一种基于区块链的频谱接入优化方法

1.本发明涉及通信领域，特别涉及一种基于区块链的频谱接入优化方法。


背景技术：

2.近年来，随着增强现实、虚拟现实、超高清视频和云计算等新服务的出现，对无线电网络频谱提出了新要求，认知无线电成为解决这一问题的突出方案。该技术使得未经许可的次要用户(su,secondary users)与周围多个次要用户协同感知主要用户(pu,primary users)频谱是否存在，从而允许次要用户动态接入空闲频谱信道，而不干扰许可的主要用户的传输。
3.最近，区块链技术因其提供的去中心化、匿名性、安全性和可追溯性等优势受到学术界和产业界的广泛关注。在区块链中，节点之间的所有通信都被定义为交易，由发送方和接收方进行数字签名，并广播到资源丰富的网络节点(称为验证节点)进行验证。这种交易的安全性和可追溯性主要依赖于在验证者之间执行的交易确认过程，以在公共分类账中添加多个经验证的交易。一旦成功地将块添加到公共分类帐中，最终用户就可以跟踪和检索已验证的交易。区块链上的智能合约能够较好的运行上述的合同，为两者交易建立受信任的交易平台。
4.合同理论被有效地用于为下一代无线网络中的各种应用设计激励方案，为参与者提供适当设计奖励以加强合作，合同理论为解决非对称信息问题提供了重要的理论框架。例如duan等使用合同理论将pu与su建立为一个劳动力市场。pu和su分别为雇主和雇员，合同由一组频谱接入时间(即奖励)和中继功率(即贡献)的项目组成。研究了弱不完全信息场景和强不完全信息场景下的最优合约设计问题。tian等中研究了在数据交易收益和数据隐私成本之间进行权衡来最大化数据卖方的接收效用。为此，利用合同理论设计了完全信息市场和不完全信息市场的最优合约交易机制。
5.在认知无线电网络中，次要用户是自私的，大部分次要用户不愿意分享他们的私人信息，包括诸如信道条件、资源约束、传输成本之类的信息。面对主要用户空闲的频谱，次要用户都会以争抢的方式接入频谱，往往导致频谱接入时的吞吐量不高。


技术实现要素：

6.基于现有技术存在的问题，本发明提出运用合同理论的方法，来激励次要用户进行合作式的频谱接入。由基站提供一定的奖励来激励部分次要用户以延迟的方式接入频谱，达到有序的频谱接入以降低信道冲突带来的信道干扰。本文研究了交易在区块链平台上运行，以保证交易的数据的不可篡改以及安全性，同时通过制定最优合同来激励次要用户和区块验证用户有序的参与到频谱接入中来，这引出一个问题，即基站需要支付多少的费用给次要用户和区块验证用户，因此本发明推导了支付给次要用户和区块验证用户的最优合同，并以该最优合同也即最优智能合约来实现对区块验证用户的补偿，从而补偿他们在协作频谱接入中的资源消耗；同时基于该最优智能合约，还由基站提供一定的奖励来激
励部分次要用户以延迟的方式接入频谱，达到有序的频谱接入以降低信道冲突带来的信道干扰。
7.本发明提供如下技术方案：
8.s1、基站根据设定好的频谱接入效用函数计算得到多类型的最优智能合约，并签署自己的数字签名，该最优智能合约生效，基站查询智能合约签署的结果，将资金转移到签署的最优智能合约中；
9.s2、基站向次要用户发出频谱感知指令，次要用户开始感知主要用户频谱是否在使用，并确定其自身的频谱接入的意愿结果；
10.s3、次要用户将其频谱接入的意愿结果上传给基站，即次要用户通过选择基站制定的对应类型的最优智能合约，来执行本次频谱接入过程；
