本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法。
背景技术：
目前已提出了多种共享频谱方案，如认知无线电(cognitiveradio，cr)方案，cr设备对周围环境感知、探测、分析，并根据分析结果设置调整自身传输参数；电视空白频段(tvwhitespace，tvws)方案，基于数字电视逐步取代传统模拟电视后空闲的tvws频段，将其用于非授权用户的动态频谱接入；公民宽带无线电服务(citizensbroadbandradioservice，cbrs)方案，cbrs的频谱与载波lte、3550到3700mhz的150mhz带宽的连续频谱共享一个三层的结构。在上述方案中多采用集中式管理架构，即基于一个高度可信任的中央实体管理频谱接入系统。然而，集中式架构导致系统存在单点故障问题。
作为一种去中心化的分布式记账技术，区块链技术通过使用共识算法、哈希函数、时间戳、非对称加密、可编程智能合约等先进技术，构建区块链，以保证数据的可追溯性、一致性和不可篡改。针对当前动态频谱共享方案存在的缺陷，本发明公开一种基于区块链技术的多级频谱共享系统及方法，将系统用户共分为三级，分别构建gbc及lbc并部署智能合约，以实现对动态频谱的高效分层管理。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，该方法包括以下步骤：
s1：基于频谱接入系统sas构建全局区块链gbc；
s2：在gbc中部署全局频谱接入智能合约；
s3：普通节点与智能合约交互，经验证后注册进入频谱共享系统，成为候选优先接入许可cpal用户并获得拍卖优先接入许可证资格；
s4：cpal用户查询优先接入许可证拍卖列表，并对拟申请的优先接入许可证发起出价；
s5：若cpal用户在拍卖中获胜，智能合约生成交易，cpal用户成为pal用户，获得优先接入许可证所有权；
s6：若cpal用户竞价多次均失败，智能合约将其移出gbc；
s7：基于pal用户与网关节点构建本地区块链lbc；
s8：在pal用户处部署本地频谱接入智能合约；
s9：一般授权接入gaa用户在入网阶段，通过认证注册与网关节点建立关联，并在频谱共享系统中注册信息；
s10：拟申请频谱接入的gaa用户，即请求用户，向附近网关节点发送频谱接入请求消息；
s11：网关节点接收到来自请求用户的频谱接入请求消息后，根据消息内容生成频谱接入请求交易并在lbc上广播；
s12：pal用户收集网关节点广播的请求交易后建模频谱分配共识问题，优化得到频谱分配方案；
s13：pal用户在lbc中广播自身生成的区块，包含最大全局收益的频谱分配方案的区块将最终得到确认并在lbc中同步；
s14：网关节点查询lbc获得请求用户的频谱分配方案并转发至所关联请求用户；
s15：请求用户收到频谱接入方案后，执行频谱接入。
2、根据权利要求1所述一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在步骤s1中，所述gbc是由各地区的pal用户和多个sas组成的联盟链，负责频谱拍卖和pal用户的频谱管理及记录，其中，sas为gbc中的记账节点，执行授权拜占庭容错dbft算法达成共识。
可选的，在所述s2中，全局频谱接入智能合约包含以下功能函数：
cpal用户注册函数：gbc节点通过与此函数交互，注册成为cpal用户，获得拍卖优先接入许可证的资格；
拍卖函数：sas通过与此函数交互发布拟拍卖的优先接入许可证，并确定拍卖时间和起拍价格等；
出价函数：gba节点通过与此函数交互参与拍卖，对拟购买的优先接入许可证发起出价；
揭示报价函数：拍卖截止后，cpal用户与此函数交互揭示实际出价；
频谱资源分配函数：pal用户通过与此函数交互获得sas节点为其分配的频谱。
可选的，所述s4具体为：
sas发布拟拍卖的优先接入许可证及相关信息，包括许可证所属区域、起拍价格、起拍时间和截止时间；
令u＝{u1,...,ui,...,up}表示拟对许可证出价的cpal用户集合，其中，ui表示第i个拟出价用户，p为cpal用户数目；ui通过密钥si对出价金额mi进行加密得到字符串m’i＝sha256(mi,si)，其中，sha256为安全散列算法；ui发送交易tx(m’i,ni)到智能合约触发出价函数，其中，ni表示该交易的实际金额；
拍卖截止后，ui向智能合约发送出价金额mi和密钥si触发揭示报价函数；揭示报价函数将mi与si输入sha256算法得到输出字符串m”i，并进行验证比对，若m”i＝m’i且ni≥mi，表示出价有效；否则，出价无效，合约退还相应的资金到ui；
