基于区块链的面向复杂环境的动态用频管理系统

本发明涉及一种基于区块链的面向复杂环境的动态用频管理系统。

随着移动互联网和物联网的快速发展，各种新型业务不断涌现，网络流量和连接终端数量剧增，导致频谱带宽资源成为稀缺资源，频谱复用是一种常见的频谱资源不足解决方案。

在5G、6G通信领域，现有大量技术涉及无线频谱认知、拍卖、共享机制，大多针对通信应用，使节点能够获得必要上传、下载带宽资源。但是对于一些特殊的复杂多变用频环境，比如战场、太空环境、应急抢险救援环境，可能存在复杂的用频干扰，同时又缺少中心化的基础设施协调用频。当节点需要临时组网协作完成特定任务时，急需一种去中心化的、灵活的用频管理机制。

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于区块链的面向复杂环境的动态用频管理系统。

本发明所采用的技术方案是：一种基于区块链的面向复杂环境的动态用频管理系统，其特征在于，包括用频节点、频谱分析节点和排序服务节点，用频节点、频谱分析节点和排序服务节点统一接入动态用频管理联盟链；

S11、申请频段的用频节点向联盟链上的频谱分析节点发送用频需求；

S12、频谱分析节点根据用频需求，查本地的频谱数据库，从频谱数据库内的可用频段中为该用频节点分配一个工作频段，并将工作频段发送给申请用频的节点；

S13、用频节点接收来自多个频谱分析节点发来的可用工作频段信息，从所有可用的工作频段中选择1个作为申请频段，并将申请频段信息发动给排序服务节点；

S14、排序服务节点接收来自多个用频节点的申请频段信息，根据接收到的用频申请的时间，以及预设的用频率优先级规则，为该多个用频节点确认工作频段，并将经确认的用频分配信息写入区块链，新增区块在链上更新，同步到该联盟链上所有节点；

S15、频谱分析节根据新增区块中的用频分配信息联系相应用频节点，建立用频智能合约，更新本地频谱数据库。

步骤S11中所述申请频段的用频节点为单个节点或多个节点组成一组联合申请工作频段。

步骤S13中如用频节点接收到的可用工作频段有至少2个，则用频节点从中再选择1个作为备用申请频段。

一种基于区块链的面向复杂环境的动态用频管理系统，其特征在于，包括用频节点、频谱分析节点和排序服务节点，用频节点、频谱分析节点和排序服务节点统一接入动态用频管理联盟链；

S21、申请加入频段的用频节点将申请加入信息发生给向联盟链上的频谱分析节点，申请加入信息包含该用频节点身份和需要加入的目标通信组标识；

S22、频谱分析节点根据目标通信组标识，从本地的频谱数据库中查目标通信组标识对应组成员的用频节点，并将申请加入信息转发给目标通信组的用频节点；

S23、目标通信组标识对应的用频节点接收申请加入信息后，根据相应用户的判断向频谱分析节点回复是否准许申请加入频段的用频节点加入；

S24、频谱分析节点统计目标通信组用频节点发来的加入准许，并在准许加入的节点数占目标通信组一定比例以上时，向申请加入频段的用频节点发送目标通信组对应的频段；

S25、申请加入频段的用频节点接收频谱分析节点发送的目标通信组频段，将目标通信组频段作为申请频段，并将申请频段信息发动给排序服务节点；

S26、排序服务节点接收来自多个用频节点的申请频段信息，根据接收到的用频申请的时间，以及预设的用频率优先级规则，为该多个用频节点确认工作频段，并将经确认的用频分配信息写入区块链，新增区块在链上更新，同步到该联盟链上所有节点；

S27、频谱分析节根据新增区块中的用频分配信息联系相应用频节点，建立用频智能合约，更新本地频谱数据库。

一种基于区块链的面向复杂环境的动态用频管理系统，其特征在于，包括用频节点、频谱分析节点和排序服务节点，用频节点、频谱分析节点和排序服务节点统一接入动态用频管理联盟链；

S31、当用频节点在工作频段上检测到用频冲突后，向用频分析节点发起用频分析请求；

S32、频分析节点接收到用频节点发来的用频分析请求后，根据该用频节点的频谱使用情况和本地的频谱数据库，做用频仿真分析；

根据用频分析结果，如果需要用频节点切换到新的频段上运行，那么为用频节点回复新的可用工作频段；

S33、用频节点接收来自多个频谱分析节点发来的可用工作频段信息，从所有可用的工作频段中选择1个作为申请频段，并将申请频段信息发动给排序服务节点；

S34、排序服务节点接收来自多个用频节点的申请频段信息，根据接收到的用频申请的时间，以及预设的用频率优先级规则，为该多个用频节点确认工作频段，并将经确认的用频分配信息写入区块链，新增区块在链上更新，同步到该联盟链上所有节点；

