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基於區塊鏈的物聯網數據共享與應用系統物聯網依託各種傳感設備、無線網絡傳輸和數據分析平台，可以實現物理世界的整體感知、可靠傳輸和智能處理，極大提高了生產和運行效率，被廣泛應用於智能製造、智慧物流、智慧交通、智慧城市等場景中。在信息技術創新發展的推動下，物聯網技術必將成為新一輪科技革命的核心驅動力，為產業變革注入新鮮活力。物聯網技術和應用也是新型基礎設施的重要組成部分，具有廣闊的應用前景。5G 技術的商業化應用，將開啟一個「萬物互聯」的時代。華為預測，到2025 年，通過 5G NB-IoT 連接的設備數量將超過 1000 億台，並將保持指數型爆發式增長的態勢。

簡介

物聯網設備的增長使得基於物聯網的各類智能應用層出不窮。例如，在移動通信行業，動態頻譜共享已成為緩解頻譜資源供需矛盾的重要手段。通過對海量頻譜感知設備採集數據的分析，可獲得特定區域的頻譜態勢信息和各類通信業務的頻譜使用特徵，為跨運營商跨業務動態頻譜共享分配決策提供支撐。但是，物聯網感知數據也可能間接導致感知節點的隱私泄露。同時，由於頻譜感知同樣需要耗費一定的能源和資源，使得部分私有節點不願主動參與頻譜感知過程。

如何更好的激勵更多的物聯網設備參與頻譜感知、同時保證感知節點的隱私信息不被泄露成為關鍵挑戰。

二、系統概述

針對目前物聯網設備缺乏數據共享動機及隱私泄露等問題，本項目以頻譜數據數據共享為例開展深入研究，提出了基於區塊鏈的物聯網數據共享與應用系統，以打破數據孤島，促進數據的融合與治理，提升數據價值。如圖 1 所示，本系統以 Stackelberg 博弈模型、共識算法和 TDOA 定位技術等理論為基礎，重點研究與突破基於區塊鏈的群智感知技術、優化可拓展的共識機制和基於多源數據融合的定位與跟蹤技術，利用 Hyperledger Fabric 平台設計了物聯網數據共享模塊、區塊鏈服務（BaaS）模塊和定位與跟蹤實測分析模塊，以實現物聯網數據的可信採集、安全共享和可靠應用。

2.1 系統模型

本系統模型主要包含四部分內容：（1）感知節點響應監測任務，用戶向感知節點發布監測任務，感知節點根據自身資源及任務信息決定是否響應監測任務，這一過程依據提出的基於區塊鏈的群智感知技術實現；（2）監測數據上鏈，分布式部署的感知節點將感知數據加密上傳至雲數據庫，雲數據庫返回數據存儲地址，節點提取數據特徵，並將數據特徵 Hash 和 URL (Uniform Resource Locator，統一資源定位器)提交至區塊鏈網絡，共識完成後數據特徵被寫入區塊鏈，後將數據所在的區塊信息返回給感知節點；（3）用戶數據購買，用戶可在物聯網數據共享平台上搜索查詢數據，併購買所需的數據。用戶將數據購買請求提交至數據共享平台，數據共享平台在鏈上查詢數據記錄，並將用戶所需的數據信息（數據摘要、數據存儲地址）反饋給用戶，在用戶完成費用支付後，可從雲數據庫獲取原數據；（4）數據融合利用，用戶購買頻譜數據後，採用本項目提出的基於多源數據融合的定位與跟蹤技術，以實現對某一干擾源的靜態/動態定位與跟蹤。

本系統整體採用模塊化的設計思想，將數據採集、數據共享與定位跟蹤獨立開來，從而提高系統的可擴展性。物聯網數據共享平台作為本系統的前端，包含用戶註冊/登錄、任務發布、數據上傳和數據交易等功能，其通過相應的應用支撐接口連接後端。此外，我們設計了 BaaS 平台，以圖形化呈現後端監測管理情況。本系統部署在雲平台（即南航計算機中心服務器）上，能夠保證系統安全、便捷訪問，本系統的具體設計詳見技術方案部分。

