CN117764586A - 基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法、系统、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法、系统、设备及介质，其方法引入区块链方法以解决伪造电磁频谱感知攻击场景下可信动态编队电磁频谱资源分配问题，并在电磁频谱定价与交易拍卖过程中充分考虑编队用频设备优先级、编队任务类型以及量化后的电磁环境信息等相关电磁信息，进而引导电磁频谱交易过程更符合实际编队电磁环境，最终基于区块链技术实现伪电磁频谱攻击下的编队电磁频谱效率最大化；其系统、设备及介质基于系统架构、电磁频谱感知和电磁频谱交易三个方面构建的基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管理策略进行可信电磁频谱管控，具有安全可信和去中心化的优点，解决了编队电磁频谱管理的安全性问题。
Description
技术领域
本发明属于可信电磁频谱管控技术领域，尤其涉及一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法、系统、设备及介质。
背景技术
随着宽带业务的快速发展和第五代(5G)无线通信网络的出现，对无线电磁频谱的需求出现了显著的激增(B.Nour,A.Ksentini,N.Herbaut,P.A.Frangoudis andH.Moungla,``A Blockchain-Based Network Slice Broker for 5G Services,”IEEENetworking Lett.,vol.1,no.3,pp.99-102,Sept.2019)。此外，随着互联设备数量的不断增加和用户数据消费的激增，对电磁频谱的需求进一步加剧(M.Tian,H.Deng and M.Xu,``Immune Parallel Artificial Bee Colony Algorithm For Spectrum Allocation InCognitive Radio Sensor Networks,”in Proc.Int.Conf.Comput.Inf.Telecommun.Syst.(CITS),Hangzhou,China,2020,pp.1-4)。这些发展受到集中式、静态的电磁频谱分配和管理解决方案的限制，导致电磁频谱利用不足和效率低下。
区块链技术有可能通过在这个过程中引入效率、透明度和信任来彻底改变电磁频谱分配(S.Hu,Y.Pei and Y.-C.Liang,``Sensing-Mining-Access Tradeoff inBlockchain-Enabled Dynamic Spectrum Access,”IEEE Wireless Commun.Lett.,vol.10,no.4,pp.820-824,April2021)。区块链实现了自动化和简化的电磁频谱分配流程，消除了对中介的需求，降低了交易的复杂性(H.Zhang,S.Leng,Y.Wei and J.He,``ABlockchain Enhanced Coexistence of Heterogeneous Networks on UnlicensedSpectrum,”IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.71,no.7,pp.7613-7624,July 2022)。区块链的加密算法和共识机制为电磁频谱分配提供了强大的安全性。每个事务都经过加密，带有时间戳，并链接到以前的事务，从而创建一个不可变的记录，可以抵抗篡改和欺诈(M.B.H.Weiss,K.Werbach,D.C.Sicker and C.E.C.Bastidas,``On the Application ofBlockchains to Spectrum Management,”IEEE Trans.Cognit.Commun.Networking,vol.5,no.2,pp.193-205,June 2019)。此特性增强了电磁频谱分配记录的完整性，降低了未经授权修改或争议的风险。它的去中心化共识机制消除了对中介的需求，并减少了对中心化机构进行信任验证的依赖。
