和定时信息共享到从卫星来实现认知功能。基于对波束选择模式的先验知识，从卫星的终端波束选择模式被设计成使得其不影响主卫星的终端操作。此外，可以通过定时信息同步主卫星传输和从卫星传输。从卫星需要更加灵活，并配备更小的转发器。

如图4所示，为SLRA帧的帧结构示意图。SLRA帧包括三个字段：帧前导码、帧类型、信息域。其中，第一个字段为帧前导码，用于主卫星的终端的发送器时钟和从卫星的终端的接收器时钟同步。第二个字段为帧类型，包括两种，一种是主卫星的终端公告频谱租赁帧，另一种是从卫星的终端发送的频谱请求帧。第三个字段为信息域，当帧类型为主卫星的终端发送公告的频谱租赁帧时，此时，信息域包括但不限于可租赁频谱的频段、时间、区域、最低租赁费用等信息，当帧类型为从卫星的终端发送的频谱请求帧时，信息域包括但不限于可租赁频谱的频段、支持的租赁费用。其中，租赁费用用频谱电子币表示。

在实际运用时，由主卫星的终端和从卫星的终端构成的区块链网络中，主卫星的终端根据自己频谱使用状态发送SLRA帧，发布可租赁使用频谱的时间和区域，此时SLRA帧中的帧类型为主卫星的终端公告的频谱租赁帧，SLRA帧中的信息域包括但不限于频段、时间、区域，从卫星的终端通过发送SLRA帧获得频谱接入机会。此时SLRA帧中的帧类型为从卫星的终端发送的频谱请求帧，SLRA帧中的信息域包括但不限于可租赁频谱的频段、支持的租赁费用。

如图5所示，为本技术方案的方法流程示意图。步骤包括：

S501.由主卫星的终端发送频谱租赁帧；

S502.从卫星的终端接收频谱租赁帧，对频谱租赁帧进行解析，获得可租赁的频谱频段；并根据频谱租赁帧发送对应的频谱请求帧；

S503.主卫星的终端接收从卫星的终端的频谱请求帧，对频谱请求帧进行解析，获得请求租赁的频谱频段以及对应的租赁费用；将可租赁的频谱频段与请求租赁的频谱频段进行匹配，在匹配成功的情况下，选择最高的租赁费用，将可租赁的频谱频段分配给对应的从卫星的终端，同时生成区块，并将区块发送至区块链网络中进行验证。

区块链是一种新型去中心化协议，能安全地存储交易数据，信息不可伪造和篡改，可以灵活的发布并执行智能合约，无需任何中心化机构的审核。交易既可以是数字货币，也可以是数字资产，区块链技术解决了拜占庭将军问题，大大降低了现实经济的信任成本与会计成本，重新定义了互联网时代的产权制度。在现有的区块链技术中，所使用的节点是集业务逻辑处理和数据存储为一体的。用户的业务逻辑处理服务是发布到区块链的验证节点(VP)上的，类似智能合约的可编程代码(CC)。而每一个CC都对应一个唯一的ID，客户端(client)想要执行操作时，必须拿到这个唯一的ID(标识)。并且在区块链上落账的时候，也会使用这个唯一的ID当作Key(密钥)来保存这个CC所有业务逻辑处理的结果。

在本实施例中，这种机制设计免去了传统认知无线电网络的一个额外的感知周期开销。当主卫星的终端有空闲频谱时，通过SLRA帧发布频谱租赁信息，从卫星的终端收到频谱租赁信息，发送频谱请求帧，主卫星的终端收到从卫星的终端发出的频谱请求帧，为该从卫星的终端分配可使用的空闲频谱，进行租赁交易，为了实现基于区块链协议的频谱租赁和分配，引入了频谱电子币。主卫星的终端发布空闲频谱，在SLRA帧中有基于频谱电子币描述的最低租赁费用，从卫星的终端发出频谱请求帧时，在SLRA帧中配置相应的租赁费用，此外，从卫星的终端请求租赁频谱时，租赁费用要高于主卫星的终端的最低租赁费用，在一定时间间隔内，如果收到多个从卫星的终端的频谱请求帧，主卫星的终端分配频谱给出租费用最高的从用户节点，交易以频谱电子币结算。主卫星的终端通过更新区块链收取交易获得的频谱电子币。