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2.2 關鍵技術

基於區塊鏈的物聯網數據共享與應用系統模型，我們重點研究了三項關鍵技術，即基於區塊鏈的群智感知技術、優化可拓展的共識機制和基於多源數據融合的定位與跟蹤技術，這三項技術層層遞進，每一個都是相關領域的重難點問題，具體如下：

⚫ 基於區塊鏈的群智感知技術，即利用區塊鏈技術，激勵感知節點加入移動群智感知任務，使得請求者的任務能夠更快、更有效地被完成。其關鍵在於如何解決用戶與感知節點之間的信任問題。

⚫ 優化可擴展的共識機制，即優化現有的共識算法，以支持網絡節點的動態加入或退出，提高系統的可擴展性。其關鍵在於如何解決在節點動態變化情況下共識節點仍能高效達成共識的問題。

⚫ 基於多源數據融合的定位與跟蹤技術，即採用TDOA（到達時間差定位）技術，對多個節點捕獲的 I/Q 雙通道電磁信號利用改進後的廣義互相關算法實現時延估計，並使用 Chan 算法完成信號源的定位與跟蹤。其關鍵在於如何在有限採樣頻率下獲取高精度的時間延遲，從而降低定位誤差。

2.3 模塊化設計

在基於區塊鏈的物聯網數據共享與應用系統模型指導下，結合關鍵技術的研究與用戶的操作習慣，我們將本系統的功能分為三個模塊，即物聯網數據共享應用模塊、區塊鏈服務(BaaS)模塊和定位與跟蹤實測分析模塊。物聯網數據共享應用模塊包含了基於區塊鏈的群智感知技術，區塊鏈服務(BaaS)模塊包含了優化可擴展的共識機制，定位與跟蹤實測分析模塊包含了基於多源數據融合的定位與跟蹤技術。各模塊說明如下：

⚫ 物聯網數據共享模塊，主要完成感知節點和用戶的註冊/登錄，感知節點對監測數據的發布和上鏈，用戶對上鏈數據的搜索和購買。該模塊支持感知節點對自身已上鏈數據的查詢，支持用戶對所購買的歷史數據的查詢和對上鏈數據的投訴。

⚫ 區塊鏈服務(BaaS)模塊，主要完成應用業務與聯盟鏈底層（例如Hyperledger Fabric）之間的連接，將區塊鏈記賬能力、區塊鏈應用開發能力、區塊鏈配套設施能力等轉換為圖形化界面（GUI）和應用編程接口（API）。用戶可在此模塊快速部署區塊鏈，並對區塊鏈運行情況進行測試和監控。

⚫ 定位與跟蹤實測分析模塊，主要完成用戶對購買的頻譜數據進行跟蹤與定位，首先對原始數據路徑、節點坐標、定位開關的初始化，其次顯示輻射源位置或軌跡，並與實際軌跡進行對比，最後在面板上顯示出輻射源的地理位置與定位誤差。

三、體系架構設計

本系統的體系架構設計如圖 3 所示，採用 B/S 的開發方式，即前端顯示和後台服務分別開發。前端為圖形化的可操作界面，採用了 Vue 架構編寫，選擇的編程語言是 html、vue、js，支持用戶註冊登錄、數據上鏈、數據交易、歷史記錄溯源、資源投訴等功能。前端獲取用戶操作數據後提交至後台服務，即後端。後端算法使用的開發語言為 matlab，包括群智感知算法和基於多源數據融合的定位與跟蹤技術。後端區塊鏈架構採用 Hyperledger Fabric 2.2.0 版本設計，主要包含共享賬本、智能合約（chaincode）和共識算法等核心技術，其中優化可擴展的共識機制採用 go 語言編寫。後端獲取前端數據後，聯盟節點進行交易共識，共識完成後將數據關鍵特徵信息寫入共享賬本。在 BaaS 模塊可查看共享賬本中的區塊信息，如區塊Hash、所屬通道、生成時間等，同時也可進行節點管理、智能合約管理、通道管理和訪問角色管理等。