然而，在基于区块链的电磁频谱分配中使用现有的共识协议可能无法充分利用区块链的潜在优势和效率。它不能解决与原始协议相关的某些问题，例如高延迟、低吞吐量和高能耗。研究人员已经开始通过探索潜在的解决方案来应对这些挑战。例如，Xue等(L.Xue,W.Yang,W.Chen and L.Huang,``STBC:A Novel Blockchain-Based Spectrum TradingSolution,”IEEE Trans.Cognit.Commun.Networking,vol.8,no.1,pp.13-30,March 2022)提出了一种新的基于区块链的去中心化分布式电磁频谱分配协议。Hu等(S.Hu,Y.-C.Liang,Z.Xiong and D.Niyato,``Blockchain and Artificial Intelligence forDynamic Resource Sharing in 6G and Beyond,”IEEE Wireless Commun.,vol.28,no.4,pp.145-151,August 2021)提出了一种基于区块链和人工智能的动态资源共享架构。Sun等人(W.Sun,L.Wang,P.Wang and Y.Zhang,``Collaborative Blockchain for Space-Air-Ground Integrated Networks,”IEEE Wireless Commun.,vol.27,no.6,pp.82-89,December 2020)引入了一种协作式区块链架构，用于整合空间、空中和地面网络，以实现对各种资源的安全高效管理。Gorla等人(P.Gorla,V.Chamola,V.Hassija and N.Ansari,``Blockchain Based Framework for Modeling and Evaluating 5G Spectrum Sharing,”IEEE Network,vol.35,no.2,pp.229-235,March/April 2021)提出了一种基于区块链的模型，为5G用户提供多运营商服务，促进多个电信运营商内部和跨电信运营商的电磁频谱管理。此外，Boateng等人(G.O.Boateng,D.Ayepah-Mensah,D.M.Doe,A.Mohammed,G.Sun andG.Liu,``Blockchain-Enabled Resource Trading and Deep Reinforcement Learning-Based Autonomous RAN Slicing in 5G,”IEEE Trans.Netw.Serv.Manage.,vol.19,no.1,pp.216-227,March 2022)提出了一种新颖的分层框架，用于点对点移动虚拟网络运营商之间基于区块链的资源分配。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术为在电磁频谱管理中使用区块链提供了有用的见解，但它们不能用于认知无线电，因为它们没有优先考虑主要用户。
(2)现有技术并没有考虑存在伪造电磁频谱感知攻击的情况下电磁频谱资源可信动态分配的问题。
(3)现有技术没有考虑用频设备在电磁频谱定价和拍卖过程中的优先级，指导电磁频谱分配过程更准确地与实际的电磁环境保持一致。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法、系统、介质及设备；通过引入区块链方法以解决伪造电磁频谱感知攻击场景下可信动态编队电磁频谱资源分配问题，并在电磁频谱定价与交易拍卖过程中充分考虑编队用频设备优先级、编队任务类型以及量化后的电磁环境信息等相关电磁信息，进而引导电磁频谱交易过程更符合实际编队电磁环境，最终基于区块链技术实现伪电磁频谱攻击下的编队电磁频谱效率最大化；将基于系统架构、电磁频谱感知和电磁频谱交易三个方面构建基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管理策略，针对现有的电磁频谱资源动态规划方法难以满足伪造电磁频谱感知攻击场景下编队的可靠电磁频谱资源管理需求的问题，引入密码学方法相关联产生的数据块组成的区块链，利用其特有的安全可信和去中心化的优点解决了编队电磁频谱管理的安全性问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，以编队各用频设备为用户节点，以伪造电磁频谱感知攻击场景为背景建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型；在用户节点采集到电磁频谱数据并验证电磁频谱数据来源后，将这些电磁频谱数据组成一个区块，每新组成一个区块就将它链接到上一个区块后面，以形成电磁频谱区块链并进行存储；同时，各用户节点采用基于优先拍卖共识的拍卖方式转让电磁频谱使用权，以此进行编队电磁频谱的可信分配。