在认知卫星网络系统实际部署时，中心接入点管理频谱电子币与实际真实货币的交换，即可以通过真实货币购买得到频谱电子币，这样在从卫星的终端可以直接用真实货币交换得到频谱电子币。从卫星的终端通过区块链验证协议从主卫星的终端租赁到可用频谱，同时当从卫星的终端没有足够的频谱电子币时，可以通过真实货币换取频谱电子币，从而从主卫星的终端获得可用的频谱。区块链记录了所有交易，区块中除了基本的区块链头部信息外还包括租赁频谱信息、租赁时间、使用区域、从卫星的终端信息以及租赁交易信息等。

对于频谱请求帧来说，基于频谱占用率，预测主卫星回收资源的概率，从卫星的终端通过频谱感知，获得可用的频谱漏洞后，从众多频谱漏洞中选择一个频谱时需计算出每个频谱漏洞对应的预期传输时间，根据预期选出目标频谱漏洞，通过切换程序进行频谱迁移至对应目标频谱漏洞。在本实施例中，通过选择一个频谱时计算出最短的预期传输时间，使得认知卫星网络系统整体上降低频谱迁移的概率，达到提升系统性能的目的。

在本实施例中，H_i表示从卫星检测到的第i个频谱漏洞，即空闲频谱或频谱漏洞。频谱漏洞H_i是由一些相邻的无线资源块RB组成。

设定从卫星的终端SU有数据业务要传输，用T_E(H_i)表示从卫星的终端SU数据服务的频谱漏洞Hi的预期传输和切换时间。T_E(H_i)值越大，预期传输和切换时间越长，及从卫星的终端SU在使用频谱漏洞H_i传输数据时，资源被主卫星的终端PU回收的概率较高。这样会导致频谱迁移和切换操作。相反，T_E(H_i)值越小，从卫星的终端SU使用频谱漏洞Hi传输数据的成功率越高，因为频谱漏洞Hi资源被主卫星的终端PU回收的概率低。所述频谱租赁帧发送对应的频谱请求帧的步骤，实现步骤如图6所示，包括：

S601.从卫星的终端感知主卫星的所有频谱无线资源块，获得可租赁的频谱频段，可租赁的频谱频段构成频谱漏洞；并得到频谱无线资源块被主卫星占用的占用率。

在S601中，从卫星的终端使用认知无线电模块SDR来观察信号功率和频谱无线资源块RB的使用状态，获取频谱无线资源块的利用率和频谱漏洞。进一步地详述，从卫星的终端SU周期性地感知每个频谱无线资源块的频谱，以获取每个频谱无线资源块的占用率。频谱漏洞H_j是由一些相邻的频谱无线资源块RB组成的。假设N_k是一段时间内频谱无线资源块RB_k被主卫星的终端PU占用的累计数。如果在时间段内使用一次频谱无线资源块RB_k，则N_k的值会增加1。如果N_k值较大，说明主卫星的终端PU占用频谱无线资源块RBk越频繁，这也意味着从卫星的终端SU使用频谱无线资源块RB_k的机会较低。否则，如果N_k的值很小，从卫星的终端SU有更高的机会使用频谱无线资源块RB_k，因而主卫星的终端PU中断从卫星的终端SU传输数据的概率越低。在一段时间内观察并记录所有频谱无线资源块RB_k占用率的信息。H_j是一些相邻的频谱无线资源块RB_k,形成一个频谱漏洞。类似的，这样可以得到一系列频谱空洞(H₁，H₂，…，H_j…，H_R)。

