一种设备接入无线网络的方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种设备接入无线网络的方法。

背景技术

数字货币的兴起使得其背后的驱动技术——区块链引起了学术界广泛的研究兴趣，如，讨论在未来如何应用区块链来改造各种类型的工业，包括食品加工、运输、卫生和能源等。其中区块链和无线接入网络(RAN)的集成是一个热门的研究课题。区块链技术可以在没有中央控制器的情况下，在一组地理上分布但相互连接的节点之间维护共识，这种应用场景符合现有和未来无线网络中的众多用例。诸如长期演进(LTE)的蜂窝系统中的上行链路传输通常基于调度请求和基于授权的接入机制。也就是说，在执行上行链路传输之前，用户终端必须首先请求无线电资源，然后从基站接收许可，这种集中调度和授权的方式效率较低。因此免授权的上行链路接入更具价值。

随着新兴无线技术的巨大发展，RAN正在变得高度异构、更加复杂。RAN的运营商必须依靠其独立的基础设施和频谱来提供数据，通常会导致重复、冗余和低效。当前部署的接入点(APs)之间没有在现有的RAN架构中进行协调，因此利用率低下。受此限制，用户无法使用更高质量更经济的服务。分布式的拓扑结构相较于易受单点故障影响且难以扩展的集中式架构，可能更适合具有大量连接的RAN用例。

DAG是近些年来区块链项目的技术热点之一，在数学角度上，DAG是一个无回路的有向图，无法从某个顶点出发经过若干条边回到该点。相较于传统线性结构的区块链，DAG可以提高区块链的延展性和交易吞吐量，避免因网络延迟和数据同步造成的时间浪费。

发明内容

本发明的目的是基于区块链技术创建安全的网状网络B-RAN，通过每个注册设备相互进行识别和认证，可以在网络中取消中央实体的存在，使得两个不可信设备之间的交易(通信)仍然可以安全地进行。将区块链引入无线通信中，可以将多个无信任的网络整合成更大的共享网络，单个接入点被组织进B-RAN并商品化，减少接入点冗余和重复，提高接入点的利用率，提升用户的使用感。

本发明的主要工作是基于区块链原理，提出一种分布且安全的无线接入方法B-RAN。通过区块链技术可以不依靠集中式结构奠定坚实的信任基础，创造可靠的合作机制。需要关注的是很多基于传统共识的区块链系统有严重的可扩展性限制和服务延迟问题，这对快速发展的无线网络技术来说是无法接受的。针对上述问题，SPECTRE、Conflux和OHIE等新的共识协议提出了多种改进方案，期待从区块大小和出块时间等方面提升区块链系统的吞吐量、降低交易延迟。

本发明的技术方案为：

一种设备接入无线网络的方法，包括以下步骤：

S1、网络服务提供商在区块链网络中公布自己的服务标准，所述服务标准至少包括服务类型和收费标准；

S2、设备选择网络服务提供商并提供申请，从网络服务提供商获得网络服务协议；

S3、设备根据自身的接入需求与网络服务提供商达成网络服务协议，同时生成相应的智能合约；所述智能合约中至少包括服务提供方、服务接收方、服务类型、服务目标、收费标准、交易双方的权责；

S4、网络服务提供商根据智能合约交付网络服务；

S5、网络服务提供商将被执行的智能合约进行广播，其他节点基于双方的数字签名对智能合约进行验证后，由区块贡献节点将合约写入区块链；具体为：

网络中任意节点将网络中广播的所有经过验证的智能合约按照时间戳排序并打包成一个区块，发布到区块链上，区块的大小被限制在设定的范围内，区块的具体生成方式为基于hash-based puzzles来生成区块：

H(HP+DP+TS+ID+N)

其中，HP代表上一区块的哈希值，DP代表区块中的交易数据，TS为当前时间戳，ID为设备的认证标识，N为随机值，GT为设定的目标范围；

生成区块获得的奖励为：

Δt＝t

P＝∑p*f(Δt)

其中，t

同时，每个区块贡献节点在构建区块时，需要监听网络中广播的所有区块，并在本地维护一个有向无环图结构的区块链，挖出的新区块的父边指向主链中的最后一个区块，除了一条父边以外，每个新加入的区块需要引用在它之前的所有未被引用的区块，使得当合法的区块被广播之后，系统中的所有节点都会获得一个结构一致的有向无环图，即一个公开的交易数据库。

