一种基于区块链智能合约的异构频谱动态共享方法及系统

1.本发明属于区块链和动态频谱共享技术领域，尤其涉及一种基于区块链智能合约的异构频谱动态共享方法及系统。


背景技术：

2.频谱是现代无线通信技术的主要组成部分，随着移动用户和设备的大量需求，频谱资源的使用日趋频繁。6g通讯中将面临更高的数据传输速率、更紧张的频谱资源限制、更丰富的业务要求和更良好的用户体验等挑战，其中频谱供需矛盾问题尤其突出。目前，可用的频谱资源主要集中在6ghz以下，但该频段非常拥挤。6ghz以上的频段还没有被广泛使用，它可以提供连续的大带宽，支持更高数据速率的传输和拓展系统容量。因此，未来频谱的使用范围将扩展到全频谱时代。然而，不同频段在信号传播特性、带宽能力、干扰影响等关键因素上差异显著，应寻求一种有效的方案来合理分配和管理频谱资源。
3.由于互联网的飞速发展和电子商务的不断普及，电子拍卖的范围和影响力极大提升电子拍卖打破并消除了传统拍卖的物理限制，如地理、现场、时间、空间和小目标受众。以提高频谱利用率为重点，拍卖理论是解决市场驱动的频谱资源交易问题的有效方案。电子拍卖所面临的主要挑战之一是卖家、买家和拍卖商之间缺乏信任。与传统拍卖类似，电子拍卖也容易受到共谋的影响。在电子拍卖中，买家出价竞争卖家提供的商品或服务。自私和理性的买家和卖家有动机相互串通，操纵拍卖以获取不公平的利润。
4.区块链实现了去中心化、交易不可篡改、可追溯性和透明度，能在不可信的环境中实现可信的信息与价值交换，它是应对上述频谱拍卖方案中的安全隐私问题的可行解决办法。智能合约则是建立在加密货币之上、允许用户在区块链上定义和执行合约。具体来说，智能合约是一段计算机程序，它驻留在以太坊区块链的一个特定地址，由函数(合约内的可执行代码单元)和数据(智能合约的状态) 组成。智能合约中函数的执行是由时间或事件触发的，例如，添加到区块链的交易。此外，智能合约可以接收、存储和发送自己的价值。这些函数由共识服务器存储和执行，执行的正确性由区块链的共识协议保证。将区块链、智能合约及拍卖理论等技术应用于分布式的异构频谱动态共享场景，存在着诸多亟待解决的问题。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)未能适应未来异构频谱场景，导致频谱利用率低下，频谱资源浪费，成本的增加和效益的损失。
7.(2)拍卖过程中，投标人之间的可能会形成共谋联盟，通过共谋竞价提高获胜几率，降低自己的成本。这不仅损害了拍卖方的利益、降低了拍卖方出售意愿，而且会因作恶成本低导致一方大量囤积频谱资源，这些都会导致最终频谱利用率低下，违背频谱共享初衷。
8.(3)在区块链系统中，参与用户可以看到投标金额，自私的投标人有机会通过操纵他们的出价来获得优势，这损害了他人的利益，不符合拍卖的真实性。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于区块链智能合约的异构频谱动态共享方法及系统。
10.本发明的技术方案是这样实现的：
11.一种基于区块链智能合约的异构频谱动态共享方法，包括以下步骤：
12.s1：频谱提供者，具体为卖家，卖家向智能合约提交拍卖相关信息并上缴押金；到达截止提交时间后，在拍卖相关信息公示开始之前，智能合约对所拍卖的频段按带宽从大至小排序，生成频谱拍卖序列，并按频谱拍卖序列的顺序对频谱执行顺序拍卖；
13.s2：频谱需求者，具体为买家，买家上传发射功率、使用时间和位置信息，通过智能合约干扰图生成函数计算干扰距离，再根据干扰距离生成频谱干扰图；
14.s3：买家加密并提交投标价，并向智能合约账户转账，转账金额为公开投标价；其中，公开投标价大于投标价；
15.s4：揭示卖家底价和买家投标价；如果买家的投标价小于卖家底价，则该买家直接被淘汰；剩余买家由智能合约通过赢家确定函数选取赢家，再由智能合约的支付价格确定函数确定赢家组的支付价格，然后根据支付价执行退款操作并为赢家组颁发频谱许可证；
16.s5：重复进行步骤s2、s3、s4，直到频谱拍卖序列的所有频谱拍卖完毕，结束当前拍卖纪元；
17.s6：将所有拍卖过程及结果打包成区块，上传至区块链。
18.优选的，在上述方法的步骤s1中，所述频谱提供者集合为
19.sp＝{spi|i＝1,2,...,n}。