11.s4、基站收到次要用户选择出的智能合约结果后，将选择出的智能合约结果上传到区块验证用户集合；
12.s5、区块验证用户将其能耗意愿结果上传给基站，即区块验证用户通过选择基站制定的对应类型的最优智能合约，统计每个区块验证用户在本地验证区块中每个事务的签名，当超过三分之二的区块验证用户接收到其他区块验证用户的提交消息，就将当前审计的区块发送到区块链进行储存；
13.s6、若验证后的区块被附加到频谱接入的区块链上，那么该交易就被确认生效，基站向对应类型的次要用户和对应类型的区块验证用户支付交易费，以补偿他们在协作频谱接入过程中的资源消耗。被附加到频谱接入的区块链上本发明的有益效果：
14.本发明在基站中基于次要用户和区块验证用户的个人理性约束和激励兼容约束，结合对应的频谱接入效用函数，来构建出最大化基站的频谱接入效用函数的目标模型；通过求解该目标模型可以得到不同类型的次要用户所对应的最优智能合约以及不同区块验证用户所对应的最优智能合约，基站按照最优智能合约提供一定的奖励来激励对应类型的部分次要用户以延迟的方式接入频谱，达到有序的频谱接入以降低信道冲突带来的信道干扰。从而提高整个系统的吞吐量，同样的，基站也会按照最优智能合约提供一定的奖励来激励对应类型的区块验证用户进行区块验证。
附图说明
15.图1是本发明频谱感知与接入的网络模型图；
16.图2是本发明实施例中的基于区块链的频谱接入优化方法流程图；
17.图3是本发明次要用户频谱接入效用函数图；
18.图4是本发明区块验证用户效用函数图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
20.图1是本发明实施例中的频谱感知与接入的网络模型图，如图1所示，在本发明实
施例的网络模型中，需要频谱接入的次要用户以感知的方式检测主要用户是否在使用频谱，若该频谱段空闲，则多个次要用户将自己的频谱接入意愿上传给基站，基站则将该接入结果反馈给区块验证用户集合。区块验证用户集合是由次要用户投票产生，若区块验证用户没有如实验证该区块，则被候选区块验证用户替换该区块验证用户，重新生成新的区块验证用户集合。区块验证用户验证频谱接入结果将该结果添加到区块链中，最终，交易生成。
21.在本发明实施例中，上述用户经由合约选择、频谱感知、频谱接入结果上传、区块验证、添加区块链以及交易确认完成频谱接入过程，由于基站根据对应类型的最优智能合约补偿了次要用户和区块验证用户在频谱接入过程中的资源消耗，并提供一定的奖励来激励部分次要用户以延迟的方式接入频谱，达到有序的频谱接入以降低信道冲突带来的信道干扰，从而优化了频谱接入过程。
22.具体的，本发明实施例中，频谱接入过程的各个子过程包括：
23.(1)合约选择
24.基站根据自身的频谱接入效用函数计算得到自身最优的合约，将选择的合约签署上自己的数字签名，合约生效，基站查询智能合约签署的结果，将资金转移到签署的智能合约中。
25.(2)频谱感知
26.基站向次要用户发出频谱感知指令，次要用户开始感知主要用户频谱是否在使用。
27.(3)频谱接入结果上传
28.将次要用户的频谱接入的意愿结果上传给基站。即次要用户通过选择基站制定的智能合约，来决定本次频谱接入方的人选。避免了次要用户信道传输时包冲突造成的信道传输速率的下降。
29.(4)区块验证
30.基站收到次要用户的选择的智能合约结果，再将结果上传到区块验证用户集合，区块验证用户集合可能由于能量消耗不愿意参与区块验证。因此由基站提供一些奖励，以激励区块验证用户进行区块验证。
