CN112566211B - 一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法，与现有技术相比解决了协作通信终端与中继节点间难以建立信任关系的缺陷。本发明包括以下步骤：建立中继协作通信***模型；进行中继协作通信。本发明利用了区块生成和共识过程，保障了终端之间的公平交易，提升了数据传输的安全水平；信源在协作通信时的中继选择过程，采用最优发送功率与定价算法选择中继，保障了终端在低电量下的通信质量。

Description

一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法

技术领域

本发明涉及无线蜂窝通信技术领域，具体来说是一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法。

背景技术

随着智能终端软硬件的发展、网络速率的提升、多媒体应用的发展，移动终端的数据流量成***式增长，由此带来了移动终端的能耗越来越大。节能和绿色通信是无线通信的重要主题之一，目前智能终端的电池性能没有得到改善，因此如何降低终端的能量损耗是需要解决的关键问题。已有研究表明，协作通信是降低移动终端MT能耗的有效方法之一。但是这些研究均是建立在信源和中继完全信任的前提下，然而在实际中分布式终端难以直接建立相互信任的关系，如果缺少有效的经济行为作为能量共享的激励条件，终端未必会愿意参与到中继转发的过程中，所以需要一种有效的合作激励机制来激励终端参与协作。

区块链技术使用一种去中心化的分布式账本的数据结构，该分布式账本用于存储用户间涉及相互交互行为的数据，例如虚拟货币交易行为、商品信息的溯源行为、健康医疗数据的存储记录等。不同于传统的数据库管理模式，参与者只能添加新的数据到区块链中，而没有修改和删除历史数据的权限。因此这种技术可以克服终端节点间的不信任问题，形成有效的合作激励机制。

那么，如何将区块链技术引入到协作通信解决MT之间的不信任问题已经成为急需解决的技术问题

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中协作通信终端与中继节点间难以建立信任关系的缺陷，提供一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法，无线接入点位于所述蜂窝小区的中心并记为信宿d，有上行传输需求的移动终端MT记为信源s，有J个空闲终端节点作为中继，分别记为r_j(j∈{1,2,...,J})；当信源s电量较低或上行信道质量较差时，信源s利用空闲终端节点为其转发数据；当数据完整的转发到无线接入点后，信源s向中继支付电子货币；电子货币的交易信息和终端节点的信用值被写入区块，区块信息存储在网络的每个节点中，以此公开透明地来激励终端参与协作、防止终端作弊、建立终端节点之间协作的信任基础；整个协作通信的流程被写入区块链的智能合约并自动执行，其中智能合约为电子版的协议，即满足了触发条件就自动执行的程序，合约中包含了各节点的权利和义务，这些权利和义务以电子化的方式存储在区块链网络的每个节点中并且自动执行；

所述的基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法包括以下步骤：

11)建立中继协作通信***模型：基于区块链智能合约建立中继协作通信的***模型；

12)进行中继协作通信：在中继协作通信模型的基础上，基于区块链智能合约进行中继协作通信。

所述建立中继协作通信***模型包括以下步骤：

21)设定信源s广播发送信息，中继r_j和无线接入点d接收数据；

22)中继r_j若采用放大转发AF的方式，将数据归一化后乘以放大系数，再转发到无线接入点d，d的可达速率

定义为：

信源若不使用中继转发数据，采用直接传输DT的方式将数据传输到无线接入点d，d的可达速率Q_DT定义为：

Q_DT＝log₂(1+γ_sd)； (2)

其中，γ_sd、

分别表示信号由信源s直接发送到无线接入点d的信噪比和由中继帮助转发数据的协同支路的信噪比；其表达式如下：

γ_sd＝α_sdp_s， (3)