一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，具体包括以下步骤：
步骤一，以编队各用频设备为用户节点，以伪造电磁频谱感知攻击场景为背景建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型，包括编队频管交易池、电磁频谱数据库、用户节点及频谱认证机构；
步骤二，通过步骤一所建立模型中的各用户节点采集电磁频谱数据并验证电磁频谱数据来源后，将这些电磁频谱数据组成区块，每新组成一个区块就链接到上一个区块后面，以形成电磁频谱区块链，并存储在电磁频谱数据库中；
步骤三，各用户节点通过步骤二中的电磁频谱数据库获取完整频谱感知信息，采用基于优先拍卖共识的拍卖方式，通过编队频管交易池和频谱认证机构转让电磁频谱使用权，完成编队可信电磁频谱分配。
所述步骤一具体过程为：
以编队各用频设备为用户节点，以伪造电磁频谱感知攻击场景为背景建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型，可信编队电磁频谱管理模型包括编队频管交易池、电磁频谱数据库、用户节点及频谱认证机构；
编队频管交易池发布电磁频谱交易请求信息和响应信息，用户节点中有电磁频谱需求的用户发布电磁频谱交易请求信息，同时用户节点中的电磁频谱持有者将售卖电磁频谱的信息发布到编队频管交易池；电磁频谱数据库为系统中的用户提供场景感知信息，此过程中用户向电磁频谱数据库提供电磁频谱币作为佣金，从而降低敌方恶意节点攻击的影响；频谱认证机构对编队频管交易池和电磁频谱数据库进行监督，以提升系统的公平性。
所述电磁频谱数据库、频谱认证机构和各用户节点都备份有包含同样信息的电磁频谱区块链，初始电磁频谱区块链由一个空白的创世区块形成。
所述步骤二的具体过程为：
编队中的各用户有频谱感知的能力，它们不断进行频谱感知以采集电磁频谱数据，当数据量达到指定值时将这些电磁频谱数据组成一个区块，每新组成一个区块就将它更新补充到电磁频谱数据库中，链接到数据库的电磁频谱区块链上；每有一个新组成的区块被添加到区块链上时，为给该电磁频谱区块提供电磁频谱数据的所有用户发放电磁频谱币，并根据各用户对电磁频谱区块的贡献比例来同比例分配电磁频谱币；每产生M GB符合要求的电磁频谱数据，即发行S个电磁频谱币；当某电磁频谱数据采集任务将产生X MB电磁频谱数据，那么总共需要发行个电磁频谱币，其中用户1、用户2、…、用户n依次贡献了x1、x2、…、xnMB的电磁频谱数据后，用户1、用户2、…、用户n依次分配得到电磁频谱币。
所述步骤三的具体过程为：
各用户节点通过步骤二电磁频谱数据库更新后的电磁频谱区块链来更新自己的电磁频谱区块链，以获取完整的编队电磁频谱数据，基于完整的编队电磁频谱数据向编队频管交易池获取和发布交易信息，来提出获得或者转出某个电磁频谱使用权的请求；
可信编队电磁频谱管理模型采用拍卖的方式转让电磁频谱使用权，在电磁频谱交易的定价V上，充分考虑当前编队用频设备优先级x、编队任务类型Mmission、当前电磁频谱占用情况Scurrent以及电磁环境及设备特征Ctotal相关信息，以保证在伪电磁频谱攻击下基于区块链进行编队电磁频谱分配的可信性，电磁频谱交易的定价机制如下：
拍卖的规则基于维氏拍卖，规定在某个时间段内，所有次用户选择出价或者保持观望，每当有用户出价后，可信编队电磁频谱管理模型更新当前第二高价展示，次用户可以选择继续出价或观望，直到时间结束，出价最高的用户以第二高价拍得电磁频谱的使用权；次用户每次可观望不进行出价或者出价，但由于每个时刻只有唯一的赢家，即唯有报价最高的次用户能够独占电磁频谱的使用权，于是编队电磁频谱的分配策略X可以表示为：
其中，N表示参与竞拍的次用户的总数量，xi表示第i个次用户的策略，0表示未竞拍成功，1表示竞拍成功，且最多只能有一个次用户竞拍成功，假设第i个次用户的报价记为mi，于是次用户的竞拍结果可以表示为：
此时，次用户需要支付的成本pi为：
其中，表示竞拍中的第二高价；