31.(5)区块添加区块链
32.区块验证用户首先将未经验证的区块广播给其他验证用户进行验证和审计。然后，每个区块验证用户在本地验证区块中每个事务的签名，并将审计结果与其签名相互回复。在接收到审计结果之后，每个区块验证用户将其审计结果与其他区块验证用户的审计结果进行比较，并向区块验证用户发送提交消息。考虑到拜占庭容错(bft)一致条件，区块验证用户只要从超过三分之二的区块验证用户接收到提交消息，就将当前审计的块发送到区块链进行存储。
33.(6)交易确认
34.一旦区块被附加到频谱接入区块链上，那么该交易就被确认生效，基站于是就向次要用户和区块验证用户支付交易费，以补偿他们在协作频谱感知中的资源消耗。
35.图2是本发明实施例中的基于区块链的频谱接入优化方法流程图，如图2所示，所述频谱接入优化方法包括：
36.s1、基站根据设定好的频谱接入效用函数计算得到多类型的最优智能合约，并签署自己的数字签名，该最优智能合约生效，基站查询智能合约签署的结果，将资金转移到签署的最优智能合约中；
37.在本发明实施例中，基站根据次要用户的频谱接入效用函数和区块验证用户的频谱接入效用函数构建出基站的频谱接入效用函数；在满足次要用户和区块验证用户的个人理性约束和激励兼容约束下，以最大化基站的频谱接入效用函数为目标模型，计算得到基站的智能合约。
38.在本发明实施例中，次要用户的频谱接入效用函数包括次要用户在频谱接入的过程中，基于已签合同的类型，次要用户的频谱接入效用函数定义为：
[0039][0040]
其中，表示第m种类型的次要用户的频谱接入效用函数，第一项表示第m种类型的次要用户收到的报酬与对应的次要用户类型θm，是单调递增的凸函数，表示第m种类型的次要用户关于奖励的评估函数；第二项表示次要用户所需的通信成本，p1表示单位通信价值成本；表示第m种类型的次要用户的延迟接入频谱所产生的价值。
[0041]
在本发明实施例中，次要用户延迟接入频谱所产生的价值的计算公式表示为：
[0042][0043]
其中，表示为第m种类型的次要用户sum延迟等待所产生的价值；a是一个固定常数，tm表示为延迟接入频谱的时间。
[0044]
在本发明实施例中，区块验证用户的频谱接入效用函数包括在区块验证过程中，基于已签合同的类型，区块验证用户的频谱接入效用函数定义为：
[0045][0046]
其中，表示第n种类型的区块验证用户的频谱接入效用函数，第一项表示区块验证所收到的奖励t
nv
与对应的验证类型ωn，η(v
ver,n
)表示第n种类型的区块验证用户关于奖励的评估函数；第二项表示提供所需的块验证的能耗成本，p2表示单位能耗价值成本；t
nv
表示第n种类型的区块验证用户进行区块验证所产生的价值。
[0047]
在本发明实施例中，区块验证用户的价值函数表示为：
[0048][0049]
其中，iv表示初始价值，bv是区块验证用户的价值函数的衰减系数，tn表示区块验证用户对区块验证所产生的延迟。
[0050]
在本发明的实施例中，本发明会利用两阶段合同理论，因此本发明提出的基于两阶段合同理论的频谱接入和区块验证的联合优化方案中，基站的主要目标是在满足次要用户和区块验证的个人理性约束(ir,individual rationality)和激励兼容约束(ic,incentive compatibility)的同时，最大化其期望效用。因此优化问题即目标模型可以如下表示：
[0051][0052]
s.t.
