基于区块链的频谱管理：综述与初步探讨

赵友平，卢 聪

(北京交通大学 电子信息工程学院,北京 100044)

随着第五代移动通信(5G)在2019年的商用及陆续普及，物联网(IoT)、自动驾驶、虚拟/增强(AR/VR)现实等技术将得到快速发展，无线电设备数目将呈指数增长.然而，大量的研究报告表明目前的频谱利用情况极不平衡，非授权用户的频谱极其紧缺，而一些授权频段的频谱利用率极低[1-2].除此之外，无线电秩序的形势日趋严峻，伪基站、黑广播、窃听器、无线电作弊装置等非法无线电台严重扰乱公共秩序.这种低成本，高收益的方式在扰乱公共无线电秩序的同时给用户的隐私及数据安全造成了极大的隐患.无线电设备数量的激增以及日益复杂的无线电秩序给当前的无线频谱管理带来诸多问题和挑战，例如，更高的频谱需求、复杂的干扰管理、越来越低的分配效率、用户数据的安全性威胁等[3].传统的集中式频谱管理模式已经难以满足5G甚至下一代移动通信(6G)中的高带宽、低时延和超可靠的性能要求[4].因此，频谱管理中需要创新思维来应对日益增长的频谱分配和管理上的危机[5].

1999年，Mitola等首次提出认知无线电(Cognitive Radio)的概念[6].2005年，Haykin指出认知无线电是一种智能无线通信系统，可以自动感知周围的频谱使用情况，在不影响授权用户正常通信的前提下利用空闲的频谱资源[7].近年来，以认知无线电为基础的动态频谱共享技术已成为研究热点，为解决频谱资源短缺问题开辟了一条全新的途径[3]，动态频谱共享技术也被视为解决6G中频谱资源短缺问题的关键技术[8-9].目前，6G吸引了越来越多国家和地区的关注，中国、美国、韩国、日本和欧洲等已着手B5G(Beyond the Fifth Generation)或者6G的研发[10-13].除了集中式的频谱管理，分布式的频谱管理逐渐成为一个重要的研究方向.分布式的频谱管理系统具有频谱分配效率高、系统开销低、维护费用低和安全性高等特点[14]，对于解决频谱管理中的问题具有优势.2018年9月，美国联邦通信委员会(FCC)的专员Jessica Rosenworcel指出6G将迈向太赫兹频率时代，随着网络愈加致密化，美国现有的频谱管理方式将难以胜任6G中“高效地利用频谱资源”这一诉求，因此建议6G采用频谱共享的方式.该专员还建议6G采用更智能、分布式更强的动态频谱共享技术，即“基于区块链的动态频谱共享”[15].除此之外，电气和电子工程师协会(IEEE)和法国国家频谱管理机构(ANFR)等研究机构也已经开始了应用区块链管理频谱的探索[16].由此可见，基于区块链的频谱管理已逐渐成为6G中的研究方向之一.

区块链是随着比特币等数字加密货币的日益普及而逐渐兴起的一种全新的去中心化的基础架构和分布式计算范式，去中心化、时序数据、集体维护和安全可信等是其显著特点[17-18]，该技术已经引起政府管理部门、行业标准化组织、企业和大学科研机构的高度重视.并已经被应用于诸多领域，具体的应用汇总如图1所示.可以预见，区块链在各领域的发展将迎来前所未有的机遇.

图1 区块链技术应用汇总Fig.1 Summary of blockchain applications

基于区块链的频谱管理目前还处于探索阶段，一系列涉及系统架构、频谱感知和频谱交易等方面的问题还需要重点研究.本文首先分析了区块链应用于频谱管理领域的优势，总结了基于区块链的频谱管理研究现状；然后对基于区块链的频谱管理系统的工作模式进行了初步探讨；最后总结了基于区块链的频谱管理系统中待解决的问题和挑战，为后续的研究指明了方向.

1 基于区块链的频谱管理的优势

1.1 集中式的频谱管理系统中面临的问题

无线通信发展至今，极大地改变了人们的生活方式，推动了社会的发展.然而，随着无线电设备的激增以及无线通信业务的进一步丰富，现有的无线频谱分配方式面临空前的挑战，一系列的问题也随之出现.