可信编队电磁频谱管理模型规定用频设备每次报价，不仅要发送报价，还要发送密钥，以提高伪电磁频谱攻击下的拍卖安全性；可信编队电磁频谱管理模型对报价和密钥进行哈希运算，用以验证获胜者的身份以示公平；相较于传统的重复拍卖，在可信编队电磁频谱管理模型引入了最终揭牌步骤；对于区块链平台用频设备的身份凭证是一串密码的情况，同时为了防止次用户竞拍成功而不支付，需要在拍卖前先扣除规定数量的“押金”；
每次频谱交易完成后会形成电磁频谱账本信息，当这些电磁频谱账本信息累积达到指定值后将其组成一个区块，并链接到电磁频谱区块链上，电磁频谱数据库、频谱认证机构和各用户节点的电磁频谱区块链进行同步更新。
步骤三中所述的可信编队电磁频谱管理模型对报价和密钥进行哈希运算的过程如下：
可信编队电磁频谱管理模型以非对称加密的方式传输电磁频谱数据/电磁频谱币，网络中的每个用频设备均拥有公钥keypublic和私钥keyprivate，其中，公钥公布在网络中，任何节点均可通过公钥keypublic下载并加密电磁频谱数据，私钥保存在设备终端，用以解密电磁频谱区块，用于得到电磁频谱数据data；后续可信编队电磁频谱管理模型通过非对称加密方式验证电磁频谱数据是否被修改，用户用哈希算法生成电磁频谱数据data的摘要digest，进而使用私钥keyprivate对摘要digest加密生成数字签名sign并上传至服务器端；服务器通过公钥keypublic解密和处理数字签名sign得到摘要digest'，进而对digest和digest'进行对比验证。
一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法的系统，包括：
系统架构模块，用于在步骤一中建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型；
电磁频谱感知模块，用于在步骤二中采集电磁频谱数据并验证数据来源后，组成电磁频谱区块添加到电磁频谱区块链中；
电磁频谱交易模块，用于在步骤三中采用基于区块链优先拍卖共识的拍卖方式进行电磁频谱分配。
一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法的设备，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，能够实现权利要求1～5任意一项所述基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法。
一种接收用户输入程序的存储介质，所述存储介质存储的计算机程序被处理器执行时能够基于权利要求1～6任意一项所述基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，进行基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控。
相对于现有技术，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明将基于系统架构、电磁频谱感知和电磁频谱交易三个方面构建基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管理策略，针对现有的电磁频谱资源动态规划方法难以满足伪造电磁频谱感知攻击场景下编队的可靠电磁频谱资源管理需求的问题，引入密码学方法相关联产生的数据块组成的区块链，利用其特有的安全可信和去中心化的优点解决了编队电磁频谱管理的安全性问题。
本发明提出了一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管理架构，该发明弥补了伪造电磁频谱感知攻击场景下可信动态编队电磁频谱资源分配领域的空白。
本发明考虑了主用户的优先级，以保证他们的最佳通信性能，为认知无线电提供了一个可信电磁频谱动态分配架构。
电磁频谱分配中的拍卖过程采用了最终揭幕的方式，相比于重复拍卖减少了响应时间，从而提高了电磁频谱使用效率。
综上，本发明提出的基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管理架构显示了其在提高自主设备网络电磁频谱管理能力方面的潜力，该架构能够提供一种高效、公平的电磁频谱资源分配方法。区块链技术的应用确保了所有参与者的透明度、安全性和平等机会，而用频优先级的考虑优化了电磁频谱分配，最大限度地提高了电磁频谱容量。
附图说明
图1是本发明基于区块链的可信编队电磁频谱管理模型。
图2是本发明基于区块链的电磁频谱账本示意图。
图3是本发明区块结构图。
图4是本发明编队电磁频谱交易模型图。
