CN115907988A - 一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制及交易方法 - Google Patents

Abstract

一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制及交易方法，属于频谱区块链、后5G/6G无线通信技术领域。包括预交易阶段和交易处理阶段，预交易阶段完成频谱资源的最优匹配，交易处理阶段完成频谱交易的执行、验证、打包，包括三个大步骤：REM构建，频谱预交易匹配，频谱交易处理与验证。本发明能够从多角度评估频谱资源与交易需求适配度，并结合经济特性来激励节点参与频谱交易且选择适配度高的频谱进行交易，提高频谱利用率，最大化频谱使用效益。同时通过所提交易机制降低交易对同频节点带来的干扰，提高交易成功率。利用区块链与智能合约的去中心化和自动化保证频谱交易的安全性、有效性、公平性，解决中心化单点故障和信任缺失问题。

Description

一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制及交易方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制及交易方法，属于频谱区块链、后5G/6G无线通信技术领域。

背景技术

随着第五代移动通信系统(Fifth-Generation，5G)在全球的大规模商用，无线通信业务量呈现激增态势，而频谱作为一种稀缺资源，二者之间的供需矛盾严重阻碍了无线移动通信技术的高速发展。相对于5G而言，第六代移动通信系统(Sixth-Generation，6G)对无线通信技术提出了更高的要求，例如峰值速率达到100Gbit/s～1Tbit/s，通信时延0.1ms,每立方米的连接设备超百个等，普遍提升10～100倍，这就驱使我们进一步改善频谱资源管理方式，扩展频谱资源，提高频谱使用效率。目前缓解供需矛盾的方法主要从两个维度考虑，第一个维度是扩展频谱资源，例如采用太赫兹频段、可见光频谱等进行通信；另一个维度是频谱资源自身的使用效率，例如基于认知无线电的动态频谱接入、基于区块链网络的频谱资源交易。频谱资源的扩展虽然能够解决目前频谱资源匮乏问题，但面向未来海量设备接入与用频需求的不断增长，扩展频谱仍要面临分配殆尽的难题，因此改变频谱管理方式，提高频谱利用率是解决频谱资源匮乏的最有效途径。

基于区块链的频谱管理技术可以有效解决集中式频谱管理带来的安全隐患，以安全、公平和透明的优势应用于频谱共享，在不存在无信任频谱代理的情况下，可以保证多节点之间频谱共享的安全性和隐私保护。同时引入智能合约能够实现资产智能结算、资源价值转移、资源高效共享等，能够有效提高频谱资源利用率，并且保证频谱资源交易的安全性与有效性，智能合约由许多预定义功能组成，这些功能可由交易触发以实现特定功能并将交易记录在区块链共识节点维护的分布式账本上。而面向未来移动通信的海量业务需求，各业务对频谱资源的需求也呈现较大的差异化，例如eMBB、URLLC、mMTC等，频谱使用的场景可能发生改变，对频谱资源的需求也相应地发生变化，例如带宽、发射功率、使用时长、干扰等，6G时代，用户业务种类和业务颗粒度比5G网络要求更高，同样需要支持按需确定性服务，因此结合无线通信系统的实际使用与区块链系统的交易机制，针对交易的频谱匹配也需要相应地进行设计。

目前，应用于频谱共享管理应用的区块链智能合约以促进节点间安全交易，高效协作频谱感知，依据节点行为进行相应惩罚或激励为主要研究方向，对频谱交易过程中频谱资源的合理匹配做的研究相对较少。

基于区块链网络的频谱交易匹配，主要是以是否存在可用频谱资源为基准的随机匹配和以价格属性为主导的拍卖理论、博弈论为主要匹配方式。

现有的技术中以拍卖理论为代表，拍卖理论基于多节点的频谱信息确定最终分配结果，应用于频谱管理的拍卖理论主要分为单向拍卖和双向拍卖，单向拍卖模型分为“一对多”正向拍卖和“多对一”逆向拍卖，前者拍卖人为频谱提供者，后者拍卖人为频谱需求者；双向拍卖是众多卖者面对众多买者，买卖双方之间均存在竞争，买方出价高的比出价低者优先签约和卖方要价低者比要价高者优先签约。

在现有的研究方案中，Al hosan i等人提出了一种智能合约解决方案来实现协作终端用户之间的安全和动态频谱共享，查找共享频谱的过程通过比较频谱提供方之间的报价来执行。当购买价格高于出售价格时发生匹配，实现频谱使用控制的可靠转移。

华中科技大学的团队利用双向拍卖模型，设计可执行多个操作的智能合约，卖家投标价格升序排列，买家按价格降序排列，匹配成功后以买方和卖方叫价的平均值成交，没有匹配成功时可以自由选择是否进入自由市场。在没有第三方存在的情况下，实现了多运营商之间公平的频谱共享市场，这种方式会导致出价低的卖家迟迟得不到匹配，且没有利用实际业务需求进行频谱的选择，会导致频谱资源与实际需求适配度低。

朱荣波教授团队提出了一种两阶段的频谱拍卖机制，买方考虑卖方提供的带宽及价格进行最优成本计算从而选择卖方，卖方同样依据上面的效用值进行买家的选择，该方案提高了买方的效用值，激励了频谱需求方积极参与频谱交易，解决了频谱提供方因私利而损害整理利益的问题。但频谱需求方在根据卖方提供的带宽来计算最佳交易带宽时容易造成频谱碎片化问题且不能很好的适配买方需求，虽然并且仅根据频谱资源多少来提供报价不能根据其实际频谱使用情况进行选择。

现有技术方案中，以是否存在可用频谱资源为基准的随机匹配方式在一定程度提高了交易效率，当系统内存在可用频谱资源时，对频谱需求方进行先到先服务，对频谱资源进行随机分配，保证了一定的公平性，但没有考虑频谱资源与业务需求的适配度及频谱交易固有的经济属性，不能很好的激励节点参与频谱交易，并且在随机匹配的过程中没有考虑交易干扰问题，交易过来的频谱可能会对其它同频节点造成严重的干扰，导致交易成功率(有效性)较低；而使用较多的前向拍卖、双向拍卖等频谱交易方法虽然充分考虑了经济特性，依靠价格博弈来激励节点参与频谱共享交易，通过频谱交易获得经济补偿，但仅仅从频谱资源量以及频谱价格角度考虑，没有考虑不同节点对频谱资源的实际使用效益(例如使用频段、占用带宽、可用时长、覆盖范围、专用性、发射功率、干扰)，容易造成频谱需求与实际交易资源适配度低、产生严重的交易干扰等问题，且在达到纳什均衡的过程中会导致较大的系统开销与时延，在执行智能合约进行频谱拍卖时消耗大量计算资源，大大增加区块链系统的交易验证延迟。

在“一对多”正向拍卖模型中，拍卖人作为唯一知道所有频谱需求者信息的决策者，可能会出于自身利益而做出降低整体利益的决策，贪婪的频谱提供者可以在获得所有买方的真实出价后提高频谱的价格，以增加其收入，这使得频谱交易存在较大的不公平性，使得许多节点不愿意参与频谱共享。

