CN109905863A - 基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线蜂窝网络边缘用户性能优化技术领域，具体来说是基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法。本发明涉及分布式协作通信、中继接入匹配、区块链存储等理论框架。在不同的网络规模下，相较于其它中继接入方案，本发明可以在保证***安全性与可靠性的条件下，使得边缘蜂窝用户和作为中继节点的非边缘蜂窝用户均获得更高的性能收益。总体上，基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法可以优化边缘蜂窝用户性能同时减少***网络负载。

Description

基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法

技术领域

本发明属于无线蜂窝网络边缘用户性能优化技术领域，具体来说是基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法。本发明涉及分布式协作通信、中继接入匹配、区块链存储等理论框架。

背景技术

分布式协作通信是指节点间不依赖于中心服务器集中式管理而是通过D2D(Device-to-Device)链路互相协作进行信息传输的通信方式。未来5G通信网络将面临高速数据传输需求及快速增长的链路数量引起的网络负载等问题，尤其对于处于蜂窝网络边缘的用户，由于地理位置离中心基站较远，信道质量差，如果采用传统直接接入基站的通信方式会造成较差的服务质量(Quality-of-Sevice，QoS)。为改进边缘蜂窝用户QoS且降低基站处理负载，可利用D2D链路技术，通过靠近中心基站的非边缘蜂窝用户作为中继进行数据转发。上述应用带来中继接入选择的问题，即如何为不同的边缘蜂窝用户分配对应的中继节点使得***性能达到最优。传统的中继接入大多使用中心服务器集中式管理，这样不仅会带来较大的反馈延时而且使得中继服务容易遭受网络拥塞及针对中心节点的集中式攻击(如拒绝服务攻击)，针对上述问题，分布式协作通信方式由于可以不通过中心服务器完成节点间信息交互的特点成为中继接入管理的有效方案。虽然分布式协作可以提升中继服务***的鲁棒性以及时延性能，但是缺少中心鉴权服务器，这在节点间互不信任的分布式通信网络中，可能存在恶意节点窃取信息或欺骗行为，如何保证分布式协作通信下中继接入的安全性、隐私性和可靠性仍是有待解决的问题。

区块链是一种以“区块”为基本数据存储单元，“区块”间链式连接，链内数据被所有节点共享的分布式存储结构，由于数据以区块链形式被分布式存储于各个节点，这使得针对单一节点的集中攻击及节点间的欺骗行为失效，且链式存储结构和先进的共识机制保证***数据难以被篡改、历史数据可查询，结合非对称加密、数字签名、工作量证明等技术，区块链技术成为节点间互不信任的分布式网络中实现安全可靠通信的有效方法。区块链技术最初应用于数字货币领域，后发展到医疗数据记录、信贷、物联网等众多领域，本发明将区块链技术应用于分布式协作通信中继接入管理中，在保证***的安全可靠性的前提下，同时提升无线蜂窝网络边缘蜂窝用户的服务质量。

发明内容

本发明基于区块链存储结构，在无线蜂窝网络边缘蜂窝用户上行链路场景下提出分布式协作通信中继接入架构，并将数字货币作为中继服务激励机制，使用双边匹配(two-side matching)理论框架分析解决此中继匹配问题，相比于传统的集中式中继接入管理方法，本发明能够在保证***安全性、可靠性的条件下，提升边缘蜂窝用户相关性能，同时降低***网络负载。

基于区块链存储的分布式协作通信中继接入方法将区块链作为节点间验证信息的存储架构，将数字货币作为中继服务的代价与激励机制，并使用双边匹配理论进行中继匹配，保证中继服务的可靠性与公平性。具体地，考虑一基站位于中心的蜂窝小区，其中有上行传输需求且位于小区边缘的边缘蜂窝用户集合记为S＝{S₁ S₂ ... S_K}，K为边缘蜂窝用户数量；位于离基站较近位置的非边缘蜂窝用户集合记为R＝{R₁ R₂ ... R_N}，N为非边缘蜂窝用户数量；通过分布式协作通信方式，边缘蜂窝用户可以利用非边缘蜂窝用户作为中继前向转发到基站，考虑中继匹配为一对一匹配，即一个边缘蜂窝用户只能选择一个非边缘蜂窝用户作为中继转发信息，不失一般性，设置N≥K.

