一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制及交易方法

本发明涉及一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制及交易方法，属于频谱区块链、后5g/6g无线通信。

背景技术：

1、随着第五代移动通信系统(fifth-generation，5g)在全球的大规模商用，无线通信业务量呈现激增态势，而频谱作为一种稀缺资源，二者之间的供需矛盾严重阻碍了无线移动通信技术的高速发展。相对于5g而言，第六代移动通信系统(sixth-generation，6g)对无线通信技术提出了更高的要求，例如峰值速率达到100gbit/s～1tbit/s，通信时延0.1ms,每立方米的连接设备超百个等，普遍提升10～100倍，这就驱使我们进一步改善频谱资源管理方式，扩展频谱资源，提高频谱使用效率。目前缓解供需矛盾的方法主要从两个维度考虑，第一个维度是扩展频谱资源，例如采用太赫兹频段、可见光频谱等进行通信；另一个维度是频谱资源自身的使用效率，例如基于认知无线电的动态频谱接入、基于区块链网络的频谱资源交易。频谱资源的扩展虽然能够解决目前频谱资源匮乏问题，但面向未来海量设备接入与用频需求的不断增长，扩展频谱仍要面临分配殆尽的难题，因此改变频谱管理方式，提高频谱利用率是解决频谱资源匮乏的最有效途径。

2、基于区块链的频谱管理技术可以有效解决集中式频谱管理带来的安全隐患，以安全、公平和透明的优势应用于频谱共享，在不存在无信任频谱代理的情况下，可以保证多节点之间频谱共享的安全性和隐私保护。同时引入智能合约能够实现资产智能结算、资源价值转移、资源高效共享等，能够有效提高频谱资源利用率，并且保证频谱资源交易的安全性与有效性，智能合约由许多预定义功能组成，这些功能可由交易触发以实现特定功能并将交易记录在区块链共识节点维护的分布式账本上。而面向未来移动通信的海量业务需求，各业务对频谱资源的需求也呈现较大的差异化，例如embb、urllc、mmtc等，频谱使用的场景可能发生改变，对频谱资源的需求也相应地发生变化，例如带宽、发射功率、使用时长、干扰等，6g时代，用户业务种类和业务颗粒度比5g网络要求更高，同样需要支持按需确定性服务，因此结合无线通信系统的实际使用与区块链系统的交易机制，针对交易的频谱匹配也需要相应地进行设计。

3、目前，应用于频谱共享管理应用的区块链智能合约以促进节点间安全交易，高效协作频谱感知，依据节点行为进行相应惩罚或激励为主要研究方向，对频谱交易过程中频谱资源的合理匹配做的研究相对较少。

4、基于区块链网络的频谱交易匹配，主要是以是否存在可用频谱资源为基准的随机匹配和以价格属性为主导的拍卖理论、博弈论为主要匹配方式。

5、现有的技术中以拍卖理论为代表，拍卖理论基于多节点的频谱信息确定最终分配结果，应用于频谱管理的拍卖理论主要分为单向拍卖和双向拍卖，单向拍卖模型分为“一对多”正向拍卖和“多对一”逆向拍卖，前者拍卖人为频谱提供者，后者拍卖人为频谱需求者；双向拍卖是众多卖者面对众多买者，买卖双方之间均存在竞争，买方出价高的比出价低者优先签约和卖方要价低者比要价高者优先签约。

6、在现有的研究方案中，al hosan i等人提出了一种智能合约解决方案来实现协作终端用户之间的安全和动态频谱共享，查找共享频谱的过程通过比较频谱提供方之间的报价来执行。当购买价格高于出售价格时发生匹配，实现频谱使用控制的可靠转移。

7、华中科技大学的团队利用双向拍卖模型，设计可执行多个操作的智能合约，卖家投标价格升序排列，买家按价格降序排列，匹配成功后以买方和卖方叫价的平均值成交，没有匹配成功时可以自由选择是否进入自由市场。在没有第三方存在的情况下，实现了多运营商之间公平的频谱共享市场，这种方式会导致出价低的卖家迟迟得不到匹配，且没有利用实际业务需求进行频谱的选择，会导致频谱资源与实际需求适配度低。