在“多对一”逆向拍卖模型中，频谱需求者作为决策者，可以依据频谱竞标价格以外的频谱属性因素考虑在内对频谱进行决策，进而选择交易卖家。虽然“多对一”逆向频谱拍卖考虑了频谱属性，解决了正向拍卖模型中存在的趋利性问题，但忽略了频谱需求方之间的竞争，而实际系统中更多是多个频谱需求方与多个频谱提供者同时参与交易，当供小于求时，容易出现多个买方为了获得频谱而造成哄抬价格等恶意行为，造成频谱使用效益低下。

在目前已有的双向拍卖和自由市场结合的拍卖模型中，考虑了多个买卖方的实际频谱交易情景，当买者中给出的最高价与卖者中提出的最低价一致时，交易便告成功，竞拍失败者自主决定是否进入自由市场进行频谱交易，而自由市场的交易仍然是对价格的调整，同样忽略了不同节点对频谱资源的实际使用需求，容易因频谱需求与实际交易资源适配度低而导致频谱使用效益低下等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制及交易方法。

一种基于无线环境图(Radio Environment Map，REM)协助的频谱区块链交易机制，提高频谱资源与应用需求的适配度，提高频谱利用率的同时最大化频谱使用效益与经济效益，解决频谱资源短缺、交易效益低下、交易干扰问题；利用区块链与智能合约的去中心化和自动化保证频谱交易的安全性、有效性、公平性，解决中心化单点故障和信任缺失问题。

一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，包括预交易阶段和交易处理阶段，预交易阶段完成频谱资源的最优匹配，交易处理阶段完成频谱交易的执行、验证、打包，包括三个大步骤：S1、REM构建。S2、频谱预交易匹配。S3、频谱交易处理与验证。

一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易方法，含有以下步骤：

S1：每个节点加入区块链系统，与本区域内超级节点进行交互，申请加入对应区域环境数据库，并提交节点详细信息进行无线环境图的构建与更新。

S2：每个买方节点有频谱交易需求时向区块链超级节点(REM数据库)提交交易申请，并提供期望频谱指标、关键需求权重及主要业务类型，查询可交易频谱组。

S3：区块链超级节点通过REM查询空闲频谱库及干扰关系数据库确定买方节点的可交易频谱组，将可交易频谱组返回给买方节点。

S4：预交易处理节点访问REM获取买方节点的历史累计效益值、买方节点发射位置、空闲频段拥挤程度、频段专用性、支持业务类型，计算每段可交易频谱带来的干扰差值、价格优化因子、适配度参数、成本参数。

S5：预处理节点执行匹配智能合约，根据频谱指标、关键需求权重、价格优化因子、适配度参数以及成本参数计算出可交易频谱组中每段频谱的使用效益值，建立频谱最优决策表，并进行频谱匹配。

S6：预处理节点利用匹配合约得到的先验知识对交易结果进行验证，将验证通过的交易进行全网广播，交易验证通过后，预处理节点更新频谱匹配池与节点累计效益值，超级节点更新REM数据库。

本发明的优点是能够从多角度评估频谱资源与交易需求适配度，并结合经济特性来激励节点参与频谱交易且选择适配度高的频谱进行交易，提高频谱利用率，最大化频谱使用效益。同时通过所提交易机制降低交易对同频节点带来的干扰，提高交易成功率。利用区块链与智能合约的去中心化和自动化保证频谱交易的安全性、有效性、公平性，解决中心化单点故障和信任缺失问题。

本发明设计了一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，包括：(1)基于区块链的两阶段频谱交易机制(2)基于无线环境图的多维效益评估机制；(3)基于节点历史累计效益值和交易干扰的价格激励机制；(4)基于多维效益评估的频谱匹配机制；(5)基于累计效益值和交易频率的效益动态调整机制；本发明将节点按区域进行无线环境图的构建，利用区块链的分布式存储将REM承载在对应区域的超级节点上，避免中心化的同时解决信任缺失问题，提高安全性并减小存储开销；将REM数据库按全局性或局部性进行分层，同时将存储内容进行分层，提高节点数据的隐私保护性的同时提高节点访问效率，节点与REM的直接交互减小了节点全网广播的开销，提高了交易效率。

一种基于无线环境图的多维效益评估模型，在频谱预交易阶段，利用无线环境图信息综合考虑系统内空闲频谱可用时长、空闲频谱带宽、允许发射功率、关键需求权重、业务类型、发射位置、频段拥挤程度、频谱专用性、干扰及价格计算频谱资源的多维效益值，提出了名为“适配度因子”和“成本影响因子”的参数，在频谱区块链系统设置两种因子的计算单元，由预处理节点负责计算，适配度因子描述了可用频谱与节点需求的匹配程度，成本影响因子描述了可用频谱的附加成本大小(例如频段拥挤程度、发射位置、频谱专用性对成本的影响)，一种基于节点历史累计效益值和交易干扰的价格激励机制，历史累计效益值越高，说明频谱交易参与度越高，交易的频谱更适配于其业务需求，获得的经济补偿就越多；交易干扰差值越小，即对其他同频节点的通信质量影响越小，从而获得更多的经济补偿，提出了一个名为“价格优化因子”的参数，在频谱区块链系统设置价格优化因子计算单元，由预处理节点负责计算，综合考虑历史累计效益值与交易干扰对频谱价格进行动态调控，激励节点参与频谱交易，基于对可交易频谱组的多维效益评估，预处理节点执行匹配合约实现可交易频谱组中的每段可交易频谱的效益值计算，并依据效益值确定优先级，依据该效益值优先级进行频谱匹配及解决频谱竞争冲突。

区块链身份节点即预处理节点，负责与超级节点之间的信息交互及匹配合约的执行，保证交易的有效进行，并具有验证功能，将匹配得到的结果与交易结果进行对比验证，减少验证节点再次执行交易合约带来的系统开销，一定程度上降低验证时延。

效益动态调整机制，建立频谱交易闭环体系，对效益值进行动态调控，限制累计高效益节点增长速度，提高竞争公平性，同时防止恶意节点通过频繁交易快速获得高累计效益后做出恶意行为，对系统安全性造成威胁。考虑到刚加入的节点没有较高的累计效益值，引入交易频率来进行调控从而提升系统的公平性。

名为“效益调整因子”的参数在区块链系统设置效益调整因子计算单元，当交易验证通过后由预处理节点进行计算，考虑节点历史累计效益值与交易频率，用于对节点累计效益值的增长速度进行动态调控。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明的系统场景示意图。

图2为本发明的算法流程图。

图3为本发明的REM构建流程图。

图4为本发明的频谱匹配流程图。

图5为本发明的REM构建信息交互图。

图6为本发明的频谱预交易信息交互图。

图7为本发明的仿真场景示意图。

图8为本发明的100次预交易匹配的效益值对比图表。

图9为本发明的效益值累积分布对比图表。

图10为本发明的100次预交易匹配的节点平均满意度对比图表。

图11为本发明的满意度累计分布对比图表。

图12为本发明的单次预交易匹配对所有同频节点造成的干扰均值图表。

图13为本发明的单次预交易匹配对每个同频节点造成的干扰值图表。

图14为本发明的100次预交易匹配对同频节点造成的干扰差值对比图表。

图15为本发明的干扰差值累计分布对比图表。

图16为本发明的100次预交易匹配的交易成功率对比图表。

图17为本发明的交易成功率累计分布对比图表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对实施例的限定。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16及图17所示，一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易方法，提高频谱利用率及使用效益，降低交易干扰。