结合区块链相关技术，考虑基本网络设置：(1)***每个节点都有本地存储空间，用于存储区块链内有关中继接入的相关数据，节点间可以通过相互检验的方法验证某一区块内信息的真实性，也可以通过查询记录在区块链上的历史信息来了解某一节点执行服务的可信度。 (2)中继服务代价与激励机制依赖于数字货币，即边缘蜂窝用户通过支付数字货币给相应的非边缘蜂窝用户来获得中继服务，而边缘蜂窝用户由于可以接入边缘云计算服务器，具有丰富的计算资源，所以可以通过“挖矿”即产生区块的过程来获取数字货币。(3)用户间的身份识别采用公钥(Public Key)，相比于传统通过IP地址进行身份识别的方法，公钥身份识别允许节点在每一次中继接入后动态更改自身公钥，结合非对称加密技术，节点的安全性和隐私性得到保障。

中继转发采用放大前向转发(AF)协议，根据相关文献推导，某一边缘蜂窝用户S_i∈S选择一非边缘蜂窝用户R_j∈R，其转发速率r_i,j可表示为

其中，B表示信道带宽；是考虑到源节点-中继，中继-基站两阶段共享资源带来的性能损失(如频分双工FDD或时分双工TDD)；α是常数，表示有效容量因子，可通过误码率P_ber计算；γ_i0,γ_ij分别表示直接链路发送时和通过中继转发时的信噪比，其相关表达式如下

其中，P_i,P_j分别表示源节点的发送速率和中继节点的转发功率；h_i0表示直接链路发送时源节点到基站的信道增益参数，h_ij,h_j0分别表示中继转发时源节点-中继，中继-基站的信道增益参数；σ²表示背景噪声功率。

考虑中继接入选择为双边匹配过程，即边缘蜂窝用户根据相应的优先级函数对非边缘蜂窝用户的中继接入性能做优先级排序，而非边缘蜂窝用户也会根据相应的优先级函数对服务对象进行优先级排序。不同的边缘蜂窝用户根据中继服务的收益与代价的不同对中继节点的优先级排序也会有所差异，双边匹配过程双方的优先级函数的定义会对排序产生关键影响，首先定义边缘蜂窝用户选择中继的优先级函数为

其中，d_i表示边缘蜂窝用户S_i拟向中继节点R_j所支付的数字货币即服务代价；r_ij表示转发速率即服务收益。当某一边缘蜂窝用户S_i选择中继时，中继节点R_j的优先级函数值越大，其在S_i的优先级列表中排序越高。据此可得到源节点优先级矩阵P_S,为K×N矩阵，行代表不同的源节点，列代表不同的中继节点，矩阵元素代表中继节点下标，表示中继节点在源节点S_i的优先级列表里排序标号为j，排序标号即列号越高，所对应的优先级越高。

非边缘蜂窝用户的优先级函数定义为

其中，Q_i表示边缘蜂窝用户S_i需要发送的数据量，即表示转发所需时延，若考虑中继节点的转发功率相同，则可等价反映转发能耗大小。非边缘蜂窝用户根据优先级函数值的大小对服务对象进行优先级排序，优先级函数值越大的源节点排序越高，可得中继节点优先级矩阵P_R，为N×K矩阵，行代表不同的中继节点，列代表不同的源节点，矩阵元素代表源节点下标，表示源节点在中继节点R_j的优先级列表里排序标号为i，排序标号即列号越高，所对应的优先级越高。基于双方的优先级矩阵，给出双边匹配的最优匹配结果定义为

定义源节点和中继节点的优先级函数及优先级矩阵后，可执行双边匹配算法如下

S1、初始化输入参数，如误码率P_ber、源节点与中继节点的发送功率P_i,P_j、源节点的数据量Q_i、可支付的数字货币b_i等

S2、根据公式(1)、(2)计算中继速率r_ij，并由式(3)、(4)计算优先级函数值，得到源节点与中继节点的优先级矩阵P_S,P_R

S3、每个中继节点根据优先级矩阵P_R选择优先级最高的服务对象，并将自身标号发送给所选择的服务对象

S4、源节点接收到中继节点的被接入请求后，根据优先级矩阵P_S比较当前的中继选择与请求的中继之间的优先级，若当前选择的中继优先级高于新请求接入中继的优先级则拒绝请求，否则，更新中继选择为新请求接入中继。

