區(qū)塊鏈賦能的6G頻譜共享技術(shù)

李祖廣 陳科 王威 吳啟暉

摘要：6G無線網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)資源協(xié)同化趨勢，全頻譜統(tǒng)一接入無蜂窩技術(shù)已成為6G的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而密集部署的無蜂窩基站在頻譜共享時將產(chǎn)生嚴重的干擾。針對這一問題，提出了一種基于聯(lián)盟鏈的多基站協(xié)同功率控制方法。各基站共同組成一個聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)，并基于區(qū)塊鏈共識機制實現(xiàn)基站間功率協(xié)調(diào)控制，以降低因頻譜共用而產(chǎn)生的干擾。以最大化系統(tǒng)的總吞吐量為目標，優(yōu)化各基站的發(fā)射功率，并提出了一種等效轉(zhuǎn)換方法以求解該非凸問題。仿真結(jié)果表明，所提算法相較于最大功率分配和正交頻分復(fù)用策略能顯著減少基站的發(fā)射功率開銷，提升系統(tǒng)吞吐量。

關(guān)鍵詞：6G；頻譜共享；協(xié)同功率控制；聯(lián)盟鏈

Abstract： 6G wireless networks will develop towards resource coordination， and unified access to the whole spectrum without cellular tech？ nology has become one of the key technologies of 6G. However， densely deployed base stations cause serious interference when they share spectrum resources. To solve this problem， a consortium blockchain based cooperative power control method for multiple small cell base stations is proposed. To reduce the interference due to spectrum sharing， base stations jointly form a consortium blockchain network， and achieve cooperative power control based on the consensus mechanism. Aiming at maximizing the total system throughput， the transmit power of each base station is optimized， and an equivalent transformation method is proposed to solve the non-convex problem. The simu？ lation results show that compared with the maximum power allocation and orthogonal frequency division multiplexing strategies， our pro？ posed algorithm can significantly reduce the whole power overhead of base stations and improve the system throughout in different sce？ narios.

Keywords： 6G； spectrum sharing； cooperative power control； consortium blockchain

IMT-2030（6G）推進組在《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)白皮書》[1]中指出，6G將構(gòu)建人機物智慧互聯(lián)、智能體高效互通的新型網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)空天地一體化的全球無縫覆蓋。為支持這些應(yīng)用，6G必須實現(xiàn)以下性能指標：50倍于5G的超高峰值速率（1 Tbit/s）、10倍于5G的超大用戶體驗速率（1 Gbit/s）、超低時延（0.1 ms）、超高頻譜利用率等?？梢钥闯?，6G相較于5G需進一步提升系統(tǒng)容量和頻譜利用率[2]。然而，當前頻譜資源面臨著兩方面的矛盾：一方面，在當前無線通信業(yè)務(wù)增速快、基數(shù)大的背景下，最適合無線通信的6 GHz以下的黃金頻譜資源幾乎分配殆盡[3]；另一方面，現(xiàn)有的靜態(tài)頻譜分配及頻譜獨占方式導致頻譜資源利用率普遍較低[4]。盡管6G計劃引入太赫茲、可見光等更高頻段的頻譜，但中低頻段的頻譜憑借路徑損耗小、覆蓋半徑大、部署成本低等優(yōu)勢，成為未來移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要資源。

3G、4G、5G主要采用多天線技術(shù)及密集組網(wǎng)的方法提高頻譜效率。然而，傳統(tǒng)蜂窩架構(gòu)增大天線規(guī)模遇到的物理實現(xiàn)問題和小區(qū)分裂遇到的干擾問題，使得未來移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的頻譜效率并不能持續(xù)性提升[5]。作為6G的關(guān)鍵技術(shù)之一，無蜂窩組網(wǎng)通過小區(qū)間多個基站的協(xié)作，允許多個小區(qū)共享相同的時頻資源，進而大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量。無蜂窩系統(tǒng)可采用集中式架構(gòu)和分布式架構(gòu)。集中式架構(gòu)將多個基帶信號匯聚到中心化的資源池中進行聯(lián)合處理，但由于資源池的信號處理能力存在的瓶頸問題，很難實現(xiàn)“無蜂窩”規(guī)模的無限擴大[6]。此外，集中式架構(gòu)易發(fā)生單點故障，從而導致整個系統(tǒng)的協(xié)作進程停滯。分布式架構(gòu)雖能有效解決上述問題，但也面臨相互信任、身份認證、隱私安全等方面的問題。