无线环境图REM(Radio Environment Map)。

增强移动带宽eMBB(Enhanced Mobile Broadband)。

海量机器通信mMTC(Massive Machine Type Communication)。

高可靠低时延(URLLC Ultra-Reliable and Low Latency Communications)。

一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，该机制包括预交易阶段和交易处理阶段，预交易阶段完成频谱资源的最优匹配，交易处理阶段完成频谱交易的执行、验证、打包。

该机制主要包括三个大步骤：

S1、REM构建。

S2、频谱预交易匹配。

S3、频谱交易处理与验证。

系统场景如图1所示。场景中所有节点共同组成一个区块链网络，并共同维护一个账本。

本发明中频谱区块链系统主要有三种身份的节点，分为超级节点、预处理节点、普通节点。

超级节点承载无线环境图，有较强的信息处理能力与信息交互能力，且不参与频谱交易，负责与预处理节点与普通买卖节点交互管理交易过程。

预处理节点负责交易机制中预交易阶段的匹配合约的执行以及交易处理阶段的交易验证。

普通节点指提出频谱交易申请的买卖节点，负责频谱交易的申请。

考虑到中心化问题及节点存储消耗问题，本发明将REM数据库按区域进行构建，并将该数据库承载在区域内超级节点上(详细内容在构建流程中介绍)。

假设区块链中所有节点均同意并签署匹配智能合约和执行合约，合约通过P2P网络传播并存入区块链，所有节点按照该智能合约制定的规则自动执行。

2.一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制主要包括以下三个大步骤：S1REM构建、S2频谱预交易匹配、S3频谱交易处理与验证。

S1 REM构建流程

本发明中，在REM数据库构建时，考虑中心化问题及节点存储开销问题，若整个频谱区块链网络都维护同一数据库难免会带来中心化问题，导致效率低下、安全性难以保证；若每个节点都存储REM数据库内容，将会给节点存储开销、功耗等带来极大挑战，因此本发明将节点按区域进行无线环境图的构建，并将REM数据库进行分层，按存储范围分为本地层和全局层，本地层存储本地节点相关数据信息，具有一定的隐私保护性，全局层则存储节点干扰数据、空闲频谱数据供所有节点访问；按存储内容分为干扰库、用频信息库、交易信息库、空闲频谱库，干扰库存储所有节点干扰信息并建立干扰重叠图，以供节点快速获取干扰关系；用频信息库存储节点具体位置信息、所用频段、使用期限、频谱使用许可证、发射功率等；交易信息库存储节点历史交易数据、交易频率及数字化资产，辅助预交易处理节点进行价格计算及效益值调控；空闲频谱库则存储频谱区块链网络中可用频谱信息及其交易参数(例如带宽、可用时长、发射功率、干扰、价格、频段拥挤程度、频谱专用性)。

本发明将REM数据库承载在每个区域内的超级节点上，频谱区块链系统的超级节点不具备频谱交易功能，但其具有快速获取有效信息的能力、高速信息处理能力及强大信息存储能力，面向未来庞大繁杂的数据信息，能够进行高效快速的信息处理。REM数据库的构建REM数据库构建流程如图所示，主要分为几个步骤：

第一步骤S1-1：每个节点依据自身位置信息申请加入对应的区域无线环境数据库(无线环境图)，REM对节点信息进行验证，验证通过后将节点信息存入节点库。

第二步骤S1-2：节点收到入库响应后，向REM提交具体位置信息、用频信息(带宽、干扰、功率信息等)及节点交易数据信息(节点历史累计效益值、交易频率)。

第三步骤S1-3：REM根据节点位置信息及干扰信息构建节点干扰重叠图，通过超级节点间的交互，建立全局节点干扰关系库。

第四步骤S1-4：REM根据节点提交的所用频段、发射功率、主要业务类型等用频信息建立本地节点用频信息库。

第五步骤S1-5：REM根据节点历史交易数据、累计交易效益值及交易频率建立本地节点交易信息库。

第六步骤S1-6：REM针对频谱提供方数据、感知节点的频谱感知数据，通过超级节点的交互，建立全局空闲频谱库，并且每段空闲频谱均有其交易参数(例如带宽、可用时长、允许发射功率、干扰、价格、频段拥挤程度、频谱专用性)。

S2频谱预交易流程，交易机制整体流程如图2所示。

步骤1、构建无线环境图，节点加入对应区域环境数据库，并提交节点信息，进行无线环境图的构建。

步骤2、发布交易请求，每个买方节点在参与频谱交易时提供期望频谱指标及关键需求权重，并向REM查询可交易频谱组。

步骤3、确定交易频谱组，REM查询空闲频谱库及干扰层数据库确定买方节点的可交易频谱组，并将结果返回至节点。

步骤4、计算价格因子，适配度、成本参数，预交易处理节点查询REM节点交易信息库获取节点历史累计效益值及交易干扰差值计算价格优化因子，计算每段频谱的适配度参数以及成本参数。

步骤5、匹配交易频谱，根据频谱指标及关键需求权重、交易价格计算交易效益值，得到买卖双方的最优决策表，依据最优决策表进行交易双方的最优匹配，解决交易冲突。

步骤6、更新无线环境图，将四配交易结果提交进行交易处理，交易验证通过后对匹配池进行更新，更新节点累计效益值，并将结果反馈给REM，REM进行数据库更新。该交易机制执行的前提是区块链网络中所有节点都能通过身份认证节点的验证，所有节点都支持频谱交易功能且同意该智能合约的部署，当发生交易申请时自动触发频谱匹配智能合约，并严格按照该合约执行。本交易机制主要包括预交易阶段和交易处理阶段，每个阶段包含一个智能合约执行过程，分别是频谱交易匹配合约和执行合约。

如图3所示，节点信息收集包括节点入库及节点信息提交。

步骤1-1、节点入库，节点依据位置信息加入对应的区域无线环境数据库无线环境图。

步骤1-2、节点信息提交，节点提交具体位置信息，用频信息带宽、干扰及功率信息等，以及节点交易数据信息的节点历史累计效益值、交易频率。

分层REM库包括构建干扰库、构建用频信息库、构建交易信息库及构建空闲频谱库。

步骤1-3、构建干扰库，REM根据节点位置信息及干扰信息构建节点干扰重叠图，建立节点干扰关系库。

步骤1-4、构建用频信息库，REM根据节点具体位置、所用频段及其发射功率等建立节点用频信息库。

步骤1-5、构建交易信息库，REM根据节点历史交易数据、累计交易效益值及交易频率等建立节点交易信息库。

步骤1-6、构建空闲频谱库，REM针对频谱提供方数据及感知节点的频谱感知数据建立空闲频谱库。

频谱预交易阶段主要包括以下几个步骤：

第一步骤S2-1：每个节点加入区块链系统，与本区域内超级节点进行交互，申请加入对应区域环境数据库，并提交节点详细信息进行无线环境图的构建与更新。

第二步骤S2-2：每个买方节点有频谱交易需求时向区块链超级节点(REM数据库)提交交易申请，并提供期望频谱指标、关键需求权重及主要业务类型(该部分数据可由终端提供也可由无线环境图预测提供)，查询可交易频谱组。