1)集中式系统维护费用高，频谱分配效率低.随着5G在2019年的商用及陆续普及，物联网、车联网和人工智能等一系列以5G为依托的技术将得到快速发展，无线电设备的数目将呈指数型增长，与此同时，集中式的频谱管理系统的数据处理压力激增.为了满足海量不同用户设备的频谱需求，集中式的频谱管理系统需要不断升级设备以保障其用户的性能，这种方式将导致极大的维护费用.除此之外，车联网对于端到端时延要求极高，需要维持在1 ms以内，这需要集中式的频谱管理系统提升其频谱分配效率，然而，无线电数目的激增使得频谱分配效率愈发难以保障.因此，需要一种更加经济、高效的频谱分配方式.

2)日趋复杂的干扰管理.目前，无线通信广泛应用于室内接入、短距离通信、卫星通信、移动通信以及传感器网络等各种通信网络中.随着无线电设备的激增和业务类型日趋丰富，无线带宽难以应对激增的移动数据流量需求.为此，运营商普遍采用增加基础设施(如基站、接入点等)的方法提高频谱复用率，这种异构分层的网络结构将导致不同无线电设备之间严重的干扰[19].对于海量无线电设备共存且动态变化场景的干扰管理将日益复杂，集中式的频谱管理系统将产生极大的系统开销，用户的性能需求也愈发难以保障.

3)缺乏相应的经济激励机制.为解决静态频谱管理方式造成的频谱短缺以及频谱利用率低的问题，学术界提出了动态频谱共享的方案[3].通过非授权用户动态接入授权频段的方式提高频谱利用率，提升系统容量，并最终实现多方受益.然而，授权用户出于安全性的考虑可能拒绝分享其频谱.除此之外，对动态频谱共享中频谱需求的预测、频谱的统筹规划、频谱的动态分配和频谱的使用监督等各个环节还存在诸多问题和挑战[20].因此，授权用户性能的安全性保障、频谱价值转移造成的计费结算以及缺乏相应的授权用户激励机制等问题亟待解决[3].

4)日益严重的安全威胁.未来B5G或者6G网络将容纳数百亿的无线电设备，以实现泛在智能(涉及各种传感数据的收集和传输).同时，不可信节点(如恶意节点)的数目也会随之增多，伪基站、黑广播、窃听器、无线电作弊装置等非法无线电台将严重扰乱公共无线电秩序，对用户隐私及数据安全形成极大的安全风险，也为更精准的干扰管理制造了障碍[5].同时，恶意节点对集中式数据库的攻击和中心机构对数据的恶意篡改及泄露等行为将对用户数据的安全性产生极大的威胁.

由上述集中式频谱管理系统中的问题可见，随着5G的普及以及6G的进一步研究，需要提出一种更智能的、频谱利用率更高的频谱管理方式，基于区块链的动态频谱共享提供了一种全新的解决方案.

1.2 区块链技术的特点与优势

区块链起源于2008年由化名为“中本聪”的学者在密码学邮件组发表的奠基性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》.区块链作为比特币的底层技术，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一系列交易信息，其链式结构如图2所示.区块链技术能够通过运用数据加密、时间戳、分布式共识和经济激励等手段，在节点无需互相信任的分布式系统中实现基于去中心化信用的点对点交易、协调与协作，从而为解决中心化机构普遍存在的高成本、低效率和数据存储不安全等问题提供了解决方案[17-18].区块链技术是一个具有普适性的底层技术架构，其发展会为当前的金融、经济和科技领域带来深刻的变革，并被认为是人类史上继血亲信用、贵金属信用、央行纸币信用之后的第四个里程碑[21].

