一种基于区块链的动态频谱接入方法转让专利
申请号 : CN201910988903.8
文献号 : CN110601780B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : 梁应敞 , 胡仕生
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于区块链的动态频谱接入方法,该方法用于具有次用户和主用户的无线通信系统,其中N个次用户通过动态频谱接入的方式接入1个主用户的频谱,其特征在于,所述动态频谱接入方法包括以下步骤:
S1、次用户在时隙初决定是否进行频谱感知,未进行频谱感知的用户进入休眠:设频谱感知策略ai(t)用于决定次用户i在t时刻是否进行频谱感知,令ai(t)=1表示用户i在t时刻进行频谱感知,ai(t)=0表示用户i在t时刻不进行频谱感知;各个用户根据一个相同的频谱感知参与概率Ps来决定是否进行频谱感知,即:S2、进行了频谱感知的用户将频谱感知的结果广播给其他所有次用户,并接收 来自其他用户的频谱感知结果,通过将所有的频谱感知结果输入一个公用的融合算法,根据公用的融合原则,次用户得到协同频谱感知的结果,所述协同频谱感知的结果为主用户正在使用频谱或者主用户未使用频谱;未进行频谱感知的用户根据收到的其他用户的频谱感知结果和公用的融合算法根据公用的融合原则得到协同频谱感知的结果;若协同频谱感知的结果为主用户未使用频谱,则进入步骤S3,否则此时隙次用户不得接入主用户信道,进入步骤S4;
S3、次用户进行频谱竞拍,并广播自己的出价给其他的用户,在收到所有其他的次用户的出价后,各个次用户本地判断频谱竞拍的胜出者,出价最高的次用户获得此时隙的频谱接入权;
S4、各个次用户决定是否参与竞争来获得在区块链中写入频谱接入信息的权利,次用户通过参与共识算法,获取发布新的区块的权利,将这个过程定义为挖矿,设频谱感知策略ci(t)用于决定次用户i在t时刻是否进行挖矿,令ci(t)=1表示用户i在t时刻进行挖矿,ci(t)=0表示用户i在t时刻不进行挖矿;各用户根据一个相同的挖矿参与概率Pm来决定是否进行挖矿,即:
第一个成功挖矿的用户将在区块中记录本时隙内有关频谱接入的信息,具体为各次用户进行频谱感知的决策结果、进行了频谱感知的用户的频谱感知结果,若协同频谱感知结果为主用户信道空闲,需要记录的信息还包括各个用户在步骤S3中频谱竞拍的出价;在记录了相关信息后,第一个成功挖矿的用户将这个区块广播给其他次用户;各次用户收到新的区块后将其保存在本地;根据记录的这些信息,参与了频谱感知和率先挖矿成功的次用户将会被自动奖励被区块链保护的虚拟货币,赢得竞拍的次用户将会被扣除其出价数量的虚拟货币;若没有用户成功挖矿,则这个时隙中的频谱接入信息无法记录到区块链中,导致此时刻的频谱竞拍失效,各次用户跳过步骤S5,休眠等待时隙结束;若协同频谱感知结果为主用户信道繁忙时,各次用户也将跳过步骤S5,休眠等待时隙结束;
S5、频谱竞拍的获胜者进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的动态频谱接入方法,其特征在于,所述公用的融合原则为通过大多数原则对收集到的频谱感知结果进行融合,即若大于或等于一半的频谱感知结果表示主用户正在使用频谱,则协作频谱感知的结果为主用户正在使用频谱,否则,协作频谱感知结果为主用户未使用频谱。
说明书 :
一种基于区块链的动态频谱接入方法
技术领域
背景技术
高效地利用频谱资源,人们提出了动态频谱接入技术,即在保证授权用户(主用户)的正常
使用的前提下,非授权用户(次用户)能接入主用户的频谱。一种方式是次用户通过频谱感
知技术感知主用户信道的状态,当感知到主用户的信道为空闲时,次用户便可以接入频谱;
当感知到主用户的信道繁忙时,次用户不可接入频谱。然而,这样的方法存在三个方面的问
题:第一是由于不利的信道条件例如噪声不确定性、多径衰落和阴影衰落等,单个用户的频
谱感知结果可能不正确,因此需要多个用户进行协同频谱感知。然而,因频谱感知会带来能
量消耗,协同频谱感知中存在次用户不参与频谱感知而仅靠获取别的次用户的频谱感知结
果的情况;第二是若次用户独立地进行频谱感知和接入,会存在多个用户同时感知和接入
相同的频谱的可能性。在这种情况下,次用户的数据传输将出现严重的相互干扰,这种干扰
将影响用户的传输性能;第三是安全性的缺失:现有的动态频谱接入中没有要求次用户对
其频谱接入进行记录,这将导致主用户无法了解自己的频谱被次用户使用的具体情况,也
因此面临着被恶意次用户攻击的风险。
发明内容
拟货币,并使用积累的虚拟货币竞拍由协作频谱感知获得的频谱接入机会。和现有的方案
相比,本发明有效激励了次用户进行协同频谱感知,公平地分配了各次用户协同获得的频
谱接入机会以及分布式和安全地记录了相关的频谱感知与接入信息。
五个操作:
价后,各个次用户本地判断频谱竞拍的胜出者,即出价最高的次用户;
为挖矿。第一个成功挖矿的用户将在区块中记录本时隙内有关频谱接入的信息,包括各次
用户进行频谱感知的决策结果、进行了频谱感知的用户的频谱感知结果。若协同频谱感知
结果为主用户信道空闲,需要记录的信息还包括各个用户在频谱竞拍中的出价。在记录了
相关信息后,第一个成功挖矿的用户将这个区块广播给其他次用户,各次用户收到新的区
块后将其保存在本地。根据记录的这些信息,参与了频谱感知和率先挖矿成功的次用户将
会被自动奖励被区块链保护的虚拟货币,赢得竞拍的次用户将会被扣除其出价数量的虚拟
货币;若没有用户成功挖矿,则这个时隙中的频谱接入信息无法记录到区块链中导致此时
刻的频谱竞拍失效,各次用户休眠等待时隙结束;若协同频谱感知结果为主用户信道繁忙
时,各次用户休眠等待时隙结束;
附图说明
具体实施方式
表示主用户在t时刻未接入频谱,s(t)=1表示主用户在t时刻接入了频谱。这两种状态间的
转移服从如下的概率模型,
表示次用户i在t时刻内的成功传输的包的数量,则mi(t)=min{qi(t),K},其中K为信道所能
允许最大传输的包的数目;用Qi表示次用户i的数据缓冲区的所能存放数据包的最大数量。
+
在t+1时刻初,次用户的数据缓冲区的数据包数量为qi(t+1)=min{(qi(t)‑mi(t)) +ai(t),
Qi}.