[0053][0054][0055][0056][0057][0058][0059][0060]
其中，表示第m种类型的次要用户的延迟接入频谱所产生的价值；表示第m种类型的次要用户获得的报酬；表示第n种类型的区块验证用户所产生的价值；v
ver,n
表示第n种类型的区块验证用户获得的报酬；u
bs
表示基站的频谱接入效用函数；表示次要用户的频谱接入效用函数；表示区块验证用户的频谱接入效用函数；θm表示次要用户的类型m；表示第m种类型的次要用户关于奖励的评估函数；p1表示单位通信价值成本；ωn表示区块验证用户的验证类型n；η(v
ver,n
)表示第n种类型的区块验证用户关于奖励的评估函数；p2表示区块验证所产生的价值；λm表示从次要用户的观察和统计信息获取次要用户属于θm类型的概率；g表示次要用户的总个数；λn表示从区块验证用户的观察和统计信息获取区块验证用户属于ωn类型的概率；v
ver,s
表示第s种类型的区块验证用户获得的报酬；h表示区块验证用户的总个数；v
max
表示基站支付的最大总报酬；m表示次要用户的类型个数；n表示区块验证用户的类型个数。
[0061]
其中，(a)和(b)分别表示次要用户和区块验证者的ir约束。(c)和(d)分别是次要用户和区块验证用户的ic约束。(e)保证了次要用户奖励和区块验证奖励不超过基站的最大奖励。在本发明实施例中，ir约束是指每个次要用户都会选择符合自己类型的合同以达到自身的效用非负性；ic约束是指每个类型的次要用户都会选择适合自己类型的合同，而且只有在该合同类型下产生的效用最大。值得注意的是，该优化问题里有m+n个ir约束和m(m-1)+n(n-1)个ic约束。所以该优化问题是非凸的。
[0062]
由于上述优化问题是非凸的，因此本发明需要采用如下定义和引理来解决上述非凸优化问题。
[0063]
定义1：(单调性)对于一个可行的合同，仅有θm≥θj,j∈{1,...,m},m≠j时。和同理可得，仅有ωn》ωs,s∈{1,...,n},n≠s时，和v
ver,n
》v
ver,s
。
[0064]
引理一：如果次要用户的类型θ1满足ir约束，那么其他类型也会满足ir约束。同理可得区块验证者的类型ω1满足ir约束，那么其他类型也会满足ir约束。
[0065]
引理二：根据定义1的单调性，运用本地向下激励约束(ldic)和本地向上激励约束(luic)可以减少ic约束。
[0066][0067][0068][0069][0070][0071][0072][0073][0074]
基于以上分析的这些引理可以简化式子：
[0075][0076]
s.t.
[0077][0078][0079][0080][0081][0082][0083]
(g)v
ver,n
≥v
ver,n-1
≥...≥v
ver,1
[0084][0085]
其中(a)和(b)分别是频谱接入和区块验证减少的ir约束。(c)和(d)分别是协作频谱感知和区块验证减少的ic约束。(e)表示协作感知奖励和区块验证奖励不超过次要用户的最大奖励。(f)和(g)分别表示单调性约束。
[0086]
基于约束(a)-(d)，我们可以获得协作感知价值em和区块验证价值vn如下：
[0087][0088][0089]
其中，和δq＝ωqη(v
ver,q
)-ωqη(v
ver,q-1
)，δ1＝0。
[0090][0091][0092][0093]
(g)v
ver,n
≥v
ver,n-1
≥...≥v
ver,1
[0094][0095]
其中通过移除约束(f)和(g)可以得到松弛优化的问题：
[0096][0097][0098][0099]
通过运用kkt条件，该问题可以转化为拉格朗日对偶方程式：
[0100][0101]
其中，α为约束(e)的拉格朗日乘子。对和求导可得，
[0102][0103][0104]
[0105][0106]
其中，前两式和即为需要支付给各个类型的次要用户的最优合同报酬，后两式即支付给各个类型的区块验证用户的最优合同报酬。
[0107]
可以理解的是，在本发明实施例中，支付给次要用户和区块验证用户的最优合同报酬分为m和m以及n和n两种，主要原因是在公式推导化简过程中所形成的。
[0108]
s2、基站向次要用户发出频谱感知指令，次要用户开始感知主要用户频谱是否在使用，并确定其自身的频谱接入的意愿结果；
[0109]
