區(qū)塊鏈與5G MEC在軍事領(lǐng)域的融合應(yīng)用

韓松岳，苗 愷，李 勇，張 洋，柳 揚(yáng)

（1.陸軍工程大學(xué)，重慶 400035；2. 32705部隊(duì)，陜西西安 710086；3.第987醫(yī)院，陜西寶雞 721004）

當(dāng)前，西方國(guó)家競(jìng)相開展前沿技術(shù)在軍事領(lǐng)域的預(yù)先研究，新型作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)樣式不斷更新演進(jìn)。然而，伴隨信息通信技術(shù)的迭代，軍事信息通信領(lǐng)域同樣面臨信息化和智能化轉(zhuǎn)型、大數(shù)據(jù)理念應(yīng)用、系統(tǒng)間異構(gòu)數(shù)據(jù)共享等痛點(diǎn)問(wèn)題。第5 代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）作為面向未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的技術(shù)，因其具有靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和開放的網(wǎng)絡(luò)功能，使其能夠作為平臺(tái)底座技術(shù)，與區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)和人工智能等前沿技術(shù)耦合聯(lián)動(dòng)，孵化出多種新型融合應(yīng)用。然而，5G在應(yīng)對(duì)計(jì)算密集、時(shí)延敏感和安全隔離型場(chǎng)景時(shí)，仍有諸多短板，故需要移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）作為輔助和增強(qiáng)手段。

在系統(tǒng)架構(gòu)層面，MEC 與5G 能夠融合部署。MEC 采用“分布式”思想，將中心云的算力和資源，分散部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣位置，這與區(qū)塊鏈的“去中心化”思想相符。然而，網(wǎng)絡(luò)功能的下沉和數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)的流轉(zhuǎn)，使得信息安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，此時(shí)，引入?yún)^(qū)塊鏈可滿足軍事場(chǎng)景中敏感數(shù)據(jù)對(duì)安全可信環(huán)境的剛性需求。區(qū)塊鏈通過(guò)哈希算法、數(shù)字簽名、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)機(jī)制和智能合約，在不可信環(huán)境中建立可信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)在編碼存儲(chǔ)時(shí)，形成區(qū)塊并按時(shí)序構(gòu)建鏈狀架構(gòu)，每個(gè)區(qū)塊節(jié)點(diǎn)的變更都會(huì)以廣播形式向所有節(jié)點(diǎn)同步，從而建立不可篡改的共識(shí)環(huán)境。

基于上述技術(shù)特性，本文提出1 種區(qū)塊鏈與5G MEC 的融合架構(gòu)，在滿足業(yè)務(wù)本地處理，提供優(yōu)質(zhì)業(yè)務(wù)體驗(yàn)的同時(shí)，為情報(bào)信息和敏感數(shù)據(jù)在復(fù)雜環(huán)境中安全可信地流轉(zhuǎn)提供了保障。

1 5G移動(dòng)通信技術(shù)

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀與能力指標(biāo)

5G 技術(shù)的研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作是在國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）制定的整體框架內(nèi)開展的，主要由第3 代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）及其參與組織共同推進(jìn)。其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展，如圖1所示。

圖1 5G移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展Fig.1 Standardization progress of 5G mobile communication technology

目前，5G R17 標(biāo)準(zhǔn)已接近完成，主要針對(duì)輕量版空口（NR-Light）、非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Networks，NTN）和頻譜拓展等方面進(jìn)行了規(guī)范和研究。未來(lái)，5G 有望與衛(wèi)星通信融合，向空天立體通信維度拓展。

美軍自2018 年陸續(xù)從戰(zhàn)略規(guī)劃、組織保障、網(wǎng)絡(luò)安防、基礎(chǔ)建設(shè)和驗(yàn)證測(cè)試5個(gè)方面開展了5G軍事應(yīng)用研究，先后選定12 個(gè)軍事基地，區(qū)分兵種開展了多樣化的軍事場(chǎng)景驗(yàn)證與測(cè)試，其中，戰(zhàn)機(jī)數(shù)據(jù)卸載、頻譜共享和戰(zhàn)術(shù)邊緣云等技術(shù)已取得相應(yīng)成果。

5G融合了多種新型無(wú)線技術(shù)，能力指標(biāo)和能效參數(shù)較4G 實(shí)現(xiàn)了躍升。圖2 是5G 與4G 的能力指標(biāo)雷達(dá)圖。

圖2 5G與4G能力指標(biāo)雷達(dá)圖Fig.2 Radar chart for capability indicators of 5G and 4G

1.2 關(guān)鍵技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G 關(guān)鍵技術(shù)主要包含新型多址、多點(diǎn)傳輸，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)編碼和干擾管理技術(shù)等。其中，將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡(luò)切片、大規(guī)模陣列天線（massive MIMO）和毫米波技術(shù)作為基礎(chǔ)和核心賦能技術(shù)，使5G展現(xiàn)出良好的性能。

