區塊鏈賦能5G共建共享技術研究

賈雪琴，王友祥，曹 暢，林 晨，史 可（中國聯通研究院，北京 100176）

0 引言

5G 的愿景是為了應對未來爆炸性的移動數據流量增長、海量設備連接、各類新業務和新應用場景。由于其突出的技術特性，5G具有與垂直行業深度融合的需求與趨勢，是構建社會經濟數字化轉型的基石［1］。

相比較于4G 及其之前的蜂窩技術，5G 具有低時延、高可靠、大帶寬、低功耗、大連接等特性。2015 年ITU-R WP5D 發布報告M.2083 定義5G 系統將支持至少100 Mbit/s～1 Gbit/s的邊緣用戶體驗速率，10 Gbit/s～20 Gbit/s 的系統峰值速率，100 萬/km2的連接密度，1 ms 的空口時延；相比4G 提升3～5 倍頻譜效率和百倍能效、具有數十Gbit/s 峰值速率、500 km/h 移動性支持、每平方千米數十Tbit/s 的流量密度等關鍵能力指標［2］。

5G 特性主要由多輸入輸出天線、毫米波、網絡切片等技術使能。然而由于毫米波容易受到建筑物等障礙物干擾，為了實現網絡覆蓋，5G 基站密度遠高于4G，5G 投資巨大。為了節約5G 投資成本，中國聯通、中國電信達成了共建共享5G基礎設施的合作協議。

區塊鏈具有分布式鏈式存儲、鏈上數據不容易被篡改等特點，適用于為缺乏信任的博弈多方提供分布式的、可信任記賬功能。區塊鏈的分布式賬本功能適用于為參與5G共建共享的運營商提供中立、可信的記賬功能，可賦能運營商的共建共享合作。

本文首先對5G 技術和區塊鏈技術進行了簡單描述；然后對區塊鏈賦能網絡切片管理、5G接入網控制、頻譜共享、邊緣平臺共享等案例進行了簡述；最后對區塊鏈與5G技術融合的方向進行了展望。

1 關鍵技術介紹

1.1 5G

5G 的關鍵技術包括但不限于：5G 頻譜、多網絡接入、網絡切片、多接入邊緣計算。

a）5G 頻譜［2］：由于長期使用低頻段，低頻段的頻段之間干擾嚴重，共存條件苛刻，低頻段難以支撐5G商用。5G 廣覆蓋和高移動性需要依賴中低頻段協同發展：低頻段（低于6 GHz）作為5G 基礎頻段；中頻段，毫米波頻段（6 GHz以上）作為重要補充頻段。

b）多網絡接入［3］：比較理想的狀態是新網絡部署后，原有網絡的用戶可以逐步平滑遷移至新網絡，這樣原有的頻譜資源可以重耕于新網絡，降低網絡運營管理的復雜度。然而，在網絡實際部署中，低版本網絡上的部分用戶難以遷移，退網困難。運營商往往需要同時運營維護多張網絡。隨著5G時代的到來，運營商部署的網絡將成倍增長，會出現從傳統宏站、分布式基站到Pico、Micro、Small Cell、relay 等多種形態無線網絡并存的情況，此外還需要支持Wi-Fi、RoLa等非蜂窩網絡，形成多模、多頻、多層的復雜網絡。

c）網絡切片［4］：業務特性的多樣對運營商帶來了巨大挑戰。在有限的物理網絡資源基礎上難以滿足差異化業務需求。如果為了滿足某些特殊業務而新增物理網絡投資，將給運營商帶來大額新增投資成本，同時還可能帶來網絡使用率不高、網絡運營商管理復雜度增加等問題。

網絡切片技術使得運營商能夠在一張物理網絡上構建多張專用的、虛擬化、相互隔離的網絡來滿足不同客戶對網絡性能的不同需求?；诰W絡切片技術，一張5G網絡可虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網。每個邏輯子網可由核心網、無線網、傳輸網子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統進行統一管理。

d）多接入邊緣計算［5］：多接入邊緣計算（MEC）是在靠近人、物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在敏捷連接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