S5、被拒绝的中继节点将会被源节点与中继节点从它们的优先级矩阵中删除，因此，得到更新的优先级矩阵P_S,P_R.若前后两次的中继选择结果一致，则停止迭代，得到最优双边匹配结果，否则，回到S3，继续迭代过程。

本发明的技术方案采用分布式协作通信的中继接入方法，并结合区块链存储技术，利用数字货币作为中继服务的代价与激励机制，进一步综合考虑中继速率、中继转发时延、转发代价的影响，为源节点和中继节点定义合理的优先级函数，保证***的可靠性与公平性，最终通过双边匹配算法完成中继接入选择。本发明的有益效果是：在保证***安全性与可靠性前提下，减少中继管理的处理时延与网络负载，同时提升边缘蜂窝用户的相关性能。

附图说明

图1是在不同网络规模下不同算法得到的Ⅰ类边缘蜂窝用户平均优先级函数值对比仿真图；图2是在不同网络规模下不同算法得到的Ⅱ类边缘蜂窝用户平均优先级函数值对比仿真图；其中，“BC-Enable Matching Algorithm”为本发明提出的基于区块链存储的分布式协作通信中继接入双边匹配算法；“the conventional Algorithm”表示传统的非基于区块链存储的中继接入单边匹配算法；“Random Algorithm”为随机中继匹配算法。

具体实施方式

下面结合附图和实例，详细描述本发明的技术方案：

本例中，设置误码率P_ber＝10^-6；不同边缘蜂窝用户的数据量服从均值为2Mbps，方差为 0.5的高斯分布；用户发送功率设置为P_i＝0.2W,信道带宽B＝0.2MHz；源节点-中继，中继-基站的信道增益h_ij,h_j0服从对数正态阴影衰弱+瑞利衰落模型；背景噪声功率σ²＝10^-3W.

具体步骤如下：

步骤一：边缘蜂窝用户通过D2D链路发送中继请求信息给非边缘蜂窝用户，包括发送数据量大小、可支付的数字货币和自身公钥等.

步骤二：非边缘蜂窝用户接受到中继请求后，根据自身情况与源节点情况，决定能提供中继服务的源节点，并发送反馈信息给可提供服务的源节点，包括可提供的中继转发速率，自身公钥信息等.

步骤三：源节点接收到反馈信息后，根据优先级函数定义得到双方的优先级矩阵P_S,P_R，并由双边匹配算法得到最优中继接入匹配结果.

步骤四：源节点开始“挖矿”，将匹配结果存储入所挖区块中，并广播区块至整个网络，中继节点确认区块信息的真实性后，开放中继接入服务，源节点被允许进行中继转发过程.

步骤五：将实际执行结果也存储入区块，使得之后节点可以通过查询记录在区块的双方提供的性能指标与实际执行结果信息，比较“合同”与执行信息，认证节点的可信任程度，决定中继接入选择.

通过仿真图可以看出，在不同的网络规模下，相较于其它中继接入方案，本发明可以在保证***安全性与可靠性的条件下，使得边缘蜂窝用户和作为中继节点的非边缘蜂窝用户均获得更高的性能收益。总体上，基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法可以优化边缘蜂窝用户性能同时减少***网络负载。

Claims (2)

1.基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法，设定基站位于中心的蜂窝小区，其中有上行传输需求且位于小区边缘的边缘蜂窝用户集合记为S＝{S₁ S₂ ... S_K}，K为边缘蜂窝用户数量；位于离基站较近位置的非边缘蜂窝用户集合记为R＝{R₁ R₂ ... R_N}，N为非边缘蜂窝用户数量；通过分布式协作通信方式，边缘蜂窝用户可以利用非边缘蜂窝用户作为中继前向转发到基站，考虑中继匹配为一对一匹配，即一个边缘蜂窝用户只能选择一个非边缘蜂窝用户作为中继转发信息，，设置N≥K，所述中继接入方法的具体步骤为：

