基于聯(lián)盟鏈的端邊云協(xié)同電磁頻譜管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王春琦，丁曉歡，王 豪，張 明，錢肇鈞

（1.國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037；2.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610073）

0 引言

針對(duì)未來超大規(guī)模、超密部署的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)備接入需求，新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)面臨頻譜資源短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。因此，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)且靈活的頻譜共享接入策略，對(duì)特定區(qū)域的頻譜資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，減少違規(guī)用頻和非法干擾的產(chǎn)生，在降低系統(tǒng)監(jiān)管開銷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜資源的高效利用至關(guān)重要[2]。

傳統(tǒng)的頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與頻譜接入策略推理應(yīng)用相互獨(dú)立，使得精確的動(dòng)態(tài)頻譜共享基本無法實(shí)現(xiàn)[3]。鑒于目前大多數(shù)頻譜使用設(shè)備無法實(shí)時(shí)獲取所在區(qū)域詳細(xì)的電磁環(huán)境狀態(tài)信息，只能按照傳統(tǒng)的靜態(tài)許可方案使用頻譜資源[4]。為了實(shí)現(xiàn)精確的頻譜動(dòng)態(tài)共享，一方面需要頻譜使用設(shè)備和頻譜感知設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通[5]；另一方面需要海量的頻譜感知設(shè)備參與頻譜監(jiān)測(cè)工作，以便頻譜數(shù)據(jù)在時(shí)域、頻域和空域?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率和覆蓋率[6]。

區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為實(shí)現(xiàn)上述安全、高效、動(dòng)態(tài)的頻譜管理提供了新的可能[7]。目前區(qū)塊鏈系統(tǒng)可分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈[8]。聯(lián)盟鏈?zhǔn)且环N許可區(qū)塊鏈，每個(gè)用戶在請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)之前都需要先進(jìn)行注冊(cè)認(rèn)證，每個(gè)頻譜區(qū)塊的添加由擁有記賬權(quán)的預(yù)選節(jié)點(diǎn)通過共識(shí)驗(yàn)證共同完成[9]。因此，為緩解系統(tǒng)計(jì)算和存儲(chǔ)壓力，適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的用戶規(guī)模，聯(lián)盟鏈更加適合構(gòu)建安全、可信、高效的分布式電磁頻譜管理系統(tǒng)[10]。

1 體系架構(gòu)

基于聯(lián)盟鏈的端邊云協(xié)同電磁頻譜管理系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括頻譜管理云服務(wù)器、移動(dòng)基站邊緣服務(wù)器和頻譜感知終端設(shè)備。

圖1 基于聯(lián)盟鏈的端邊云協(xié)同電磁頻譜管理系統(tǒng)體系架構(gòu)

其中，頻譜管理云服務(wù)器采取集中式部署進(jìn)行組網(wǎng)和管理，移動(dòng)基站邊緣服務(wù)器和頻譜感知終端設(shè)備采取分布方式部署進(jìn)行組網(wǎng)和管理。頻譜管理云服務(wù)器主要負(fù)責(zé)頻譜感知任務(wù)發(fā)布，空閑頻譜分配與回收，設(shè)備接入注冊(cè)認(rèn)證，頻譜幣獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)放等。移動(dòng)基站邊緣管理云服務(wù)器主要負(fù)責(zé)頻譜感知任務(wù)廣播、頻譜數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)、頻譜區(qū)塊共識(shí)驗(yàn)證等，頻譜感知終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)頻譜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集和預(yù)處理。所述聯(lián)盟鏈?zhǔn)且环N許可區(qū)塊鏈，用戶在請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)之前需要先進(jìn)行注冊(cè)認(rèn)證，然后通過預(yù)選節(jié)點(diǎn)完成共識(shí)驗(yàn)證過程。

2 功能模塊

基于聯(lián)盟鏈的端邊云協(xié)同電磁頻譜管理系統(tǒng)功能模塊組成如圖2所示，主要包括頻譜數(shù)據(jù)采集模塊、頻譜數(shù)據(jù)傳輸模塊、頻譜區(qū)塊生成模塊和頻譜數(shù)據(jù)交易模塊。

圖2 基于聯(lián)盟鏈的端邊云協(xié)同電磁頻譜管理系統(tǒng)功能模塊

2.1 頻譜數(shù)據(jù)采集模塊

頻譜感知終端設(shè)備根據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式采集特定地理區(qū)域、指定頻率范圍和一定時(shí)間跨度的電磁空間環(huán)境頻譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理。頻譜數(shù)據(jù)不僅隨著采集時(shí)長(zhǎng)、頻段范圍和地理空間范圍的增加而增大，而且隨著時(shí)間、頻段和空間分辨率的增加而增大。通過將異常頻譜數(shù)據(jù)剔除后上傳至最近的邊緣服務(wù)器，從而減小需要交互的頻譜數(shù)據(jù)量。頻譜感知終端設(shè)備包括但不限于消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，如智能手機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、智能家居、固定監(jiān)測(cè)站、移動(dòng)監(jiān)測(cè)車和手持監(jiān)測(cè)儀等具備無線電信號(hào)接收功能的裝置。當(dāng)然，頻譜感知終端設(shè)備可根據(jù)自身所處地理位置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和軟硬件性能等選擇是否響應(yīng)感知任務(wù)。