MEC 平臺位于無線接入網與移動核心網之間，可利用無線基站內部或無線接入網邊緣的云計算設施（邊緣云）提供本地化的公有云服務，并能連接位于其他網絡（如企業網）內部的私有云從而形成混合云。MEC 平臺基于特定的云計算操作系統（例如，Open-Stack）提供虛擬化軟件環境用以規劃管理邊緣云內的IT 資源。第三方應用以虛擬機（VM）的形式部署于邊緣云，能夠通過統一的API，獲取開放的無線網絡能力。

1.2 區塊鏈

區塊鏈以其安全、透明、難以篡改等諸多優勢［6］成為近年來的技術熱點。

區塊鏈的技術核心可以歸納為：“區塊+鏈結構”保證不易篡改、分布式存儲去中心化、非對稱加密賦能數據接入控制。

核心技術1：區塊結構記錄數據，鏈狀結構保證數據不易被篡改。

在區塊鏈技術中，數據以電子記錄的形式被儲存下來。存放這些電子記錄的文件被稱為“區塊（block）”。區塊按時間順序先后生成，每一個區塊記錄下它在被創建期間發生的所有交易活動，所有區塊匯總起來形成一個記錄合集，即區塊鏈。每一個區塊的塊頭都包含了前一個區塊的交易信息壓縮值，這就使得從創世塊（第1個區塊）到當前區塊連接在一起形成了一條長鏈，即鏈狀結構。這種鏈狀結構使得修改某個區塊會導致該區塊之后的所有區塊值會發生變化，從而使得非法數據篡改被暴露出來。

核心技術2：分布式結構實現記賬去中心化，共識機制保證記賬一致性。

分布式記賬實現會計責任的去中心化，共識機制確保記賬一致性。區塊鏈建立一套所有成員都可以參與記錄信息的分布式記賬體系，從而將會計責任分散化。鏈上的所有共識節點都遵照相同的共識機制，這保證了在去中心化、平等地位的框架下，解決節點之間的矛盾和分歧。共識機制確立了在當前分布式賬本中，新增記錄是如何在各節點間達成一致并記錄下來的。當前主流共識機制有：Pow、Pos 等。每個共識節點都會保存一分內容一致、信息完整的賬本，并實時更新。

核心技術3：非對稱加密賦能數據接入控制。

非對稱加密技術是利用數學方法解決去中心系統下的數據接入控制問題。非對稱加密算法是指需要一對密鑰來進行加密和解密。區塊鏈非對稱加密具有2個特點。

a）加密時的密碼是公開全網可見的，所有成員都可以用自己的公鑰來加密一段信息。

b）只有信息的正確接收者才擁有解密密碼，被公鑰加密過的數據只有擁有相應私鑰的用戶才能夠解密。非對稱加密保證了雖然向全節點廣播數據，但敏感數據仍然能夠得到保護。非對稱加密賦能數據接入控制能夠很好的保護敏感信息。

核心技術4：智能合約。

智能合約是以圖靈完備編碼語言編寫的一系列計算機程序代碼，首先在以太坊系統中被提出來［7］。自動化執行和不可否認性是智能合約的主要技術特點，它可以數字化地促進、驗證和執行分散的利益相關者之間達成的協議。

2 區塊鏈在5G中的典型應用

從功能設計上，5G 系統能夠實現預定的性能指標。但實際場景非常豐富，有些場景還非常復雜，此外還需要考慮投資收益率等現實問題，因此5G在實際業務中的落地仍然具有挑戰性，共建共享是一項可選的破題方案。

區塊鏈的分布式存儲、不易篡改、可控的數據接入等特性可賦能5G多主體之間的合作、多設備之間的協作，為共建共享5G 基礎設施、降低5G 部署成本、提高5G設施利用率，提供技術使能。