本发明的有益效果为，减少接入点冗余和重复，提高接入点的利用率，提升用户的使用感。

附图说明

图1为基于本发明方法的用户接入网络流程图；

图2为本发明的有向无环图的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述；

本发明的方法可以理解为构建了一个基于地理位置组成的需认证区块链系统，为了便于描述，将其简述为B-RAN，该系统旨在解决一定地理范围内的设备接入无线网络问题：如何在不可信的服务提供商和不可信的用户设备之间达成交易即提供服务，具体的地理范围大小由该区域的接入网络需求决定。系统中的对等节点主要由拥有网络接入需求的用户设备和网络服务提供商(或网络服务提供商的单个接入点)组成。每个节点在进入区块链系统前需要经过身份认证，用户设备由设备生产时获得的唯一设备识别码进行认证，接入点由所属的服务提供商提供认证。

基于新的共识协议设计合理的无线接入方案：当设备有数据传输需求时，网络内节点可以参考区块链提供的历史交易数据，就自身需求对网络服务提供商提供的方案进行衡量和选择，设备通过智能合约向网络服务提供商提议它打算使用的无线电资源子集，并与之达成一致，服务方通过执行智能合约交付网络服务。执行后的智能合约得到对等节点的验证之后被记录在区块链上。

B-RAN用户访问网络流程：

i.在接入准备阶段，每个服务提供商在区块链网络中公布自己的服务类型、服务质量和收费标准供用户设备进行选择。

ii.用户设备向选定的服务提供商申请，获得服务提供商的服务协议模板。

iii.用户设备依据自身接入网络需求与服务提供商就服务协议内容达成一致。

iv.服务协议的具体内容以智能合约的方式执行，服务提供商根据智能合约交付网络服务。

v.服务提供商将智能合约进行广播，其他节点对智能合约进行验证(主要是数字签名的验证)之后，等待区块贡献节点将合约写入区块链。

基于上述流程，用户设备可以根据不同接入点提供的服务协议选择与不同的接入点签订短期合约，接受更高质量的服务，短期可以是几分钟甚至几个小时。

下面详细描述B-RAN中的关键特征：

智能合约

为了保证交易的有效性，传统的的区块链共识协议提出了一个“确认区块”的概念，协议规定：一个交易所在的区块只有处在最长链上，且该区块之后有6个确认区块才能以较大的概率认为该交易已经完成。“确认区块”的设置保证了交易的安全性，然而这也是基于传统共识设计的区块链系统中交易延迟过长问题的根源所在(比如，系统平均每十分钟出一个块，也就意味着一个交易的平均确认时间为1小时)。若延用该机制，则意味着在B-RAN系统中采用“先上链，后服务”的业务流程，除了出块速率对服务延迟的影响，系统中网络接入需求增大也将导致用户设备等待服务的时间过长，无法达到令人满意的效果。

为了解决上述问题，B-RAN系统采用智能合约的方式规范化交易，保证交易的原子性和正确性，实现“先服务，后上链”的交易流程以兼顾服务效果和交易安全性两方面性能。在B-RAN区块链系统中，为了降低由传统传统共识引起的高延迟和低吞吐率对接入网络业务的影响，智能合约是一个重要的组成部分。智能合约能够以信息化的方式在B-RAN系统中传播和执行用户设备和接入点共同协商的服务协议。

服务提供方、服务接收方、服务类型、服务目标、收费标准、交易双方的权责和面对所有可能的交易结果(服务失败、服务成功和服务中断等)的处理方式都被事先定义在智能合约中，在一定的触发条件下，执行的智能合约可以接受外界信息(交易执行情况)、处理外界信息并执行相应操作达到最终状态，完成智能合约的执行。

B-RAN公共数据库

在“先服务，后上链”的交易流程下，与普通区块链系统中将区块链看作公共账本的观点不同，B-RAN系统中的区块链只承担其作为公共数据库的职能。更深入的讲，在基于传统共识建立的区块链系统中，一个交易只有上链并拥有6个确认区块之后才能被看作是合法有效的，因此记账(构建区块)的意义不仅仅在于记录，而在于通过记账使得交易被认可，以确保交易完成并证明其完成状态。这种“记账”的职能使得“确认区块”等机制的确立必不可少，若对其进行修改则可能危及区块链系统的安全性。然而在接入网络(RAN)中引入区块链并非是将区块链作为用户设备与接入点之间的电子现金系统，而是利用区块链系统公开、不可篡改的天然优势在互不信任的用户设备和服务提供商之间进行历史交易信息公开，提升双方可信度以及双向选择的效率。