其中，

分别表示信源s到中继r_j、中继r_j到信宿d、信源s到信宿d的信道模值平方与噪声方差之比；

h_sd分别为信源s到中继r_j、中继r_j到信宿d、信源s到信宿d的信道；

分别为信源s到中继r_j、中继r_j到信宿d、信源s到信宿d的信道噪声的方差；

p_s,

表示信源s和中继r_j的发射功率；

23)定义使信源s和中继r_j的能量消耗代价和最小的优化问题表示如下：

其中，U_j表示信源和中继的能量消耗代价和，

表示信源s电池单位能量的代价ξ_s与当前电池电量B_s的关系，ξ_max表示最大代价值，B_max表示最大电池电量；

对于中继r_j有

其中

表示中继电池单位能量的代价，

表示中继当前电池电量；

优化条件C₁表示利用中继进行协作传输时应满足可达速率等于期望值 Q，等式由公式(1)令

化简得到；

条件C₂表示满足中继r_j所期望的收益不小于ε_j，ε_j≥0为一个固定值，π_j表示中继r_j帮助信源s进行协作传输时信源s需向中继r_j支付的电子货币，

表示中继的能量消耗代价，

表示中继r_j的总体收益；

条件C₃表示信源s选择中继r_j的条件为信源s在协作通信时的代价小于达到期望速率的直接传输时的能耗代价，其中ξ_sp_s表示信源s的能量消耗代价，而π_j+ξ_sp_s表示信源s在协作通信时的总体支出；

不等式右边的表达式，由公式(2)令Q_DT＝Q得出

再乘以代价值ξ_s得到，表示直接传输时信源s的能耗代价；

条件C₄表示发送功率最大限制，其中p_max表示最大发送功率；

24)定义MT节点信用值的表达式如下：

其中，REP_i,j、REP_i-1,j分别表示对应节点的此次评估信用值和上一次评估的信用值，

表示中继在整个协作传输中所付出的能量消耗代价，而

为信源s和中继r_j的能量消耗代价和；

U_d＝ξ_s*(2^Q-1)/α_sd表示直接传输时信源s付出的能量消耗代价，系数0.5表示各部分所占的权重，λ表示节点篡改信息的次数，节点作为中继转发数据每发生篡改信息时其信用值将被扣1。

所述进行中继协作通信包括以下步骤：

31)中继协作通信***初始化：设定在蜂窝网络中每段时间内有新加入网络的移动终端MT，此前其未存储此网络的区块相关的信息；

参与到智能合约的移动终端MT，在受信任的无线接入点进行登记注册后，成为一个合法MT节点，节点MT_j包括钱包地址W_j、信用值REP_j、电子货币π_j；之后节点MT_j向周围节点发送加入区块链的请求信息，小区中的无线接入点和其它终端节点收到后回复该节点，回复信息包括最新的区块信息，该节点收到后将区块信息存储到本地节点中，此过程保证每个节点都含有区块信息以实现区块信息的公开透明；

32)信源进行协作通信时的中继选择：信源s广播协作请求信息，满足条件的空闲节点向信源s回复消息，s根据总体能耗代价值挑选合适的中继r_j，即求解最优化问题(5)，然后通知选中的中继和无线接入点；

33)协作传输和电子货币交易：s钱包里的电子货币π_j被锁定，中继r_j协作 s转发数据，无线接入点d验证收到数据的完整性并回信息给s和r_j，之后s中被锁定的电子货币π_j将直接转入r_j的钱包；

34)区块生成和共识过程：所有节点在每次交易后，根据节点信用值表达式(6)更新信用值REP_j，并广播交易记录和节点信用值，由信用值最大的MT 节点负责记账，也即是生成区块；

信用值最大的MT节点在记账时，生成账簿和信用值表，将这些信息写入区块，并进行全网广播校验；通过校验的区块以新的链条加入区块链，无线接入点通知所有节点保存区块链。

所述信源进行协作通信时的中继选择包括以下步骤：

41)信源s广播协作请求信息，协作请求信息中包含自身钱包地址、要发送的数据大小、信源s的当前电量；

42)满足条件的空闲节点向s回复消息；

针对每一个空闲节点r_j，j∈{1,2,...,J}，首先筛选掉网络中信用值较低的中继节点，针对筛选后的每一个中继节点，求最优的p_s,

π_j,U_j，即是利用最优发送功率与定价算法求解最优化问题(7)得到最优的p_s,

以及对应的π_j和U_j；

如果(7)无解，则所有r_j都不向s回复消息，s转为直接发送模式；

如果(7)有解且s钱包里的剩余钱数足够支付交易定价π_j，空闲节点r_j回复信息给信源s表示同意做s的中继，回复信息包括p_s,

和对应的π_j和U_j；

43)s收到所有空闲节点的回复信息后，选择U_j最小的中继，即是针对所有的中继进一步求

通知选中的中继和无线接入点。

所述最优发送功率与定价算法求解最优化问题(7)包括以下步骤：

51)初始化

52)设i＝1,2,3,...,10，进行循环，每一次循环中的具体步骤如下：

521)令

522)计算每个i所对应

其中的

由公式(3)和公式(4)代入公式(7)中的条件C₁消元p_s得到,η＝2^2Q-1；

53)结束循环后，求U_j最小时的

即

并计算对应的

54)判断条件C₂C₃C₄是否满足：

如果满足则最优解为p_s,

的结果，则此时的交易定价为

总能耗代价值为

如果所有r_j都不满足则(7)无解。

有益效果

本发明的一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法，与现有技术相比利用了区块生成和共识过程，保障了终端之间的公平交易，提升了数据传输的安全水平；信源在协作通信时的中继选择过程，采用最优发送功率与定价算法选择中继，保障了终端在低电量下的通信质量。