8、朱荣波教授团队提出了一种两阶段的频谱拍卖机制，买方考虑卖方提供的带宽及价格进行最优成本计算从而选择卖方，卖方同样依据上面的效用值进行买家的选择，该方案提高了买方的效用值，激励了频谱需求方积极参与频谱交易，解决了频谱提供方因私利而损害整理利益的问题。但频谱需求方在根据卖方提供的带宽来计算最佳交易带宽时容易造成频谱碎片化问题且不能很好的适配买方需求，虽然并且仅根据频谱资源多少来提供报价不能根据其实际频谱使用情况进行选择。

9、现有技术方案中，以是否存在可用频谱资源为基准的随机匹配方式在一定程度提高了交易效率，当系统内存在可用频谱资源时，对频谱需求方进行先到先服务，对频谱资源进行随机分配，保证了一定的公平性，但没有考虑频谱资源与业务需求的适配度及频谱交易固有的经济属性，不能很好的激励节点参与频谱交易，并且在随机匹配的过程中没有考虑交易干扰问题，交易过来的频谱可能会对其它同频节点造成严重的干扰，导致交易成功率(有效性)较低；而使用较多的前向拍卖、双向拍卖等频谱交易方法虽然充分考虑了经济特性，依靠价格博弈来激励节点参与频谱共享交易，通过频谱交易获得经济补偿，但仅仅从频谱资源量以及频谱价格角度考虑，没有考虑不同节点对频谱资源的实际使用效益(例如使用频段、占用带宽、可用时长、覆盖范围、专用性、发射功率、干扰)，容易造成频谱需求与实际交易资源适配度低、产生严重的交易干扰等问题，且在达到纳什均衡的过程中会导致较大的系统开销与时延，在执行智能合约进行频谱拍卖时消耗大量计算资源，大大增加区块链系统的交易验证延迟。

10、在“一对多”正向拍卖模型中，拍卖人作为唯一知道所有频谱需求者信息的决策者，可能会出于自身利益而做出降低整体利益的决策，贪婪的频谱提供者可以在获得所有买方的真实出价后提高频谱的价格，以增加其收入，这使得频谱交易存在较大的不公平性，使得许多节点不愿意参与频谱共享。

11、在“多对一”逆向拍卖模型中，频谱需求者作为决策者，可以依据频谱竞标价格以外的频谱属性因素考虑在内对频谱进行决策，进而选择交易卖家。虽然“多对一”逆向频谱拍卖考虑了频谱属性，解决了正向拍卖模型中存在的趋利性问题，但忽略了频谱需求方之间的竞争，而实际系统中更多是多个频谱需求方与多个频谱提供者同时参与交易，当供小于求时，容易出现多个买方为了获得频谱而造成哄抬价格等恶意行为，造成频谱使用效益低下。

12、在目前已有的双向拍卖和自由市场结合的拍卖模型中，考虑了多个买卖方的实际频谱交易情景，当买者中给出的最高价与卖者中提出的最低价一致时，交易便告成功，竞拍失败者自主决定是否进入自由市场进行频谱交易，而自由市场的交易仍然是对价格的调整，同样忽略了不同节点对频谱资源的实际使用需求，容易因频谱需求与实际交易资源适配度低而导致频谱使用效益低下等问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制及交易方法。

2、一种基于无线环境图(radio environment map，rem)协助的频谱区块链交易机制，提高频谱资源与应用需求的适配度，提高频谱利用率的同时最大化频谱使用效益与经济效益，解决频谱资源短缺、交易效益低下、交易干扰问题；利用区块链与智能合约的去中心化和自动化保证频谱交易的安全性、有效性、公平性，解决中心化单点故障和信任缺失问题。

3、一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，包括预交易阶段和交易处理阶段，预交易阶段完成频谱资源的最优匹配，交易处理阶段完成频谱交易的执行、验证、打包，包括三个大步骤：s1、rem构建。s2、频谱预交易匹配。s3、频谱交易处理与验证。

4、一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易方法，含有以下步骤：

5、s1：每个节点加入区块链系统，与本区域内超级节点进行交互，申请加入对应区域环境数据库，并提交节点详细信息进行无线环境图的构建与更新。

6、s2：每个买方节点有频谱交易需求时向区块链超级节点(rem数据库)提交交易申请，并提供期望频谱指标、关键需求权重及主要业务类型，查询可交易频谱组。

7、s3：区块链超级节点通过rem查询空闲频谱库及干扰关系数据库确定买方节点的可交易频谱组，将可交易频谱组返回给买方节点。

8、s4：预交易处理节点访问rem获取买方节点的历史累计效益值、买方节点发射位置、空闲频段拥挤程度、频段专用性、支持业务类型，计算每段可交易频谱带来的干扰差值、价格优化因子、适配度参数、成本参数。

