基于区块链智能合约的动态频谱共享系统和方法

1.本发明涉及区块链领域，更具体地说，涉及基于区块链智能合约的动态频谱共享系统和方法。


背景技术：

2.随着6g移动通信网络、物联网等新一代网络技术的飞速发展，频谱需求量呈爆发式增长，频谱资源作为一种稀缺的资源，由于其在不同时域、频域、空域使用的效率差异较大，传统的静态频谱分配导致授权频段的利用率很低。认知无线电系统中的动态频谱共享系统允许次竞标模块(secondary user,su)通过频谱感知或者接入频谱地理位置数据库来机会性地使用主竞标模块(primary user,pu)的授权频谱资源，以此来提高频谱利用率。但传统的集中式动态频谱共享存在：1)通过集中式的动态频谱共享系统来获得频谱资源数据实现频谱交易以及频谱资源数据存储，这种方式容易受到安全性攻击。攻击者根据其自身的利益篡改频谱数据，从而对频谱交易双方的数据安全产生极大的威胁。2)集中式的动态频谱共享系统存在管理成本高、低扩展性等问题。
3.区块链是一个集加密技术、点对点网络、共识机制等技术于一体的分布式数据库。区块链技术的去中心化特性降低了动态频谱共享受到安全性攻击的概率，其对加密算法以及共识机制的使用保证了频谱交易数据的不可篡改以及可追溯性。同时，在区块链中引入智能合约，通过提前设计好的应用程序，扩展了区块链的应用，保证了交易的有效性。区块链智能合约推动了动态频谱共享与区块链技术的进一步融合。但在传统区块链模式中，由于区块链具有特殊的底层共识协议，链上智能合约无法获得来自外部世界的频谱资源数据。区块链预言机的出现解决了以上问题。区块链预言机可将链上智能合约连接至链下世界，通过预言机机制，预言机节点对授权频谱资源进行整合，竞标模块可以通过对智能合约的调用来询问链下的频谱资源数据。
4.区块链协议erc4907，又被称为“租赁合约”，其为「所有者」和「使用者」之间的协议，实现了nft所有权与使用权的分离，并且实现到期通过代码执行自动收回使用权功能。因此，区块链协议erc4907后续有着广泛的发展前景。
5.目前，已经有研究把区块链智能合约技术和动态频谱共享结合起来。申请人的在先研究已经提出基于区块链协议erc721的非同质化代币(non-fungible token,nft)的动态频谱共享方法，利用其唯一性来映射对应的频谱资源，以此让竞标模块有序的使用频谱资源数据，降低频谱资源使用时竞标模块之间的碰撞。然而，该方法并不适用于区块链协议erc4907。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的基于区块链智能合约的动态频谱共享方法，不能适用于区块链协议erc4907的缺陷，提供一种基于区块链智能合约的动态频谱共享系统和方法，其基于区块链协议erc4907生成非同质化代币频谱券，从而利用该非同
质化代币频谱券具有唯一id和可租赁性的特定映射对应的频谱资源，从而使得使用者可以在租赁期限能获得所述频谱资源的使用权，进而安全、低成本、高扩展地实现了频谱资源的动态共享。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，包括：频谱管理模块、频谱券生成模块、预言机模块、频谱券租赁期限拍卖模块和竞标模块；
8.所述频谱管理模块，用于部署所述预言机模块以及部署智能合约；
9.所述频谱券生成模块用于基于区块链协议erc4907生成频谱券；
10.所述预言机模块用于当所述竞标模块询问频谱资源数据时，将频谱资源数据上传至区块链上，同时触发所述频谱券生成模块向所述竞标模块返回对应的频谱券id；
11.所述频谱券租赁期限拍卖模块用于在所述竞标模块根据所述频谱券id参与频谱券租赁期限拍卖中时，完成对应的频谱券租赁期限的链上拍卖。
12.在本发明所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统中，所述频谱券生成模块进一步用于将频谱券名称、频谱带宽、频谱地理位置和频谱使用时间输入频谱券生成函数，所述频谱券生成函数基于所述区块链协议erc4907生成频谱券并返回频谱券id；
13.所述频谱券生成模块进一步用于将所述频谱券id、租赁者地址和所述频谱券租赁期限输入租赁期限设置函数，所述租赁期限设置函数输出频谱券租用权。
14.在本发明所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统中，所述预言机模块包括多个预言机节点和区块链，所述区块链包括预言机智能合约和竞标智能合约，所述预言机智能合约包括客户端询问频谱资源函数和预言机返还频谱数据函数；所述竞标智能合约包括设置拍卖资格函数和频谱竞标函数。
15.在本发明所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统中，所述竞标模块进一步用于调用所述客户端询问频谱资源函数来问询频谱资源数据。