本发明还具有以下优势：

(1)将区块链引入到协作通信中，解决了协作通信终端与多个中继节点间难以建立信任关系的缺陷；

(2)利用了区块生成和共识过程，保障了终端之间的公平交易，提升了数据传输的安全水平；

(3)信源在协作通信时的中继选择过程，采用最优发送功率与定价算法选择中继，保障了终端在低电量下的通信质量，即在保障终端公平交易和数据安全传输的情况下，可以有效的降低网络中的能量消耗代价；

(4)可以提高用户参与协作的积极性，避免恶意节点的参与，是一种安全节能的中继协作通信方案。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图；

图2为本发明实施例中的蜂窝网络图；

图3为本发明实施例中单个小区的协作通信模型图；

图4为本发明实施例的基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信流程图；

图5为本发明单个终端节点的存储空间示意图；

图6为本发明所涉及的区块结构图，其中(a)表示区块的结构，(b)表示区块中的MT信用值表；

图7为本发明实施例中各种方案能量消耗代价随中继数的变化情况对比图；

图8为本发明实施例中各种方案的能量消耗代价随带宽速率的变化情况对比图；

图9为本发明实施例中各种方案的能量消耗代价随信源电量的变化情况对比图；

图10为本发明实施例中各种方案的能量消耗代价随最大发送功率的变化情况对比图；

图11(a)为本发明实施例中未设置恶意节点篡改信息时各节点的记账次数统计图，图11(b)为针对图11(a)中记账次数较高也即信用值较高的的MT节点5、6设置为恶意节点篡改信息后，节点记账次数的统计图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图2和图3所示，在蜂窝小区中，无线接入点位于所述蜂窝小区的中心并记为信宿d，有上行传输需求的移动终端MT记为信源s，有J个空闲终端节点作为中继，分别记为r_j(j∈{1,2,...,J})；当信源s电量较低或上行信道质量较差时，信源s利用空闲终端节点为其转发数据；当数据完整的转发到无线接入点后，信源s向中继支付电子货币；电子货币的交易信息和终端节点的信用值被写入区块，区块信息存储在网络的每个节点中，以此公开透明地来激励终端参与协作、防止终端作弊、建立终端节点之间协作的信任基础；整个协作通信的流程被写入区块链的智能合约并自动执行，其中智能合约为电子版的协议，即满足了触发条件就自动执行的程序，合约中包含了各节点的权利和义务，这些权利和义务以电子化的方式存储在区块链网络的每个节点中并且自动执行。

如图1所示，本发明所述的一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法，包括以下步骤：

第一步，建立中继协作通信***模型：基于区块链智能合约建立中继协作通信的***模型。在移动蜂窝小区的通信场景中，当位于小区边缘的移动终端 MT上行信道质量较差，或者MT的电量较低、没有足够的能量将数据发送给基站，需要利用中继协作通信才能改善通信质量、降低能量损耗、达到数据传输的目的。而传统的中继协作通信均是建立在信源和中继完全信任的基础之上，缺乏激励机制促进终端参与协作通信，因此本模型在终端节点的存储空间引入区块和智能合约，利用区块记录交易信息和信用值，以公开透明的方式激励终端参与协作、防止终端作弊、建立终端节点之间协作的信任基础；整个协作通信的流程被写入区块链的智能合约,满足了触发条件就自动执行。建立模型的难度在于需要在每个节点的存储空间部署区块和智能合约，耗费计算存储资源去验证数据的可信度，目前区块链技术尚处于实验阶段，成熟度低，还没有真正的运用到实际的协作通信过程中。建立中继协作通信***模型的具体步骤如下：