S602.从卫星的终端根据占用率确定频谱漏洞未被主卫星占用的概率。

根据从卫星的终端SU的相关位置，计算使用频谱漏洞H_i进行数据传输预期执行时间T_E(H_i)等相关信息。如果从卫星的终端SU检测到主卫星的终端PU出现，则释放频谱资源，进行频率迁移和切换。

如图7所示，为频谱漏洞未被主卫星占用的概率确定步骤流程示意图，步骤包括：

S602.1.根据从卫星的终端的信噪比、频谱漏洞中频谱无线资源块的数目、频谱无线资源块的频谱确定频谱漏洞的信息传输速率。

从卫星的终端的信噪比定义为SNR。对于频谱漏洞H_i，让R_i表示对于频谱漏洞H_i的传输速率。如果频谱漏洞H_i包含m_i个频谱无线资源块RB，则有

R_i＝m_i×RB×log₂(1+SNR) (1)

S602.2.根据从卫星的终端请求传输数据量以及频谱漏洞的信息传输速率确定对应传输时间。

在S602.2中，估算从卫星的终端SU请求传输数据大小D_t所需的传输时间t_req，基于公式(1)获得频谱漏洞H_i的传输速率R_i获得。

则有

S602.3.根据频谱无线资源块被主卫星占用的占用率、传输时间、频谱漏洞中频谱无线资源块的数目确定频谱漏洞未被主卫星占用的概率。

假设：P(H_i，t_req)表示在t_req的时间段内频谱漏洞H_i未被主卫星的终端PU占用概率。为了预测从卫星的终端SU数据传输所需时间t_req内的频谱漏洞H_i空闲概率，使用泊松分布，则有下面的公式：

式中，λ_n表示第n个频谱无线资源块RB被主卫星的终端PU的占用率。m_i表示频谱漏洞H_i包含频谱无线资源块RB的数目，T表示时间单元。

S603.从卫星的终端根据频谱漏洞未被主卫星占用的概率确定对应频谱漏洞的预期数据传输和切换时间。

T_E(H_i)表示频谱漏洞H_i的预期数据传输和切换时间，从卫星的终端请求传输数据量、频谱漏洞未被主卫星占用的概率、频谱漏洞的信息传输速率、频谱迁移的时延时间、频谱切换的时延时间获得频谱漏洞的预期数据传输和切换时间。则有：

其中，T_L2H表示MAC切换时延时间，T_L3H表示网络层切换时延时间。

对于本步骤来说，确定目标频谱漏洞过程中，考虑了从卫星的终端第二层和第三层的切换时间，本技术方案支持跨层优化管理。

S604.从卫星的终端根据所有频谱漏洞的预期数据传输和切换时间确定目标频谱漏洞。

通常情况下，从卫星的终端获得可用的频谱漏洞后，从众多频谱漏洞中选择一个频谱时需计算出每个频谱漏洞对应的预期传输时间，根据预期选出目标频谱漏洞，通过切换程序进行频谱迁移至对应目标频谱漏洞。在实际应用中，在选择一个频谱时计算出最短的预期传输时间，使得认知卫星网络系统整体上降低频谱迁移的概率，达到提升系统性能的目的。例如：从卫星的终端SU在选择频谱漏洞进行数据传输时选择T_E(H_i)最小的频谱漏洞为：

H_S＝min(T_E(H₁),T_E(H₂),...T_E(H_i)，...) (5)

由式(5)可知，本技术方案基于从卫星的终端通过观察频谱占用率，预测主卫星的终端回收资源的概率，在从卫星的终端通过频谱感知，获得可用的频谱漏洞后，从中选择一个频谱漏洞时以最短的预期数据传输时间为准则确定目标频谱漏洞。