构建区块

B-RAN中的任意节点都拥有构建区块的资格，可以将网络中广播的所有经过验证的智能合约按照时间戳排序并打包成一个区块，发布到区块链上。为了避免区块传播延迟对区块链一致性的影响，区块的大小(即打包交易的数量)被限制在一定的范围内。在工作量证明共识机制的启发下，B-RAN系统中的区块贡献节点在构建区块时也需要解决相应难度的Mining Puzzle作为工作量证明，只有正确完成工作量证明的区块才会被其他节点接受并获得构建区块奖励。通过难度调整机制使得系统的整体出块时间维持在一个稳定的范围内。在B-RAN系统中完成工作量证明不需要消耗巨大的算力，因为节点在构建区块过程中引入了区块贡献节点的身份识别码，保证构建区块安全性和公平性的同时降低工作量证明的难度，避免无谓的消耗。

挖掘模型：基于hash-based puzzles来生成区块

H(HP+DP+TS+ID+N)

·HP(hash pointer)：代表上一区块的哈希值

·DP(data payload)：代表区块中的交易数据

·TS(timestamp)：当前时间戳

·ID：设备的认证标识

·N(nonce)：随机值

·GT(given target)：给定的目标范围

交易验证

在B-RAN系统中，一个交易所有的状态、交易的所有细节包括服务费支付都被定义在智能合约中，在合约执行过程中自动完成，所有执行完成的智能合约都将被忠实的记录在区块链上。作为公共数据库，区块链上的交易需要保证有效性，才能发挥其参考价值。由于网络中被广播的智能合约均已被执行，因此对智能合约的验证主要是对交易双方的数字签名进行验证，只有经过认证的节点才能在系统中发布交易。简单的数字签名的验证过程也降低了验证智能合约的时间成本。

激励机制

对于区块链中的节点来说，记录在区块链上的交易越“新”，价值越大，为了激励区块贡献节点打包更多新发生的交易，B-RAN中成功构建区块的区块贡献节点获得的受益由交易费构成，区块链中并不提供单独的出块奖励。打包每笔交易的交易费均提前定义在交易的智能合约中。同时区块贡献节点获得的交易费随着交易的“新旧”程度递减。

Δt＝t

P＝∑p*f(Δt)

t

最重链共识

在传统的最长链共识下，打包至区块链的交易数受到区块大小和出块时间的限制，而对于B-RAN架构来说，安全性、吞吐量和快速确认几个特性决定了B-RAN架构的有效性。为了提高吞吐量，参考Conflux系统，B-RAN系统采用最重链共识并利用DAG(有向无环图)提升区块链吞吐量。

在B-RAN中，每个区块并不只引用一个父区块，而是包含两种边，父边和引用边。父边和引用边共同构成一个有向无环图。B-RAN系统采用最重链规则从有向无环图中确定一条主链：从创世区块开始，迭代地选择拥有最大子树的子区块作为下一个主块，直到最后一个区块。

每个区块贡献节点在构建区块时，需要监听网络中广播的所有区块，并在本地维护一个有向无环图结构的区块链，其挖出的新区块的父边应该指向主链中的最后一个区块。除了一条父边以外，每个新加入的区块需要引用在它之前的所有未被引用的区块。在这样的结构下，当合法的区块被广播之后，系统中的所有节点都会获得一个结构一致的有向无环图，即一个公开的交易数据库。

如图1所示，用户设备UE1依据自身接入网络需求向接入点AP1请求智能合约模板，并与之就智能合约细节协商一致，执行完成的智能合约sc1被广播到网络中，再由区块贡献节点Minner 1进行验证，打包到区块中，发布在区块链上。

在图2所示的有向无环图中，依据最重链规则选取的主链为Genesis<-C<-E<-H<-J，并因此划分出5个epoch，分叉区块所属的epoch由主块对其的引用关系决定，除了重复打包的交易，分叉区块中的其他交易也是有效的。图中，打包区块C的区块贡献节点可以获得TX 0和TX 1的交易费，打包区块G的区块贡献节点只能获得TX 2的交易费，区块中的TX 1交易被视为无效，打包区块J的区块贡献节点可以获得TX 3的交易费，区块中的TX 2交易被视为无效。