16.在本发明所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统中，所述预言机节点进一步用于在接收到链下频谱资源数据之后，调用所述预言机返还频谱数据函数以将所述频谱资源数据上传至区块链上。
17.在本发明所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统中，所述频谱券租赁期限拍卖模块进一步用于基于所述竞标智能合约根据所述频谱券id设置与其对应的竞标；所述竞标模块进一步基于所述频谱券id参与竞标。
18.在本发明所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统中，所述频谱券租赁期限拍卖模块进一步用于基于所述频谱券id调用所述设置拍卖资格函数设置所述竞标模块的竞标资格，所述竞标模块调用所述频谱竞标函数参与竞标。
19.在本发明所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统中，所述频谱管理模块进一步用于在竞标结束之后根据竞标结果设置所述频谱券租赁期限和所述租赁者地址，并在频谱资源使用结束后之后，改变所述租赁者地址。
20.本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种基于区块链智能合约的动态频谱共享方法，包括以下步骤：
21.竞标模块向预言机模块询问可用的频谱资源数据；
22.所述预言机模块触发频谱券生成模块向所述竞标模块返回对应的频谱券id，其中
所述频谱券生成模块基于区块链协议erc4907生成所述频谱券；
23.频谱券租赁期限拍卖模块调用竞标智能合约，根据频谱券id设置对应的频谱券租赁期限的拍卖；
24.所述竞标模块根据所述频谱券id参与竞标；
25.竞标结束后，频谱管理模块将频谱券租赁者地址设置成给成功竞标的所述竞标模块；
26.租赁期限结束，所述频谱管理模块将频谱券租赁者地址返回初始值。
27.在本发明所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享方法中，所述频谱券生成模块将频谱券名称、频谱带宽、频谱地理位置和频谱使用时间输入频谱券生成函数，所述频谱券生成函数基于所述区块链协议erc4907生成频谱券并返回频谱券id；将所述频谱券id、租赁者地址和所述频谱券租赁期限输入租赁期限设置函数，所述租赁期限设置函数输出频谱券租用权。
28.实施本发明的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统和方法，其基于区块链协议erc4907生成非同质化代币频谱券，从而利用该非同质化代币频谱券具有唯一id和可租赁性的特定映射对应的频谱资源，从而使得使用者可以在租赁期限能获得所述频谱资源的使用权，进而安全、低成本、高扩展地实现了频谱资源的动态共享。
附图说明
29.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
30.图1是本发明的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统的原理框图；
31.图2是根据本发明的优选实施例的频谱券；
32.图3示出了根据本发明的优选实施例的预言机模块的原理框图；
33.图4示出了根据本发明的优选实施例的预言机节点的信息；
34.图5是本发明的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统的具体竞标流程示意图；
35.图6是本发明的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统在web3前端的实现使用的界面示意图；
36.图7是本发明的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统的竞标结果示意图；
37.图8是本发明的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统的频谱租赁设置示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.区块链智能合约技术提供了一个去中心化的框架来保证在没有第三方参与的情况下实现动态频谱共享。在本技术中，将基于区块链协议erc4907的频谱券、预言机机制、频谱券租赁期限的拍卖应用于动态频谱共享中。
40.图1是本发明的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统的原理框图。如图1所
示，该系统包括频谱管理模块、频谱券生成模块、预言机模块、频谱券租赁期限拍卖模块和竞标模块。
41.所述频谱管理模块，用于部署预言机模块以及部署智能合约。在此，所述智能合约包括预言机智能合约和竞标智能合约，各个智能合约包括对应的函数。下表1中示出了后续智能合约以及其对应函数中示出的变量名称以及其含义。