第三步骤S2-3：区块链超级节点通过REM查询空闲频谱库及干扰关系数据库确定买方节点的可交易频谱组，将可交易频谱组返回给买方节点。详细步骤如下步骤(1)至步骤(3)：

步骤(1)REM检索库内可交易频谱资源，根据买方节点提供的期望频谱指标及关键需求权重初步确定买方节点的可交易频谱组(此时可交易频谱组中是所有能够满足买方节点需求的可交易频谱资源)，并将可交易频谱组提交给预处理节点。

步骤(2)预处理节点对REM提供的可交易频谱组中对应的卖家进行验证。

步骤(3)预交易处理节点执行智能合约对可交易频谱组中可交易参数进行验证，并访问REM干扰库获取干扰关系，计算可交易频谱组中每段频谱交易后对同频节点造成的干扰值，如果存在频谱使得交易后的干扰值超过了阈值，则把该频谱从可交易频谱组中删除。

可交易参数表示为：

其中，b_j为卖方频谱资源带宽，

b_min为买方需求带宽，

t_j为卖方频谱资源可用时长，

t_min为买方使用时长，

p_max为允许最大发射功率，

p_i为买方发射功率，

p_min为用户业务需求功率。

干扰计算公式如下：

其中，

为买方i的发射功率；

pl为电波传播的路径损耗，

G_t和G_r分别为发射机和接收机天线的增益。

进一步，对同频节点的平均干扰可以表示为：

其中，M为系统中同频节点的数量。

第四步骤S2-4：预交易处理节点访问REM获取买方节点的历史累计效益值、买方节点发射位置、空闲频段拥挤程度、频段专用性、支持业务类型，计算每段可交易频谱带来的干扰差值、价格优化因子、适配度参数、成本参数。详细步骤如下步骤(1)至步骤(5)：

步骤(1)预处理节点获取REM干扰库中每个卖方节点的干扰关系，计算每段频谱所属卖方节点对其他同频节点造成的干扰值，并根据S2中得到的拟交易后买方节点对其他同频节点造成的干扰值计算交易干扰差值。

干扰差值计算公式如下：

其中，

为买家i拟交易后对同频节点造成的干扰均值，

为原卖家j对同频节点造成的干扰均值。

步骤(2)预交易处理节点访问REM数据库获取节点历史累计效益值，利用(1)中得到的交易干扰差值执行智能合约，计算得到该节点对可交易频谱组中每段频谱的价格优化因子，得到拟交易价格。

价格优化因子的计算公式如下：

其中，a和b为特征权重，可以根据实际需求设置，且满足a+b＝1；

U_i和U₀分别为节点历史累计效益值和累计效益值的参考值；

交易对同频节点干扰的影响，

ΔI_th为交易对同频节点干扰影响的参考值；

f为效用函数，

η_x和σ_x为可调参数。

步骤(3)预处理节点依据关键需求权重及业务类型计算买方节点对可交易频谱组中每段频谱的适配度参数

计算公式如下所示：

其中，λ是业务类型匹配因子，

w_i是关键需求权重，与买方节点提供的频谱需求指标相关，此处考虑了带宽、可用时长、功率，

x_i是频谱指标差值归一化后的数值由

计算得到，其中a和b是可调参数，此处分别设置为-0.5和1。

步骤(4)预处理节点根据获得的买方节点发射位置、空闲频段拥挤程度、频段专用性等信息计算成本参数β，计算公式如下所示：

β＝β₁*β₂*β₃

其中，β₁是描述频段拥挤程度的参数，频段越拥挤该参数值越大；

β₂是描述买方节点发射位置特点的参数，发射位置越靠近城区中心区域该参数值越大；

β₃是描述频谱专用性的参数，参数值随频谱专用性而变化。

步骤(5)将得到的交易干扰差值、价格优化因子、适配度参数、成本参数等添加到可交易频谱组中的频谱交易参数。

第五步骤S2-5：预处理节点执行匹配智能合约，根据频谱指标、关键需求权重、价格优化因子、适配度参数以及成本参数计算出可交易频谱组中每段频谱的使用效益值，建立频谱最优决策表。详细步骤如下步骤(1)至步骤(3)：

步骤(1)获取每个买方节点的可交易频谱组及其交易参数。

步骤(2)计算每段频谱的使用效益值，并按从大到小的优先级进行排序。

效益值的计算公式如下：

其中，r是买方节点利用交易频谱处理业务的收益，

e_i是可交易参数，

为适配度参数，

g_i是成本归一化约束参数，

β_i是成本参数，

α_i是价格优化因子，

p_j是频谱交易价格。

步骤(3)预处理节点通过查询REM节点信息库找到可交易频谱组中每段频谱所属卖家，根据上述信息建立频谱最优决策表，提供频谱使用效益值最大的卖家位于最优决策表的第一顺位，以此类推。

第六步骤S2-6：如图4所示，预处理节点根据S2-5得到的最优决策表执行匹配合约，进行频谱资源提供方与申请方的匹配，匹配过程主要包括以下几个步骤：

步骤(1)预处理节点执行匹配合约将所有买方节点与其最优决策表中的第一顺位进行拟交易匹配。

步骤(2)第一轮次匹配中，所有卖方节点均接受来自买方的拟交易匹配，形成匹配对。

步骤(3)判断卖方节点是否有多个买方同时进行了匹配申请，若存在多个买方的竞争冲突，卖方节点选择效益值最高买方节点，并回绝其他买方节点。

步骤(4)第一轮次匹配结束后，因部分买方节点遭到拒绝，所以所有未匹配成功的节点选择其最优决策表中的第二顺位进行拟交易匹配。

步骤(5)重复步骤(3)、步骤(4)得到新的匹配对，直至所有买方节点均匹配完成或买方节点没有可交易频谱。

步骤(6)至此，买卖双方所有匹配完成，将匹配结果返回至双方。

S3频谱交易处理阶段

匹配完成之后进入交易处理阶段，该阶段由交易处理节点完成交易处理，并由预处理节点对交易处理结果进行验证，验证通过后交易处理节点将交易打包写入区块，预处理节点与超级节点进行交互，完成REM数据库的更新。

第一步骤S3-1：预处理节点利用匹配合约得到的先验知识对交易结果进行验证，将验证通过的交易进行全网广播，避免了验证节点重复执行交易合约的开销，加快了交易处理速度。

第二步骤S3-2：交易验证通过后，预处理节点进行匹配池的更新，并根据节点历史累计效益值与交易频率计算效益调整因子进行累计效益值的更新，与超级节点交互进行REM数据库的更新。详细步骤(1)至步骤(3)：

步骤(1)更新频谱匹配池。

步骤(2)获取交易请求节点的历史累计效益值及交易频率，计算效益调整因子。效益调整因子与交易频率相关，计算公式如下：

F_t＝F_{t_i}/F_{t_sum}

其中，σ_i为节点效益调整因子，

f为效益调整因子计算函数，同步骤3中的价格优化因子计算公式，此处不再描述，

F_t为交易频率，表示为节点参与频谱交易次数F_{t_i}与当前匹配总轮次F_{t_sum}的比值。

步骤(3)与超级节点交互，对REM数据库进行更新。

3.信息交互图

本发明中的实体主要包括普通基站节点(买方和卖方)、承载REM数据库的超级节点、执行匹配智能合约的预处理节点(图中用Blockchain代指)以及用频需求的终端用户。当节点加入频谱区块链网络时，首先需要申请加入其区域内REM数据库，具体交互流程如图5所示。REM数据库构建交互过程描述如下：