1）NFV與SDN

NFV技術(shù)源自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域虛擬化思想，用運(yùn)行在通用服務(wù)器上的軟件包，替代傳統(tǒng)硬件電信設(shè)備功能，擺脫傳統(tǒng)3G/4G 體制電信硬件設(shè)備的約束和局限，網(wǎng)絡(luò)功能可以靈活按需部署，使軟、硬件得以解耦，網(wǎng)絡(luò)功能更加靈活；而SDN 技術(shù)基于新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，改變了傳統(tǒng)分布式控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制，切分控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面，通過(guò)集中控制和開放網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

上述2 項(xiàng)技術(shù)是5G 架構(gòu)開放和能力開放的基礎(chǔ)。由此，用戶面功能（User Plane Function，UPF）得以下沉，為諸多新型業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。在軍事場(chǎng)景中，可以通過(guò)在運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)部署軍用APP應(yīng)用服務(wù)器或其他內(nèi)容服務(wù)，將UPF 下沉至營(yíng)區(qū)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提供安全隔離的本地化服務(wù)，讓軍營(yíng)和軍隊(duì)院校、醫(yī)院等場(chǎng)所的數(shù)據(jù)傳輸在數(shù)據(jù)安全隔離的前提下高速流轉(zhuǎn)。

2）網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是將網(wǎng)絡(luò)物理資源切分成若干邏輯網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，切片之間保持隔離，服務(wù)提供商可以通過(guò)運(yùn)營(yíng)商定制切片實(shí)例，基于1個(gè)5G信道為用戶提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。如自動(dòng)駕駛的切片需要高速率和極低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用則需要廣連接的網(wǎng)絡(luò)承載，通過(guò)運(yùn)行定制化的切片實(shí)例，可以實(shí)現(xiàn)物理資源的共享。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)同樣是5G軍事化運(yùn)用的基礎(chǔ)支撐技術(shù)?？梢远ㄖ栖娛聦Ｓ脴I(yè)務(wù)切片，如開發(fā)關(guān)于軍用視頻會(huì)議切片以及戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)通信切片實(shí)例等。在不同的場(chǎng)景下按需開通運(yùn)行切片實(shí)例，便能夠基于5G專網(wǎng)快速上線軍用服務(wù)。

3）毫米波

早期毫米波在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要聚焦于坦克、武裝直升機(jī)的近程毫米波火控雷達(dá)以及軍艦近防炮上，以擊落來(lái)襲導(dǎo)彈。通過(guò)運(yùn)用毫米波小波長(zhǎng)特性，跟蹤子彈流及防御目標(biāo)。美國(guó)空軍研發(fā)的非致命性殺傷武器主動(dòng)拒絕系統(tǒng)，其發(fā)射毫米波的無(wú)線電波的光束具有3 mm（頻率為95 GHz）的波長(zhǎng)。同時(shí)，毫米波也是美軍5G 軍事應(yīng)用的主要路線。由香農(nóng)定理可知，高頻通信能夠?qū)崿F(xiàn)更高的帶寬和速率。盡管高頻段通信在戰(zhàn)場(chǎng)上易受地形、建筑、雨衰等因素影響，但其可以通過(guò)小型化基站的密集部署實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)高速網(wǎng)絡(luò)支撐。

5G 基于服務(wù)化架構(gòu)（Service-based Architecture，SBA）思想，網(wǎng)絡(luò)功能采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的彈性縮放和靈活剪裁，這使得網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)上下文信息更加開放，不僅有利于人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行二次開發(fā)，而且還為與其他前沿技術(shù)的融合應(yīng)用提供了架構(gòu)基礎(chǔ)。圖3展示了5G核心網(wǎng)在SBA 下的網(wǎng)元功能。其中，UPF 是5G 與MEC 融合應(yīng)用的關(guān)鍵部位，可以作為部署區(qū)塊鏈，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名和建立共識(shí)機(jī)制的入口。

圖3 基于SBA的5G架構(gòu)Fig.3 5G architecture based on SBA

目前，接入網(wǎng)有分布式（DRAN）和集中式（CRAN）2 種架構(gòu)。我國(guó)以DRAN 為主，以CRAN 為補(bǔ)充，同時(shí)，對(duì)5G 在接入網(wǎng)層面也進(jìn)行了大量創(chuàng)新，未來(lái)將采用云化接入網(wǎng)（Cloud-RAN）方式部署。BBU 解耦為集中單元（Centralized Unit，CU）和分布單元（Distributed Unit，DU），接入網(wǎng)更加靈活高效，從而適應(yīng)更多場(chǎng)景。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)