42.表1变量名称和含义
[0043][0044][0045]
所述竞标模块可以是对频谱资源有需求的竞标节点，所述竞标模块既可以是对频谱资源有需求的主竞标模块pu，其模型为pubuyer＝{pubuyer1、pubuyer2，
…
，pubuyers}；也可以是对频谱资源有需求的次竞标模块su，其模型为su＝{su1，su2，
…
，suj}。竞标模块通过竞标智能合约参与竞标，成功竞标的竞标模块获得频谱资源租赁期限内的使用权。
[0046]
所述频谱券生成模块用于基于区块链协议erc4907生成频谱券。与较常用的基于erc721协议的频谱券相比，本文使用的是频谱券新增加的租赁功能。该功能实现的是在不用改变频谱券的拥有者的情况下，通过租赁其使用期限的形式，让获得该频谱券使用权的竞标模块在租赁期限段内使用对应的频谱资源。
[0047]
所述预言机模块用于当所述竞标模块通过预言机智能合约询问频谱资源数据时，将当前频谱资源数据上传至区块链上，同时触发所述频谱券生成模块向所述竞标模块返回对应的频谱券id。
[0048]
所述频谱券租赁期限拍卖模块，用于在所述竞标模块根据所述频谱券id参与频谱券租赁期限的拍卖中时，完成对应的频谱券的链上拍卖。
[0049]
针对集中式的动态频谱共享所存在的各竞标模块之间使用频谱资源产生碰撞以
及频谱干扰等问题，将基于区块链协议erc4907的nft频谱券应用于本文所设计的动态频谱共享方案中。具体地，所述频谱券生成模块将频谱带宽、频谱地理位置作为输入参数输入如下频谱券生成函数，以获得具有不同id的频谱券，该频谱券id具有唯一性。其生成结果如图2所示，可看到其频谱券id为“1”，其拥有者地址为“0x5c6b0f7bf3e7ce046039bd8fabdfd3f9f5021678”。具体的频谱券生成函数如下函数1所示。所述频谱券生成模块进一步用于将频谱券名称、频谱带宽、频谱地理位置和频谱使用时间输入频谱券生成函数，所述频谱券生成函数基于所述区块链协议erc4907生成频谱券并返回频谱券id
[0050]
函数1：频谱券生成函数
[0051]
输入：_name，_channel，_location，_time
[0052]
输出：spectrumtoken
[0053][0054]
基于区块链协议erc4907的频谱券，具有可租赁的特点。根据竞标成功的竞标模块的地址(即租赁者地址)、频谱券id，租赁期限作为参数，根据租赁期限设置函数可以设置其频谱券租用权。具体地，所述租赁期限设置函数如下函数2所示。所述频谱券生成模块将所述频谱券id、租赁者地址和所述频谱券租赁期限输入租赁期限设置函数，所述租赁期限设置函数输出频谱券租用权。
[0055]
函数2：租赁期限设置函数
[0056]
输入：频谱券id，租赁者地址，租赁期限
[0057]
输出：频谱券租用权
[0058][0059]
竞标模块通过区块链智能合约不能直接询问到链下的频谱资源数据，为解决此问题，本系统引入了预言机模块。本系统通过搭建预言机模块、部署区块链智能合约实现竞标模块通过区块链预言机询问链下频谱资源数据的功能。其预言机模块如图3所示。
[0060]
所述频谱管理模块将感知的频谱资源数据(即图3所示的频谱数据)存储在数据库中，同时设置网页api接口。所述预言机模块包括多个预言机节点和区块链。所述多个预言机节点是由所述频谱管理模块进行搭建，用于将当前频谱资源数据上传至区块链上。图4示出了根据本发明的优选实施例的预言机节点的信息，其中显示了预言机节点地址等信息。所述区块链包括预言机智能合约和竞标智能合约，所述预言机智能合约包括客户端询问频谱资源函数和预言机返还频谱数据函数；所述竞标智能合约包括设置拍卖资格函数和竞标函数。所述竞标模块调用所述客户端询问频谱资源函数来问询频谱资源数据。具体的客户端询问频谱资源函数如下函数3所示。所述竞标模块输入预言机地址和工作id，所述客户端询问频谱资源函数返回可用的频谱资源数据。
[0061]
函数3：客户端询问频谱资源函数
[0062]
输入：预言机地址、工作id
[0063]
输出：频谱资源数据
[0064]
[0065]
所述预言机节点在接收到链下的频谱资源数据之后，调用所述预言机返还频谱数据函数以将所述频谱资源数据上传至区块链上，具体的预言机返还频谱数据函数如下函数4所示。所述区块链输入预言机节点地址，所述预言机返还频谱数据函数返回该预言机节点地址对应的预言机的频谱资源数据。
[0066]
函数4：预言机返还频谱数据函数
[0067]
输入：预言机节点地址
[0068]
输出：频谱资源数据
[0069][0070]
