基于区块链技术的动态频谱管理机制设计

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近年来,随着各种移动应用的出现,无线数据流量呈指数级增长。而固定频谱接入机制已经不再适用于频谱需求暴涨、频谱资源紧缺的时代。为此,学者们提出了动态频谱接入(Dynamic Spectrum Access,DSA)的频谱利用模式,以允许次用户共享主用户的空闲频谱,提高频谱利用率。动态频谱接入主要有机会式频谱接入(Opportunistic Spectrum Access,OSA)和共存式频谱接入(Concurrent Spectrum Access,CSA)两种模式。机会式共享通常需要次用户进行频谱感知,发现频谱空洞并接入;而共存式频谱共享通过控制对主用户的干扰,实现与主用户同时使用授权频谱。在未来动态频谱共享领域,区块链技术凭借其去中心化、不可篡改、可追溯性等特性,被认为在该领域极具发展的潜力。目前,区块链技术在动态频谱共享中的潜在应用包括作为去中心化的数据库、建立频谱交易市场以及为频谱共享者提供激励促进频谱共享意愿等。然而,在将区块链技术引入动态频谱管理时,仍面临着许多待解决的问题和挑战:例如,如何保证区块链上数据的可靠性,如何保护上传数据的节点的隐私,以及如何对区块链技术做改进,使其能够在功率有限的物联网设备组成的网络上运行维护。本文以未来物联网场景中的动态频谱共享为背景,旨在将区块链技术与具体频谱共享场景深度结合,讨论并设计了一种以信任为中心的,兼具隐私保护属性的,适用于物联网网络中进行动态频谱接入的区块链系统。具体来说,本文提出了一种信任评估机制来评估感知节点的可信度,并设计一个名为信任度证明(Proof of Trust,Po T)共识机制来提高区块链的可扩展性,即每秒可处理的事务数(Transactions Per Second,TPS)。此外,本文还提出了隐私保护机制来保护当传感设备将传感数据上传到区块链时的实时地理位置信息。最后,本文设计了两个智能合约来保证整个过程(频谱感知、频谱拍卖和频谱分配)的自动化运行。仿真结果证明了Po T共识算法对于可靠节点而言,预期计算成本明显减少;并且借助信任评估机制,协作频谱感知性能也有明显提升。此外,文章还分析了系统对节点的激励以及安全性。这表明我们的系统不仅可以鼓励节点的参与,还可以抵御在信任管理机制以及基于区块链的物联网系统中,经常出现的多种安全隐患。
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