(1)设定信源s广播发送信息，中继r_j和无线接入点d接收数据。

(2)中继r_j若采用放大转发AF的方式，将数据归一化后乘以放大系数，再转发到无线接入点d，d的可达速率

定义为：

信源若不使用中继转发数据，采用直接传输DT的方式将数据传输到无线接入点d，d的可达速率Q_DT定义为：

Q_DT＝log₂(1+γ_sd)； (2)

其中，γ_sd、

分别表示信号由信源s直接发送到无线接入点d的信噪比和由中继帮助转发数据的协同支路的信噪比；其表达式如下：

γ_sd＝α_sdp_s， (3)

其中，

分别表示信源s到中继r_j、中继r_j到信宿d、信源s到信宿d的信道模值平方与噪声方差之比；

h_sd分别为信源s到中继r_j、中继r_j到信宿d、信源s到信宿d的信道；

分别为信源s到中继r_j、中继r_j到信宿d、信源s到信宿d的信道噪声的方差；

p_s,

表示信源s和中继r_j的发射功率。

(3)定义使信源s和中继r_j的能量消耗代价和最小的优化问题表示如下：

其中，U_j表示信源和中继的能量消耗代价和，

表示信源s电池单位能量的代价ξ_s与当前电池电量B_s的关系，ξ_max表示最大代价值，B_max表示最大电池电量；

对于中继r_j有

其中

表示中继电池单位能量的代价，

表示中继当前电池电量；

优化条件C₁表示利用中继进行协作传输时应满足可达速率等于期望值 Q，等式由公式(1)令

化简得到；

条件C₂表示满足中继r_j所期望的收益不小于ε_j，ε_j≥0为一个固定值，π_j表示中继r_j帮助信源s进行协作传输时信源s需向中继r_j支付的电子货币，

表示中继的能量消耗代价，

表示中继r_j的总体收益；

条件C₃表示信源s选择中继r_j的条件为信源s在协作通信时的代价小于达到期望速率的直接传输时的能耗代价，其中ξ_sp_s表示信源s的能量消耗代价，而π_j+ξ_sp_s表示信源s在协作通信时的总体支出；

不等式右边的表达式，由公式(2)令Q_DT＝Q得出

再乘以代价值ξ_s得到，表示直接传输时信源s的能耗代价；

条件C₄表示发送功率最大限制，其中p_max表示最大发送功率。

(4)定义MT节点信用值的表达式如下：

其中，REP_i,j、REP_i-1,j分别表示对应节点的此次评估信用值和上一次评估的信用值，

表示中继在整个协作传输中所付出的能量消耗代价，而

为信源s和中继r_j的能量消耗代价和；

U_d＝ξ_s*(2^Q-1)/α_sd表示直接传输时信源s付出的能量消耗代价，系数0.5表示各部分所占的权重，λ表示节点篡改信息的次数，节点作为中继转发数据每发生篡改信息时其信用值将被扣1。

第二步，中继协作通信方法：在中继协作通信模型的基础上，基于区块链智能合约进行中继协作通信。

现有技术文章《基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法》中，虽提出了一种基于区块链存储的分布式协作通信的中继接入方法，优先考虑边缘用户的数据转发量和非边缘用户的转发速率来匹配信源-中继对，让信源和中继均获得较高的性能收益。但在信源-中继对的匹配的过程中没有考虑终端电量、信道等因素的影响，其传输模型与本发明也不同，使用中继的目的也不是为了节能。

本发明提出的基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法，在信源进行协作通信时的中继选择中，基于一种最优发送功率与定价算法去选取使终端能耗代价最小的中继，综合考虑信道、终端电量等因素，来降低终端的能量损耗。并且利用信用值最高的MT负责记账，并采用所有节点参与验证的共识方式，避免传统的工作量证明机制中所有成员竞争产生的计算资源和能量的浪费。提升了数据传输的安全水平和促进终端参与协作通信。本发明提出的中继协作通信方法，在单个终端节点的存储空间中,引入了智能合约，并且在区块结构中加入MT信用值表此项新的内容，目的在于部署中继协作通信的流程和公开透明的促进终端参与协作通信，耗费了终端节点的计算存储资源。将此项技术应用到协作通信中，是一项尚未成熟且处在实验阶段的过程，其技术的完善性有待于在实践中进一步证实。中继协作通信方法的具体步骤如下：