图5是本发明实施例提供的基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法、系统、介质及设备流程图。
图6是本发明实施例提供的基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控系统结构示意图。
图6中：1、系统架构模块；2、电磁频谱感知模块；3、电磁频谱交易模块。
图7是本发明实施例提供的基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控系统的仿真实验结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法、系统、设备及介质业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图5的本发明提供的基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法仅仅是一个具体实施例而已。
一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，以编队各用频设备为用户节点，以伪造电磁频谱感知攻击场景为背景建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型，在编队用频设备感知节点采集到电磁频谱数据并验证电磁频谱数据来源后，将电磁频谱数据组成电磁频谱区块并添加到电磁频谱区块链中，为了保证在伪电磁频谱攻击下基于区块链进行编队电磁频谱分配的可信性，系统采用基于优先拍卖共识的拍卖方式转让电磁频谱使用权。
如图5所示，一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，具体步骤如下：
S101，以编队各用频设备为用户节点，以伪造电磁频谱感知攻击场景为背景建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型，包括编队频管交易池、电磁频谱数据库、用户节点及频谱认证机构；具体过程为:
以编队各用频设备为用户节点，以伪造电磁频谱感知攻击场景为背景建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型，可信编队电磁频谱管理模型包括编队频管交易池、电磁频谱数据库、用户节点及频谱认证机构；
编队频管交易池发布电磁频谱交易请求信息和响应信息，用户节点中有电磁频谱需求的用户发布电磁频谱交易请求信息，同时用户节点中的电磁频谱持有者将售卖电磁频谱的信息发布到编队频管交易池；电磁频谱数据库为系统中的用户提供精确的场景感知信息，此过程中用户向电磁频谱数据库提供电磁频谱币作为佣金，从而降低敌方恶意节点攻击的影响；频谱认证机构对编队频管交易池和电磁频谱数据库进行监督，以提升系统的公平性。
所述电磁频谱数据库、频谱认证机构和各用户节点都备份有包含同样信息的电磁频谱区块链，初始电磁频谱区块链由一个空白的创世区块形成。
此外，区块链中每个数据块包含一系列交易信息，其电磁频谱账本信息与链式结构分别如基于区块链的电磁频谱账本(见图2)和区块结构(见图3)，通过运用数据加密、时间戳和分布式共识等手段实现基于去中心化信用的交易与协作。相应的电磁频谱交易模型如编队电磁频谱交易模型，见图4所示。
S102，通过S101所建立模型中的各用户节点采集电磁频谱数据并验证电磁频谱数据来源后，将这些电磁频谱数据组成区块，每新组成一个区块就链接到上一个区块后面，以形成电磁频谱区块链，并存储在电磁频谱数据库中；具体过程为：
编队中的各用户有频谱感知的能力，它们不断进行频谱感知以采集电磁频谱数据，当数据量达到指定值时将这些电磁频谱数据组成一个区块，每新组成一个区块就将它更新补充到电磁频谱数据库中，链接到数据库的电磁频谱区块链上；每有一个新组成的区块被添加到区块链上时，为给该电磁频谱区块提供电磁频谱数据的所有用户发放电磁频谱币，并根据各用户对电磁频谱区块的贡献比例来同比例分配电磁频谱币；每产生M GB符合要求的电磁频谱数据，即发行S个电磁频谱币；当某电磁频谱数据采集任务将产生X MB电磁频谱数据，那么总共需要发行个电磁频谱币，其中用户1、用户2、…、用户n依次贡献了x1、x2、…、xnMB的电磁频谱数据后，用户1、用户2、…、用户n依次分配得到电磁频谱币。
S103，各用户节点通过S102电磁频谱数据库更新后的电磁频谱区块链来更新自己的电磁频谱区块链，以获取完整的编队电磁频谱数据，基于完整的编队电磁频谱数据向编队频管交易池获取和发布交易信息，来提出获得或者转出某个电磁频谱使用权的请求；