S35、频谱分析节根据新增区块中的用频分配信息联系相应用频节点，建立用频智能合约，更新本地频谱数据库。

步骤S33中如用频节点接收到的可用工作频段有至少2个，则用频节点从中再选择1个作为备用申请频段。

所述动态用频管理联盟链上的某个物理设备可作为所述用频节点、频谱分析节点和排序服务节点中的一种或几种。

所述用频智能合约用于约束相应用频节点的工作频段，以及在该频段上的工作时长。

本发明的有益效果是：本发明包括用频节点、频谱分析节点和排序服务节点，用频节点、频谱分析节点和排序服务节点统一接入动态用频管理联盟链，以去中心化的方式通过动态用频管理联盟链协同实施用频管理。

图1为实施例的系统架构。

图2为实施例中动态用频管理联盟链上区块结构示意图。

图3为实施例中频段申请流程图。

图4为实施例中频段加入流程图。

如图1所示，本实施例为一种基于区块链的面向复杂环境的动态用频管理系统，包括有3类节点，分别是用频节点、频谱分析节点、排序服务节点，任何一类节点可能有一到多个节点。

本例中用频节点在分配到的频段上收发信息，且能检测当前通信频段上是否存在用频冲突。频谱分析节点能够运行用频环境仿真软件，根据当前的频谱检测数据分析用频环境，为系统内的所有节点分配工作频段；同时频谱分析节点还维护一个本地的频谱数据库，并基于每次的新增区块更新频谱数据库。排序服务节点负责将更新的用频节点用频信息打包成区块。

本实施例中将用频节点、频谱分析节点、排序服务节点三类节点统一接入动态用频管理联盟链。节点类型仅是逻辑类型，它们可能对应到同一个物理设备，比如区块链上的某个能运行频谱分析软件的通信设备，可以同时作为用频节点、频谱分析节点以及排序服务节点。所有节点都有预置的公私钥对。

如图2所示，本实施例中动态用频管理联盟链上的区块结构包括两部分，分别是区块数据，和指向前一个区块的哈希指针。区块数据部分为节点更新的用频信息记录，包含了用频节点标识、该节点所属的通信组、该节点当前的工作频段，以及该节点使用该频段的结束时间。

频谱分析节点上维护的用频数据库存储key-value键值对，其中key值为用频节点标识，value包括该节点所属通信组、现在的工作频段，以及在该频段上工作的起止时间。

本实施例中用频节点在申请到工作频段后，都需要与频谱分析节点建立用频智能合约，约束该用频节点的工作频段，以及在该频段上的工作时长。当用频节点使用当前频段即将超时时，如果需要继续使用该频段，可通过用频智能合约延长当前频段的占用时间，用频分析节点根据智能合约更新本地频谱数据库。

本实施例中频段申请管理服务流程如图3所示，参加流程的节点包括用频节点、频谱分析节点、排序服务节点，图中一般区块链节点指联盟链上的所有成员节点。申请频段的节点可以是单个节点申请工作频段，也可以是多个节点组成一组联合申请工作频段。

本实施例中频段申请预分配流程，具体包括：

S11、申请频段的用频节点向联盟链上的多个频谱分析节点发送用频需求信息，并对信息用私钥签名。

S12、第i个频谱分析节点在检查用频节点签名无误后，根据用频需求，查本地的频谱数据库，从可用频段中为该用频节点分配一个工作频段，发送给申请用频的节点，在信息尾部附加自己的数字签名。频谱分析节点在本地记录申请分配的用频节点身份，以及分配的频段，并锁定已分配但未确认的频段。

S13、用频节点接收来自多个频谱分析节点发来的频段分配信息，检查数字签名无误后，从所有可用的工作频段中选择1个工作频段，作为申请频段。如果用频节点接收的可用工作频段有至少2个，则该用频节点还可再选择1个工作频段，作为备用申请频段。随后，用频节点将选择的频段信息用自己的私钥签名后，发送给联盟链上的排序服务节点。