(1)中继协作通信***初始化：设定在蜂窝网络中每段时间内有新加入网络的移动终端MT，此前其未存储此网络的区块相关的信息；

参与到智能合约的移动终端MT，在受信任的无线接入点进行登记注册后，成为一个合法MT节点，节点MT_j包括钱包地址W_j、信用值REP_j、电子货币π_j；之后节点MT_j向周围节点发送加入区块链的请求信息，小区中的无线接入点和其它终端节点收到后回复该节点，回复信息包括最新的区块信息，该节点收到后将区块信息存储到本地节点中，此过程保证每个节点都含有区块信息以实现区块信息的公开透明。

(2)信源进行协作通信时的中继选择：信源s广播协作请求信息，满足条件的空闲节点向信源s回复消息，s根据总体能耗代价值挑选合适的中继r_j，即求解最优化问题(5)，然后通知选中的中继和无线接入点。其具体步骤如下：

A1)信源s广播协作请求信息，协作请求信息中包含自身钱包地址、要发送的数据大小、信源s的当前电量；

A2)满足条件的空闲节点向s回复消息；

针对每一个空闲节点r_j，j∈{1,2,...,J}，首先筛选掉网络中信用值较低的中继节点，针对筛选后的每一个中继节点，求最优的p_s,

π_j,U_j，即是利用最优发送功率与定价算法求解最优化问题(7)得到最优的p_s,

以及对应的π_j和U_j；

如果(7)无解，则所有r_j都不向s回复消息，s转为直接发送模式；

如果(7)有解且s钱包里的剩余钱数足够支付交易定价π_j，空闲节点r_j回复信息给信源s表示同意做s的中继，回复信息包括p_s,

和对应的π_j和U_j；

在此，最优发送功率与定价算法求解最优化问题(7)包括以下步骤：

A21)初始化

A22)设i＝1,2,3,...,10，进行循环，每一次循环中的具体步骤如下：

令

计算每个i所对应

其中的

由公式(3)和公式(4)代入公式(7)中的条件C₁消元p_s得到,η＝2^2Q-1；

A23)结束循环后，求U_j最小时的

即

并计算对应的

A24)判断条件C₂C₃C₄是否满足：

如果满足则最优解为p_s,

的结果，则此时的交易定价为

总能耗代价值为

如果所有r_j都不满足则(7)无解；

A3)s收到所有空闲节点的回复信息后，选择U_j最小的中继，即是针对所有的中继进一步求

通知选中的中继和无线接入点。

(3)协作传输和电子货币交易：s钱包里的电子货币π_j被锁定，中继r_j协作s转发数据，无线接入点d验证收到数据的完整性并回信息给s和r_j，之后s中被锁定的电子货币π_j将直接转入r_j的钱包。

(4)区块生成和共识过程：所有节点在每次交易后，根据节点信用值表达式(6)更新信用值REP_j，并广播交易记录和节点信用值，由信用值最大的 MT节点负责记账，也即是生成区块；

信用值最大的MT节点在记账时，生成账簿和信用值表，将这些信息写入区块，并进行全网广播校验；通过校验的区块以新的链条加入区块链，无线接入点通知所有节点保存区块链。

在本实施例中，设各个链路的噪声方差都是一样的，取

信道h_sd,

满足圆对称复高斯分布，且

其中

g_sd为信道衰落特性且满足

路径损耗指数ν＝4，实例中中继数取10(终端节点数取 12，中继选择之前筛选掉信用值最低的两个中继用户)，而且对于每个中继而言，信源到中继和中继到无线接入点的基准距离值是不一样的，这里给出信源到中继的基准距离平均值

中继到无线接入点的基准距离平均值

而信源到无线接入点的基准距离值为d_sd＝1.2m。其中α_sd＝|h_sd|²/σ²,

分别表示信源s到中继r_j、中继r_j到信宿 d、信源s到信宿d的信道模值平方与噪声方差之比。中继预留收益ε_j＝0.2。最大电池电量B_max＝4J,最大代价值ξ_max＝1，最大发送功率P_max＝0.5w，带宽速率 Q＝0.5bps/Hz。

步骤一：中继协作通信***初始化。新加入网络的终端节点MT在受信任的无线接入点进行登记注册后，成为一个合法MT节点，节点MT_j包括钱包地址W_j、信用值REP_j、电子货币π_j；之后节点MT_j向周围节点发送加入区块链的请求信息，小区中的无线接入点和其它终端节点收到后回复该节点，回复信息包括最新的区块信息，该节点收到后将区块信息存储到本地节点中。