可信编队电磁频谱管理模型采用拍卖的方式转让电磁频谱使用权，在电磁频谱交易的定价V上，系统充分考虑当前编队用频设备优先级x、编队任务类型Mmission、当前电磁频谱占用情况Scurrent以及电磁环境及设备特征Ctotal相关信息，以保证在伪电磁频谱攻击下基于区块链进行编队电磁频谱分配的可信性，电磁频谱交易的定价机制如下：
拍卖的规则基于维氏拍卖，规定在某个时间段内，所有次用户选择出价或者保持观望，每当有用户出价后，可信编队电磁频谱管理模型更新当前第二高价展示，次用户可以选择继续出价或观望，直到时间结束，出价最高的用户以第二高价拍得电磁频谱的使用权；次用户每次可观望不进行出价或者出价，但由于每个时刻只有唯一的赢家，即唯有报价最高的次用户能够独占电磁频谱的使用权，于是编队电磁频谱的分配策略X可以表示为：
其中，N表示参与竞拍的次用户的总数量，xi表示第i个次用户的策略，0表示未竞拍成功，1表示竞拍成功，且最多只能有一个次用户竞拍成功，假设第i个次用户的报价记为mi，于是次用户的竞拍结果可以表示为：
而此时次用户需要支付的成本pi为：
其中，表示竞拍中的第二高价；
可信编队电磁频谱管理模型规定用频设备每次报价，不仅要发送报价，还要发送密钥，以提高伪电磁频谱攻击下的拍卖安全性；编队频管系统会对报价和密钥进行哈希运算，用以验证获胜者的身份以示公平；相较于传统的重复拍卖，可信编队电磁频谱管理模型引入了最终揭牌步骤；对于区块链平台用频设备的身份凭证是一串密码的情况，同时为了防止次用户竞拍成功而不支付，需要在拍卖前先扣除规定数量的“押金”。
S103中所述的可信编队电磁频谱管理模型对报价和密钥进行哈希运算的过程如下：
编队频管系统以非对称加密的方式传输电磁频谱数据/电磁频谱币，网络中的每个用频设备均拥有公钥keypublic和私钥keyprivate，其中公钥公布在网络中，任何节点均可通过公钥keypublic下载并加密电磁频谱数据，私钥保存在设备终端，用以解密电磁频谱区块，用于得到电磁频谱数据data；后续可信编队电磁频谱管理模型通过非对称加密方式验证电磁频谱数据是否被修改，用户用哈希算法生成电磁频谱数据data的摘要digest，进而使用私钥keyprivate对摘要digest加密生成数字签名sign并上传至服务器端；服务器通过公钥keypublic解密和处理数字签名sign得到摘要digest'，进而对digest和digest'进行对比验证。
如图6所示，本发明实施例提供的电磁空间电磁频谱预测的智能对抗系统包括：
系统架构模块1，用于建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型。
电磁频谱感知模块2，用于采集电磁频谱数据并验证数据来源后，组成电磁频谱区块添加到电磁频谱区块链中。
电磁频谱交易模块3，用于采用基于区块链优先拍卖共识的拍卖方式进行电磁频谱分配。
本发明提供的可信电磁频谱管控方法可用于对自主设备网络的所有具体场景进行可信电磁频谱管控。
下面结合仿真实验对本发明的技术效果作详细的描述。
为了评估本发明的性能，进行仿真验证。在仿真实验中，考虑一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控系统，图7(a)中横轴表示用户数，纵轴表示电磁频谱利用率，图中的每条线表示不同数量的可用频段，展示了使用优先拍卖共识的不同可用频带数量的电磁频谱利用率。可以看出，随着用户数量的增加，电磁频谱利用率逐渐提高，不同频段场景的电磁频谱利用率趋于收敛。在频带数量相对较少的情况下，多用户场景下的利用率可以达到近100％。需要注意的是，虽然大量用户可以实现高电磁频谱利用率，但每个用户的吞吐量可能会降低。因此，选择合适的频段与用户数的比例在实际应用中至关重要。图7(b)显示了使用优先拍卖共识与不进行拍卖的电磁频谱交易中三种用户的标准化吞吐量比较。x轴表示用户类别，分为主要用户、次要用户和其他用户，y轴表示标准化吞吐量。红色条表示不进行拍卖，蓝色条表示采用优先拍卖共识。在没有拍卖的电磁频谱交易中，所有用户类型都表现出几乎相同的吞吐率，且传码率较低，不足0.3Mbps。在采用优先拍卖机制的电磁频谱交易中，主要用户保持超过0.9Mbps的吞吐率，其他用户的吞吐量相对较低，但仍高于非拍卖电磁频谱交易。