20.在本发明中，通过拍卖理论结合区块链智能合约将闲置的频谱资源进行动态共享，并通过频谱干扰图来确定获胜用户复用频谱；针对后出价投标人易获取有利信息，设定公开竞标价以保证智能合约拍卖的公平性。
21.优选的，在上述方法的步骤s1中，所述拍卖相关信息为ii＝h(sli|ri)；其中， sli是频谱证书，包含了拍卖的频谱信息及所属权证明；ri是卖家对频谱的预估价，即底价，底价的设置可以抵御部分买家之间的恶意共谋，从而减少卖家损失； h(
·
)是加密函数；
22.在步骤s1中，按频谱拍卖序列的顺序对频谱执行顺序拍卖，是符合买卖双方的偏好的，因为投标人可以更清晰的观察之前的拍卖结果来制定自己的策略；而且，对于卖家来说采用顺序拍卖可以使在此前竞标失败的买家提高出价，进而增加卖家的收益。
23.优选的，在上述方法的步骤s2中，所述频谱需求者集合为
24.sr＝{sri|i＝1,2,...,m}。
25.优选的，在上述方法的步骤s2中，卖家与买家之间的通信模型可以视作发射机与接收机模型。
26.优选的，在上述方法的步骤s2中，所述干扰距离的计算方法为，智能合约根据由买家sri提交的传输功率pi、干扰阈值和位置xi，通过干扰图生成函数计算出买家sri的干扰距离即
27.28.其中，所述干扰距离是指买家所在位置使用频道的干扰范围的半径，γ是天线相关常数，α是路径损耗因子，是一个常数。
29.优选的，在上述方法的步骤s2中，通过干扰距离生成频谱干扰图具体方法为：以买家坐标位置xi为圆心，干扰距离为半径的圆形区域即为买家的干扰范围，若两个买家的干扰范围重叠，即：
[0030][0031]
则判定这两个买家在干扰图中存在干扰关系，并生成干扰关系评定结果，同时干扰评定结果作为参数，以矩阵的形式记录进频谱干扰图中；
[0032]
重复以上操作直至对买家都进行干扰关系评定。
[0033]
优选的，在上述方法的步骤s3中，买家sri根据对投标的频谱sli的效用估计产生一个真实估值vi，然后根据此真实值vi选定一个投标值bi，且bi≥vi，并通过加密函数h(
·
)将对bi进行加密得到h(bi)，再将h(bi)提交到智能合约；
[0034]
在不改变区块链底层机制的情况下，买家在向合约账户支付投标价时，转账的金额是会被记录在链上，这会给后出价的投标人提供相关出价信息，使得后出价的投标人更可能赢得拍卖，缺少拍卖的公平性保证；所以，在密封投标价之后，买家还需向合约账户直接支付大于投标价的金额，以掩盖自己的真实投标价、减少后来人可能获取的信息，我们称此价格为公开投标价，并由智能合约进行记录。
[0035]
优选的，在上述方法的步骤s4中，所述赢家确定函数包括：通过图的着色算法求解出频谱干扰图所有的独立集，再由智能合约通过卖家提交优化函数，根据卖家自己的策略，选择其中一个独立集作为赢家组m
win
，该独立集能使卖家拍卖所得的收益最大；
[0036]
其中，所述卖家的优化函数为赢家组m
win
中的买家可以复用同一频段；是拍卖频道hi的干扰图中的独立集，是该独立集中买家的对应出价。
[0037]
优选的，在上述方法的步骤s4中，智能合约通过支付价格确定函数确定买家的支付价格pi，即
[0038][0039]
由于在步骤s2中买家已经支付了等价于公开投标价的金额，所以对于中标的买家，即sri∈m
win
，则智能合约需退还公开投标价和支付价之间的差值；对于未中标的买家，即则智能合约需退还所有支付金额。
[0040]
本发明还公开了一种基于区块链智能合约的异构频谱动态共享系统，应用了上述的一种基于区块链智能合约的异构频谱动态共享方法，包括：
[0041]
全局区块链，包括频谱供应商、检查机构，用于记录全局账本、频谱供应商注册、用户注册和分配；
[0042]
区域区块链，包括频谱供应商和用户，用于进行频谱拍卖，拍卖结果应上传至全局
区块链中进行记录；
[0043]
在区域区块链中，频谱提供者包括频谱供应商和/或用户，而频谱需求者为用户；
[0044]
区域区块链的划分根据用户的数量进行划分，保证每个区域的用户数量基本相同。
[0045]
优选的，智能合约接收并展示来自频谱供应商、频谱提供者和频谱需求者的相关拍卖信息，并在拍卖成功后对频谱供应商、频谱提供者和频谱需求者进行支付结算。
[0046]
优选的，在整个拍卖交易过程中，检查机构会检查、验证频谱供应商、频谱提供者和频谱需求者提交信息的真伪，以及对交易结算数据进行核实校验。
[0047]