區(qū)塊鏈技術(shù)憑借區(qū)塊獎勵機制、歷史記錄防篡改、可追溯、用戶隱私保護、分布式數(shù)據(jù)存儲等性質(zhì)，可以解決當前動態(tài)頻譜共享中存在的共享動機不強、違規(guī)行為取證難、隱私安全性差的問題[7-9]。區(qū)塊鏈利用密碼學原理和簽名算法，在不需要參與者提供任何隱私信息的情況下，也可有效驗證其身份；通過多方共同維護的分布式賬本，使頻譜資源所有權(quán)、使用權(quán)和交易信息可永久記錄于鏈上，從而有效協(xié)助追責和維護交易雙方權(quán)益；利用共識機制，可協(xié)助多方就某一策略達成共識，以實現(xiàn)各層級的協(xié)同合作。此外，鏈上部署的智能合約可自動執(zhí)行頻譜分配策略，從而保障頻譜共享過程的公平性。與傳統(tǒng)集中式數(shù)據(jù)庫的方式相比，基于區(qū)塊鏈的動態(tài)頻譜共享在安全、效率方面具有巨大的潛力。在2018年世界移動通信大會（MWC）[10]上，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）認為基于區(qū)塊鏈的動態(tài)頻譜共享是6G的核心技術(shù)之一。

近年來，有不少學者對基于區(qū)塊鏈的頻譜共享進行了探索，并對區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于6G無線網(wǎng)絡(luò)的可行性進行了充分論證。文獻[11]提出了一種雙層區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的頻譜接入系統(tǒng)，該系統(tǒng)由區(qū)域鏈和全局鏈組成。其中，區(qū)域鏈主要服務(wù)于某一特定區(qū)域的頻譜接入，全局鏈主要為服務(wù)器和監(jiān)管節(jié)點在全域范圍內(nèi)提供服務(wù)。類似地，為降低系統(tǒng)復(fù)雜度和時延，文獻[12]提出了一種基于區(qū)塊鏈的動態(tài)資源共享模型，該模型同樣由區(qū)域鏈和全局鏈組成。其中，區(qū)域鏈為公有鏈，由某一區(qū)域局部移動設(shè)備和一個基站組成；全局鏈為私有鏈，由該區(qū)域所有基站或其他網(wǎng)絡(luò)實體組成。全局鏈上的節(jié)點定時同步區(qū)域鏈上的數(shù)據(jù)。文獻[13]將區(qū)塊鏈作為一個頻譜分配平臺，次用戶可在該平臺上購買主用戶的空閑頻譜。結(jié)合環(huán)簽名算法，作者提出了一種隱私保護機制，以保證節(jié)點上傳數(shù)據(jù)時的隱私安全。文獻[14]提出了一種基于區(qū)塊鏈的逆向拍賣機制，以用于無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜共享。其中，公有鏈用于記錄用戶提交的服務(wù)請求，私有鏈用于運營商和其他參與者共享頻譜資源。