2.1 相關(guān)概念與發(fā)展現(xiàn)狀

區(qū)塊鏈的本質(zhì)是1 種采用去中心化思想的“賬本”，是1 種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它將數(shù)據(jù)區(qū)塊按照時(shí)序連接起來(lái)，通過(guò)多種加密機(jī)制使數(shù)據(jù)無(wú)法篡改。宏觀層面，它是1種去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)，通過(guò)塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，運(yùn)用部分或全部節(jié)點(diǎn)達(dá)成分布式共識(shí)來(lái)生成更新數(shù)據(jù)，依托符合條件即觸發(fā)自動(dòng)執(zhí)行的腳本代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作。

區(qū)塊鏈最典型的特征是去中心化，與MEC 技術(shù)的分布式架構(gòu)相耦合。因此，以5G MEC作為信息基礎(chǔ)設(shè)施賦能區(qū)塊鏈，具有良好的架構(gòu)支撐，能夠增強(qiáng)區(qū)塊鏈算法應(yīng)用部署的靈活性。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

共識(shí)是作為數(shù)據(jù)信息的對(duì)等者平等參加共識(shí)過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)中全部或絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)圍繞某個(gè)或某些記錄的真實(shí)性和價(jià)值性達(dá)成一致意見(jiàn)，并統(tǒng)一更新這些記錄，這種確保全網(wǎng)數(shù)據(jù)一致性的機(jī)制被稱為共識(shí)機(jī)制。

哈希算法是將任意長(zhǎng)度的輸入字符運(yùn)算生成固定長(zhǎng)度輸出字符的特定算法，通常將該固定長(zhǎng)度的輸出字符稱為算法對(duì)此輸入字符的哈希值。各節(jié)點(diǎn)可以利用對(duì)應(yīng)的哈希算法對(duì)區(qū)塊內(nèi)容進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，并將自己計(jì)算出的哈希值與對(duì)方發(fā)送來(lái)的哈希值進(jìn)行比對(duì)，以快速驗(yàn)證區(qū)塊內(nèi)容是否被篡改。

數(shù)字簽名以加密方式將身份與特定消息聯(lián)系起來(lái)。數(shù)字簽名使用被稱為“公鑰加密”的系統(tǒng)：用戶擁有的公鑰和私鑰可形成一對(duì)，公鑰被認(rèn)為是所有者的身份，私鑰被認(rèn)為是允許所有者證明他們對(duì)公鑰具有所有權(quán)的秘密信息。數(shù)字簽名是區(qū)塊鏈的基本組成部分，它們主要用于驗(yàn)證交易的真實(shí)性。當(dāng)用戶提交交易時(shí)，他們必須向系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)證明他們有權(quán)處理該節(jié)點(diǎn)，同時(shí)防止其他用戶也花費(fèi)這些資金。

3 MEC技術(shù)

3.1 相關(guān)概念與發(fā)展現(xiàn)狀

業(yè)界學(xué)者和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織分別從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)資源和業(yè)務(wù)交付的角度給出了MEC 技術(shù)的概念。其核心思想是將核心網(wǎng)的算力與資源下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣靠近用戶一側(cè)，緩解鏈路負(fù)載并縮短回傳路徑，賦能計(jì)算密集和時(shí)延敏感型場(chǎng)景。MEC 起源于“微云”概念，它于2013 年正式提出，由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）主導(dǎo)其標(biāo)準(zhǔn)化工作，并于2016 年將其概念拓展至非3GPP網(wǎng)絡(luò)，即多接入邊緣計(jì)算，但目前主要研究仍在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。其發(fā)展時(shí)序，如圖4所示。

圖4 MEC發(fā)展時(shí)序圖Fig.4 Development timeline of MEC

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

計(jì)算卸載是MEC 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流的核心技術(shù)，它是指終端設(shè)備將計(jì)算任務(wù)卸載至算力和資源更多的云計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行處理的過(guò)程。如云化的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備，它將圖像的渲染通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至邊緣云進(jìn)行處理，從而擺脫傳統(tǒng)VR 機(jī)箱的束縛。計(jì)算卸載模型，如圖5所示。

圖5 MEC計(jì)算卸載模型Fig.5 Computing offloading model of MEC

2020 年，美軍已在其空軍基地開展了基于5G 網(wǎng)絡(luò)MEC 系統(tǒng)的戰(zhàn)機(jī)數(shù)據(jù)卸載實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)并行下的數(shù)據(jù)高速卸載。但是隨著入網(wǎng)設(shè)備的增多，設(shè)備任務(wù)會(huì)卸載至算力強(qiáng)、信道優(yōu)以及性能好的MEC服務(wù)器上，造成過(guò)載現(xiàn)象，產(chǎn)生額外的時(shí)延和能耗，因此,設(shè)備任務(wù)如何有序合理地卸載至相應(yīng)的MEC服務(wù)器，合理的資源競(jìng)爭(zhēng)和高效的卸載策略是MEC 重要的研究方向。