本文基于相關研究并參考有關學術論文，選取了區塊鏈在網絡切片、多網絡接入、協同邊緣計算、頻率共享中的應用，以展示區塊鏈在促進5G技術發展和業務落地中的價值。

2.1 區塊鏈在網絡切片中的應用

5G 采用網絡功能虛擬化技術［8］在一張物理網絡上虛擬化出多個虛擬物聯網。借助網絡切片，客戶可以根據需要定制虛擬網絡，這極大降低了物理網絡投資成本。

網絡切片管理主要由切片代理負責。切片代理具有3個主要功能：動態分配資源，如帶寬、速度；監控網絡流量、轉發數據包；根據RAN 調度配置，為用戶設備分配資源。

因運營商之間具有復雜的競合關系，傳統上，跨運營商的網絡切片管理是難以實現的。因為跨運營商網絡切片的實現需要依賴于運營商之間的相互信任，相互開放資源配置、調度和狀態監控等能力。

區塊鏈可為跨運營商的網絡切片管理提供維護信任的技術手段。

把網絡切片代理的功能部署在分布式的區塊鏈節點上。參與端到端切片的運營商均可為切片管理業務部署自己的區塊鏈節點。因網絡切片代理所需的資源分配、網絡狀態、RAN 資源配置等參數廣播至全部區塊鏈節點，這使得所有運營商節點所獲得的網絡切片管理數據都是一致的，可防止切片數據偽造。

把網絡切片管理規則和所需參數制作成智能合約。當滿足一定規則、獲得相關參數情況下，智能合約可被觸發，網絡切片代理操作可自動進行。網絡切片涉及到的計費等問題也可以做成智能合約，自動執行［9］。

在這個應用中，基于區塊鏈的網絡切片管理，可賦能跨運營商網絡切片業務；基于智能合約，跨運營商網絡切片業務的性能和效率也能夠獲得很大提升。

2.2 區塊鏈在多網絡接入的應用

兼容多種接入網絡技術，是5G技術的核心特征之一。但傳統方式下，5G只能兼容和管理一家運營商管理域內的接入網［9］。

接入網絡發現和選擇功能（ANDSF——Access Network Discovery and Selection Function）是EPC 的核心功能之一，它可幫助5G 用戶終端發現、選擇和連接到接入網絡，如LTE、Wi-Fi 和WiMax［10］。ANDSF 存儲了接入網與用戶終端之間的連接規則，包括用戶終端信息、可接入網絡的相關信息以及可接入網絡的接口數據等。當網絡繁忙時，ANDSF 可以幫助分流移動網絡的數據流。ANDSF 的消息模型一般為集中式的客戶端—服務器模式。ANDSF的局限性如下。

a）ANDSF 無法管理和控制其他運營商的接入網元設備。

b）傳統的集中式ANDSF 存在時延較大、接入網技術的更新能力較差、無法提供接入規則的動態改變等問題。

區塊鏈的智能合約可以幫助解決集中式ANDSF存在的問題。不同制式的網絡接入點均可對用戶終端進行監測。用戶終端的監測數據可被發送到區塊鏈智能合約，從而由區塊鏈智能合約自動觸發選擇用戶終端的接入網絡。

在這個場景中，區塊鏈智能合約中包含了網絡運營商接入網之間合作的規則和協議。一旦運營商之間的合作規則發生變化，智能合約可同步更新。基于這種監控接入點網絡狀態的方法，ANDSF 的接入網選擇能力被分布式部署到各接入點，并可依據獲得的參數迅速選擇出合適的接入點。

在這個用例中，區塊鏈的分布式賬本以及智能合約都得到了很好應用。與此同時，區塊鏈還可以及時根據接入網絡的使用情況，進行實時計費。這將大大有利于5G 接入網絡的共建共享，推動5G 接入網低成本的協作運營。