步骤二：信源进行协作通信时的中继选择：信源s广播协作请求信息，满足条件的空闲节点向信源s回复消息，s根据总体能耗代价值挑选合适的中继 r_j，即求解最优化问题(5)，然后通知选中的中继和无线接入点。

步骤三：协作传输和电子货币交易：s钱包里的电子货币π_j被锁定，中继r_j协作s转发数据，无线接入点d验证收到数据的完整性并回信息给s和r_j，之后s 中被锁定的电子货币π_j将直接转入r_j的钱包。

步骤四：区块生成和共识过程：所有节点在每次交易后，根据节点信用值表达式(6)更新信用值REP_j，并广播交易记录和节点信用值，由信用值最大的MT节点负责记账，也即是生成区块；

信用值最大的MT节点在记账时，生成账簿和信用值表，将这些信息写入区块，并进行全网广播校验；通过校验的区块以新的链条加入区块链，无线接入点通知所有节点保存区块链。

图3给出了单个小区的协作通信模型图。中继协作通信的过程分为两个时隙来完成。第一时隙，信源信源s广播发送信息，中继r_j和无线接入点d接收数据。第二时隙，中继采用放大转发AF的方式，将数据归一化后乘以放大系数，再转发到无线接入点d。

图4给出了基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信流程图。主要分为以下(6)步。(1)信源s广播请求消息。(2)满足条件的空闲节点向s回复信息。(3)s挑选合适的中继并通知选中的中继和无线接入点。(4)中继r_j协作s进行通信。(5)s向r_j支付电子货币π_j。(6)交易和记录信息记入区块链。

图5给出的了单个节点的存储空间，图中给出了存储空间内含有区块和智能合约等存储内容。

图6为区块结构图，其中(a)表示区块的结构，给出了当前区块和下一个区块身份标号ID、时间戳、随机数、交易单和MT信用值表等区块验证信息的内容。(b)表示区块结构中的MT信用值表。

图7-图10展示了各种方案能量消耗代价随相应自变量的变化情况，其中最大最小方案和调和平均方案分别为采用最小准则和调和平均准则进行中继选择的方案，而BC-最优中继方案(BC表示区块链)为本发明提出的基于区块链智能合约的蜂窝小区的中继协作通信方法。

图7给出了当信源电量取2J，中继电量取2J时随着协作通信场景中的中继数目的增多，六种方案能量消耗代价的变化情况。从图中可以看出，因为直接传输方案未使用中继转发数据，其能量消耗代价不会随着中继数目的改变而改变。固定中继方案每次使用相同的中继进行数据转发，其能量消耗代价随着中继数目的改变也是固定不变的。随机中继方案每次选取不同的中继，因而它的能量消耗代价随中继数目的改变，无明显变化趋势，而最大最小方案和调和平均方案的能量消耗代价随中继数的增多呈下降趋势。归结于这两种方案考虑了协作传输第一时隙和第二时隙的信道增益，信道衰落相对较小。BC-最优中继方案的能量消耗代价最低，且能量消耗代价随中继数的增大而减小。此外，随中继数的增多，BC-最优中继方案与最大最小方案，调和平均方案的能量消耗代价的差值也越来越大，说明随着中继数的增多，BC-最优中继方案节约能耗的作用越显著。

图8给出了这六种方案随带宽速率的增大，能量消耗代价的变化情况。可以清楚的看出，这几种方案随着带宽速率的增大，能量消耗代价都是呈增长趋势的。直接传输的能量消耗代价远远高于其他几种方案，而固定中继方案、随机中继方案、最大最小方案、调和平均方案这四种方案，在带宽速率未达到1bps/Hz时，其能量消耗代价高于BC-最优中继方案的。而带宽速率达到1bps/Hz的时候，带宽速率对能耗的影响将远远高于信道增益、电量等其他因素。这几种方案的能量消耗代价的差值将逐渐缩小。由上述的公式(5)也能看出。说明在低带宽速率下，BC-最优中继方案相比较其他方案，表现出了节约能耗的优势。

图9给出了中继电量取2J时，这六种方案随着信源电量的增大，能量消耗代价的变化情况。可以很清楚的看到，这几种方案的能量消耗代价都会随着信源电量的增大而降低。直接传输方案同图7、8，其能量消耗代价总是远远高于其他几种方案的。剩余的五种方案中，固定中继方案和随机中继方案高于最大最小方案、调和平均方案和BC-最优中继方案的能量消耗代价，且有较大差值。就最大最小方案、调和平均方案和BC-最优中继方案而言，BC- 最优中继方案的能量消耗代价是最低的，并且能看出在电池电量越低的情况下，这三种方案能量消耗代价的差值越大。说明在信源电量越低的情况下， BC-最优中继方案对于减少网络中的能耗代价有着越显著的作用。