图2 区块结构Fig.2 The structure of blocks

区块链最突出的特点是去中心化，交易数据保存在每个节点的本地数据库，分布式的数据存储与加密技术的结合保证了用户数据的安全性.同时，区块链是一个集体维护的系统，将数据写入区块链的工作不再由中心式的机构负责，而是运用共识机制选取合适的节点将通过验证的交易数据写入区块链，这种方式可以避免因中心式数据库被攻击而造成的数据丢失以及中心式机构恶意篡改数据的行为[17-18].除此之外，区块链特有的激励机制可以用于激励授权用户与非授权用户进行频谱共享.区块链与动态频谱共享的结合可以使无线频谱资源的共享、价值转移流通过程更加公开透明和真实可信，同时区块链特有的激励机制能够在保证授权用户的安全时使其“有利可图”，进而实现基于区块链的频谱管理系统的持续运转.对于因无线电设备数量激增导致频谱分配效率下降的问题，区块链同样能够很好的解决[22].区块链是一个分布式的系统，系统中没有可信的第三方节点，分布式的处理方式可以提高系统的频谱分配效率，降低系统的维护费用.同时，节点可以根据自身频谱的需求与特定节点进行频谱交易，这种通过交易空闲频谱的方式可以提升频谱的利用率.最后，通过设计合适的智能合约，将区块链作为一个频谱交易平台来实现不同类型的节点、不同垂直行业之间更加灵活的频谱交易.同时区块链也可与人工智能、边缘计算和网络切片等技术相结合，实现更智能、分布式更强的频谱管理，满足各个不同业务类型、不同性能需求的用户对频谱的需求.

表1总结了传统频谱管理系统中的问题及挑战以及区块链解决频谱管理中问题的优势.

表1 区块链应用于无线频谱管理中的优势

1.3 基于区块链的频谱管理研究现状

国内外的相关机构已经开展区块链应用于频谱管理领域的研究.2017年3月举行的IEEE动态频谱接入网络组会议讨论了区块链技术，并提出动态分布式频谱管理需要分布式数据库进行支撑[16].同时，IEEE已经开始研究应用区块链技术来解决动态频谱管理中的问题，以降低监管机构和用户成本、提高频谱管理效率.2018年，ANFR首次试验使用区块链技术管理2.4、5 GHz等频段[16].国内电信企业也积极开展区块链领域的布局工作，加快推进区块链技术的研究，例如：中国电信打造的区块链可信基础溯源平台“镜链”荣获2018年中国“双创”好项目奖；中国联通联合中兴通讯、信通院、中国移动在ITU-T SG20建立了全球首个物联网区块链国际标准项目“基于物联网区块链的去中心化业务平台框架”.

国内外频谱管理领域的研究人员也开始了对区块链应用的探索研究.2017年，芬兰诺基亚公司创新指导专家Seppo分析了区块链在美国3.5 GHz公民宽带无线电服务(Citizen Broadband Radio Services，CBRS)频段的应用潜力，总结了区块链的4类应用场景：轻量级交易、溯源追踪、机构间的数据保留和多方数据整合，并得出：区块链通过自动化的合约、代理和数据交换可实现复杂多步骤的工作，有望显著降低CBRS系统中的交易成本.最后为共识机制的设计和共享效率的提升等方面的研究方向提供了建议[5].文献[23]分析了将区块链应用于频谱管理领域的优缺点，并指出区块链去中心化以及安全可信的特点可以很好地应用于频谱管理领域.文献[22]提出了一种基于区块链的频谱管理系统验证协议，保证认知无线电网络中频谱共享过程的安全.此外还模拟了一个基于区块链的频谱管理系统，在该系统中，授权用户对机会接入进行拍卖，非授权用户使用加密货币支付接入费用，访问权限记录在公共区块链上.与比特币一样，这种加密货币可以通过兑换传统法定货币或提供处理资源来获得.仿真结果显示，该系统在中度和深度衰落条件下的性能都优于传统的频谱共享协议.文献[24]将区块链应用到虚拟无线网络中来保障虚拟运营商与用户之间的频谱共享的安全性，在满足用户性能的同时避免了因虚拟运营商过度使用其频谱资源而造成的资源浪费.文献[25]将区块链特有的智能合约用于用户与频谱感知机构之间交易的结算，同时分析了频谱感知机构的数目、写入智能合约的数据压缩系数对频谱效率的影响.文献[26]提出了一种新的智能网络架构，利用区块链技术来处理基于智能合约的运营商与用户之间的关系.在博弈论的基础上，提出了一种新的基于虚拟货币的免授权频谱共享算法.仿真结果表明，该算法能在几秒内达到纳什均衡.文献[27]利用区块链去中心化和高信任度的特点，提出了一种基于区块链和博弈论的频谱共享算法，使得运营商可以共享自由频谱.仿真结果表明，该算法能有效提高运营商的频谱利用率，增加运营商的收入.文献[28]提出利用区块链的货币机制和协调协议的贪婪分布式算法实现以前采用中央控制器达到的最优信息分配，消除了用户间的干扰.为了规范化频谱共享秩序，确保授权用户在频谱共享的过程中获得相应的收益，斯里兰卡莫勒图沃大学的文献[29]提出了一种基于区块链的频谱共享平台，该平台通过频谱代币(Spectral token)来验证和跟踪授权频谱的使用，同时强制非授权用户按顺序接入频谱，以避免干扰.最后基于以太坊开发实现了该平台，以演示所提出的平台的实用性及其吞吐量和效率特性，然而，该平台会产生较高的时延.为了解决频谱资源短缺的问题，文献[30]提出了一种基于区块链的频谱共享系统，使不同类型的用户可以在密集网络中高效地共享频谱，并且设计了一种基于博弈论的“针锋相对”策略(tit-for-tat)来获取与频谱共享系统之外的用户的合作.仿真结果表明，当使用基于博弈论针锋相对策略的用户超过一定比例时，与传统集中式的频谱管理方法相比，该策略可以显著提升频谱共享效率.