(1)各节点加入频谱区块链系统后，依据其自身位置向对应区域承载REM数据库的超级节点发送入库申请；

(2)超级节点验证节点信息(包括位置信息、账户地址、数字证书等)，验证通过后将节点纳入本区域节点库，并返回同意入库响应；

(3)收到同意入库响应的节点向REM提交数据信息(包括所用频段、带宽、发射功率等用频信息，历史交易数据、累计效益值、交易频率等交易信息以及可用频谱信息)；

(4)REM收到节点提交的数据信息后对其数字签名进行验证，验证通过后进行本地节点用频信息库、节点交易信息库的构建(具体存储形式可用键值对表示，节点编号为“键”，节点用频信息、交易信息等为“值”，REM既可以通过“键”来找对应的“值”，也可以通过“值”来找对应的“键”)；

(5)多个区域的超级节点进行数据交互，计算整个系统节点间的干扰关系，并统计全网中可用频谱信息，建立全局干扰库及空闲频谱库，当有节点加入或退出时，REM跟随系统进行实时更新；

(6)超级节点间交互确认REM构建结果，并将构建响应返回至区域内各节点。

当终端用户有用频需求时需要向基站节点提出申请，假设节点已经完成了入库申请，买方节点通过与REM交互及预处理节点执行匹配合约来获得匹配频谱，并将预处理节点执行匹配合约得到的匹配结果提交执行交易，具体交互流程如图6所示，图中Blockchain代指预处理节点的集合。频谱匹配交互流程描述如下：

(1)有空闲频谱的节点向超级节点提交可用频谱指标(包括频谱带宽、可用时长、功率参考值、频谱专用性等)，超级节点更新REM空闲频谱库；

(2)当终端用户有用频需求时向基站节点提出申请，买方节点向REM提交预交易申请信息(包括业务需求类型、频谱需求指标、指标权重、发射位置)，查询可交易频谱组；

(3)REM根据频谱指标及用频需求进行频谱筛选(带宽、可用时长、发射功率均需满足买方节点最低用频需求)，进而确定每个买方节点的可交易频谱组，并将可交易频谱组返回给买方节点；

(4)收到可用频谱组的买(卖)方节点向预交易处理节点发送频谱匹配申请，申请信息中应包含可用频谱组信息。

(5)预交易处理节点收到匹配申请后访问REM干扰关系库，并对提交交易请求的买方与可用频谱组中对应卖方进行相关信息验证，计算潜在交易干扰，进一步更新可交易频谱组；

(6)预交易处理节点访问REM交易信息库，获取买方节点历史累计效益值，超级节点将节点交易信息查询响应返回至预交易处理节点；

(7)预交易处理节点收到响应后计算交易干扰差值，并执行智能合约计算价格优化因子，并根据空闲频谱库中的频谱参数信息计算适配度参数、成本参数；

(8)预交易处理节点根据上述信息计算出可交易频谱组中每段频谱的使用效益值，建立频谱最优决策表，依据该决策表进行频谱匹配，将匹配结果返回至买卖双方；

(9)买卖双方节点提交交易至交易处理节点，进入交易处理阶段，交易执行完毕后预处理节点利用匹配合约所得的先验结果进行交易验证，验证通过后根据节点历史累计效益值与交易频率计算效益调整因子，将结果返回至各节点，节点完成频谱资产的转移、货币资产转移，REM进行数据库更新。

4.仿真分析

本方案旨在基于无线环境图数据库信息，通过综合考虑频谱实际使用需求带宽、可用时长、干扰、业务类型、发射位置、频段拥挤程度及价格来进行频谱交易的最优匹配，提高频谱利用率，通过该交易机制提高频谱资源与业务实际需求的适配度，提高频谱使用效益，同时减小交易干扰，解决频谱资源短缺、流动性差、频谱使用效益低下等问题。本方案主要从以下几个方面进行仿真：交易效益值、交易干扰差值、节点满意度、交易成功率。

(1)仿真场景

仿真场景如图7所示，仿真区域为10km×10km的范围内，该区域内随机分布100个区块链节点(圆点和三角形共100个)，其中三角形表示在100个节点中随机选取20个节点作为有频谱需求的买方节点，圆点表示有可用空闲频谱节点的卖方节点或者预处理节点，各个节点的初始频谱资源采用已有的干扰重叠图方法进行分配，正方形表示每个区域内的超级节点，在本场景中将节点划分为四个区域，每个区域内存在一个超级节点。仿真参数如表1所示，仿真区域为10km×10km，横纵坐标范围均为(-5000m,5000m)。节点总数量为100个，有频谱需求的节点数量为20个，每个节点的发射功率为7dBm-30dBm，每个节点拥有的频谱数量为10-40MHz，且有足够的资产支持频谱交易。

(2)效益值仿真

图8展示了100次交易匹配实验中，分别采用所提出交易机制、随机匹配方式及没有价格优化的所提交易机制的频谱交易效益值对比。横坐标对应匹配实验次数，纵坐标表示每次交易匹配的效益值。

为了更直观的观察对比性，图9展示了100次预交易匹配实验中交易效益值的累计分布曲线，曲线越靠右证明该方案的交易效益值越高。为了保证可对比性，三种方式采用相同的频谱使用效益计算方法，从图中可以看出，没有价格优化的所提交易机制相较于随机匹配方法，100次独立实验中交易效益值普遍优于随机匹配方式，提高了23％左右。这是因为在该方法中，预处理节点依据最优决策表进行频谱匹配，达成交易的频谱都是与买方节点实际频谱使用需求的适配度较高的。加入价格优化机制后，所提预交易机制相较于前两种方式，交易效益值进一步提高，这是因为在进行频谱匹配时考虑干扰及节点历史累计效益值对价格的影响，激励节点选择干扰更小、使用效益更高的频谱进行交易。因此，本方案能够更好的进行频谱资源匹配，提高频谱使用效益。

(3)满意度仿真

对于参与频谱交易的多个买方节点，需要对交易的结果进行满意度的评判，以说明利用所提交易机制所得到的频谱资源与实际频谱需求间的适配度。为了能更好地观察所提交易机制的节点满意度相较于对比算法的改善情况，此仿真进行多次迭代实验，计算节点平均满意度，结果如图10所示，图11展示了100次交易匹配实验中节点平均满意度的累计分布曲线，曲线越靠右证明该方案的满意度性能越好。节点的满意度表示为，所需求频谱资源指标与实际交易频谱资源指标的比值的加权和，计算公式如下：

s_i＝w₀*(b_i/b_j)+w₁*(t_i/t_j)

其中S_ave表示每次实验节点平均满意度，

s_i表示节点满意度，

N为买方节点数量，

w₀和w₁分别是关键需求权重，

b_i和b_j分别为所需频谱资源带宽与实际匹配交易带宽，

t_i和t_j分别为所需频谱资源可用时长与实际匹配资源的可用时长。

从仿真对比图中可以看出，所提方法的节点平均满意度较于对比算法有普遍提高，相比于随机匹配方法提高了9.7％左右。可见所提方法的频谱供需匹配更好，交易频谱资源与实际业务需求的适配度更高。