公有鏈（如比特幣[15]、以太坊[16]）主要通過工作證明（PoW）或股權(quán)證明（PoS）驗證交易，但PoW和PoS等共識算法需要消耗大量電力和算力，甚至節(jié)點與節(jié)點之間可能演變成“算力競賽”。聯(lián)盟鏈相較于公有鏈僅允許授權(quán)用戶加入，其共識算法主要為實用拜占庭容錯算法（PBFT）、Kafka、Raft等，其共識過程通過節(jié)點對消息的審核和確認來實現(xiàn)，減少了算力開銷。文獻[17]提出了一種基于聯(lián)盟鏈的物聯(lián)網(wǎng)頻譜共享架構(gòu)，指出航空航天設(shè)備、運營商、地面移動設(shè)備、頻譜管理部門等可通過聯(lián)盟鏈實現(xiàn)可信的身份驗證和有效的數(shù)據(jù)映射。文獻[18]利用聯(lián)盟鏈實現(xiàn)多運營商之間的頻譜共享，認為頻譜管理者作為鏈上的高級節(jié)點，可對普通節(jié)點和分布式賬本進行監(jiān)管；此外，作者還提出了一種基于智能合約的雙重拍賣機制，以激勵運營商共享頻譜。文獻[19]提出了一種基于聯(lián)盟鏈的5G頻譜共享模型，并模擬了多運營商內(nèi)部與外部的頻譜共享與管理。文獻[20]提出了用于5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)盟鏈架構(gòu)，以滿足人對人（H2H）通信和機器對機器（M2M）通信共存的場景，其中H2H用戶作為主用戶，可通過聯(lián)盟鏈將頻譜資源共享給M2M用戶使用。

為解決分布式無蜂窩架構(gòu)中相互信任、身份認證和隱私安全的問題，實現(xiàn)多個基站的協(xié)作，本文提出了一種基于聯(lián)盟鏈的多小區(qū)基站協(xié)同功率控制方法，使各小區(qū)基站共同組成一個聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)，在鏈上進行信息共享和功率協(xié)調(diào)控制，以減少各基站之間的相互干擾；此外，還提出了一種基站協(xié)同功率控制算法，以最大化系統(tǒng)的吞吐量。

1系統(tǒng)模型與流程描述

1.1系統(tǒng)模型

1.2基站協(xié)同功率控制流程

在基于聯(lián)盟鏈的多小區(qū)基站協(xié)同功率控制系統(tǒng)中，每個基站在申請成為聯(lián)盟鏈上的一個組織前，必須首先獲得證書頒發(fā)機構(gòu)（CA）的認證。然后CA根據(jù)該組織角色為其生成數(shù)字身份證明。每個組織都擁有一對公私鑰和相應(yīng)的證書，以加密其共享的數(shù)據(jù)。在進行頻譜接入時，每個用戶可通過數(shù)字身份來展示自己的身份，聯(lián)盟鏈上的成員服務(wù)管理員可驗證每個用戶數(shù)字身份的真實性和有效性。為減少通信開銷，每次系統(tǒng)可選擇一個主節(jié)點計算功率控制策略，即根據(jù)接入用戶的地理位置、基站的地理位置和最大發(fā)射功率等，為基站合理分配發(fā)射功率，以使系統(tǒng)的吞吐量達到最大。為激勵主節(jié)點計算頻譜分配任務(wù)，在完成任務(wù)后主節(jié)點可以獲得各基站支付的相應(yīng)報酬。為保證主節(jié)點選取的公平性和合理性，系統(tǒng)每次可通過信譽機制、算力等條件來選擇合適的主節(jié)點。

首先，我們驗證所提算法的收斂性。如圖2所示，隨著迭代次數(shù)的增加，各基站的發(fā)射功率最終都趨于穩(wěn)定，這說明所提算法收斂。此外，從圖中可以看出，基站的最優(yōu)發(fā)射功率并非最大功率。