除此之外，区块链与物联网和边缘计算等技术的结合也被广泛关注和研究.文献[31]提出了IoT设备和区块链同步的两种协议，并讨论了IoT设备的本地状态到区块链网络的全局状态的转移概率受不同参数的影响.仿真结果表明，保证同步过程可靠性的无线技术选择取决于区块链参数，并发现区块链协议与主要产生上行链路流量的典型IoT应用不同，需要分配大量的下行链路资源.文献[32]分析了具有轻量级IoT客户端的区块链系统的时延和通信权衡.区块链技术为IoT设备的协调提供了分布式架构，但区块链数据并不保存在内存受限的设备本地.文献[33-34]提出将区块链的分布式共识过程卸载到边缘计算，构建两阶段的Stackelberg博弈和拍卖机制来模拟边缘计算服务器和移动区块链用户的交互过程，边缘计算作为辅助工具可以改善区块链本身的算力复杂度高的缺陷.

此外，区块链与人工智能的结合将推进人工智能由个体智能向群体智能的演进、开启智能化数字经济的新模式[35-36].

2 基于区块链的频谱管理初步探讨

2.1 基于区块链的频谱管理模式探讨

未来无线频谱管理的发展方向为：全频谱、全覆盖、强安全.未来的无线通信场景将是一个多种业务共存，接入点密度极高的分层的立体场景[10-11].本节基于当前频谱管理中的问题以及上述总结的区块链应用于频谱管理领域的优势，提出了一种基于区块链的频谱管理生态系统.该系统支持不同类型的节点、不同垂直行业之间的频谱交易，并且通过分布式的频谱感知机构缓解移动用户的频谱感知压力，去中心化的系统架构提升了频谱管理效率，认证机构能够维护频谱交易系统的秩序，保障系统的可持续运行.

基于区块链的频谱管理生态系统如图3所示，场景中多种业务场景共存，如物联网、车联网和超密集网络等.不同节点之间可以通过频谱交易的方式获得频谱，这些节点可以是基站，也可以是移动用户.对于有频谱需求的节点，可以通过分布式的频谱数据库(Distributed database)获取频谱信息，搜索适合交易的频谱；随后该节点将交易请求发布到交易池(Transaction pool)中，所有节点均可以接入并获取交易池中的交易请求信息；当该节点与合适的节点达成交易意愿时将该笔交易广播给网络中的其他节点；每个节点收集网络中未被验证的交易保存在自己的区块中，然后凭借创建的区块去竞争区块的记账权；得到记账权的节点会将区块发送给其他节点进行验证，验证后的区块才能被连接到区块链主链，同时频谱认证机构(Spectrum certification authority)对每一笔交易进行认证；最后网络中的节点更新区块链，保存在区块中的交易正式生效.