在本发明实施例中，基站向次要用户发出频谱感知指令后，次要用户响应于所述频谱感知指令，即开始感知主要用户频谱是否在使用，若主要用户的频谱段处于空闲状态，则进行后续步骤，若主要用户的频谱段处于活跃状态，则重新感知直到频谱状态空闲。
[0110]
s3、次要用户将其频谱接入的意愿结果上传给基站，即次要用户通过选择基站制定的对应类型的最优智能合约，来决定本次频谱接入方的人选；
[0111]
在本发明实施例中，次要用户根据自身的情况，将频谱接入的意愿上传给基站，其频谱接入意愿分为三种：接入频谱，延迟接入，不接入频谱。对应的接入意愿都会有不同程度的报酬奖励。通过与基站制定的智能合约进行匹配，最终使得频谱接入以无冲突的方式进行。在本发明实施例中，基站可以通过步骤s1的相应过程制定好相对于自身的最优智能合约，该最优智能合约有多种类型，即每种次要用户和每种区块验证用户都具有对应类型的智能合约，即假设次要用户的类型为m，区块验证用户的类型为n，那么基站的最优智能合约则有m+n种类型，每一种类型的最优智能合约都是经过步骤s1的相应目标模型所计算而得的；次要用户会根据自身的类型情况来选择出对应类型的最优智能合约。
[0112]
s4、基站收到次要用户选择出的智能合约结果后，将选择出的智能合约结果上传到区块验证用户集合；
[0113]
在本发明实施例中，基站收到次要用户选择出的智能合约结果，即相应的次要用户选择对应的交易费后，会将这些结果上传至区块验证用户集合中，区块验证用户集合可能由于能量消耗不愿意参与区块验证。因此由基站提供一些奖励，以激励区块验证用户进行区块验证。
[0114]
s5、区块验证用户将其能耗意愿结果上传给基站，即区块验证用户通过选择基站制定的对应类型的最优智能合约，统计每个区块验证用户在本地验证区块中每个事务的签名，当超过三分之二的区块验证用户接收到其他区块验证用户的提交消息，就将当前审计的区块发送到区块链进行储存；
[0115]
在本发明实施例中，区块验证用户首先将其能耗意愿结果上传给基站，就能够确定出区块验证用户的类型，区块验证用户就可以通过选择基站制定的对应类型的最优智能合约，按照该对应类型的最优智能合约执行后续操作，区块验证用户会将未经验证的区块广播给其他区块验证用户进行验证和验证(审计)。然后，每个区块验证用户在本地验证区块中每个事务的签名，并将审计结果与其签名相互回复。在接收到审计结果之后，每个区块验证用户将其审计结果与其他区块验证用户的审计结果进行比较，并向区块验证用户发送提交消息。考虑到拜占庭容错(bft)一致条件，区块验证用户只要从超过三分之二的区块验证用户接收到提交消息，就将当前审计的区块发送到区块链进行存储。
[0116]
s6、若审计后的区块被附加到频谱接入的区块链上，那么该交易就被确认生效，基站向对应类型的次要用户和对应类型的区块验证用户支付交易费，以补偿他们在协作频谱感知中的资源消耗被附加到频谱接入的区块链上。
[0117]
在本发明实施例中，由基站提供一定的奖励来激励部分次要用户以延迟的方式接入频谱，达到有序的频谱接入以降低信道冲突带来的信道干扰；并对次要用户和区块验证用户进行补偿，从而补偿他们在协作频谱接入中的资源消耗，同样的，基站也会提供另外的奖励来激励对应类型的区块验证用户进行区块验证。
[0118]
图3和图4是分别表示次要用户和区块验证者的ir和ic约束的可行性验证。从图中可以看出只有次要用户选择自己对应类型的合同，才能使得次要用户的效用函数最大化，这证明了ic约束。另外，次要用户和区块验证用户不会选择负效用的合同，这验证了ir约束。次要用户和区块验证用户的效用分别随着次要用户和区块验证用户的类型增加而增加。因此，在合同选择后，次要用户和区块验证用户的类型被有效的揭示，这验证了我们设计的基于合同理论的频谱接入能够有效克服基站与次要用户以及基站与区块验证用户之间的信息不对称。
[0119]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0120]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，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。
[0121]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。