本发明的有益效果：
[0048]
(1)本发明将拍卖理论应用于动态频谱共享场景，通过将拍卖算法写入智能合约的方式，为用户提供了一个频谱交易平台和直接与供应商交易的渠道，频谱提供者通过调用智能合约将自己拥有的闲置频谱相关信息上传进行售卖，买家也可以通过响应智能合约的方式来参与频谱拍卖。不仅节省了交易中间时间，还提高了频谱利用率；
[0049]
(2)本发明利用区块链技术很好的促进了电子信息的共享，智能合约算法则保证了分布式无中心节点参与机制的可靠运行；
[0050]
(3)在智能合约拍卖算法中加入买家之间的干扰图，从而将在相同频率上互不干扰的多个买家作为拍卖的胜者来复用频谱，既提高了频谱的利用率，又减少了买家之间进行串通从而干扰拍卖结果的可能性；同时，拍卖过程中还加入了公开投标价用于掩盖买家的真实投标价，以减少对其他投标人提供的信心、防止恶意串通竞标，提高拍卖的公平性；既考虑了该拍卖发生时卖家和买家的潜在成本，又考虑了拍卖为买卖双方所带来的收益，保证了买卖双方的效益；
[0051]
(4)本发明解决了分布式频谱共享场景下安全与效益难以兼顾的问题，即能在保障交易安全和整体收益的情况下，避免因恶意竞标带来的频谱囤积，有效的提高频谱利用率，促进频谱资源的优化配置，同时约束用户不可信行为，保障参与用户的个体效益和良好体验，提高用户的参与度和参与的满意度，有助于动态频谱共享技术的普及。
附图说明
[0052]
图1是本发明提供的异构频谱动态共享方法的流程图；
[0053]
图2是本发明提供的异构频谱动态共享方法的时序图；
[0054]
图3是本发明提供的异构频谱动态共享方法生成的频谱干扰图；
[0055]
图4是本发明提供的异构频谱动态共享系统的结构图；
具体实施方式
[0056]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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作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。
[0057]
实施例1
[0058]
如图1、图2所示，本实施例提供了的一种基于区块链智能合约的异构频谱动态共
享方法，包括以下步骤：
[0059]
s1：频谱提供者(即卖家)向智能合约提交拍卖相关信息并上缴押金；到达截止提交时间后，在拍卖相关信息公示开始之前，智能合约对所拍卖的频段按带宽从大至小排序，生成频谱拍卖序列，并按频谱拍卖序列的顺序对频谱执行顺序拍卖；
[0060]
s2：频谱需求者(即买家)上传发射功率、使用时间和位置信息，通过智能合约干扰图生成函数淘汰不满足要求的买家并生成频谱干扰图；
[0061]
s3：买家加密并提交投标价，并向智能合约账户转账，转账金额为公开投标价；其中，公开投标价大于投标价；
[0062]
s4：揭示卖家底价和买家投标价；如果买家的投标价小于卖家底价，则该买家直接被淘汰；剩余买家由智能合约通过赢家确定函数选取赢家，再有支付价格确定函数确定赢家组的支付价格，然后根据支付价执行退款操作并为赢家组颁发频谱许可证；
[0063]
s5：重复进行步骤s2、s3、s4，直到频谱拍卖序列的所有频谱拍卖完毕，结束当前拍卖纪元；
[0064]
s6：将所有拍卖过程及结果打包成区块，上传至区块链。
[0065]
具体的，本发明实施例提供的步骤s1中的频谱提供者集合为 sp＝{spi|i＝1,2,...,n}，频谱需求者集合为sr＝{sri|i＝1,2,...,m}，拍卖相关信息为ii＝h(sli|ri)；其中sli是频谱证书，包含了拍卖的频谱信息及所属权证明； ri是卖家对频谱的预估价，即底价，底价的设置可以抵御部分买家之间的恶意共谋，从而减少卖家损失；h(
·
)是加密函数。
[0066]
在步骤s1中，按频谱拍卖序列的顺序对频谱执行顺序拍卖，是符合买卖双方的偏好的，因为投标人可以更清晰的观察之前的拍卖结果来制定自己的策略。而且，对于卖家来说采用顺序拍卖可以使在此前竞标失败的买家提高出价，进而增加卖家的收益。
[0067]
具体的，本发明实施例提供的步骤s2中，卖家与买家之间的通信模型可以视作发射机与接收机模型。该阶段中首先由买家sri提交传输功率pi、干扰阈值位置xi，再由智能合约通过干扰图生成函数计算出干扰距离即
[0068][0069]