2.3 區塊鏈在協同邊緣計算中的應用

邊緣計算是在靠近數據源處為數據提供計算、存儲、智能處理等能力。協同邊緣計算［11］是指計算節點協同工作，既能充分滿足大計算資源需求，也能滿足時延敏感處理需求。

協同邊緣計算的部署形式包括單一主體部署和多主體協同部署。

a）單一主體部署下，邊緣計算節點都由一個主體負責，是單一可信系統，其資源編排和調動服從集中管理。

b）多主體協同部署下，邊緣計算節點可由多個主體協作部署，是競合關系系統，其資源編排和調動請求來自多方、需要以一種公平的方式進行分布式處理。

多主體協同部署是協同邊緣計算的重要形式。可信協作是邊緣計算多主體協作的重要基礎之一。

區塊鏈的分布式賬本、智能合約與邊緣計算結合可賦能多主體協同部署，解決多主體協同的可信問題和處理效率問題。

參考圖1，基于區塊鏈的協同邊緣計算的原理如下。

由具有協作關系的多個主體貢獻區塊鏈節點，組成聯盟鏈。

將智能合約部署在區塊鏈節點上。智能合約具有響應算力請求、觸發競標、中標調度、確認任務執行結果等功能。

a）邊緣節點（如MEC節點、霧節點）采用一定算法選擇某個或者某幾個區塊鏈節點，并進行連接。

b）發起算力等資源請求的邊緣節點作為交易的發起者將資源需求等信息發送給智能合約。

c）根據請求，智能合約觸發競標流程。

d）交易的響應節點將應標價格等信息發送給智能合約。

圖1 基于區塊鏈的協同邊緣計算

e）智能合約選擇符合條件且價格低的邊緣節點作為中標節點，并執行中標邊緣節點的算力調度。

f）智能合約驗證中標邊緣節點的算力執行結果。

g）執行結果在區塊鏈節點間進行同步。

2.4 區塊鏈在頻率共享中的應用

對于無線通信來說，頻譜資源是非常重要而緊缺的資源。為了避免頻譜干擾、確保無線通信的正常運行，商用頻譜的獲得和使用受到嚴格管制。為了獲得頻譜牌照，申請者需要預先做好充分的頻譜使用規劃，對頻譜使用等問題做好預估。然而實際情況是，由于市場發展的難以預測性，頻譜持有者可能會面臨頻譜被閑置或者頻譜不夠用的情況。

頻譜共享并不是新提出來的問題，然而頻譜共享問題卻一直沒有得到有效解決。面臨的問題包括以下2方面［12］。

a）供需難以匹配：頻譜持有者無法找到頻譜需求者，反之亦然。

b）缺乏透明的技術來處理頻譜共享帶來的干擾問題。

區塊鏈的分布式賬本、智能合約等技術可用于解決以上2 個問題。不過除了上述問題，5G 頻譜共享還面臨其他挑戰。

a）監管問題。目前大部分國家的監管部門都不允許運營商之間進行頻譜共享；因為頻譜共享可能會降低網絡質量。

b）異構網絡之間的性能問題。宏基站、小基站、微基站、Femto cells 之間進行頻譜共享可能會造成整個網絡性能的下降。

c）頻譜共享不適用于集中化部署的運營商網絡。此外，持有頻譜的運營商也難以把頻譜共享給自己的競爭對手。

因此區塊鏈雖然能促進解決頻譜共享中的供需對接和違規使用共享頻譜造成的干擾問題，但是由于監管、商業競爭以及共享頻譜所引入的干擾等問題，區塊鏈在頻譜共享中的應用還有待時日。

3 總結

區塊鏈的出現為存在博弈關系的運營商之間的5G 基礎設施共建共享打開了一扇門，能看到比較清晰的商業價值。但仍有技術問題需要解決。

區塊鏈的分布式賬本、鏈式區塊數據結構、準實時響應速度、模塊化封裝等特性適用于與5G 技術結合。但當進行商用部署時，還需要考慮區塊鏈系統的可靠性、穩定性、實時性、可擴展性、規?；葐栴}。

此外，5G 技術和業務本身具有一定技術門檻。需要相關專家從5G 共建共享的整體角度對區塊鏈賦能5G 進行業務和技術規劃，以避免出現多個區塊鏈孤島，造成重復建設和資源浪費。