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，同樣采用分布式思想，通過(guò)構(gòu)建集中控制下的分布式虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)熱點(diǎn)內(nèi)容的部署。在MEC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下運(yùn)用CDN 技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)緩存加速的重要手段，CDN 與MEC相輔相成。在軍事場(chǎng)景中，在關(guān)鍵通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)上端部署CDN服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用和重要情報(bào)信息的高速分發(fā)。

4 5G MEC與區(qū)塊鏈的軍事應(yīng)用可行性分析

4.1 軍事應(yīng)用可行性分析

基于上述關(guān)于5G、MEC和區(qū)塊鏈技術(shù)的介紹，本章采用映射分析的方法，以泳道圖的形式給出具體關(guān)鍵技術(shù)對(duì)軍事應(yīng)用的保障支撐作用，為下步開展技術(shù)的移植轉(zhuǎn)化和升級(jí)改造，以及設(shè)計(jì)軍事場(chǎng)景和構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)提供理論支撐。

圖6 區(qū)塊鏈與5G MEC技術(shù)支撐分析Fig.6 Technical support analysis of blockchain and 5G MEC

4.2 技術(shù)融合的可行性分析

基于上述映射分析，筆者認(rèn)為5G、MEC與區(qū)塊鏈技術(shù)融合應(yīng)用可行性強(qiáng)，能夠滿足多種未來(lái)軍事場(chǎng)景中的差異化需求。

從技術(shù)架構(gòu)視角看，5G基于原有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)線接入網(wǎng)演進(jìn)為Cloud-RAN，采用5G 新空口、massive MIMO 和小型化基站部署，物理層面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施更加靈活，而核心網(wǎng)基于服務(wù)化架構(gòu)和虛擬化形式，網(wǎng)絡(luò)功能靈活高效，有利于其他前沿技術(shù)的引接和融合，便于區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)上下文信息和用戶數(shù)據(jù)，提供融合化創(chuàng)新的基礎(chǔ)。3GPP 和ETSI 在制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，分別為MEC 和5G 預(yù)留了支持條件，UPF 是5G 與MEC 融合的網(wǎng)絡(luò)位置，而區(qū)塊鏈能夠通過(guò)MEC 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中智能合約和共識(shí)算法的應(yīng)用，并在5G 網(wǎng)絡(luò)中與其他節(jié)點(diǎn)高效共享。

從技術(shù)能力視角看：5G網(wǎng)絡(luò)性能較上代技術(shù)均有大幅躍升，能夠?yàn)镸EC 和區(qū)塊鏈提供高質(zhì)量承載網(wǎng)絡(luò)；而MEC 通過(guò)分布式部署，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分流卸載，提供本地化業(yè)務(wù)處理服務(wù)，極大增強(qiáng)了5G 處理時(shí)延敏感和計(jì)算密集場(chǎng)景的能力，同時(shí)，還能夠滿足軍事場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)與公網(wǎng)安全隔離的硬性需求；區(qū)塊鏈作為新興的去中心化安全技術(shù)，為5G MEC架構(gòu)提供了高級(jí)別的安全機(jī)制，使MEC能夠脫離所沿用的傳統(tǒng)中心云架構(gòu)安全防護(hù)機(jī)制，朝著分布式安全防護(hù)和本地化服務(wù)支撐的方向演進(jìn)。

從產(chǎn)業(yè)前景視角看：5G MEC 是社會(huì)各行業(yè)信息化、智能化轉(zhuǎn)型重塑的使能技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)據(jù)安全、銀行交易和資源共享等領(lǐng)域已有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。根據(jù)產(chǎn)業(yè)成熟度曲線可知，未來(lái)跨領(lǐng)域應(yīng)用將有大量市場(chǎng)需求，可加速國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈完善及周期的成熟，為民用技術(shù)和設(shè)備向軍事領(lǐng)域移植轉(zhuǎn)化提供支撐。

綜上所述，5G MEC 與區(qū)塊鏈技術(shù)在軍事領(lǐng)域的融合應(yīng)用具有較強(qiáng)的可行性和極高的軍事應(yīng)用價(jià)值。5G MEC技術(shù)在軍事場(chǎng)景中賦能各類新型軍事應(yīng)用服務(wù)，增強(qiáng)傳統(tǒng)軍事通信質(zhì)效；區(qū)塊鏈為軍事敏感信息在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)時(shí)，在上鏈可靠性無(wú)法絕對(duì)信任的環(huán)境中，提供不可篡改的安全保證。