图10给出了这几种方案能量消耗代价随最大发送功率的变化情况，由说明书给出的公式(5)中的条件C₃可以看出，直接传输的能量消耗代价与最大发送功率无直接关系，所以不会随着最大发送功率的改变而改变，而固定中继方案和随机中继方案随最大发送功率的变化，其能量消耗代价曲线上升幅度明显，而最大最小方案，调和平均方案能量消耗代价与BC-最优中继方案相仿，但是仔细分析，BC-最优中继方案的能量消耗代价略低于这两种方案的。从仿真结果总结出，所选的四个角度的比较中，BC-最优中继方案的能量消耗代价总是低于其他方案。

在图11(a)和图11(b)用户信用值的仿真结果中，表明信用值越高的用户获得的记账次数越多，且当中继发生篡改信息时，其信用值将大大降低，失去作为记账节点的机会。也不会获得***的电子货币奖励。充分表明本发明所提出的方案既可以节能，又可以提高***的安全性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法，无线接入点位于所述蜂窝小区的中心并记为信宿d，有上行传输需求的移动终端MT记为信源s，有J个空闲终端节点作为中继，分别记为r_j(j∈{1,2,...,J})；当信源s电量较低或上行信道质量较差时，信源s利用空闲终端节点为其转发数据；当数据完整的转发到无线接入点后，信源s向中继支付电子货币；电子货币的交易信息和终端节点的信用值被写入区块，区块信息存储在网络的每个节点中，以此公开透明地来激励终端参与协作、防止终端作弊、建立终端节点之间协作的信任基础；整个协作通信的流程被写入区块链的智能合约并自动执行，其中智能合约为电子版的协议，即满足了触发条件就自动执行的程序，合约中包含了各节点的权利和义务，这些权利和义务以电子化的方式存储在区块链网络的每个节点中并且自动执行；其特征在于，

所述的基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法包括以下步骤：

11)建立中继协作通信***模型：基于区块链智能合约建立中继协作通信的***模型；所述建立中继协作通信***模型包括以下步骤：

121)设定信源s广播发送信息，中继r_j和无线接入点d接收数据；

122)中继r_j若采用放大转发AF的方式，将数据归一化后乘以放大系数，再转发到无线接入点d，d的可达速率

定义为：

信源若不使用中继转发数据，采用直接传输DT的方式将数据传输到无线接入点d，d的可达速率Q_DT定义为：

Q_DT＝log₂(1+γ_sd)； (2)

其中，γ_sd、

分别表示信号由信源s直接发送到无线接入点d的信噪比和由中继帮助转发数据的协同支路的信噪比；其表达式如下：

γ_sd＝α_sdp_s， (3)

其中，

分别表示信源s到中继r_j、中继r_j到信宿d、信源s到信宿d的信道模值平方与噪声方差之比；

h_sd分别为信源s到中继r_j、中继r_j到信宿d、信源s到信宿d的信道；

分别为信源s到中继r_j、中继r_j到信宿d、信源s到信宿d的信道噪声的方差；

p_s,

表示信源s和中继r_j的发射功率；

123)定义使信源s和中继r_j的能量消耗代价和最小的优化问题表示如下：

其中，U_j表示信源和中继的能量消耗代价和，

表示信源s电池单位能量的代价ξ_s与当前电池电量B_s的关系，ξ_max表示最大代价值，B_max表示最大电池电量；

对于中继r_j有

其中ξ_rj表示中继电池单位能量的代价，

表示中继当前电池电量；

优化条件C₁表示利用中继进行协作传输时应满足可达速率等于期望值Q，等式由公式(1)令

化简得到；

条件C₂表示满足中继r_j所期望的收益不小于ε_j，ε_j≥0为一个固定值，π_j表示中继r_j帮助信源s进行协作传输时信源s需向中继r_j支付的电子货币，

表示中继的能量消耗代价，

表示中继r_j的总体收益；

条件C₃表示信源s选择中继r_j的条件为信源s在协作通信时的代价小于达到期望速率的直接传输时的能耗代价，其中ξ_sp_s表示信源s的能量消耗代价，而π_j+ξ_sp_s表示信源s在协作通信时的总体支出；

