基于联盟链的移动用户冗余流量交易和共识机制研究

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随着第五代通信技术(The Fifth-Generation,5G)的普及推广,移动终端用户的数据流量需求在快速增长。5G流量套餐机制导致一些用户在部分时段存在大量未使用的流量冗余额度,因此移动数据流量额度转移技术成为一项研究热点。当前,基于IEEE 802.11系列标准的移动热点(Wi-Fi Tethering)技术允许智能手机充当移动接入点(Mobile Access Point,MAP)让其他设备连接使用其蜂窝网络数据流量额度,这使得冗余流量额度转移交易成为提升数据流量价值的有效手段之一。由于移动终端用户出现数据流量额度的冗余和短缺情况在时间和空间上呈现随机分布,导致交易参与者需在彼此陌生的情况下对交易内容进行商定,而联盟链因其分散自治、不可篡改以及可溯源等特点在去中心化的可信数字交易领域引起广泛关注。本文提出基于联盟链的移动终端用户冗余流量额度交易管理方案并展开了如下研究:首先,本文设计了一种基于联盟链的移动终端用户冗余数据流量额度交易机制,在该机制中,冗余数据流量额度交易过程建模为一个三阶段斯坦伯格(Stackelberg)主从博弈模型,数据流量额度需求者、数据流量额度提供者和微基站三者通过联盟链进行数据流量额度交易博弈,其中数据流量额度需求者为领导者、数据流量额度提供者和微基站为跟随者。所有参与者通过非合作博弈方式,对数据流量定价、数据流量额度供应量、网络服务质量进行配给策略优化后,根据博弈获得的最优策略进行交易,提升流量额度交易的效费比(效益和费用的比值)。其次,本文针对基站-移动终端用户联盟链网络提出了基于信誉的分片实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)共识算法。基站作为交易信息共识过程的主要参与者,负责交易信息验证和记录上链。根据基站分布的地理位置信息对基站群进行分片,分片内和分片间均分别进行PBFT共识后形成整体共识。移动终端设备作为轻节点加入联盟链,通过分片共识方式,降低基于PBFT算法联盟链共识所需通信成本,提高共识速度。根据φ失败检测算法,利用基站信誉值和心跳时间间隔判断节点活性。通过删除失活节点,减少无效节点对片内共识的干扰,提升共识效率。最后,本文利用真实数据,对移动用户冗余流量额度交易联盟链的性能进行了仿真验证。仿真结果表明,相较于不参与博弈的流量需求者,即直接购买运营商流量的需求者,参与博弈的流量需求者的效费比有一定提升,随着博弈过程中跟随者数量的增加,效费比提升数值从16.9%增大至72.7%。此外,当基站集群分成四个片区的情况下,基于信誉值分片PBFT共识算法的总路径距离相比PBFT共识算法的共识总路径距离减少了89.1%。
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