S605.从卫星的终端根据目标频谱漏洞对应频谱租赁帧生成对应的频谱请求帧。

针对认知卫星网络系统中频谱共享管理机制中，从卫星的终端通过确定频谱占用率，预测主卫星的终端回收资源的概率，在从卫星的终端通过频谱感知，获得可用的频谱漏洞后，从众多频谱漏洞中选择一个频谱漏洞时，计算每个频谱漏洞的预期传输和切换时间，从中选出预期传输和切换时间小于阈值情况下的频谱漏洞作为目标频谱漏洞，从卫星的终端完成频谱迁移和切换。在目标频谱漏洞的预期数据传输时间是最短的情况下，克服了目前认知卫星网络系统的高层频谱管理机制进行频谱漏洞选择一般使用最大空闲时间方案的缺陷，同时支持认知卫星网络系统中从卫星的终端频谱装置的MAC层的频谱迁移和网络层的切换，实现了跨层协议，降低了频谱迁移率，从而提升了认知卫星网络系统整体性能。

如图8所示，为一种认知卫星网络系统的频谱共享系统框示意图。系统包括主卫星的终端和从卫星的终端；其中，

主卫星的终端用于发送频谱租赁帧；

从卫星的终端用于接收频谱租赁帧，并对频谱租赁帧进行解析，获得可租赁的频谱频段；并根据频谱租赁帧发送对应的频谱请求帧；

主卫星的终端，接收从卫星的终端的频谱请求帧，对频谱请求帧进行解析，获得请求租赁的频谱频段以及对应的租赁费用；将可租赁的频谱频段与请求租赁的频谱频段进行匹配，在匹配成功的情况下，选择最高的租赁费用，将可租赁的频谱频段分配给对应的从卫星的终端，同时生成区块，并将区块发送至区块链网络中进行验证。

在本实施例中，可租赁的频谱频段包括：第一帧前导码、第一帧类型和第一信息域；其中，第一信息域包括：可租赁的频谱频段、租赁时间、使用区域和最低租赁费用；第一帧类型为所述频谱租赁帧。