智能合约比较全部有效出价，出价最高的cpal用户在本次拍卖胜出，获得优先接入许可证的所有权并成为pal用户。
可选的，在所述s7中，lbc是由pal用户和网关节点组成的联盟链，负责gaa用户的频谱接入管理和记录，其中，pal用户为lbc中的记账节点。
可选的，在所述s8中，本地频谱接入智能合约包含以下功能函数：
管理员注册函数：网关节点通过与此函数交互注册成为管理员；
管理员切换函数：管理员与此函数交互，将其管理下的gaa用户切换至其他管理员；
管理员注销函数：管理员节点通过与此函数交互注销管理员身份；
gaa用户注册函数：普通用户与此函数交互注册进入频谱共享系统，成为gaa用户并实现与管理员的关联；
gaa用户注销函数：gaa用户通过当前网关节点与此函数交互，注销退出频谱共享系统；
频谱使用权限撤销函数：pal用户与此函数交互撤销gaa用户当前占用频谱的使用权限。
可选的，在所述s12中，共识问题具体建模为：
假设lbc中存在m个pal用户，令pali表示第i个pal用户，1≤i≤m；假设总系统带宽分为k个相等大小的子信道，令chk表示第k个子信道；令bi,k∈{0,1}表示信道管理变量，bi,k＝1表示chk由pali管理；反之，chk不受pali管理；
假设共有n个gaa用户发出频谱接入请求，令gaaj表示第j个gaa用户，1≤j≤n；令γi,j,k∈{0,1}表示信道分配变量，若pali为gaaj分配chk，则γi,j,k＝1；否则，γi,j,k＝0；
建模pali的效用函数qi为所分配频谱对应用户本地和速率及全局和速率的加权和，即
建模传输速率限制约束为
建模信道分配约束条件为γi,j,k＝0，若bi,k＝0；
建模权重因子约束条件为λ1 λ2＝1，其中，λ1∈(0,1)，λ2∈(0,1)；
在满足约束条件下，pali以效用函数qi最大化为目标，优化确定频谱接入方案，记
可选的，在所述s13中，具有最大全局收益的频谱分配方案具体指满足全局和速率最大化要求的频谱分配方案，包含该频谱分配方案的区块在本次共识中胜出并于lbc中同步。
本发明的有益效果在于：本发明所述系统和方法，基于区块链技术实现频谱的安全共享及动态接入，从而提升频谱效率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述动态频谱共享系统模型图；
图2为本发明所述基于gbc的优先接入许可证拍卖流程图；
图3为本发明所述基本lbc的动态频谱接入流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
图1为动态频谱共享系统模型图，该系统中存在一条gbc及多条lbc，多个sas，多个pal用户，多个网关节点，多个管理员节点，多个gaa用户，一份全局频谱接入智能合约和多份本地频谱接入智能合约，其中：
gbc：由各地区的pal用户和多个sas组成的联盟链，其中，sas为gbc中的记账节点，执行dbft算法以达成共识，管理所有在系统带宽内的授权服务和设备接入行为。
lbc：由pal用户和网关节点组成的联盟链，主要负责gaa用户的频谱接入管理和记录，其中，pal用户为lbc中的记账节点。
sas：管理所有在系统频谱内的授权服务和使用记录，决定指定区域和频谱上的可用信道。
pal用户：优先接入许可用户指按地区划分的获得优先接入许可证的用户，由sas动态分配频谱用于数据传输。
gaa用户：一般授权用户指进入频谱共享系统但未获得优先接入许可证的用户，可向pal用户申请频谱接入。
网关节点：负责收集gaa用户的频谱接入请求信息并以交易的形式转发至lbc中，或查询链上频谱分配方案转发至gaa用户。
管理员节点：一个管理员节点可以管理多个gaa用户，负责gaa用户在频谱共享系统中的注册，转移，注销等操作。
全局频谱接入智能合约：由sas部署在gbc中的智能合约，定义了gbc中优先接入许可证拍卖和pal用户频谱接入等操作相关的函数。
本地频谱接入智能合约：由pal用户部署在lbc创建的智能合约，定义了gaa用户及管理员节点在频谱共享系统中注册，注销等操作相关的函数。
图2为本发明所述方法中的基于gbc的优先接入许可证拍卖流程示意图，具体包括以下步骤：
1、基于sas作为挖矿节点构建gbc；
2、sas发布包含全局频谱接入智能合约代码的交易，此交易得到确认后，在gbc中生成合约账户，由合约代码控制；
3、普通节点发送交易到智能合约，待交易得到确认后，触发全局频谱接入智能合约的注册函数注册进入频谱共享系统，成为cpal用户并获得拍卖优先接入许可证资格；
4、cpal用户参与优先接入许可证拍卖，具体包括：sas发布拟拍卖的优先接入许可证及相关信息，包括许可证所属区域，起拍价格，起拍时间和截止时间等。