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，其特征在于，以编队各用频设备为用户节点，以伪造电磁频谱感知攻击场景为背景建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型；在用户节点采集到电磁频谱数据并验证电磁频谱数据来源后，将这些电磁频谱数据组成一个区块，每新组成一个区块就将它链接到上一个区块后面，以形成电磁频谱区块链并进行存储；同时，各用户节点采用基于优先拍卖共识的拍卖方式转让电磁频谱使用权，以此进行编队电磁频谱的可信分配。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，以编队各用频设备为用户节点，以伪造电磁频谱感知攻击场景为背景建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型，包括编队频管交易池、电磁频谱数据库、用户节点及频谱认证机构；
步骤二，通过步骤一所建立模型中的各用户节点采集电磁频谱数据并验证电磁频谱数据来源后，将这些电磁频谱数据组成区块，每新组成一个区块就链接到上一个区块后面，以形成电磁频谱区块链，并存储在电磁频谱数据库中；
步骤三，各用户节点通过步骤二中的电磁频谱数据库获取完整频谱感知信息，采用基于优先拍卖共识的拍卖方式，通过编队频管交易池和频谱认证机构转让电磁频谱使用权，完成编队可信电磁频谱分配。
3.根据权利要求2所述的一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，其特征在于，所述步骤一具体过程为：
以编队各用频设备为用户节点，以伪造电磁频谱感知攻击场景为背景建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型，可信编队电磁频谱管理模型包括编队频管交易池、电磁频谱数据库、用户节点及频谱认证机构；
编队频管交易池发布电磁频谱交易请求信息和响应信息，用户节点中有电磁频谱需求的用户发布电磁频谱交易请求信息，同时用户节点中的电磁频谱持有者将售卖电磁频谱的信息发布到编队频管交易池；电磁频谱数据库为系统中的用户提供场景感知信息，此过程中用户向电磁频谱数据库提供电磁频谱币作为佣金，从而降低敌方恶意节点攻击的影响；频谱认证机构对编队频管交易池和电磁频谱数据库进行监督，以提升系统的公平性。
4.根据权利要求3所述的一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，其特征在于，所述电磁频谱数据库、频谱认证机构和各用户节点都备份有包含同样信息的电磁频谱区块链，初始电磁频谱区块链由一个空白的创世区块形成。
5.根据权利要求2所述的一种基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
编队中的各用户有频谱感知的能力，它们不断进行频谱感知以采集电磁频谱数据，当数据量达到指定值时将这些电磁频谱数据组成一个区块，每新组成一个区块就将它更新补充到电磁频谱数据库中，链接到数据库的电磁频谱区块链上；每有一个新组成的区块被添加到区块链上时，为给该电磁频谱区块提供电磁频谱数据的所有用户发放电磁频谱币，并根据各用户对电磁频谱区块的贡献比例来同比例分配电磁频谱币；每产生M GB符合要求的电磁频谱数据，即发行S个电磁频谱币；当某电磁频谱数据采集任务将产生X MB电磁频谱数据，那么总共需要发行个电磁频谱币，其中用户1、用户2、…、用户n依次贡献了x1、x2、…、xnMB的电磁频谱数据后，用户1、用户2、…、用户n依次分配得到电磁频谱币。
6.如权利要求1所述基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：
各用户节点通过步骤二电磁频谱数据库更新后的电磁频谱区块链来更新自己的电磁频谱区块链，以获取完整的编队电磁频谱数据，基于完整的编队电磁频谱数据向编队频管交易池获取和发布交易信息，来提出获得或者转出某个电磁频谱使用权的请求；
可信编队电磁频谱管理模型采用拍卖的方式转让电磁频谱使用权，在电磁频谱交易的定价V上，充分考虑当前编队用频设备优先级x、编队任务类型Mmission、当前电磁频谱占用情况Scurrent以及电磁环境及设备特征Ctotal相关信息，以保证在伪电磁频谱攻击下基于区块链进行编队电磁频谱分配的可信性，电磁频谱交易的定价机制如下：