4.3 技術(shù)融合應(yīng)用的涌現(xiàn)性

技術(shù)的融合除了能力的疊加，還會(huì)表現(xiàn)出涌現(xiàn)性。5G、MEC和區(qū)塊鏈三者的融合，形成了高質(zhì)量的信息通信基礎(chǔ)環(huán)境，使計(jì)算任務(wù)在本地快速交付的同時(shí)，為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)提供了安全保證。然而，隨著入網(wǎng)終端的增多，MEC 在邊緣提供的算力和資源有限，因此，區(qū)塊鏈與5G MEC的融合架構(gòu)，能夠?qū)⑦吘墏?cè)甚至終端側(cè)的存儲(chǔ)和算力資源進(jìn)行整合，它充分利用分布在各節(jié)點(diǎn)和部分終端的資源，降低系統(tǒng)部署成本。此外，MEC 的邊緣計(jì)費(fèi)、合法監(jiān)聽(tīng)和鑒權(quán)認(rèn)證都可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)賦能增強(qiáng)。

區(qū)塊鏈與MEC 融合的涌現(xiàn)性體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。1）降本增效。聯(lián)盟鏈的部署可以不再依賴多節(jié)點(diǎn)的硬件專用服務(wù)器，基于MEC 運(yùn)行可降低成本。2）便捷運(yùn)維。根據(jù)MEC 系統(tǒng)架構(gòu)特性，區(qū)塊鏈可以部署在MEC 基礎(chǔ)設(shè)施層中的虛擬層，在MEC 應(yīng)用平臺(tái)的管控下，提供基于MEC 平臺(tái)的服務(wù)。3）容易實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)經(jīng)MEC分流，可從MEC內(nèi)部的區(qū)塊鏈上鏈，減小上鏈周期和環(huán)節(jié)。4）擴(kuò)展性強(qiáng)。卸載策略和上鏈策略的聯(lián)合優(yōu)化，將是MEC 與區(qū)塊鏈融合應(yīng)用的重要研究方向，可以根據(jù)基于不同優(yōu)化算法的策略，拓展業(yè)務(wù)應(yīng)用。

5 5G MEC與區(qū)塊鏈技術(shù)的軍事應(yīng)用方法

軍事場(chǎng)景因其特殊的功能需求，使得先進(jìn)前沿的民用技術(shù)須通過(guò)特定的改造升級(jí)，才能移植于軍事領(lǐng)域中。因此，本章從宏觀視角提出了4 步法：需求分析，場(chǎng)景構(gòu)設(shè)，體系論證和改造升級(jí)。以期為先進(jìn)前沿技術(shù)的軍事化運(yùn)用提供借鑒。

5.1 基于多視圖方法論的軍事需求分析

因裝備實(shí)體、應(yīng)用目標(biāo)和組織運(yùn)用流程的特殊性，軍事場(chǎng)景往往與民用場(chǎng)景存在較大差異。因此，在先進(jìn)技術(shù)的軍事化運(yùn)用前，開展軍事需求分析，有利于明確研究方向，厘清優(yōu)化目標(biāo)，避免工程和人力資源的浪費(fèi)。為此，首先引入軟件工程領(lǐng)域多視圖方法論開展軍事需求分析。

多視圖方法是通過(guò)不同對(duì)象的視角對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范化描述，進(jìn)而形成諸多需求描述視圖來(lái)反映不同對(duì)象的訴求，最終形成完善的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的方法。本節(jié)以5G MEC 與區(qū)塊鏈技術(shù)為主線，結(jié)合軍事場(chǎng)景的特殊屬性，分別從系統(tǒng)、能力和業(yè)務(wù)能力視圖方面對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范化描述，形成了圖7 所示的需求分析框架，以期為后續(xù)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)搭建和效能評(píng)估等環(huán)節(jié)的工作提供依據(jù)。

圖7 基于多視圖方法的需求分析框架Fig.7 Demand analysis framework based on multi-view methodology

5.2 宏觀系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了1種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的MEC與區(qū)塊鏈融合系統(tǒng)，為軍事領(lǐng)域相關(guān)場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)與公網(wǎng)隔離條件下的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)承載支撐。系統(tǒng)由5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、MEC系統(tǒng)和區(qū)塊鏈系統(tǒng)3部分組成，如圖8所示。

圖8 區(qū)塊鏈與5G MEC融合系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.8 Overall architecture of fusion system of blockchain and 5G MEC

其中，5G 由1 套輕量化的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)置構(gòu)成，包含5G 核心網(wǎng)、承載網(wǎng)和接入網(wǎng)3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)域。5G 核心網(wǎng)上可以部署關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)器并存儲(chǔ)核心敏感數(shù)據(jù)；承載網(wǎng)采用網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)與公網(wǎng)的安全隔離，同時(shí)，為了提升數(shù)據(jù)在承載網(wǎng)中多條傳輸時(shí)的防篡改能力，故運(yùn)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)為軍用數(shù)據(jù)添加標(biāo)識(shí)，構(gòu)建基于軍用切片上囊括關(guān)鍵傳輸節(jié)點(diǎn)的共識(shí)機(jī)制；在接入網(wǎng)側(cè)，采用小型化、輕量化便攜站，依托多型載具實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活覆蓋。