其中，所述干扰距离是指买家所在位置使用频道的干扰范围的半径，γ是天线相关常数α是路径损耗因子，是一个常数。
[0070]
然后通过此干扰距离生成干扰图具体方法为：以买家坐标位置xi为圆心，干扰距离为半径的圆形区域即为该买家的干扰范围，若两个买家的干扰范围重叠，即：
[0071][0072]
则判定这两个买家在干扰图中存在干扰关系，并生成干扰关系评定结果，同时干扰评定结果作为参数，以矩阵的形式记录进频谱干扰图中；
[0073]
具体的，本发明实施例提供的步骤s3中，买家sri对投标的频谱sli根据对频谱的效用估计产生一个真实估值vi，然后根据此真实值vi选定一个投标值bi， bi≥vi，并将加密后的h(bi)提交到智能合约，h(
·
)是加密函数。在不改变区块链底层机制的情况下，买家在向合约账户支付投标价时，转账的金额是会被记录在链上，这会给后出价的投标人提供相关
出价信息，使得后出价的投标人更可能赢得拍卖，缺少拍卖的公平性保证。所以，在密封投标价之后，买家还需向合约账户直接支付大于投标价的金额，以掩盖自己的真实投标价、减少后来人可能获取的信息，我们称此价格为公开投标价，并由智能合约进行记录。
[0074]
具体的，本发明实施例提供的步骤s4中，首先通过图的着色算法求解出该干扰图所有的独立集，然后智能合约通过使用卖家提交优化函数，根据卖家自己的策略，选择其中一个独立集成为胜者。假设是卖家spi的优化函数，即该卖家的策略为选中使自己收益最大的组合作为赢家组m
win
，赢家组可以复用频段，其中是拍卖频道hi的干扰图中的独立集，
[0075]
是该独立集用户对应出价。
[0076]
最后，智能合约通过支付价格确定函数确定买家的支付价格pi，即
[0077][0078]
由于在步骤s2中买家已经支付了等价于公开投标价的金额，所以对于中标的买家，即sri∈m
win
，则智能合约需退还公开投标价和支付价之间的差值；对于未中标的买家，即则智能合约需退还所有支付金额。
[0079]
在本实施例中，假设有一个卖家拍卖自己的频谱，卖家设置的拍卖底价为 r＝5，此时共有七个买家参与对该段频谱的竞价拍卖，每个买家各自根据预估真实值生成的投标价分别为b1＝5、b2＝6、b3＝9、b4＝16、b5＝25、b6＝14、 b7＝3。
[0080]
其中，由于b7＜r，因此，第七位用户淘汰，无法参与竞价，而剩余六位用户则支付公开投标价，继续竞标。
[0081]
此时，六个买家生成的干扰图如图3所示，根据干扰图生成的独立集为 m1＝{w1,w3}、m2＝{w1,w6}、m3＝{w2,w4,w6}、m4＝{w3,w4}、m5＝{w5,w6}。根据独立集计算各自的总投标价分别为价分别为由此得出拍卖获胜集合为m5，其中的w5、w6两位用户可以共用该段频谱。
[0082]
针对本发明中的频谱拍卖设计了相关算法，该算法能够实现异构频谱下，互补干扰的用户间的频谱重用，提高频谱利用率；并能实现抗用户间共谋的频谱高效拍卖。经测试，设计的算法有效，能够达到规避风险的目的。
[0083]
实施例2
[0084]
如图4所示，本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：
[0085]
本实施例还公开了一种基于区块链智能合约的异构频谱动态共享系统，包括：
[0086]
全局区块链，包括频谱供应商、检查机构，用于记录全局账本、频谱供应商注册、用户注册和分配；
[0087]
区域区块链，包含频谱供应商和用户，用于进行频谱拍卖，拍卖结果应上传至全局区块链中进行记录；
[0088]
在区域区块链中，频谱提供者包括频谱供应商和/或用户，而频谱需求者为用户；
[0089]
区域区块链的划分根据用户的数量进行划分，保证每个区域的用户数量基本相同。
[0090]
具体的，智能合约由频谱供应商创建并部署到服务器系统上。
[0091]
具体的，智能合约接收并展示来自频谱供应商、频谱提供者和频谱需求者的相关拍卖信息，并在拍卖成功后对频谱供应商、频谱提供者和频谱需求者进行支付结算。
[0092]
具体的，在整个拍卖交易过程中，检查机构会检查、验证频谱供应商、频谱提供者和频谱需求者提交信息的真伪，以及对交易结算数据进行核实校验。
[0093]
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。