令u＝{u1,...,ui,...,up}表示拟对许可证出价的cpal用户集合，其中，ui表示第i个拟出价用户，p为cpal用户数目。ui通过密钥si对出价金额mi进行加密得到字符串m’i＝sha256(mi,si)，其中，sha256为安全散列算法；ui查询优先接入许可证拍卖列表，并发送交易tx(m’i,ni)到智能合约触发出价函数，即对拟申请的优先接入许可证发起出价，其中，ni表示此笔交易的实际金额。
拍卖截止后，ui向智能合约发送出价金额mi和密钥si触发揭示报价函数。揭示报价函数将mi与si输入sha256算法得到输出字符串m”i，并进行验证比对，若m”i＝m’i且ni≥mi，表示出价有效；否则，出价无效，合约退还相应的资金到ui。智能合约比较全部有效出价并确定ui是否在此次拍卖中胜出，即ui是否为有效出价中的最高价。
①若cpal用户在拍卖中获胜，智能合约生成交易，cpal用户成为pal用户，获得优先接入许可证所有权；
②若cpal用户竞价多次均失败，智能合约将其移出gbc。
图3为本发明所述方法中的基于lbc的动态频谱接入流程示意图，具体包括以下步骤：
1、基于pal用户与网关节点构建lbc，其中，lbc是由pal用户和网关节点组成的联盟链，主要负责gaa用户的频谱接入管理和记录，pal用户为lbc中的记账节点；
2、pal发布包含本地频谱接入智能合约代码的交易，此交易得到确认后，在lbc中生成合约账户，由合约代码控制；
3、gaa用户在入网阶段，通过网关节点转发交易至本地智能合约账户，触发注册函数，通过认证注册于网关节点建立关联，并在频谱共享系统中注册信息；
4、拟申请频谱接入的gaa用户(简称请求用户)向附近网关节点发送频谱接入请求消息；
5、网关节点接收到来自请求用户的频谱接入请求消息后，根据消息内容生成频谱接入请求交易并在lbc上广播；
6、pal用户收集lbc中的频谱请求接入交易，建模频谱分配共识问题，优化得到频谱接入分配方案；
建模频谱分配共识问题包括：假设lbc中存在m个pal用户，令pali表示第i个pal用户，1≤i≤m；假设总系统带宽分为k个相等大小的子信道，令chk表示第k个子信道；令bi,k∈{0,1}表示信道管理变量，bi,k＝1表示chk由pali管理；反之，chk不受pali管理。
假设共有n个gaa用户发出频谱接入请求，令gaaj表示第j个gaa用户，1≤j≤n；令γi,j,k∈{0,1}表示信道分配变量，若pali为gaaj分配chk，则γi,j,k＝1；否则，γi,j,k＝0。
建模pali的效用函数qi为所分配频谱对应用户本地和速率及全局和速率的加权和，即
建模传输速率限制约束为
建模信道分配约束条件为γi,j,k＝0，若bi,k＝0。
建模权重因子约束条件为λ1 λ2＝1，其中，λ1∈(0,1)，λ2∈(0,1)。
在满足约束条件下，pali以效用函数qi最大化为目标，优化确定频谱接入方案，记
7、各pal用户在lbc中广播自身生成的区块，包含最大全局收益的频谱分配方案的区块将最终得到确认并在lbc中同步，其中，最大全局收益具体为全局和速率最大化。
8、网关节点查询lbc，获得请求用户的频谱分配方案并转发至所关联请求用户；
9、请求用户收到频谱接入方案后，按方案执行频谱接入。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
s1：基于频谱接入系统sas构建全局区块链gbc；
s2：在gbc中部署全局频谱接入智能合约；
s3：普通节点与智能合约交互，经验证后注册进入频谱共享系统，成为候选优先接入许可cpal用户并获得拍卖优先接入许可证资格；
s4：cpal用户查询优先接入许可证拍卖列表，并对拟申请的优先接入许可证发起出价；
s5：若cpal用户在拍卖中获胜，智能合约生成交易，cpal用户成为pal用户，获得优先接入许可证所有权；
s6：若cpal用户竞价多次均失败，智能合约将其移出gbc；
s7：基于pal用户与网关节点构建本地区块链lbc；
s8：在pal用户处部署本地频谱接入智能合约；
s9：一般授权接入gaa用户在入网阶段，通过认证注册与网关节点建立关联，并在频谱共享系统中注册信息；
s10：拟申请频谱接入的gaa用户，即请求用户，向附近网关节点发送频谱接入请求消息；
s11：网关节点接收到来自请求用户的频谱接入请求消息后，根据消息内容生成频谱接入请求交易并在lbc上广播；
s12：pal用户收集网关节点广播的请求交易后建模频谱分配共识问题，优化得到频谱分配方案；
s13：pal用户在lbc中广播自身生成的区块，包含最大全局收益的频谱分配方案的区块将最终得到确认并在lbc中同步；
s14：网关节点查询lbc获得请求用户的频谱分配方案并转发至所关联请求用户；