MEC系統(tǒng)部署在無(wú)線接入網(wǎng)側(cè)，可以與4G/5G宏基站共站部署，或部署在營(yíng)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)機(jī)房中。用戶終端設(shè)備產(chǎn)生的計(jì)算任務(wù)，由上行鏈路經(jīng)基站和5G核心網(wǎng)下沉的UPF 分流至MEC 服務(wù)器進(jìn)行處理，MEC服務(wù)器可以部署相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)器，并基于網(wǎng)絡(luò)上下文信息為用戶提供定制化的服務(wù)。如戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)數(shù)據(jù)分流至MEC 端，由MEC 端事先部署的大數(shù)據(jù)分析引擎和數(shù)據(jù)分析算法進(jìn)行分析，再通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將情報(bào)態(tài)勢(shì)信息按照不同層級(jí)的軍用需求呈現(xiàn)出來(lái)，提供輔助決策支撐。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)由五層三系統(tǒng)構(gòu)成：五層指的是基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層、數(shù)據(jù)層、共識(shí)層和接口應(yīng)用層；三系統(tǒng)指的是安全管理、成員管理及運(yùn)維管理系統(tǒng)。其中：基礎(chǔ)設(shè)施層核心功能是在運(yùn)維支撐系統(tǒng)之上，基于Docker 容器，提供動(dòng)態(tài)刪減區(qū)塊節(jié)點(diǎn)的能力，并且對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)資源進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；平臺(tái)層是區(qū)塊鏈系統(tǒng)核心功能實(shí)現(xiàn)的區(qū)域，通過(guò)協(xié)議網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證，通過(guò)集中控制模塊實(shí)現(xiàn)共識(shí)算法、賬本管理策略和合約協(xié)同等功能的寫入和實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)在區(qū)塊節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和加密算法進(jìn)行封裝，邏輯上包括交易、區(qū)塊、賬本和狀態(tài)，每個(gè)區(qū)塊中的哈希指針字段，不但可以通過(guò)指向上一區(qū)塊實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的順序“串聯(lián)”，還可以唯一地標(biāo)識(shí)出某個(gè)時(shí)間戳下該區(qū)塊的內(nèi)容，一旦區(qū)塊內(nèi)容被篡改，哈希指針就能及時(shí)反映出來(lái)；共識(shí)層主要通過(guò)背書、排序和驗(yàn)證3 個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)成員對(duì)某一批交易的時(shí)序、合法性以及對(duì)賬本更新結(jié)果達(dá)成共識(shí)，以解決區(qū)塊的有效性和一致性問(wèn)題；接口應(yīng)用層基于應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API），使相關(guān)應(yīng)用以利用平臺(tái)信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反向調(diào)整控制，并且可以將聯(lián)邦管理和證書管理等策略注入系統(tǒng)中。

在網(wǎng)絡(luò)層面，組成該系統(tǒng)的3大模塊能夠基于5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有效融合。MEC通過(guò)5G 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的開放功能（NEF）接入5G 網(wǎng)絡(luò)，并且基于5G UPF 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，區(qū)塊鏈系統(tǒng)通過(guò)API 可以與MEC 平臺(tái)接入，向MEC 平臺(tái)開放系統(tǒng)功能，MEC 可以向其提供基于網(wǎng)絡(luò)上下文信息和MEC 算力資源的服務(wù)，二者在權(quán)限內(nèi)實(shí)現(xiàn)互操作。

在物理架構(gòu)層面，區(qū)塊鏈采用分布式架構(gòu)，可以與MEC 平臺(tái)共同部署，構(gòu)建基于物理網(wǎng)絡(luò)上的軍用虛擬網(wǎng)絡(luò)，區(qū)塊鏈對(duì)終端層各類物聯(lián)網(wǎng)和智能移動(dòng)終端采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保護(hù)。

5.3 軍事應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法研究

在需求框架的基礎(chǔ)上，針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景開展系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。自下而上地依照底層系統(tǒng)、系統(tǒng)功能和業(yè)務(wù)應(yīng)用的順序，依次完成應(yīng)用場(chǎng)景及其系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)和論證工作。本節(jié)從信息賦能和保障支撐角度設(shè)計(jì)了3種軍事應(yīng)用場(chǎng)景。

隨著5G 商用的全面鋪開，學(xué)術(shù)界已有很多關(guān)于5G 賦能智慧軍營(yíng)、智慧院校、智慧軍交的討論。李金鎖提出了1種適用于軍隊(duì)機(jī)關(guān)的5G移動(dòng)辦公場(chǎng)景，提供了1種可提升辦公效率、可靠易用的場(chǎng)景模型；廖晶靜提出了多種5G專網(wǎng)部署方案。