针对通过预言机获得频谱资源数据(即空闲频谱资源)和根据所述频谱资源数据生成的频谱券，所述频谱券租赁期限拍卖模块根据频谱券id设置与之对应的竞标。当竞标模块获得可用频谱资源对应的频谱券id之后，根据所述频谱券租赁期限拍卖模块所设置的id参加频谱租赁期限的竞标。所述频谱券租赁期限拍卖模块和所述竞标模块调用设置拍卖资格函数和频谱竞标函数完成前述步骤。所述频谱券租赁期限拍卖模块用于基于所述频谱券id调用所述设置拍卖资格函数设置所述竞标模块的竞标资格，所述竞标模块调用所述频谱竞标函数参与竞标。具体的，所述设置拍卖资格函数如函数5所示，所述频谱竞标函数如函数6所示，其竞标价格总和要大于当前的最高价(highestbid)，竞标方为有效。
[0071]
函数5：设置拍卖资格函数
[0072][0073]
函数6：频谱竞拍函数
[0074][0075]
图5是本发明的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统的具体竞标流程示意图。首先，频谱管理模块部署预言机模块以及部署智能合约。如前所述，所述预言机模块包括预言机节点和区块链。所述频谱券生成模块用于基于区块链协议erc4907生成频谱券。而当竞标模块需要频谱资源时，参与竞标过程，具体如下。
[0076]
1)竞标模块向预言机模块询问可用的频谱资源数据；
[0077]
2)所述预言机模块触发频谱券生成模块向所述竞标模块返回对应的频谱券id，其中所述频谱券生成模块基于区块链协议erc4907生成所述频谱券，具体生成过程如前所述；
[0078]
3)频谱券租赁期限拍卖模块调用竞标智能合约，根据频谱券id设置对应的频谱券租赁期限的拍卖；
[0079]
4)所述竞标模块根据频谱券id参与竞标；
[0080]
5)竞标结束后，频谱管理模块频谱管理模块将频谱券租赁者地址设置成给成功竞标的所述竞标模块，从而将所述频谱券租赁期限转让给成功竞标的所述竞标模块；
[0081]
6)租赁期限结束，所述频谱管理模块频谱券租赁者地址返回初始值。
[0082]
如图6所示，web3前端的实现使用的是vue+element，通过web3.js和智能合约进行交互。频谱券租赁期限拍卖模块设置本轮竞标时间、收益人地址以及根据频谱券id设置对应的频谱券租赁期限的拍卖。竞标模块根据所设置的频谱券id参与到此次竞标。在本发明的一个优选实施例中，频谱券租赁期限竞标方案选取6位拍卖者，3位su，3位puu。其实验数据如表2所示，其竞标金额单位为ether，具体实现如下所示。
[0083]
表2竞标模块地址和竞标金额
[0084][0085]
1)首先，竞标模块通过预言机机制获得可用频谱资源，同时得到一个与频谱资源所对应的频谱券id。
[0086]
2)频谱券租赁期限拍卖模块根据频谱券id设置与之对应的频谱券租赁期限的拍卖，同时会触发智能合约事件。竞标模块在获得频谱券id之后，根据其接收到的事件内容，在网页前端输入与之对应的频谱券id参与到此次的竞标中。
[0087]
3)在竞标时间范围内，竞标模块可以通过beneficiary按钮来获取共享空闲频谱资源的拍卖者的地址，验证其地址和监听事件中的拍卖者地址是否一致。竞标模块通过highestbid按钮来获取当前的最高竞标金额，来决定是否继续参与竞标。竞标模块在value输入框填入竞标金额，然后，点击setbid按钮，调用频谱竞标函数参与竞标，竞标金额以ether为单位。
[0088]
4)拍卖结束，竞标模块竞标结果如图7所示，出价最高者的账户地址为：0x17f6ad8ef982297579c203069c1dbffe4348c372，其竞标金额10ether。未成功竞标频谱资源的竞标模块可以点击withdraw按钮来撤回之前参与竞标所支付的竞标金额。
[0089]
5)在拍卖结束之后，该系统自动触发auctionend函数来获取最高价竞标者所付的竞标金额10ether。同时，频谱管理模块设置其频谱资源所对应的频谱券租赁期限、租赁者，其结果如图8所示。
[0090]
实施本发明的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统和方法，其基于区块链协议erc4907生成非同质化代币频谱券，从而利用该非同质化代币频谱券具有唯一id和可租赁性的特定映射对应的频谱资源，从而使得使用者可以在租赁期限能获得所述频谱资源的使用权，进而安全、低成本、高扩展地实现了频谱资源的动态共享。其次，设计预言机机制，用户可通过区块链预言机获得链下空闲频谱资源，实现频谱资源数据的上链。然后，设计频谱券租赁期限拍卖的智能合约，竞拍成功者可以在其租赁期内获得对该频谱的使用权。最后，利用vue框架实现了用户可在前端页面参与到竞拍的功能。实验结果表明，该方案利用区块链技术来实现动态频谱共享的数据存储，区块链技术以去中心化的方式，通过对加密算法的使用保证了频谱数据的不可篡改以及透明性，同时该方案具有低成本、高可扩展性的优势。
[0091]
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
