关键词:
协作频谱感知
区块链技术
共识算法
决策融合
数据融合
摘要:
近年来,随着通信技术的迅猛发展与各种移动应用的不断涌现,无线数据流量呈现爆炸式增长。然而,传统的固定频谱接入机制无法应对频谱需求迅速增长、频谱资源日益紧缺的挑战。在能够解决该问题的动态频谱接入中,频谱感知是关键步骤,决定了频谱空洞能否被正确地检测,是后续频谱分配的基础。
为了应对在广阔区域内对多段频谱进行感知的应用场景,协作频谱感知成为了有效的解决方案,但是,感知中存在安全与感知结果准确性的挑战。与此同时,区块链技术去中心化、不可篡改、可追溯的特性,被认为适宜应用在这种分布式的场景中。在将区块链初步引入频谱领域后,发现区块链的高效共识机制、链上数据安全,以及基于区块链的频谱感知等方面仍有许多值得研究的内容。本文提出了一种基于联盟链的协作频谱感知系统,具有弹性可扩展的特点,利用区块链分布式的特性进行感知结果的传递和融合。本文的主要内容如下:
首先,本文分析了现有相关研究的原理、流程、难点,结合实际应用场景,设计了一种基于拜占庭共识算法(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)的简化共识机制,将基于权重的阈值签名算法应用在该共识机制中,利用根据用户信任产生的权重替代传统联盟链共识算法中采用的消息计数方式,促进整个系统的运转。同时,基于权重的阈值签名算法与混合加密方法相结合,有效地保证了各用户的感知结果在可信的环境下被解密和融合。仿真结果表明,本文所提的共识机制能够有效地缩短节点间通信时延,缩短全链路通信时间,满足频谱感知的频率要求。
其次,本文对用户在协作频谱感知中的信任机制进行了设计,并对感知结果融合分别进行了决策融合和数据融合层面的探讨。其中,对决策融合采用了硬融合机制,对数据融合采用了软融合机制。最后在不同的环境下做了仿真实验。实验结果证明,用户的信任能够有效地区分开作恶用户和诚实用户。在本文所提框架下,本文中决策融合的感知性能在检测概率和虚警概率方面均优于传统PBFT共识机制下进行决策融合的性能,数据融合的感知性能在减小了通信开销的同时,最大限度地保证了检测-虚警曲线的平衡,实现了量化下更好的感知性能,达到了传感的信息比特数与感知性能的平衡。