但是，隨著5G應(yīng)用的推進(jìn)，更應(yīng)重點(diǎn)考慮軍事大數(shù)據(jù)安全防護(hù)機(jī)制的建立。例如，營(yíng)區(qū)人員個(gè)人智能手機(jī)數(shù)據(jù)可能面臨被竊取分析的風(fēng)險(xiǎn)，不法分子通過(guò)偽基站等手段，基于大數(shù)據(jù)分析，為人物畫像，該區(qū)域人員的日常活動(dòng)時(shí)間、步數(shù)、定位，以及出行路徑、快遞送貨、通信常用詞等，都可能成為信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)安全存在較大的安全隱患。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)須在專用網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點(diǎn)建立共識(shí)機(jī)制，提升核心敏感數(shù)據(jù)及關(guān)鍵通信節(jié)點(diǎn)的安全防護(hù)能力。

為此，本文提出綜合保障場(chǎng)景并給出其系統(tǒng)架構(gòu)。該場(chǎng)景主要面向軍營(yíng)建設(shè)、移動(dòng)辦公、物資倉(cāng)儲(chǔ)、軍交物流和裝備維保等具有區(qū)域特性的場(chǎng)景。軍事區(qū)域的通信保障，首先應(yīng)當(dāng)滿足數(shù)據(jù)“不出營(yíng)區(qū)”的要求，其次是附帶安全加密的信息網(wǎng)絡(luò)支撐。系統(tǒng)架構(gòu)，如圖9所示。

圖9 綜合保障類場(chǎng)景系統(tǒng)架構(gòu)Fig.9 System architecture for comprehensive support scenarios

圖9中的架構(gòu)適合部署在固定區(qū)域的軍事應(yīng)用場(chǎng)景。圖中遴選了幾類較為典型的場(chǎng)景，如在智慧倉(cāng)儲(chǔ)中，通過(guò)在庫(kù)房布設(shè)5G CPE 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的接入，信息系統(tǒng)包含本地網(wǎng)絡(luò)管理、機(jī)架控制總成、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和無(wú)人地面車（Unmanned Ground Vehicle，UGV）服務(wù)器。此外，在傳送帶和關(guān)鍵部位部署了基于機(jī)器視覺(jué)的攝像設(shè)備。經(jīng)過(guò)改裝的叉車，加裝了5G工業(yè)模組，可以適應(yīng)庫(kù)房潮濕酷熱等極端環(huán)境。庫(kù)房?jī)?nèi)的各類設(shè)備通過(guò)工業(yè)級(jí)5G CPE接入5G網(wǎng)絡(luò)，貨品分揀、傳送帶狀態(tài)識(shí)別、貨物流轉(zhuǎn)、叉車控制等都能通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。機(jī)器視覺(jué)圖像卸載到MEC服務(wù)器進(jìn)行處理，自動(dòng)識(shí)別出貨物異常狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)務(wù)的全自動(dòng)化和智能化。

此外，智慧營(yíng)區(qū)通過(guò)智慧燈桿、4G 宏站、5G 微站和室分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)5G 專網(wǎng)全面覆蓋，支撐移動(dòng)辦公、作戰(zhàn)知識(shí)圖譜、人員狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、營(yíng)區(qū)自動(dòng)駕駛和水電物管的全面物聯(lián)網(wǎng)化。

智慧校園基于區(qū)塊鏈的加密標(biāo)識(shí)，課堂教學(xué)數(shù)據(jù)可以在5G 專網(wǎng)上安全流轉(zhuǎn)。VR/AR 智慧教學(xué)在MEC服務(wù)器渲染圖像，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出校區(qū)的本地化處理。數(shù)據(jù)治理通過(guò)引入大數(shù)據(jù)分析引擎，匯聚物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)、智能移動(dòng)終端和信息主動(dòng)錄入等方式采集到的信息，基于大數(shù)據(jù)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，并通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)，提供輔助決策支撐。

模擬實(shí)戰(zhàn)化演習(xí)和軍事訓(xùn)練中，通常包含多種裝備和設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)制式和信息系統(tǒng)也呈多樣化特點(diǎn)，此外，信息系統(tǒng)裝備面臨機(jī)動(dòng)性和越區(qū)切換的挑戰(zhàn)。為此，首先應(yīng)當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，提升戰(zhàn)場(chǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用的能力；其次，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)接入和小區(qū)覆蓋的能力；最后，優(yōu)化小區(qū)間干擾和區(qū)內(nèi)信道干擾，提升業(yè)務(wù)越區(qū)切換的能力。演訓(xùn)保障場(chǎng)景系統(tǒng)架構(gòu)，如圖10所示。

圖10 演習(xí)訓(xùn)練類場(chǎng)景系統(tǒng)架構(gòu)Fig.10 System architecture for training scenarios