拍卖的规则基于维氏拍卖，规定在某个时间段内，所有次用户选择出价或者保持观望，每当有用户出价后，可信编队电磁频谱管理模型更新当前第二高价展示，次用户可以选择继续出价或观望，直到时间结束，出价最高的用户以第二高价拍得电磁频谱的使用权；次用户每次可观望不进行出价或者出价，但由于每个时刻只有唯一的赢家，即唯有报价最高的次用户能够独占电磁频谱的使用权，于是编队电磁频谱的分配策略X可以表示为：
其中，N表示参与竞拍的次用户的总数量，xi表示第i个次用户的策略，0表示未竞拍成功，1表示竞拍成功，且最多只能有一个次用户竞拍成功，假设第i个次用户的报价记为mi，于是次用户的竞拍结果可以表示为：
此时，次用户需要支付的成本pi为：
其中，表示竞拍中的第二高价；
可信编队电磁频谱管理模型规定用频设备每次报价，不仅要发送报价，还要发送密钥，以提高伪电磁频谱攻击下的拍卖安全性；可信编队电磁频谱管理模型对报价和密钥进行哈希运算，用以验证获胜者的身份以示公平；相较于传统的重复拍卖，在可信编队电磁频谱管理模型引入了最终揭牌步骤；对于区块链平台用频设备的身份凭证是一串密码的情况，同时为了防止次用户竞拍成功而不支付，需要在拍卖前先扣除规定数量的“押金”；
每次频谱交易完成后会形成电磁频谱账本信息，当这些电磁频谱账本信息累积达到指定值后将其组成一个区块，并链接到电磁频谱区块链上，电磁频谱数据库、频谱认证机构和各用户节点的电磁频谱区块链进行同步更新。
7.如权利要求6所述基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，其特征在于，步骤三中所述的可信编队电磁频谱管理模型对报价和密钥进行哈希运算的过程如下：
可信编队电磁频谱管理模型以非对称加密的方式传输电磁频谱数据/电磁频谱币，网络中的每个用频设备均拥有公钥keypublic和私钥keyprivate，其中，公钥公布在网络中，任何节点均可通过公钥keypublic下载并加密电磁频谱数据，私钥保存在设备终端，用以解密电磁频谱区块，用于得到电磁频谱数据data；后续可信编队电磁频谱管理模型通过非对称加密方式验证电磁频谱数据是否被修改，用户用哈希算法生成电磁频谱数据data的摘要digest，进而使用私钥keyprivate对摘要digest加密生成数字签名sign并上传至服务器端；服务器通过公钥keypublic解密和处理数字签名sign得到摘要digest'，进而对digest和digest'进行对比验证。
8.如权利要求1～7任意一项所述基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法的系统，其特征在于，包括：
系统架构模块，用于在步骤一中建立基于区块链技术的可信编队电磁频谱管理模型；
电磁频谱感知模块，用于在步骤二中采集电磁频谱数据并验证数据来源后，组成电磁频谱区块添加到电磁频谱区块链中；
电磁频谱交易模块，用于在步骤三中采用基于区块链优先拍卖共识的拍卖方式进行电磁频谱分配。
9.如权利要求1～7任意一项所述基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法的设备，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，能够实现权利要求1～7任意一项所述基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法。
10.一种接收用户输入程序的存储介质，其特征在于，所述存储介质存储的计算机程序被处理器执行时能够基于权利要求1～6任意一项所述基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法，进行基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202410045021.9A CN117764586A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 基于区块链优先拍卖共识的可信电磁频谱管控方法、系统、设备及介质 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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2024
- 2024-01-12 CN CN202410045021.9A patent/CN117764586A/zh active Pending
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