图3 基于区块链的频谱管理生态系统Fig.3 Blockchain-based spectrum management ecosystem

在如图3所示的生态系统中，有几个功能实体：1)交易池；2)分布式的频谱数据库；3)频谱认证机构.交易池的作用是发布频谱交易请求信息和响应信息，有频谱需求的节点可发布频谱交易请求信息，同时频谱持有者也可以将售卖频谱的信息发布到交易池中.实际上，交易池可以理解为一个频谱交易平台，其客户端安装在每个用户节点的设备上，但是该平台不参与用户交易的决策、信息收集和转账等过程.分布式的频谱数据库为系统中的用户提供精确的场景感知信息.对于用户来说，尤其是移动用户，频繁的更新频谱感知会产生海量的系统开销，同时由于移动节点的感知能力有限，感知信息的准确性也难以得到保障.分布式的频谱数据库可借助其强大的频谱感知能力为用户提供精确的场景感知信息.分布式的频谱数据库可以由第三方机构来运营，感知数据保存在云端并实时更新.用户节点可以接入分布式的频谱数据库来获取场景信息，并向频谱数据库运营机构提供适量的佣金.通过这种方式，节点可以省去频谱感知的步骤从而保证节点的处理能力，并且可以降低因节点感知能力不足而引起的感知误差以及恶意节点的攻击.与此同时，还能催生出一种新兴的产业，即频谱感知机构，从而实现系统的良性循环.最后是频谱认证机构，频谱交易势必会造成频谱价值的转移，频谱认证机构可以制定合适的认证机制消除节点的抵赖行为和一段频谱多次交易的行为，同时可以对交易池和分布式频谱数据库进行监督，提升系统的公平性.频谱的认证机构可以由政府机构来承担，负责维持市场秩序、监测相关机构的行为、制定惩戒机制来制约失信节点等工作.3个功能实体相互配合，维持系统的良性循环，3个实体的配合关系如图4所示.

图4 基于区块链的频谱管理系统实体关系Fig.4 Entity-relationship of blockchain-based spectrum management systems

图3中的基于区块链的频谱管理生态系统以及图4所示的各功能实体的功能及相关关系可以总结出基于区块链的频谱管理系统的工作流程，如下：

1)节点接入分布式频谱数据库，获取场景信息.

2)节点发布频谱交易请求信息，并将其更新到交易池.

3)该节点与特定节点建立频谱交易意愿，并将该频谱交易意愿广播到网络中.

4)所有节点收集网络中未被验证的交易保存在区块中.

5)所有节点竞争区块的记账权，获得记账权的节点会获得系统发行的数字货币奖励.

6)验证获得区块记账权的节点的区块中的交易信息，并将频谱认证信息写入区块.

7)将验证后的区块连接到区块链主链.

8)所有节点更新区块链，到此标志着区块中的频谱交易生效.

2.2 基于区块链的频谱管理面临的问题

区块链技术是一项具有巨大影响力的变革型技术创新[37-38]，将区块链应用于无线频谱管理领域正在逐渐成为下一代移动通信频谱管理的新趋势.然而，基于区块链的频谱管理的可行性和潜在的问题还需要做进一步的探索.本部分从系统架构、频谱感知和频谱交易三个方面梳理归纳了基于区块链的频谱管理系统尚待解决的问题，如图5所示.

图5 基于区块链的频谱管理系统研究点总结Fig.5 Issues in blockchain-based spectrum management systems

2.2.1 系统架构的确定

1)分布式和集中式的选择.

目前的频谱管理以中心化的管理为主，而区块链是一个去中心化的系统.完全的去中心化的系统架构是一种全新的频谱管理模式，势必是对现有的频谱管理模式的一次革新，这对目前的各部门的职能划分以及基础设施的建设都是一个挑战.而区块链与边缘计算、网络切片和人工智能的结合也是目前频谱管理研究的一个方向[39].

2)区块链链型的选择.

当前区块链分为公有链、私有链和联盟链.公有链上的各个节点可以自由加入和退出网络，并参加链上数据的读写，读写时以扁平的拓扑结构互联互通，网络中不存在任何中心化的服务端节点.像大家熟悉的比特币和以太坊，都是公有链.私有链中各个节点的写入权限收归内部控制，而读取权限可视需求有选择性地对外开放.联盟链的各个节点通常有与之对应的实体机构组织，通过授权后才能加入与退出网络.由于现实中不同的电信运营商和垂直行业等均有与之对应的实体机构，不同的电信运营商和垂直行业可以分别管理运行自己的私有链，而公有链的存在能够保证不同私有链之间进行频谱交易.因此，可以优先考虑联盟链，而私有链内部的频谱管理机制以及不同私有链之间的频谱交易机制则是研究的重点.