s15：请求用户收到频谱接入方案后，执行频谱接入。
2.根据权利要求1所述一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在步骤s1中，所述gbc是由各地区的pal用户和多个sas组成的联盟链，负责频谱拍卖和pal用户的频谱管理及记录，其中，sas为gbc中的记账节点，执行授权拜占庭容错dbft算法达成共识。
3.根据权利要求1所述一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在所述s2中，全局频谱接入智能合约包含以下功能函数：
cpal用户注册函数：gbc节点通过与此函数交互，注册成为cpal用户，获得拍卖优先接入许可证的资格；
拍卖函数：sas通过与此函数交互发布拟拍卖的优先接入许可证，并确定拍卖时间和起拍价格等；
出价函数：gba节点通过与此函数交互参与拍卖，对拟购买的优先接入许可证发起出价；
揭示报价函数：拍卖截止后，cpal用户与此函数交互揭示实际出价；
频谱资源分配函数：pal用户通过与此函数交互获得sas节点为其分配的频谱。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：所述s4具体为：
sas发布拟拍卖的优先接入许可证及相关信息，包括许可证所属区域、起拍价格、起拍时间和截止时间；
令u＝{u1,...,ui,...,up}表示拟对许可证出价的cpal用户集合，其中，ui表示第i个拟出价用户，p为cpal用户数目；ui通过密钥si对出价金额mi进行加密得到字符串m'i＝sha256(mi,si)，其中，sha256为安全散列算法；ui发送交易tx(m'i,ni)到智能合约触发出价函数，其中，ni表示该交易的实际金额；
拍卖截止后，ui向智能合约发送出价金额mi和密钥si触发揭示报价函数；揭示报价函数将mi与si输入sha256算法得到输出字符串m”i，并进行验证比对，若mi”＝mi'且ni≥mi，表示出价有效；否则，出价无效，合约退还相应的资金到ui；
智能合约比较全部有效出价，出价最高的cpal用户在本次拍卖胜出，获得优先接入许可证的所有权并成为pal用户。
5.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在所述s7中，lbc是由pal用户和网关节点组成的联盟链，负责gaa用户的频谱接入管理和记录，其中，pal用户为lbc中的记账节点。
6.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在所述s8中，本地频谱接入智能合约包含以下功能函数：
管理员注册函数：网关节点通过与此函数交互注册成为管理员；
管理员切换函数：管理员与此函数交互，将其管理下的gaa用户切换至其他管理员；
管理员注销函数：管理员节点通过与此函数交互注销管理员身份；
gaa用户注册函数：普通用户与此函数交互注册进入频谱共享系统，成为gaa用户并实现与管理员的关联；
gaa用户注销函数：gaa用户通过当前网关节点与此函数交互，注销退出频谱共享系统；
频谱使用权限撤销函数：pal用户与此函数交互撤销gaa用户当前占用频谱的使用权限。
7.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在所述s12中，共识问题具体建模为：
假设lbc中存在m个pal用户，令pali表示第i个pal用户，1≤i≤m；假设总系统带宽分为k个相等大小的子信道，令chk表示第k个子信道；令bi,k∈{0,1}表示信道管理变量，bi,k＝1表示chk由pali管理；反之，chk不受pali管理；
假设共有n个gaa用户发出频谱接入请求，令gaaj表示第j个gaa用户，1≤j≤n；令γi,j,k∈{0,1}表示信道分配变量，若pali为gaaj分配chk，则γi,j,k＝1；否则，γi,j,k＝0；
建模pali的效用函数qi为所分配频谱对应用户本地和速率及全局和速率的加权和，即
建模传输速率限制约束为
建模信道分配约束条件为γi,j,k＝0，若bi,k＝0；
建模权重因子约束条件为λ1 λ2＝1，其中，λ1∈(0,1)，λ2∈(0,1)；
在满足约束条件下，pali以效用函数qi最大化为目标，优化确定频谱接入方案，记
8.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的多级动态频谱共享方法，其特征在于：在所述s13中，具有最大全局收益的频谱分配方案具体指满足全局和速率最大化要求的频谱分配方案，包含该频谱分配方案的区块在本次共识中胜出并于lbc中同步。
技术总结