(4)干扰仿真

图12展示了在一次交易匹配实验中，不同节点参与频谱交易对其所有同频节点造成的干扰均值比变化。横坐标对应不同的交易节点，纵坐标对应该节点对所有同频节点造成的干扰均值。通过曲线可以看出，本发明中的方法中通过交易能够整体降低对同频节点的干扰，最大降低了7.5dB左右，有一小部分节点相较于无交易前增加了干扰，但均在较低值范围内。

图13展示了在一次交易匹配实验中，节点在交易前后对所有同频节点的干扰值，横坐标为同频节点编号，纵坐标为干扰值。虚线为买方节点在交易后对所有同频节点的干扰值，实线为与卖方节点在交易前对所有同频节点的干扰值。从图中可以看出，本发明可以通过频谱交易降低对同频节点的干扰。

图14展示了100次交易匹配实验中，不同的频谱匹配方式下频谱交易对同频节点干扰的影响。横坐标对应匹配实验次数，纵坐标表示每次匹配实验中交易前后对同频节点造成的干扰差值。

图15展示了100次交易匹配实验中买方节点交易对同频节点干扰的累计分布曲线，曲线越靠左证明该方案造成的干扰越小。从图中可以看出，相较于没有交易时，采用本方案进行交易匹配时对同频节点造成的干扰差值均为负值，即整体降低了对同频节点通信质量的影响。引起干扰降低的原因是，在进行频谱匹配时，交易干扰差值越小节点的价格优化因子越大，因而频谱交易的经济成本越小，效益值越大，而该效益值直接影响着频谱匹配的优先级，效益值高的频谱优先进行匹配，因此干扰差值也越小。从所提方法与自身没有价格优化的匹配方法的对比中可以看到，采用价格优化的方法能够在降低同频干扰的基础上进一步减小干扰，这是因为在匹配模型中干扰与价格成负相关，因此激励节点为了降低交易成本提高频谱使用效益值而选取了造成同频干扰更小的频谱资源，而随机匹配方式对同频节点造成的干扰差值远远达不到此效果。因此，本方法能够通过交易匹配机制有效降低对同频节点的干扰影响。

(5)成功率仿真

图16展示了100次交易匹配实验中，采用所提交易机制和随机匹配方式下交易的成功率对比。横坐标对应匹配实验次数，纵坐标表示每次交易匹配的成功率。

图17展示了100次预交易匹配实验中交易成功率的累计分布曲线，曲线越靠右证明该方案交易成功率越高。预交易机制中的交易失败主要是由于多个节点对同一频谱竞争时，对该频谱的使用效益值低的节点无法获得该段频谱的交易权，当某节点的可交易频谱组中没有可交易频谱时该节点匹配交易失败，这也是符合实际的频谱交易过程的。而随机匹配方式中，由于该方式不进行频谱匹配，而是随机从系统空闲频谱段中选取一段进行交易，虽然每个节点都能选择到满足频谱需求的交易卖家，但交易对其他同频节点造成的干扰超过了阈值，认为该交易是无效的，因此成功率是较低的。因此，本方案能够保证干扰的同时提高交易成功率。

一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，包括：

(1)基于区块链的两阶段频谱交易机制；

(2)基于无线环境图的多维效益评估机制；

(3)基于节点历史累计效益值和交易干扰的价格激励机制；

(4)基于多维效益评估的频谱匹配机制；

(5)基于累计效益值和交易频率的效益动态调整机制。

无线环境图的构建方法，包括将节点按区域进行无线环境图的构建，利用区块链的分布式存储将REM承载在对应区域的超级节点上，避免中心化的同时解决信任缺失问题，提高安全性并减小存储开销；将REM数据库按全局性或局部性进行分层，同时将存储内容进行分层，提高节点数据的隐私保护性的同时提高节点访问效率，节点与REM的直接交互减小了节点全网广播的开销，提高了交易效率。

基于无线环境图的多维效益评估模型，在频谱预交易阶段，利用无线环境图信息综合考虑系统内空闲频谱可用时长、空闲频谱带宽、允许发射功率、关键需求权重、业务类型、发射位置、频段拥挤程度、频谱专用性、干扰及价格计算频谱资源的多维效益值，提高频谱资源与业务需求适配度，提高频谱使用效益。

在频谱区块链系统设置两种因子“适配度因子”和“成本影响因子”的计算单元，由预处理节点负责计算，适配度因子描述了可用频谱与节点需求的匹配程度，成本影响因子描述了可用频谱的附加成本大小(例如频段拥挤程度、发射位置、频谱专用性对成本的影响)。

基于节点历史累计效益值和交易干扰的价格激励机制，历史累计效益值越高，说明频谱交易参与度越高，交易的频谱更适配于其业务需求，获得的经济补偿就越多；交易干扰差值越小，即对其他同频节点的通信质量影响越小，从而获得更多的经济补偿，该机制能够激励节点参与频谱共享，并降低交易干扰。

在频谱区块链系统设置价格优化因子计算单元，由预处理节点负责计算，综合考虑历史累计效益值与交易干扰对频谱价格进行动态调控，激励节点参与频谱交易。

基于对可交易频谱组的多维效益评估，预处理节点执行匹配合约实现可交易频谱组中的每段可交易频谱的效益值计算，并依据效益值确定优先级，依据该效益值优先级进行频谱匹配及解决交易冲突造成的恶意竞争问题，提高频谱交易公平性。

一种区块链身份节点即预处理节点，负责与超级节点之间的信息交互及匹配合约的执行，保证交易的有效进行，并具有验证功能，将匹配得到的结果与交易结果进行对比验证，减少验证节点再次执行交易合约带来的系统开销，一定程度上降低验证时延，提高频谱交易处理速度。

一种效益动态调整机制，建立频谱交易闭环体系，对效益值进行动态调控，限制累计高效益节点增长速度，提高竞争公平性，同时防止恶意节点通过频繁交易快速获得高累计效益后做出恶意行为，对系统安全性造成威胁。考虑到刚加入的节点没有较高的累计效益值，引入交易频率来进行调控从而提升系统的公平性。

在区块链系统设置效益调整因子计算单元，当交易验证通过后由预处理节点进行计算，考虑节点历史累计效益值与交易频率，用于对节点累计效益值的增长速度进行动态调控。

如上，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，其特征在于,包括预交易阶段和交易处理阶段，预交易阶段完成频谱资源的最优匹配，交易处理阶段完成频谱交易的执行、验证、打包，包括三个大步骤：S1、REM构建，S2、频谱预交易匹配，S3、频谱交易处理与验证。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，其特征在于,分为超级节点、预处理节点及普通节点，