9、s5：预处理节点执行匹配智能合约，根据频谱指标、关键需求权重、价格优化因子、适配度参数以及成本参数计算出可交易频谱组中每段频谱的使用效益值，建立频谱最优决策表，并进行频谱匹配。

10、s6：预处理节点利用匹配合约得到的先验知识对交易结果进行验证，将验证通过的交易进行全网广播，交易验证通过后，预处理节点更新频谱匹配池与节点累计效益值，超级节点更新rem数据库。

11、本发明的优点是能够从多角度评估频谱资源与交易需求适配度，并结合经济特性来激励节点参与频谱交易且选择适配度高的频谱进行交易，提高频谱利用率，最大化频谱使用效益。同时通过所提交易机制降低交易对同频节点带来的干扰，提高交易成功率。利用区块链与智能合约的去中心化和自动化保证频谱交易的安全性、有效性、公平性，解决中心化单点故障和信任缺失问题。

12、本发明设计了一种基于无线环境图协助的频谱区块链交易机制，包括：(1)基于区块链的两阶段频谱交易机制(2)基于无线环境图的多维效益评估机制；(3)基于节点历史累计效益值和交易干扰的价格激励机制；(4)基于多维效益评估的频谱匹配机制；(5)基于累计效益值和交易频率的效益动态调整机制；本发明将节点按区域进行无线环境图的构建，利用区块链的分布式存储将rem承载在对应区域的超级节点上，避免中心化的同时解决信任缺失问题，提高安全性并减小存储开销；将rem数据库按全局性或局部性进行分层，同时将存储内容进行分层，提高节点数据的隐私保护性的同时提高节点访问效率，节点与rem的直接交互减小了节点全网广播的开销，提高了交易效率。

13、一种基于无线环境图的多维效益评估模型，在频谱预交易阶段，利用无线环境图信息综合考虑系统内空闲频谱可用时长、空闲频谱带宽、允许发射功率、关键需求权重、业务类型、发射位置、频段拥挤程度、频谱专用性、干扰及价格计算频谱资源的多维效益值，提出了名为“适配度因子”和“成本影响因子”的参数，在频谱区块链系统设置两种因子的计算单元，由预处理节点负责计算，适配度因子描述了可用频谱与节点需求的匹配程度，成本影响因子描述了可用频谱的附加成本大小(例如频段拥挤程度、发射位置、频谱专用性对成本的影响)，一种基于节点历史累计效益值和交易干扰的价格激励机制，历史累计效益值越高，说明频谱交易参与度越高，交易的频谱更适配于其业务需求，获得的经济补偿就越多；交易干扰差值越小，即对其他同频节点的通信质量影响越小，从而获得更多的经济补偿，提出了一个名为“价格优化因子”的参数，在频谱区块链系统设置价格优化因子计算单元，由预处理节点负责计算，综合考虑历史累计效益值与交易干扰对频谱价格进行动态调控，激励节点参与频谱交易，基于对可交易频谱组的多维效益评估，预处理节点执行匹配合约实现可交易频谱组中的每段可交易频谱的效益值计算，并依据效益值确定优先级，依据该效益值优先级进行频谱匹配及解决频谱竞争冲突。

14、区块链身份节点即预处理节点，负责与超级节点之间的信息交互及匹配合约的执行，保证交易的有效进行，并具有验证功能，将匹配得到的结果与交易结果进行对比验证，减少验证节点再次执行交易合约带来的系统开销，一定程度上降低验证时延。

15、效益动态调整机制，建立频谱交易闭环体系，对效益值进行动态调控，限制累计高效益节点增长速度，提高竞争公平性，同时防止恶意节点通过频繁交易快速获得高累计效益后做出恶意行为，对系统安全性造成威胁。考虑到刚加入的节点没有较高的累计效益值，引入交易频率来进行调控从而提升系统的公平性。

16、名为“效益调整因子”的参数在区块链系统设置效益调整因子计算单元，当交易验证通过后由预处理节点进行计算，考虑节点历史累计效益值与交易频率，用于对节点累计效益值的增长速度进行动态调控。