2.2 頻譜數(shù)據(jù)傳輸模塊

利用非對(duì)稱加密算法，對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)，并定期進(jìn)行刪除和更新操作以保證其輕量化。頻譜管理云服務(wù)器定期向移動(dòng)基站邊緣服務(wù)器發(fā)布頻譜感知任務(wù)，并對(duì)響應(yīng)感知任務(wù)的移動(dòng)基站和終端設(shè)備進(jìn)行接入請(qǐng)求注冊(cè)認(rèn)證；移動(dòng)基站邊緣服務(wù)器將接收來自頻譜管理云服務(wù)器發(fā)布的感知任務(wù)，并對(duì)任務(wù)內(nèi)容向附近的終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)廣播；頻譜感知終端設(shè)備根據(jù)任務(wù)要求響應(yīng)頻譜數(shù)據(jù)采集工作，并將預(yù)處理后的頻譜數(shù)據(jù)上傳至最近的邊緣服務(wù)器。

2.3 頻譜區(qū)塊生成模塊

移動(dòng)基站邊緣服務(wù)器通過分布式共識(shí)協(xié)議驗(yàn)證終端設(shè)備上傳的頻譜數(shù)據(jù)一致性，生成頻譜子區(qū)塊并將其上傳至頻譜管理云服務(wù)器，添加至頻譜區(qū)塊鏈，供其他邊緣服務(wù)器和終端設(shè)備查詢和下載使用，如圖3所示。首先邊緣服務(wù)器將其收到的終端設(shè)備上傳的頻譜數(shù)據(jù)實(shí)體進(jìn)行抽象打包生成頻譜數(shù)據(jù)摘要，并通過非對(duì)稱加密和數(shù)字簽名生成待添加的頻譜子區(qū)塊；然后基于實(shí)用拜占庭容錯(cuò)機(jī)制對(duì)待添加的頻譜子區(qū)塊進(jìn)行分布式共識(shí)，驗(yàn)證終端設(shè)備上傳的頻譜數(shù)據(jù)一致性，確保在數(shù)據(jù)傳輸過程中不被篡改；最后將通過驗(yàn)證的頻譜子區(qū)塊根據(jù)時(shí)間戳添加至頻譜管理云服務(wù)器中的頻譜區(qū)塊鏈末端，使其成為新的頻譜區(qū)塊。頻譜數(shù)據(jù)實(shí)體則存儲(chǔ)在移動(dòng)基站邊緣服務(wù)器本地。

圖3 基于聯(lián)盟鏈的端邊云協(xié)同電磁頻譜管理系統(tǒng)共識(shí)機(jī)制

所述頻譜數(shù)據(jù)摘要包括但不限于終端設(shè)備序列號(hào)、采集地理區(qū)域、采集起止時(shí)間、采集頻段范圍、采樣分辨率以及頻譜數(shù)據(jù)實(shí)體在邊緣服務(wù)器磁盤陣列中的存儲(chǔ)位置索引等。根據(jù)唯一的終端設(shè)備序列號(hào)和邊緣服務(wù)器磁盤陣列中的存儲(chǔ)位置索引，其他邊緣服務(wù)器和終端設(shè)備可以快速精準(zhǔn)查詢和下載使用對(duì)應(yīng)的頻譜數(shù)據(jù)實(shí)體。

2.4 頻譜數(shù)據(jù)交易模塊

用于頻譜管理云服務(wù)器根據(jù)約定的激勵(lì)機(jī)制發(fā)行和流通頻譜幣及配套策略，支撐更大范圍的頻譜感知和精確的動(dòng)態(tài)共享。頻譜管理云服務(wù)器在發(fā)布頻譜感知任務(wù)的同時(shí)釋放一定數(shù)量的頻譜幣，用于獎(jiǎng)勵(lì)采集上傳頻譜數(shù)據(jù)的終端設(shè)備和參與共識(shí)驗(yàn)證的移動(dòng)基站，從而獲取更大范圍和更高質(zhì)量的電磁頻譜數(shù)據(jù)，完成對(duì)指定區(qū)域頻譜資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，減少違規(guī)用頻和非法干擾的產(chǎn)生，支持更精確的頻譜共享。例如，當(dāng)某地區(qū)非授權(quán)用戶申請(qǐng)使用該地區(qū)空閑頻譜時(shí)，首先通過接入最近的邊緣服務(wù)器訪問頻譜管理云服務(wù)器實(shí)時(shí)查詢頻譜區(qū)塊鏈；然后根據(jù)公開的頻譜數(shù)據(jù)摘要信息找到感興趣的頻譜區(qū)塊；接著支付一定數(shù)量的頻譜幣下載所需要的頻譜數(shù)據(jù)實(shí)體；最后基于所下載的頻譜數(shù)據(jù)來推理當(dāng)前的電磁環(huán)境，選擇優(yōu)質(zhì)的可用頻率資源動(dòng)態(tài)接入。

所述頻譜幣作為一種在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)行和流通專用數(shù)字貨幣，可用于購(gòu)買額外的頻譜使用權(quán)、流量和帶寬等。頻譜幣的定價(jià)、發(fā)行和分配通過軟件代碼以數(shù)字形式定義一組智能合約，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中一旦觸發(fā)智能合約中的條件，軟件代碼隨即自動(dòng)執(zhí)行，不需要依賴第三方代理或中心化管理機(jī)構(gòu)，從而顯著提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中頻譜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備與頻譜策略推理應(yīng)用相互獨(dú)立等問題，本文提出了基于聯(lián)盟鏈的端邊云協(xié)同電磁頻譜管理系統(tǒng)，通過構(gòu)建安全、可信、高效的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)特定區(qū)域的頻率資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，減少違規(guī)用頻和非法干擾的產(chǎn)生，支持合作頻譜設(shè)備之間精確的頻譜共享，在降低系統(tǒng)監(jiān)管開銷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜資源的高效利用。未來，將考慮對(duì)所提出的系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性和可靠性。■