不等式右边的表达式，由公式(2)令Q_DT＝Q得出

再乘以代价值ξ_s得到，表示直接传输时信源s的能耗代价；

条件C₄表示发送功率最大限制，其中p_max表示最大发送功率；

124)定义MT节点信用值的表达式如下：

其中，REP_i,j、REP_i-1,j分别表示对应节点的此次评估信用值和上一次评估的信用值，

表示中继在整个协作传输中所付出的能量消耗代价，而

为信源s和中继r_j的能量消耗代价和；

U_d＝ξ_s*(2^Q-1)/α_sd表示直接传输时信源s付出的能量消耗代价，系数0.5表示各部分所占的权重，λ表示节点篡改信息的次数，节点作为中继转发数据每发生篡改信息时其信用值将被扣1；

12)进行中继协作通信：在中继协作通信模型的基础上，基于区块链智能合约进行中继协作通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法，其特征在于，所述进行中继协作通信包括以下步骤：

21)中继协作通信***初始化：设定在蜂窝网络中每段时间内有新加入网络的移动终端MT，此前其未存储此网络的区块相关的信息；

参与到智能合约的移动终端MT，在受信任的无线接入点进行登记注册后，成为一个合法MT节点，节点MT_j包括钱包地址W_j、信用值REP_j、电子货币π_j；之后节点MT_j向周围节点发送加入区块链的请求信息，小区中的无线接入点和其它终端节点收到后回复该节点，回复信息包括最新的区块信息，该节点收到后将区块信息存储到本地节点中，此过程保证每个节点都含有区块信息以实现区块信息的公开透明；

22)信源进行协作通信时的中继选择：信源s广播协作请求信息，满足条件的空闲节点向信源s回复消息，s根据总体能耗代价值挑选合适的中继r_j，即求解最优化问题(5)，然后通知选中的中继和无线接入点；

23)协作传输和电子货币交易：s钱包里的电子货币π_j被锁定，中继r_j协作s转发数据，无线接入点d验证收到数据的完整性并回信息给s和r_j，之后s中被锁定的电子货币π_j将直接转入r_j的钱包；

24)区块生成和共识过程：所有节点在每次交易后，根据节点信用值表达式(6)更新信用值REP_j，并广播交易记录和节点信用值，由信用值最大的MT节点负责记账，也即是生成区块；

信用值最大的MT节点在记账时，生成账簿和信用值表，将这些信息写入区块，并进行全网广播校验；通过校验的区块以新的链条加入区块链，无线接入点通知所有节点保存区块链。

3.根据权利要求2所述的一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法，其特征在于，所述信源进行协作通信时的中继选择包括以下步骤：

31)信源s广播协作请求信息，协作请求信息中包含自身钱包地址、要发送的数据大小、信源s的当前电量；

32)满足条件的空闲节点向s回复消息；

针对每一个空闲节点r_j，j∈{1,2,...,J}，首先筛选掉网络中信用值较低的中继节点，针对筛选后的每一个中继节点，求最优的p_s,

π_j,U_j，即是利用最优发送功率与定价算法求解最优化问题(7)得到最优的p_s,

以及对应的π_j和U_j；

如果(7)无解，则所有r_j都不向s回复消息，s转为直接发送模式；

如果(7)有解且s钱包里的剩余钱数足够支付交易定价π_j，空闲节点r_j回复信息给信源s表示同意做s的中继，回复信息包括p_s,

和对应的π_j和U_j；

33)s收到所有空闲节点的回复信息后，选择U_j最小的中继，即是针对所有的中继进一步求

通知选中的中继和无线接入点。

4.根据权利要求3所述的一种基于区块链智能合约的蜂窝小区中继协作通信方法，其特征在于，所述最优发送功率与定价算法求解最优化问题(7)包括以下步骤：

41)初始化

42)设i＝1,2,3,...,10，进行循环，每一次循环中的具体步骤如下：

421)令

422)计算每个i所对应

由公式(3)和公式(4)代入公式(7)中的条件C₁消元p_s得到,η＝2^2Q-1；

43)结束循环后，求U_j最小时的

即

并计算对应的

44)判断条件C₂C₃C₄是否满足：

如果满足则最优解为p_s,

的结果，则此时的交易定价为

总能耗代价值为

如果所有r_j都不满足则(7)无解。

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