具體來(lái)看，野戰(zhàn)環(huán)境面臨資源受限、電磁環(huán)境復(fù)雜和供能難度大等挑戰(zhàn)。因此：在有宏站覆蓋的情況下，可以讓車載、機(jī)載或便攜站與宏站采用微波對(duì)打的方式進(jìn)行回傳，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域的5G網(wǎng)絡(luò)保障；而沒(méi)有宏站覆蓋的情況下，采用微基站滾動(dòng)保障或設(shè)置直放站的方式進(jìn)行覆蓋，并視情采用熱氣球、無(wú)人機(jī)等升空平臺(tái)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行保障，微基站采用無(wú)線自回傳或就近的光纖接入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回傳，同時(shí)在訓(xùn)練區(qū)域的臨時(shí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)部署MEC 服務(wù)器，加注區(qū)塊鏈加密算法，完成敏感數(shù)據(jù)上鏈，確保復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)的安全流轉(zhuǎn)。

醫(yī)療衛(wèi)勤類場(chǎng)景主要面向平時(shí)醫(yī)療衛(wèi)生保障和戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)保障兩大應(yīng)用。對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)而言，需要極低的時(shí)延和廣泛的物聯(lián)感知終端接入能力，平時(shí)可以借助5G MEC 構(gòu)建邊緣云，對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)和病人信息進(jìn)行本地化處理、存儲(chǔ)和跨院共享，并且可以基于5G專網(wǎng)的醫(yī)療衛(wèi)勤切片聯(lián)通醫(yī)療力量和資源相對(duì)薄弱的衛(wèi)勤保障節(jié)點(diǎn)，基于網(wǎng)絡(luò)切片和區(qū)塊節(jié)點(diǎn)加密，實(shí)現(xiàn)軍隊(duì)用戶身體數(shù)據(jù)信息的安全流轉(zhuǎn)。在戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)應(yīng)用中，通過(guò)物聯(lián)感知節(jié)點(diǎn)構(gòu)建單兵生命體征監(jiān)測(cè)終端，終端之間采用去中心化的紫蜂（Zigbee）自組網(wǎng)方式通聯(lián)，每個(gè)終端設(shè)備都可以作為物聯(lián)網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)，向5G CPE或其他接入節(jié)點(diǎn)上傳人員生命體征數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單兵身體、生命體征數(shù)據(jù)由指揮末端向指控中心的實(shí)時(shí)共享。此外，基于5G 網(wǎng)絡(luò)和MEC 構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)云，VR/AR 系統(tǒng)可以在戰(zhàn)術(shù)云完成音像協(xié)同處理和圖像渲染，遠(yuǎn)在后方的醫(yī)院專家能夠?yàn)閼?zhàn)場(chǎng)救護(hù)人員提供遠(yuǎn)程VR/AR醫(yī)療支援和指導(dǎo)。

未來(lái)，隨著工業(yè)的進(jìn)步，將終端采血設(shè)備采血取樣后，經(jīng)過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)末端輕量化設(shè)備初步處理封裝，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)回傳至醫(yī)院進(jìn)行進(jìn)一步的處理分析，有利于病情態(tài)勢(shì)的及時(shí)處理。當(dāng)前，民用領(lǐng)域已通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程手術(shù)，它需要承載網(wǎng)絡(luò)具有極低時(shí)延和超高可靠性。為確保戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下遠(yuǎn)程手術(shù)和VR/AR 支援能夠?qū)崿F(xiàn)，系統(tǒng)優(yōu)化不僅需要在醫(yī)院側(cè)和戰(zhàn)場(chǎng)側(cè)部署MEC 系統(tǒng)，而且需要確保承載網(wǎng)絡(luò)鏈路的暢通。此外，為了提升系統(tǒng)的可靠性，需要引入備用鏈路的設(shè)計(jì)，以防止主線路被毀時(shí)，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)切換到備用鏈路，確保業(yè)務(wù)的連貫性和可靠性。系統(tǒng)架構(gòu)，如圖11所示。

圖11 醫(yī)療衛(wèi)勤類場(chǎng)景系統(tǒng)架構(gòu)Fig.11 System architecture for medical scenarios

6 結(jié)束語(yǔ)

本文首先就5G、MEC 和區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)及三者的融合應(yīng)用開展了基礎(chǔ)理論研究，并采用映射分析的方法，分析了其軍事應(yīng)用潛力；其次，引用多視圖方法就目標(biāo)系統(tǒng)開展了需求分析，并設(shè)計(jì)了1 種區(qū)塊鏈與5G MEC 的融合架構(gòu)，為具體軍事應(yīng)用場(chǎng)景的構(gòu)設(shè)提供了頂層架構(gòu)支撐；最后，提出了3種典型的軍事應(yīng)用場(chǎng)景，并給出了系統(tǒng)架構(gòu)和優(yōu)化方法，為5G MEC與區(qū)塊鏈技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用落地提供了方法與借鑒。未來(lái)，將對(duì)5G MEC集群化部署、基于群智能優(yōu)化算法的計(jì)算卸載和區(qū)塊鏈在軍事通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建3個(gè)方向開展研究。