超级节点承载无线环境图，能够信息处理与信息交互，且不参与频谱交易，负责与预处理节点与普通买卖节点交互管理交易过程，

预处理节点负责交易机制中预交易阶段的匹配合约的执行以及交易处理阶段的交易验证，

普通节点指提出频谱交易申请的买卖节点，负责频谱交易的申请。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，其特征在于,S1REM构建包括以下步骤：在REM数据库构建时，将节点按区域进行无线环境图的构建，并将REM数据库进行分层，按存储范围分为本地层和全局层，本地层存储本地节点相关数据信息，全局层则存储节点干扰数据、空闲频谱数据供所有节点访问；按存储内容分为干扰库、用频信息库、交易信息库、空闲频谱库，干扰库存储所有节点干扰信息并建立干扰重叠图，以供节点快速获取干扰关系；用频信息库存储节点具体位置信息、所用频段、使用期限、频谱使用许可证、发射功率；交易信息库存储节点历史交易数据、交易频率及数字化资产，辅助预交易处理节点进行价格计算及效益值调控；空闲频谱库则存储频谱区块链网络中有频谱信息及其交易参数带宽、可用时长、发射功率、干扰、价格、频段拥挤程度及频谱专用性，

REM数据库承载在每个区域内的超级节点上，频谱区块链系统的超级节点不具备频谱交易功能，进行高效快速的信息处理，

第一步骤S1-1：每个节点依据自身位置信息申请加入对应的区域无线环境数据库(无线环境图)，REM对节点信息进行验证，验证通过后将节点信息存入节点库，

第二步骤S1-2：节点收到入库响应后，向REM提交具体位置信息、用频信息(带宽、干扰、功率信息)及节点交易数据信息(节点历史累计效益值、交易频率)，

第三步骤S1-3：REM根据节点位置信息及干扰信息构建节点干扰重叠图，通过超级节点间的交互，建立全局节点干扰关系库，

第四步骤S1-4：REM根据节点提交的所用频段、发射功率、主要业务类型等用频信息建立本地节点用频信息库，

第五步骤S1-5：REM根据节点历史交易数据、累计交易效益值及交易频率建立本地节点交易信息库，

第六步骤S1-6：REM针对频谱提供方数据、感知节点的频谱感知数据，通过超级节点的交互，建立全局空闲频谱库，并且每段空闲频谱均有其交易参数带宽、可用时长、允许发射功率、干扰、价格、频段拥挤程度、频谱专用性。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易方法，其特征在于,S2频谱预交易匹配包括以下步骤：主要包括预交易阶段和交易处理阶段，每个阶段包含一个智能合约执行过程，分别是频谱交易匹配合约和执行合约，频谱预交易阶段主要包括以下几个步骤：

第一步骤S2-1：每个节点加入区块链系统，与本区域内超级节点进行交互，申请加入对应区域环境数据库，并提交节点详细信息进行无线环境图的构建与更新，

第二步骤S2-2：每个买方节点有频谱交易需求时向区块链超级节点(REM数据库)提交交易申请，并提供期望频谱指标、关键需求权重及主要业务类型(该部分数据可由终端提供也可由无线环境图预测提供)，查询可交易频谱组，

第三步骤S2-3：区块链超级节点通过REM查询空闲频谱库及干扰关系数据库确定买方节点的可交易频谱组，将可交易频谱组返回给买方节点，详细步骤如下步骤(1)至步骤(3)：

步骤(1)REM检索库内可交易频谱资源，根据买方节点提供的期望频谱指标及关键需求权重初步确定买方节点的可交易频谱组(此时可交易频谱组中是所有能够满足买方节点需求的可交易频谱资源)，并将可交易频谱组提交给预处理节点，

步骤(2)预处理节点对REM提供的可交易频谱组中对应的卖家进行验证，

步骤(3)预交易处理节点执行智能合约对可交易频谱组中可交易参数进行验证，并访问REM干扰库获取干扰关系，计算可交易频谱组中每段频谱交易后对同频节点造成的干扰值，如果存在频谱使得交易后的干扰值超过了阈值，则把该频谱从可交易频谱组中删除，

可交易参数表示为：

其中，b_j为卖方频谱资源带宽，

b_min为买方需求带宽，

t_j为卖方频谱资源可用时长，

t_min为买方使用时长，

p_max为允许最大发射功率，

p_i为买方发射功率，

p_min为用户业务需求功率，

干扰计算公式如下：

其中，

为买方i的发射功率；

pl为电波传播的路径损耗，

G_t和G_r分别为发射机和接收机天线的增益，

进一步，对同频节点的平均干扰可以表示为：

其中，M为系统中同频节点的数量，

第四步骤S2-4：预交易处理节点访问REM获取买方节点的历史累计效益值、买方节点发射位置、空闲频段拥挤程度、频段专用性、支持业务类型，计算每段可交易频谱带来的干扰差值、价格优化因子、适配度参数、成本参数，详细步骤如下步骤(1)至步骤(5)：

步骤(1)预处理节点获取REM干扰库中每个卖方节点的干扰关系，计算每段频谱所属卖方节点对其他同频节点造成的干扰值，并根据S2中得到的拟交易后买方节点对其他同频节点造成的干扰值计算交易干扰差值，

干扰差值计算公式如下：

其中，

为买家i拟交易后对同频节点造成的干扰均值，

为原卖家j对同频节点造成的干扰均值，

步骤(2)预交易处理节点访问REM数据库获取节点历史累计效益值，利用(1)中得到的交易干扰差值执行智能合约，计算得到该节点对可交易频谱组中每段频谱的价格优化因子，得到拟交易价格，

价格优化因子的计算公式如下：

其中，a和b为特征权重，可以根据实际需求设置，且满足a+b＝1；

U_i和U₀分别为节点历史累计效益值和累计效益值的参考值；

交易对同频节点干扰的影响，

ΔI_th为交易对同频节点干扰影响的参考值；

f为效用函数，

η_x和σ_x为可调参数，

步骤(3)预处理节点依据关键需求权重及业务类型计算买方节点对可交易频谱组中每段频谱的适配度参数

计算公式如下所示：

其中，λ是业务类型匹配因子，

w_i是关键需求权重，与买方节点提供的频谱需求指标相关，此处考虑了带宽、可用时长、功率，

x_i是频谱指标差值归一化后的数值由

计算得到，其中a和b是可调参数，此处分别设置为-0.5和1，

步骤(4)预处理节点根据获得的买方节点发射位置、空闲频段拥挤程度、频段专用性等信息计算成本参数β，计算公式如下所示：

β＝β₁*β₂*β₃

其中，β₁是描述频段拥挤程度的参数，频段越拥挤该参数值越大；

β₂是描述买方节点发射位置特点的参数，发射位置越靠近城区中心区域该参数值越大；

β₃是描述频谱专用性的参数，参数值随频谱专用性而变化，

步骤(5)将得到的交易干扰差值、价格优化因子、适配度参数、成本参数等添加到可交易频谱组中的频谱交易参数，

第五步骤S2-5：预处理节点执行匹配智能合约，根据频谱指标、关键需求权重、价格优化因子、适配度参数以及成本参数计算出可交易频谱组中每段频谱的使用效益值，建立频谱最优决策表，详细步骤如下步骤(1)至步骤(3)：

步骤(1)获取每个买方节点的可交易频谱组及其交易参数，

步骤(2)计算每段频谱的使用效益值，并按从大到小的优先级进行排序，

效益值的计算公式如下：

其中，r是买方节点利用交易频谱处理业务的收益，

e_i是可交易参数，

为适配度参数，

g_i是成本归一化约束参数，

β_i是成本参数，

α_i是价格优化因子，

p_j是频谱交易价格，

步骤(3)预处理节点通过查询REM节点信息库找到可交易频谱组中每段频谱所属卖家，根据上述信息建立频谱最优决策表，提供频谱使用效益值最大的卖家位于最优决策表的第一顺位，以此类推，