S1：建立模型，中继转发采用放大前向转发协议，定义某一边缘蜂窝用户S_i∈S选择一非边缘蜂窝用户R_j∈R，其转发速率r_i,j表示为

其中，B表示信道带宽；是考虑到源节点-中继，中继-基站两阶段共享资源带来的性能损失；α是常数，表示有效容量因子，通过误码率P_ber计算；γ_i0,γ_ij分别表示直接链路发送时和通过中继转发时的信噪比，相关表达式如下

其中，P_i,P_j分别表示源节点的发送速率和中继节点的转发功率；h_i0表示直接链路发送时源节点到基站的信道增益参数，h_ij,h_j0分别表示中继转发时源节点-中继，中继-基站的信道增益参数；σ²表示背景噪声功率；

定义边缘蜂窝用户选择中继的优先级函数为

其中，d_i表示边缘蜂窝用户S_i拟向中继节点R_j所支付的数字货币即服务代价；r_ij表示转发速率即服务收益，当某一边缘蜂窝用户S_i选择中继时，中继节点R_j的优先级函数值越大，其在S_i的优先级列表中排序越高；据此可得到源节点优先级矩阵P_S为K×N矩阵，行代表不同的源节点，列代表不同的中继节点，矩阵元素代表中继节点下标，表示中继节点在源节点S_i的优先级列表里排序标号为j，排序标号即列号越高，所对应的优先级越高；

非边缘蜂窝用户的优先级函数定义为

其中，Q_i表示边缘蜂窝用户S_i需要发送的数据量，即表示转发所需时延，令中继节点的转发功率相同，则可等价反映转发能耗大小；非边缘蜂窝用户根据优先级函数值的大小对服务对象进行优先级排序，优先级函数值越大的源节点排序越高，可得中继节点优先级矩阵P_R为N×K矩阵，行代表不同的中继节点，列代表不同的源节点，矩阵元素代表源节点下标，表示源节点在中继节点R_j的优先级列表里排序标号为i，排序标号即列号越高，所对应的优先级越高；

S2：边缘蜂窝用户首先通过D2D链路发送中继请求信息给非边缘蜂窝用户，包括发送数据量大小、可支付的数字货币和自身公钥等；

S3：非边缘蜂窝用户接受到中继请求后，根据自身情况与源节点情况，决定能提供中继服务的源节点，并发送反馈信息给可提供服务的源节点，包括可提供的中继转发速率，自身公钥信息；

S4：源节点接收到反馈信息后，根据优先级函数定义得到双方的优先级矩阵P_S,P_R，并由双边匹配算法得到最优中继接入匹配结果；双边匹配算法步骤为：

S41、初始化输入参数，包括误码率P_ber、源节点与中继节点的发送功率P_i,P_j、源节点的数据量Q_i、可支付的数字货币b_i；

S42、根据公式(1)、(2)计算中继速率r_ij，并由式(3)、(4)计算优先级函数值，得到源节点与中继节点的优先级矩阵P_S,P_R；

S43、每个中继节点根据优先级矩阵P_R选择优先级最高的服务对象，并将自身标号发送给所选择的服务对象；

S44、源节点接收到中继节点的被接入请求后，根据优先级矩阵P_S比较当前的中继选择与请求的中继之间的优先级，若当前选择的中继优先级高于新请求接入中继的优先级则拒绝请求，否则，更新中继选择为新请求接入中继；

S45、被拒绝的中继节点将会被源节点与中继节点从它们的优先级矩阵中删除，因此，得到更新的优先级矩阵P_S,P_R；若前后两次的中继选择结果一致，则停止迭代，得到最优双边匹配结果，否则，回到S43，继续迭代过程。

2.根据权利要求1所述的基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S5：匹配算法输出结果后，源节点开始“挖矿”，将匹配结果存储入所挖区块中，并广播区块至整个网络，中继节点确认区块信息的真实性后，开放中继接入服务，源节点被允许进行中继转发过程；

S6：将实际执行结果也存储入区块，使得之后节点可以通过查询记录在区块的双方提供的性能指标与实际执行结果信息，比较指标与执行信息，认证节点的可信任程度，决定中继接入选择。