[0092]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，其特征在于，包括：频谱管理模块、频谱券生成模块、预言机模块、频谱券租赁期限拍卖模块和竞标模块；所述频谱管理模块，用于部署所述预言机模块以及部署智能合约；所述频谱券生成模块用于基于区块链协议erc4907生成频谱券；所述预言机模块用于当所述竞标模块询问频谱资源数据时，将频谱资源数据上传至区块链上，同时触发所述频谱券生成模块向所述竞标模块返回对应的频谱券id；所述频谱券租赁期限拍卖模块用于在所述竞标模块根据所述频谱券id参与频谱券租赁期限拍卖中时，完成对应的频谱券租赁期限的链上拍卖。2.根据权利要求1所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，其特征在于，所述频谱券生成模块进一步用于将频谱券名称、频谱带宽、频谱地理位置和频谱使用时间输入频谱券生成函数，所述频谱券生成函数基于所述区块链协议erc4907生成频谱券并返回频谱券id；所述频谱券生成模块进一步用于将所述频谱券id、租赁者地址和所述频谱券租赁期限输入租赁期限设置函数，所述租赁期限设置函数输出频谱券租用权。3.根据权利要求2所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，其特征在于，所述预言机模块包括多个预言机节点和区块链，所述区块链包括预言机智能合约和竞标智能合约，所述预言机智能合约包括客户端询问频谱资源函数和预言机返还频谱数据函数；所述竞标智能合约包括设置拍卖资格函数和频谱竞标函数。4.根据权利要求3所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，其特征在于，所述竞标模块进一步用于调用所述客户端询问频谱资源函数来问询频谱资源数据。5.根据权利要求4所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，其特征在于，所述预言机节点进一步用于在接收到链下频谱资源数据之后，调用所述预言机返还频谱数据函数以将所述频谱资源数据上传至区块链上。6.根据权利要求5所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，其特征在于，所述频谱券租赁期限拍卖模块进一步用于基于所述竞标智能合约根据所述频谱券id设置与其对应的竞标；所述竞标模块进一步基于所述频谱券id参与竞标。7.根据权利要求6所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，其特征在于，所述频谱券租赁期限拍卖模块进一步用于基于所述频谱券id调用所述设置拍卖资格函数设置所述竞标模块的竞标资格，所述竞标模块调用所述频谱竞标函数参与竞标。8.根据权利要求6所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，其特征在于，所述频谱管理模块进一步用于在竞标结束之后根据竞标结果设置所述频谱券租赁期限和所述租赁者地址，并在频谱资源使用结束后之后，改变所述租赁者地址。9.一种基于区块链智能合约的动态频谱共享方法，其特征在于，包括以下步骤：竞标模块向预言机模块询问可用的频谱资源数据；所述预言机模块触发频谱券生成模块向所述竞标模块返回对应的频谱券id，其中所述频谱券生成模块基于区块链协议erc4907生成所述频谱券；频谱券租赁期限拍卖模块调用竞标智能合约，根据频谱券id设置对应的频谱券租赁期限的拍卖；所述竞标模块根据所述频谱券id参与竞标；
竞标结束后，频谱管理模块将频谱券租赁者地址设置成给成功竞标的所述竞标模块；租赁期限结束，所述频谱管理模块将频谱券租赁者地址返回初始值。10.根据权利要求9所述的基于区块链智能合约的动态频谱共享方法，其特征在于，所述频谱券生成模块将频谱券名称、频谱带宽、频谱地理位置和频谱使用时间输入频谱券生成函数，所述频谱券生成函数基于所述区块链协议erc4907生成频谱券并返回频谱券id；将所述频谱券id、租赁者地址和所述频谱券租赁期限输入租赁期限设置函数，所述租赁期限设置函数输出频谱券租用权。

技术总结
本发明涉及基于区块链智能合约的动态频谱共享系统，包括频谱管理模块、频谱券生成模块、预言机模块、频谱券租赁期限拍卖模块和竞标模块。所述频谱管理模块用于部署所述预言机模块以及部署智能合约。所述频谱券生成模块用于基于区块链协议ERC4907生成频谱券。所述预言机模块用于当所述竞标模块询问频谱资源数据时将频谱资源数据上传至区块链上，同时触发所述频谱券生成模块向所述竞标模块返回对应的频谱券ID。所述频谱券租赁期限拍卖模块用于在所述竞标模块根据所述频谱券ID参与频谱券租赁期限拍卖中时完成对应的频谱券租赁期限的链上拍卖。使用者可以在租赁期限能获得频谱资源的使用权，进而安全、低成本、高扩展地实现了动态共享。了动态共享。了动态共享。


技术研发人员：陈彬 潘亮 叶力涛
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/7