S14、排序服务节点接收到来自于多个用频节点的申请频段信息，当信息累积到一定数量后，根据接收到用频申请的时间，以及预设的用频优先级规则，为这些申请频段的用频节点确认工作频段。如果多个用频节点申请频段存在冲突，排序服务节点会根据接收到用频申请的时间先后顺序，将频段分配给最早提出用频申请的用频节点。多个排序服务节点为工作频段策略达成一致，写入区块链。随后，新增区块在链上更新，同步到所有节点，共识算法采用PBFT算法。根据新增区块信息，如果用频节点发现自己的用频申请未获得准许，随后重复S13步骤，将备用频段作为申请频段，用自己的私钥签名后，发送给联盟链上的排序服务节点。如果没有备用频段，则当前申请用频失败，重复S11步骤再次发起用频申请。

S15、当频谱分析节点根据新增区块中的用频分配信息联系用频申请节点，建立用频智能合约，随后更新本地频谱数据库。如有节点在本地有对应的锁定频段，但与新增区块中的分配频段不一致，则将该锁定频段重新标记为空白频段。

本实施例中频段加入管理服务流程如图4，参加流程的节点包括用频节点、频谱分析节点、排序服务节点，图中一般区块链节点指联盟链上的所有成员节点。

S21、申请加入频段的用频节点将申请加入信息发送给多个频谱分析节点，并在信息尾部附加数字签名，申请加入信息包含该用频节点身份和需要加入的目标通信组标识。

S22、频谱分析节点在检查申请加入信息数字签名无误后，查本地的频谱数据库，根据目标通信组标识查对应的组成员节点，并将申请加入信息附加自己签名后转发给这些目标通信组的用频节点。

S23、目标组节点在确认频谱分析节点签名无误后，根据相应用户的判断向频谱分析节点回复是否准许申请加入频段的用频节点加入通信组。目标组节点在回复的消息尾部附加自己的数字签名。

S24、频谱分析节点统计目标通信组内用频节点发来的加入准许，如果同意加入的节点占目标通信组内总节点数的半数以上，则向用申请加入频段的频节点发送可加入的目标通信组对应频段，并在消息尾部附加数字签名，否则发送拒绝加入信息。

S25、申请接入频段的用频节点在接收到带有多个频谱分析节点数字签名的信息后，将作为申请频段。如果经过不同频谱分析节点确认的不完全一致，则从中选择拥有最多频谱分析节点签名的频段作为申请频段。随后，用频节点构造频段加入申请消息，消息内容包括申请加入的频段信息，以及授权该频段的频谱分析节点的数字签名，并在消息末尾再次用自己的私钥签名后，发送给联盟链上的排序服务节点。

S26、排序服务节点在接收到频段加入申请信息后，逐一检查该消息附带的频谱分析节点数字签名。如果该频段加入申请拥有超过半数的频谱分析节点签名，则允许加入，否则拒绝。多个排序服务节点为工作频段策略达成一致，写入区块链。随后，新增区块在链上更新，同步到所有节点，共识算法采用PBFT算法。

S27、频谱分析节点根据新增区块中的用频分配信息，更新对应节点的用频智能合约状态，并随后更新本地频谱数据库。

本实施例中用频冲突更新管理，包括以下步骤：

S31、当用频节点在工作频段上检测到用频冲突后，向用频分析节点发起用频分析请求，并附加节点签名。

S31、第i个用频分析节点接收到用频节点发来的用频分析请求后，检查数字签名无误后，根据该用频节点的频谱使用情况，和本地的频谱数据库，做用频仿真分析。

根据用频分析结果，如果需要用频节点切换到新的频段上运行，那么为用频节点回复新的频段分配，并附加节点签名。频谱分析节点在本地记录相应用频节点身份，以及新分配的频段，并锁定已分配但未确认的频段。

根据用频分析结果，如果不需要该节点切换到其他频段，则回复保持通信信息，完成用频冲突更新管理工作。

S33、用频节点接收来自多个频谱分析节点发来的频段分配信息，检查数字签名无误后，从所有可用的工作频段中选择1个工作频段，作为申请频段。如果用频节点接收的可用工作频段有至少2个，则该用频节点还可再选择1个工作频段，作为备用申请频段。随后，用频节点将选择的频段信息用自己的私钥签名后，发送给联盟链上的排序服务节点。

S34、排序服务节点接收到来自于多个用频节点的申请频段信息，当信息累积到一定数量后，根据接收到用频申请的时间，以及预设的用频优先级规则，为这些申请频段的用频节点确认工作频段。多个排序服务节点为工作频段策略达成一致，写入区块链。随后，新增区块在链上更新，同步到所有节点，共识算法采用PBFT算法。

S35、当频谱分析节点根据新增区块中的用频分配信息联系用频申请节点，建立用频智能合约，随后更新本地频谱数据库。如有节点在本地有对应的锁定频段，但与新增区块中的分配频段不一致，则将该锁定频段重新标记为空白频段。