第六步骤S2-6：如图4所示，预处理节点根据S2-5得到的最优决策表执行匹配合约，进行频谱资源提供方与申请方的匹配，匹配过程主要包括以下几个步骤：

步骤(1)预处理节点执行匹配合约将所有买方节点与其最优决策表中的第一顺位进行拟交易匹配，

步骤(2)第一轮次匹配中，所有卖方节点均接受来自买方的拟交易匹配，形成匹配对，

步骤(3)判断卖方节点是否有多个买方同时进行了匹配申请，若存在多个买方的竞争冲突，卖方节点选择效益值最高买方节点，并回绝其他买方节点，

步骤(4)第一轮次匹配结束后，因部分买方节点遭到拒绝，所以所有未匹配成功的节点选择其最优决策表中的第二顺位进行拟交易匹配，

步骤(5)重复步骤(3)、步骤(4)得到新的匹配对，直至所有买方节点均匹配完成或买方节点没有可交易频谱，

步骤(6)至此，买卖双方所有匹配完成，将匹配结果返回至双方。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，其特征在于，S3频谱交易处理与验证包括以下步骤：匹配完成之后进入交易处理阶段，该阶段由交易处理节点完成交易处理，并由预处理节点对交易处理结果进行验证，验证通过后交易处理节点将交易打包写入区块，预处理节点与超级节点进行交互，完成REM数据库的更新，

第一步骤S3-1：预处理节点利用匹配合约得到的先验知识对交易结果进行验证，将验证通过的交易进行全网广播，避免了验证节点重复执行交易合约的开销，加快了交易处理速度，

第二步骤S3-2：交易验证通过后，预处理节点进行匹配池的更新，并根据节点历史累计效益值与交易频率计算效益调整因子进行累计效益值的更新，与超级节点交互进行REM数据库的更新，详细步骤如下步骤(1)至步骤(3)：

步骤(1)更新频谱匹配池，

步骤(2)获取交易请求节点的历史累计效益值及交易频率，计算效益调整因子，效益调整因子与交易频率相关，计算公式如下：

F_t＝F_{t_i}/F_{t_sum}

其中，σ_i为节点效益调整因子，

f为效益调整因子计算函数，同步骤3中的价格优化因子计算公式，

F_t为交易频率，表示为节点参与频谱交易次数F_{t_i}与当前匹配总轮次F_{t_sum}的比值，

步骤(3)与超级节点交互，对REM数据库进行更新。

6.根据权利要求3所述的一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，其特征在于,包括普通基站节点买方和卖方、承载REM数据库的超级节点、执行匹配智能合约的预处理节点以及用频需求的终端用户，当节点加入频谱区块链网络时，首先需要申请加入其区域内REM数据库，REM数据库构建交互过程描述如下：

(1)各节点加入频谱区块链系统后，依据其自身位置向对应区域承载REM数据库的超级节点发送入库申请；

(2)超级节点验证节点信息包括位置信息、账户地址、数字证书等，验证通过后将节点纳入本区域节点库，并返回同意入库响应；

(3)收到同意入库响应的节点向REM提交数据信息包括所用频段、带宽、发射功率等用频信息，历史交易数据、累计效益值、交易频率等交易信息以及可用频谱信息；

(4)REM收到节点提交的数据信息后对其数字签名进行验证，验证通过后进行本地节点用频信息库、节点交易信息库的构建；

(5)多个区域的超级节点进行数据交互，计算整个系统节点间的干扰关系，并统计全网中可用频谱信息，建立全局干扰库及空闲频谱库，当有节点加入或退出时，REM跟随系统进行实时更新；

(6)超级节点间交互确认REM构建结果，并将构建响应返回至区域内各节点，

当终端用户有用频需求时需要向基站节点提出申请，假设节点已经完成了入库申请，买方节点通过与REM交互及预处理节点执行匹配合约来获得匹配频谱，并将预处理节点执行匹配合约得到的匹配结果提交执行交易，频谱匹配交互流程描述如下：

(1)有空闲频谱的节点向超级节点提交可用频谱指标频谱带宽、可用时长、功率参考值、频谱专用性，超级节点更新REM空闲频谱库；

(2)当终端用户有用频需求时向基站节点提出申请，买方节点向REM提交预交易申请信息包括业务需求类型、频谱需求指标、指标权重、发射位置，查询可交易频谱组；

(3)REM根据频谱指标及用频需求进行频谱筛选带宽、可用时长、发射功率，进而确定每个买方节点的可交易频谱组，并将可交易频谱组返回给买方节点；

(4)收到可用频谱组的买卖方节点向预交易处理节点发送频谱匹配申请，申请信息中应包含可用频谱组信息，

(5)预交易处理节点收到匹配申请后访问REM干扰关系库，并对提交交易请求的买方与可用频谱组中对应卖方进行相关信息验证，计算潜在交易干扰，进一步更新可交易频谱组；

(6)预交易处理节点访问REM交易信息库，获取买方节点历史累计效益值，超级节点将节点交易信息查询响应返回至预交易处理节点；

(7)预交易处理节点收到响应后计算交易干扰差值，并执行智能合约计算价格优化因子，并根据空闲频谱库中的频谱参数信息计算适配度参数、成本参数；

(8)预交易处理节点根据上述信息计算出可交易频谱组中每段频谱的使用效益值，建立频谱最优决策表，依据该决策表进行频谱匹配，将匹配结果返回至买卖双方；

(9)买卖双方节点提交交易至交易处理节点，进入交易处理阶段，交易执行完毕后预处理节点利用匹配合约所得的先验结果进行交易验证，验证通过后根据节点历史累计效益值与交易频率计算效益调整因子，将结果返回至各节点，节点完成频谱资产的转移、货币资产转移，REM进行数据库更新。

7.一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易方法，其特征在于,含有以下步骤：

S1：每个节点加入区块链系统，与本区域内超级节点进行交互，申请加入对应区域环境数据库，并提交节点详细信息进行无线环境图的构建与更新，

S2：每个买方节点有频谱交易需求时向区块链超级节点(REM数据库)提交交易申请，并提供期望频谱指标、关键需求权重及主要业务类型，查询可交易频谱组，

S3：区块链超级节点通过REM查询空闲频谱库及干扰关系数据库确定买方节点的可交易频谱组，将可交易频谱组返回给买方节点，

S4：预交易处理节点访问REM获取买方节点的历史累计效益值、买方节点发射位置、空闲频段拥挤程度、频段专用性、支持业务类型，计算每段可交易频谱带来的干扰差值、价格优化因子、适配度参数、成本参数，

S5：预处理节点执行匹配智能合约，根据频谱指标、关键需求权重、价格优化因子、适配度参数以及成本参数计算出可交易频谱组中每段频谱的使用效益值，建立频谱最优决策表，并进行频谱匹配，

S6：预处理节点利用匹配合约得到的先验知识对交易结果进行验证，将验证通过的交易进行全网广播，交易验证通过后，预处理节点更新频谱匹配池与节点累计效益值，超级节点更新REM数据库。

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