感知的结果为主用户正在使用频谱,否则,协作频谱感知结果为主用户未使用频谱。假设各
用户频谱感知的误警概率(False Alarm Probability)Pf和检测概率(Detection
Probability)Pd相同,则将n个用户频谱感知结果通过大多数原则得到的协作频谱感知结
果的误警概率为 检测概率为
过控制信道广播给其他所有的次用户,并接受来自其他用户的频谱感知结果。之后,通过将
所有的频谱感知结果输入一个公用的融合算法,次用户将得到协同频谱感知的结果。若次
用户不进行感知,它将仅根据收到的其他用户的频谱感知结果和公用的融合算法来得到协
同频谱感知的结果。
断竞拍的获胜者,该获胜者便赢得了此时隙的频谱接入权。若协同频谱感知的结果显示主
用户信道繁忙,出于对主用户的保护,此时隙次用户不得接入主用户信道,次用户将跳过频
谱竞拍的步骤。
些用户在本时隙参与了协同频谱感知、此次协同频谱感知的结果、参与挖矿的用户和率先
挖矿成功的用户。若结果为主用户信道空闲,需要记录的信息还包括各个用户在频谱竞拍
中的出价。根据新的区块中记录的各个信息,参与了频谱感知的次用户将会被奖励τs个虚
拟货币;第一个挖矿成功的次用户将会被奖励τm个虚拟货币;频谱竞拍的获胜者的账户将
会被扣除相应出价数量的虚拟货币,并接入频谱。若没有用户成功挖矿,则这个时隙中的频
谱接入信息无法记录到区块链中导致此时刻的频谱竞拍失效,各次用户休眠等待时隙结
束;若协同频谱感知结果为主用户信道繁忙时,各次用户也将休眠等待时隙结束。
感知可能不需要所有用户参与就可以得到满足目前需求的性能;第二是挖矿中不需要所有
用户同时参与,只要每个时刻每个用户独立地进行是否挖矿的决策,也能保证公平地选举
出在区块链中记录信息的次用户。
不进行频谱感知。各个用户根据一个相同的频谱感知参与概率Ps来决定是否进行频谱感
知,即
最大数量Qi(t)的比例,即qi(t)/Qi,来决定自己的出价占目前自己的钱包余额ni(t)的比
例。具体来说,
略类似,各个次用户根据一个相同的挖矿参与概率Pm决定是否进行挖矿,即
平均性能。主用户状态的马尔科夫过程的参数为α=β=0.5。每个次用户进行频谱感知的误
警概率Pf和检测概率Pd分别为0.15和0.95;我们假设各个次用户的包到达率相同,即λi=
λ0,我们考虑三种情况,λ0分别为2.0,3.0和4.0,同时令主用户信道容量K=48.0;每个次用
户的数据缓冲区最多能存放100个数据包,即Qi=100,其中i=1,2,3...,6;每个次用户的
累积虚拟货币的最大数量为10000。假设进行频谱感知和成功挖矿的奖励分别为τs=2.0和
τm=4.0。此外,我们假设参与挖矿的次用户在挖矿中投入相同的能量,因次它们具有相等
的概率能率先挖矿成功。
看到,在相同的λ0下,次用户的平均包传输速率随着Ps的增大而增大,这说明了本发明实现
了将用户的数据包传输速率与参与频谱感知的意愿相联系的功能,这将有效激励用户进行
协作频谱感知。同时,图4中也给出了若次用户在获得接入权后以传输刚好等于信道容量大
小的数据包的期望包传输速率。因为次用户传输前数据缓冲区内的包的数目有可能小于信
道容量,上述的期望包传输速率为上界。当λ0=4.0的时候,用户的平均包传输速率与上界
靠近,说明了本发明使次用户对信道进行了很好的利用。
大,这说明了本发明实现了将用户的数据包传输速率与参与挖矿来记录频谱接入信息相联
系的功能,这将有效激励次用户进行挖矿,以达到安全有效地记录频谱接入信息的功能。同
时,图4中也给出了若次用户在获得接入权后以传输刚好等于信道容量大小的数据包的期
望包传输速率。因为次用户传输前数据缓冲区内的包的数目有可能小于信道容量,上述的
期望包传输速率为上界。当λ0=4.0的时候,用户的平均包传输速率与上界接近,说明了本
发明使次用户对信道进行了很好的利用。