基于区块链的6G动态频谱共享技术

刘秋妍　张忠皓　李福昌　冯毅　李佳俊

【摘  要】针对未来6G移动通信网络工作频段更高、覆盖范围更小、建网成本更高、带宽需求更大等问题，分析了6G网络多方共建、频谱动态共享的发展趋势，提出了基于区块链的多方频谱动态共享排队论模型，分析了区块链系统区块体长度对区块处理时延、平均队列长度之间的影响，并结合移动通信网络物理资源分配参数、区块链系统处理能力和业务特征，对基于区块链的频谱动态共享场景进行了仿真对比分析。

【关键词】6G;网络共建;区块链;动态频谱共享

1   6G网络频谱共享趋势

资源受限一直是困扰移动通信网络发展的关键，随着移动互联业务对大带宽、广覆盖需求的进一步提高，向太赫兹频段和天地一体立体化组网架构等领域发展已经成为未来6G移动通信网络演进的必然趋势[1]。但是，更高的工作频段也意味着更大的路径损耗、更小的覆盖半径和更高昂的建网成本，立体化的组网架构同时也将更多的网络运营者，因此，无论是从业务需求、技术痛点还是成本效益角度出发，共建共享都有可能成为未来6G网络建设的重要方向[2]。另一方面，除了电信运营商有授权频谱之外，部分垂直行业也都有相应的专属授权频谱，垂直行业专有授权频谱通常只在一定的地域范围或一定的行业应用领域中使用，并没有形成高效的应用规模，频谱利用效率通常较低，反之大量的垂直行业只能使用有限的非授权频谱。因此，如何高效利用垂直行业和电信运营商的授权频谱为全行业提供公平可信的频谱共享资源也是未来6G网络亟待解决的问题。

在6G网络架构中，如图1所示，卫星运营商通过卫星网络提供广覆盖基础能力，地面电信运营商提供基于太赫兹、毫米波、sub6G频段为主的大带宽热点服务，垂直行业基于专用网络设备通过租赁电信运营商或其他垂直行业授权频段提供专有领域移动网络，个人用户也可以通过部署即插即用设备和租赁频段的方式为个人用户及周边区域提供移动通信网络。在多方参与共建、频谱动态共享的6G网络中，如何公平可信的衡量频谱动态共享状况，实现频谱动态共享交易准确高效实时结算是保障全网稳定运营的关键[3-6]。因此，基于分布式多方共识和智能合约的区块链技术已经成为保障未来6G网络多方共建资源共享的底层技术趋势[7-10]。

2    基于区块链的频谱动态共享系统建模

图2为基于区块链的6G频谱动态共享示意图。

3   仿真与对比分析

在6G共建共享网络中，频谱动态共享和频谱需求是与空口物理资源块最小时域长度相当的，通常是ms级，区块链系统交易处理时延是与系统算力相关的，本仿真假设为μs级，区块体中含有的交易数是由区块链系统设计相关的，通常包含几百至上千个交易。

图3给出了不同区块体长度时，区块链系统处理频谱动态共享交易的平均时延随区块链系统频谱动态共享交易平均处理频率变化曲线。图4给出了不同区块体长度时，区块链系统处理频谱动态共享交易队列平均长度随区块链系统频谱动态共享交易平均处理频率变化曲线。当区块体长度增加时，频谱动态共享交易打包处理时延由亚ms级增加到ms级，频谱动态共享交易在区块链系统平均列长度也会随之增加，但是相对于区块体长度而言，等待队列相长度远小区块体长度，属于系统可接受范围。

4    结束语

基于未来6G移动通信网络工作频段更高、覆盖范围更小、建网成本更高、带宽需求更大等关键问题，本文提出了6G网络多方共建、频谱动态共享的发展趋势和网络架构愿景，指出区块链是保障6G网络公平可信共建共享的关键。本文提出了基于区块链的多方频谱动态共享排队论模型，分析了区块链系统区块体长度对区块处理时延、平均队列长度之间的影响，并结合移动通信网络物理资源分配参数、区块链系统处理能力和业务特征，对基于区块链的频谱动态共享场景进行了仿真对比分析，仿真结果表明当区块体长度增加时，频谱动态共享交易打包处理时延由亚ms级增加到ms级，频谱动态共享交易在区块链系统平均列长度也会随之增加，但是相对于区块体长度而言，等待队列相长度远小区块体长度，属于系统可接受范围。

参考文献：

[1]     ITU. ITU Technical Report： Focus Group on Technologies for Network 2030[R]. 2020.

[2]   赛迪智库无线电管理研究所. 6G概念及愿景白皮书[R]. 2020.

[3]   Nakamoto S. Bitcoin： A peer-to-peer electronic cash system[R]. 2008.

[4]     B N， A K， N H， et al. A Blockcain-Based Network Slice Broker for 5G Services[J]. IEEE Networking Letter， 2019，1（3）： 99.

[5]    Y H， Z Z， L J. Research on Scaling Technology of Bitcoin Blockchain[J]. Journal of Computer Research and Development， 2017，54（10）： 2390-2403.

[6]     I E， A E G， E G S， et al. BitcoinNG： A Scalable Blockchain Protocol[C]//13rd USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation. 2019.

[7]    R P， E S. Hybrid Consensus： Efficient Consensus in the Permissionless Model， Crptology ePrint Archive[R]. 2016.

[8]    J P， T D. The Bitcoin Lightning Network： Scalable Offchain Instant Payments[Z]. 2016.

[9]    K K E， J P S， G L， et al. OmniLedger_ASecure， Scale-Out， Decentralized Ledgervia Sharding[C]//IEEE Symposium on Security and Privacy. IEEE， 2018（1）： 16.

[10]  L L， N V， Z C. A Secure Sharding Protocol for Open Blockchains[C]//ACM Sigsac Conference. ACM， 2016： 17-30.

[11]  Q L， J M， Y C. Blockchain Queue Theory[C]//Computational Data and Social Networks. 2018： 25-40.

作者簡介

刘秋妍（orcid.org/0000-0003-1798-9938）：高级工程师，博士，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，主要研究方向为无线通信与区块链技术。

张忠皓：教授级高级工程师，博士，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，主要研究方向为5G网络、毫米波技术与边缘计算技术。

李福昌：教授级高级工程师，博士，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，主要研究方向为移动通信及无线网络新技术应用。