在本实施例中。请求租赁的频谱频段包括：第二帧前导码、第二帧类型和第二信息域；第二信息域包括：请求租赁的频谱频段和频谱电子币；第二帧类型为所述频谱请求帧。

在本实施例中，区块包括：区块链头部信息、租赁频谱频段、租赁时间、使用区域、从用户节点信息和租赁交易信息。

在本实施例中，区块包括区块链头部信息、租赁频谱频段、租赁时间、使用区域、从用户节点信息、租赁交易信息。

如图3所示，从卫星的终端包括：

频谱感知模块，用于从卫星的终端感知主卫星的所有频谱无线资源块，获得可租赁的频谱频段，可租赁的频谱频段构成频谱漏洞；并得到频谱无线资源块被主卫星占用的占用率；

频谱分析模块，用于从卫星的终端根据占用率确定频谱漏洞未被主卫星占用的概率；

频谱第一决策模块，用于从卫星的终端根据频谱漏洞未被主卫星占用的概率确定对应频谱漏洞的预期数据传输和切换时间；

频谱第二决策模块，用于从卫星的终端根据所有频谱漏洞的预期数据传输和切换时间确定目标频谱漏洞；

频谱请求帧生成模块，用于从卫星的终端根据目标频谱漏洞对应频谱租赁帧生成对应的频谱请求帧。

在本实施例中，频谱分析模块包括：

信息传输速率确定单元，用于根据从卫星的终端的信噪比、频谱漏洞中频谱无线资源块的数目、频谱无线资源块的频谱确定频谱漏洞的信息传输速率；

传输时间确定单元，用于根据从卫星的终端请求传输数据量以及频谱漏洞的信息传输速率确定对应传输时间；

概率确定单元，用于根据频谱无线资源块被主卫星占用的占用率、传输时间、频谱漏洞中频谱无线资源块的数目确定频谱漏洞未被主卫星占用的概率。

在本实施例中，频谱第一决策模块进一步用于：

从卫星的终端请求传输数据量、频谱漏洞未被主卫星占用的概率、频谱漏洞的信息传输速率、频谱迁移的时延时间、频谱切换的时延时间获得频谱漏洞的预期数据传输和切换时间。

在本实施例中，频谱第二决策模块确定的目标频谱漏洞为所有频谱漏洞中最小的预期数据传输和切换时间对应的频谱漏洞。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现客户端和服务器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得客户端和服务器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种客户端和服务器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施方式或者实施方式的某些部分的方法。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。尤其，针对客户端和服务器的实施方式来说，均可以参照前述方法的实施方式的介绍对照解释。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，该方法应用于认知双卫星网络系统中，其特征在于，所述认知双卫星网络系统包括：主卫星和从卫星；其中，所述主卫星和所述从卫星覆盖相同区域，所述主卫星的终端称为主用户节点，所述从卫星的终端称为从用户节点；所述主用户节点和所述从用户节点通过一个已知的公共控制信道组成区块链网络；所述方法步骤包括：

通过所述主卫星的终端发送频谱租赁帧；

所述从卫星的终端接收并解析所述频谱租赁帧，得到可租赁的频谱频段；并根据所述频谱租赁帧发送对应的频谱请求帧；

所述主卫星的终端接收并解析所述频谱请求帧，获得请求租赁的频谱频段和对应的租赁费用；

将所述可租赁的频谱频段与所述请求租赁的频谱频段进行匹配，得到匹配结果；

根据所述匹配结果，选择最高的租赁费用，将所述可租赁的频谱频段分配给对应的所述从卫星的终端并生成区块；

将所述区块发送至所述区块链网络中进行验证，完成认知卫星网络频谱共享。

2.根据权利要求1所述的基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，其特征在于，所述频谱租赁帧包括：第一帧前导码、第一帧类型和第一信息域；其中，所述第一信息域包括：所述可租赁的频谱频段、租赁时间、使用区域和最低租赁费用；所述第一帧类型为所述频谱租赁帧。

3.根据权利要求1所述的基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，其特征在于，所述请求租赁的频谱频段包括：第二帧前导码、第二帧类型和第二信息域；所述第二信息域包括：所述请求租赁的频谱频段和频谱电子币；所述第二帧类型为所述频谱请求帧。

4.根据权利要求1所述的基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，其特征在于，所述区块包括：区块链头部信息、租赁频谱频段、租赁时间、使用区域、从用户节点信息和租赁交易信息。

5.根据权利要求1所述的基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，其特征在于，获得所述可租赁的频谱频段的方法包括：通过所述从卫星的终端感知所述主卫星的所有频谱无线资源块来获得所述可租赁的频谱频段；其中，所述可租赁的频谱频段会构成目标频谱漏洞。

6.根据权利要求5所述的基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，其特征在于，发送对应的所述频谱请求帧的方法包括：

计算所述所有频谱无线资源块被所述主卫星占用的占用率；

基于所述目标频谱漏洞和所述占用率得到所述目标频谱漏洞未被所述主卫星占用的概率；

根据所述概率确定对应所述目标频谱漏洞的预期数据传输和切换时间；

根据所有频谱漏洞的所述预期数据传输和切换时间来确定所述目标频谱漏洞；

根据所述目标频谱漏洞对应的所述频谱租赁帧生成对应的所述频谱请求帧。

7.根据权利要求6所述的基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，其特征在于，确定所述概率的方法包括：

根据所述从卫星的终端的信噪比、所述目标频谱漏洞中的频谱无线资源块数目和频谱无线资源块频谱来确定所述频谱漏洞的信息传输速率；

根据所述从卫星的终端的请求传输数据量和所述信息传输速率来确定对应传输时间；

根据所述占用率、所述传输时间和所述频谱无线资源块数目来确定所述概率。

8.根据权利要求7所述的基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，其特征在于，确定所述预期数据传输和切换时间的方法包括：根据所述概率、所述信息传输速率、频谱迁移的时延时间和频谱切换的时延时间来获得所述预期数据传输和切换时间。

9.根据权利要求8所述的基于区块链智能合约验证的认知卫星网络频谱共享方法，其特征在于，所述目标频谱漏洞为所述所有频谱漏洞中最小的所述预期数据传输和切换时间对应的频谱漏洞。

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