基于联盟链的端边云协同电磁频谱管理系统设计

王春琦，丁晓欢，王 豪，张 明，钱肇钧

（1.国家无线电监测中心，北京 100037；2.成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川 成都 610073）

0 引言

针对未来超大规模、超密部署的工业互联网和物联网无线设备接入需求，新一代移动通信系统面临频谱资源短缺的严峻挑战[1]。因此，设计动态且灵活的频谱共享接入策略，对特定区域的频谱资源进行动态监测和评估，减少违规用频和非法干扰的产生，在降低系统监管开销的同时，实现对频谱资源的高效利用至关重要[2]。

传统的频谱监测网络与频谱接入策略推理应用相互独立，使得精确的动态频谱共享基本无法实现[3]。鉴于目前大多数频谱使用设备无法实时获取所在区域详细的电磁环境状态信息，只能按照传统的静态许可方案使用频谱资源[4]。为了实现精确的频谱动态共享，一方面需要频谱使用设备和频谱感知设备之间的数据互联互通[5]；另一方面需要海量的频谱感知设备参与频谱监测工作，以便频谱数据在时域、频域和空域实现更高的分辨率和覆盖率[6]。

区块链技术的出现和发展为实现上述安全、高效、动态的频谱管理提供了新的可能[7]。目前区块链系统可分为公有链、私有链和联盟链[8]。联盟链是一种许可区块链，每个用户在请求接入网络之前都需要先进行注册认证，每个频谱区块的添加由拥有记账权的预选节点通过共识验证共同完成[9]。因此，为缓解系统计算和存储压力，适应不断增长的用户规模，联盟链更加适合构建安全、可信、高效的分布式电磁频谱管理系统[10]。

1 体系架构

基于联盟链的端边云协同电磁频谱管理系统体系架构设计如图1所示，主要包括频谱管理云服务器、移动基站边缘服务器和频谱感知终端设备。

图1 基于联盟链的端边云协同电磁频谱管理系统体系架构

其中，频谱管理云服务器采取集中式部署进行组网和管理，移动基站边缘服务器和频谱感知终端设备采取分布方式部署进行组网和管理。频谱管理云服务器主要负责频谱感知任务发布，空闲频谱分配与回收，设备接入注册认证，频谱币奖励发放等。移动基站边缘管理云服务器主要负责频谱感知任务广播、频谱数据传输存储、频谱区块共识验证等，频谱感知终端设备主要负责频谱数据监测采集和预处理。所述联盟链是一种许可区块链，用户在请求接入网络之前需要先进行注册认证，然后通过预选节点完成共识验证过程。

2 功能模块

基于联盟链的端边云协同电磁频谱管理系统功能模块组成如图2所示，主要包括频谱数据采集模块、频谱数据传输模块、频谱区块生成模块和频谱数据交易模块。

图2 基于联盟链的端边云协同电磁频谱管理系统功能模块

2.1 频谱数据采集模块

频谱感知终端设备根据统一的标准数据格式采集特定地理区域、指定频率范围和一定时间跨度的电磁空间环境频谱数据并进行预处理。频谱数据不仅随着采集时长、频段范围和地理空间范围的增加而增大，而且随着时间、频段和空间分辨率的增加而增大。通过将异常频谱数据剔除后上传至最近的边缘服务器，从而减小需要交互的频谱数据量。频谱感知终端设备包括但不限于消费级和工业级产品，如智能手机、个人计算机、智能家居、固定监测站、移动监测车和手持监测仪等具备无线电信号接收功能的装置。当然，频谱感知终端设备可根据自身所处地理位置、设备运行状态和软硬件性能等选择是否响应感知任务。

2.2 频谱数据传输模块

利用非对称加密算法，对频谱数据进行传输和存储，并定期进行删除和更新操作以保证其轻量化。频谱管理云服务器定期向移动基站边缘服务器发布频谱感知任务，并对响应感知任务的移动基站和终端设备进行接入请求注册认证；移动基站边缘服务器将接收来自频谱管理云服务器发布的感知任务，并对任务内容向附近的终端设备进行实时广播；频谱感知终端设备根据任务要求响应频谱数据采集工作，并将预处理后的频谱数据上传至最近的边缘服务器。

2.3 频谱区块生成模块

移动基站边缘服务器通过分布式共识协议验证终端设备上传的频谱数据一致性，生成频谱子区块并将其上传至频谱管理云服务器，添加至频谱区块链，供其他边缘服务器和终端设备查询和下载使用，如图3所示。首先边缘服务器将其收到的终端设备上传的频谱数据实体进行抽象打包生成频谱数据摘要，并通过非对称加密和数字签名生成待添加的频谱子区块；然后基于实用拜占庭容错机制对待添加的频谱子区块进行分布式共识，验证终端设备上传的频谱数据一致性，确保在数据传输过程中不被篡改；最后将通过验证的频谱子区块根据时间戳添加至频谱管理云服务器中的频谱区块链末端，使其成为新的频谱区块。频谱数据实体则存储在移动基站边缘服务器本地。

图3 基于联盟链的端边云协同电磁频谱管理系统共识机制

所述频谱数据摘要包括但不限于终端设备序列号、采集地理区域、采集起止时间、采集频段范围、采样分辨率以及频谱数据实体在边缘服务器磁盘阵列中的存储位置索引等。根据唯一的终端设备序列号和边缘服务器磁盘阵列中的存储位置索引，其他边缘服务器和终端设备可以快速精准查询和下载使用对应的频谱数据实体。

2.4 频谱数据交易模块

用于频谱管理云服务器根据约定的激励机制发行和流通频谱币及配套策略，支撑更大范围的频谱感知和精确的动态共享。频谱管理云服务器在发布频谱感知任务的同时释放一定数量的频谱币，用于奖励采集上传频谱数据的终端设备和参与共识验证的移动基站，从而获取更大范围和更高质量的电磁频谱数据，完成对指定区域频谱资源的动态监测和评估，减少违规用频和非法干扰的产生，支持更精确的频谱共享。例如，当某地区非授权用户申请使用该地区空闲频谱时，首先通过接入最近的边缘服务器访问频谱管理云服务器实时查询频谱区块链；然后根据公开的频谱数据摘要信息找到感兴趣的频谱区块；接着支付一定数量的频谱币下载所需要的频谱数据实体；最后基于所下载的频谱数据来推理当前的电磁环境，选择优质的可用频率资源动态接入。

所述频谱币作为一种在系统内发行和流通专用数字货币，可用于购买额外的频谱使用权、流量和带宽等。频谱币的定价、发行和分配通过软件代码以数字形式定义一组智能合约，在系统运行过程中一旦触发智能合约中的条件，软件代码随即自动执行，不需要依赖第三方代理或中心化管理机构，从而显著提高系统运行效率和准确性。

3 结束语

为了解决现有技术中频谱数据监测设备与频谱策略推理应用相互独立等问题，本文提出了基于联盟链的端边云协同电磁频谱管理系统，通过构建安全、可信、高效的分布式数据库，对特定区域的频率资源进行动态监测和评估，减少违规用频和非法干扰的产生，支持合作频谱设备之间精确的频谱共享，在降低系统监管开销的同时实现对频谱资源的高效利用。未来，将考虑对所提出的系统进行仿真实验分析，以验证该系统的有效性和可靠性。■