3)区块链节点类型与功能的划分.

基于区块链的频谱管理系统中节点的类型是多样的，如负责挖矿的节点、负责感知场景信息的节点和负责认证的节点等.因此需要明确节点类型与功能划分，并确定不同节点之间的信息交互类型.

2.2.2 频谱感知

1)感知节点的确定和感知信息的准确性保障.

可选取机动性强，活跃性高(例如无人机、出租车等)的节点作为感知节点，实时地更新分布式频谱数据库，并设计合适地信用机制来确保感知信息的准确性.

2)激励机制和惩戒机制的设计.

进行频谱感知工作的节点可能是可信的，也可能是不可信的，对于可信的节点需要制定合适的激励机制来激励其感知场景的行为.而对于失信节点，需制定合适的惩戒机制来保证感知系统的公平性.

2.2.3 频谱交易

1)交易的实时性保障.

目前的区块链系统中，不同节点之间达成共识的时间过长导致交易效率较低，交易的实时性难以保证.对于一些对时延要求很高的业务(如车联网)，交易的处理时延直接影响系统的性能，而其他对时延要求不高的业务则更关注交易的可靠性，如何制定不同的共识策略来保证不同交易类型的需求是实现交易实时性的重点.

2)频谱定价机制的设计.

影响频谱价格参数的选取和信息交互流程的设计是频谱定价的重点，同时需要确保系统中频谱价格的整体稳定.

3)用户等级划分和分级保护机制的设计.

未来的用户构成将是一种分层更加精细的架构，不同等级的用户之间通过频谱共享来实现频谱的高效利用.用户等级的划分和高等级用户的保护策略将是研究的重点.

4)“频谱币”发行机制的设计.

类比其他虚拟货币，基于区块链的频谱管理系统也可以设计合适的虚拟货币来用于支付频谱，不妨定义为“频谱币”.通过制定合适的“频谱币”发行机制使频谱与现实经济融合，真正实现频谱经济[25].

5)交易合约及协议的设计.

这个问题涉及到更高层次的策略及规范的制定，包括：可交易频谱的划分、智能合约的制定、奖惩机制制定、信用机制的制定、信息传输协议的制定以及频谱经济行业规范的制定等.

3 总结与展望

本文分析了应用区块链技术解决当前集中式频谱管理中面临的问题和挑战的天然优势，总结了基于区块链的频谱管理研究现状.区块链作为6G频谱管理领域的主流技术之一，其特有的去中心化、时序数据和安全可信等特点对于解决当前集中式频谱管理中的诸如频谱资源短缺、安全性威胁和维护费用高等问题具有先天优势.除此之外，区块链特有的经济激励机制还可以激励授权用户分享其频谱，实现不同节点之间、不同垂直行业之间更有效的频谱共享.然后，对基于区块链的频谱管理的工作模式进行了初步探讨，工作流程可总结为：1)节点通过分布式的频谱数据库获取精确的频谱感知信息；2)节点通过交易池发布频谱请求(响应)信息并与特定的节点进行频谱交易；3)频谱认证机构对该交易进行认证，频谱交易结束.然而，基于区块链的频谱管理还面临诸多挑战，本文最后总结了基于区块链的频谱管理中与系统架构的确定、频谱感知和频谱交易相关的问题和挑战，为后续的研究提供了方向.

综上，尽管基于区块链的频谱管理新模式会面临诸多挑战，其有效性、可行性仍需要经过大规模实际无线网络的验证，但我们应该看到这种新频谱管理模式蕴藏的巨大发展机遇.以频谱交易的形式来管理频谱可以极大发挥各频谱持有者的创新和运作能力，显著提升频谱资源的社会与经济效益.另外需要特别指出的是，未来可用来交易的资源并不限于频谱资源，计算资源和缓存资源等也同样可以以类似的模式进行资源交易，提升各种通信资源的综合效用和市场价值.