其次，我們對比所提算法、最大功率分配和正交頻分復(fù)用3種策略的性能。在最大功率分配策略下，我們將每個基站的發(fā)射功率設(shè)置為最大發(fā)射功率。在正交頻分復(fù)用策略下，每個基站的發(fā)射功率設(shè)置為最大發(fā)射功率，頻譜資源均分給每個基站，且不考慮各基站間的鄰頻干擾。我們研究在不同路徑損耗系數(shù)β情況下3種策略的性能差異，所得數(shù)據(jù)均為500次循壞迭代后的平均值。如圖3所示，隨著β的增大，所提算法和最大功率分配策略的平均和速率均在不斷提高，而正交頻分復(fù)用策略的平均和速率不斷下降。當β> 2時，所提算法的性能要明顯優(yōu)于正交頻分復(fù)用策略。相較于最大功率分配策略，所提算法可提升系統(tǒng)性能29%以上。

然后，我們對比3種策略下的基站總發(fā)射功率隨最大發(fā)射功率的變化關(guān)系。因為各基站的發(fā)射功率在正交頻分復(fù)用與最大功率分配策略下的值相同，所以我們僅對比所提算法與最大功率分配策略的總發(fā)射功率。如圖4所示，隨著最大發(fā)射功率的持續(xù)增大，所提算法和最大功率分配策略的總發(fā)射功率均會增大，但所提算法比最大功率分配策略節(jié)省5.3%以上的功率開銷。

最后，我們研究同一區(qū)域內(nèi)基站數(shù)量與和速率之間的關(guān)系。如圖5所示，隨著基站數(shù)的增加，所提算法和最大功率分配策略的吞吐量均明顯提高，而正交頻分復(fù)用策略的吞吐量變化趨勢不明顯。此外，不論基站數(shù)的大小，所提算法的性能都要明顯優(yōu)于正交頻分復(fù)用策略，且相較于最大功率分配策略，其平均和速率提高20%以上。

4結(jié)束語

為減少密集部署基站之間的干擾并提高系統(tǒng)容量，本文提出了一種基于聯(lián)盟鏈的多小區(qū)基站協(xié)同功率控制架構(gòu)，將區(qū)塊鏈技術(shù)融合到6G頻譜共享和基站功率協(xié)同控制中，以減少各基站之間的干擾；分析了基站之間的發(fā)射功率協(xié)同控制問題，提出了多小區(qū)基站協(xié)同功率控制算法，并通過仿真實驗對所提算法進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明：所提算法相較于正交頻分復(fù)用策略可大幅提高系統(tǒng)吞吐量，相較于最大功率分配策略可提高20%以上的系統(tǒng)吞吐量，節(jié)省5.3%以上的功率開銷。在未來的研究工作中，我們將進一步研究面向多小區(qū)的多維資源協(xié)同管理方法。

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作者簡介

李祖廣，南京航空航天大學電子信息工程學院在讀碩士研究生；主要研究方向為動態(tài)頻譜共享、區(qū)塊鏈等。

陳科，南京航空航天大學電子信息工程學院在讀博士研究生、天維迅達科技有限公司副總工、國際電聯(lián)無線電通信研究組專家；主要研究領(lǐng)域為無線電通信電磁兼容分析和頻譜資源管理；先后參加多個國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部研究項目，參與多個國家標準的制定工作。

王威，南京航空航天大學電子信息工程學院研究員；主要研究方向為空天地一體化網(wǎng)絡(luò)、電磁頻譜安全和區(qū)塊鏈。

吳啟暉，南京航空航天大學特聘教授、教育部“長江學者”特聘教授、國家百千萬人才工程入選者、國家有突出貢獻中青年專家、工業(yè)和信息化部通信科學技術(shù)委員會委員、IET Fellow、電磁頻譜空間認知動態(tài)系統(tǒng)工業(yè)和信息化部重點實驗室主任、中國電子學會理事、中國通信學會云計算與大數(shù)據(jù)專業(yè)委員會副主任；主要研究方向為認知信息論、電磁空間頻譜智能管控、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、無人機集群智能通信；主持無人機頻譜認知儀國家自然科學基金重大儀器等國家級重大/重點項目10余項；獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎1項、國家科技進步獎二等獎1項、省部級科技進步獎一等獎3項；發(fā)表論文100余篇。