面向共享网络的资源可信管理研究

贺 琳 苗守野 刘秋妍 李 露

1 中国联通研究院 北京 100048

2 中国联合网络通信集团有限公司 北京 100033

引言

2021年是国内5G SA(Standalone,独立组网)网络持续建设与发展的一年，从2020年初起，5G作为新基建之首，加快推进5G发展屡屡被点题。在新基建的带动下，5G共建共享已成为运营商降本增效，更加集约高效地实现5G网络覆盖，快速形成5G服务能力的重要手段。截止到2021年6月，我国已经共建共享40余万个5G基站，覆盖全国所有地级以上城市。此外，按照前期国内运营商间签署的5G共建共享协议，后续5G共建共享也必将进一步走向深入。

随着5G共享网络，尤其是5G SA共享网络的不断完善，行业应用创新不断增多，5G共享网络已开始赋能工业、交通、能源、医疗及经济社会等千行百业，而随着5G共享网络赋能垂直行业领域的增多，5G共建共享运营商之间涉及网络资源分配，每个运营商又涉及公众用户与垂直行业用户之间的资源分配，因此，网络资源分配方案将变得更加复杂、多样化。但众所周知，移动通信网络中，频谱资源是有限的，频谱资源的分配直接影响着用户的体验，因此，在共建共享场景下，如何高效利用授权频谱为全行业提供公平可信的频谱共享资源，实现共建共享网络下的频谱资源的可信管理是亟待解决的关键问题，也是确保共建共享网络下端到端业务体验，从而最大化5G共建共享价值，促进5G共建共享网络持续性发展的关键。可以预见，后续频谱资源的高效动态共享在国际上的需求将会更为强烈。

1 5G接入网共享资源分配方式及可信管理需求

网络共建共享是一个广义的范畴，最基本的共享是机房、铁塔等基础设施的共享，再进一步就是无线网络甚至核心网络的共享。虽然从3GPP的角度来看可以分为接入网共享以及核心网共享两种，但考虑到国内运营商间多采用接入网共享方式，因此，本文仅针对5G接入网共享下的资源分配方案进行分析。

1.1 面向5G接入网共享的资源分配方式

接入网共享[1]顾名思义就是多家运营商间共享无线基站设备及部分传输，核心网独立建设，5G共享基站依据用户的网号，将用户链接到其归属核心网，从而实现同时为多家用户提供服务的目的。5G共享基站按照载波资源配置方式不同，又可以进一步分为独立载波和共享载波两种模式，如图1所示。

图1 接入网共享载波资源配置方式

1)独立载波：指运营商各自拥有独立的频谱资源，只共享硬件资源，即物理设备共享，内部逻辑独立[2]。在独立载波共享模式下，两个运营商可以各自调度独立的频率资源，既不存在业务上双方运营商用户的资源抢占，也不需要考虑运营商间的资源分配问题。

2)共享载波：指运营商之间共享RAN资源，包括频谱共享和硬件资源共享，即物理和逻辑都共享。该方案下，需要多家共享运营商共同协商空口资源分配方式，并采用相同的QoS(Quality of Service，服务质量)策略，以保证所有共享运营商间用户的公平性。

从我国国内运营商间的网络共享模式来看，本着最大化共享价值和频谱利用率，国内共享运营商间多采用共享载波模式，而且我国虽然从2019年就正式开始5G建设，但前期5G网络仍以提供eMBB业务为主，运营商间多采用完全共享的方式，即不区分PLMN(Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络)分配基站资源，资源100%共享。而随着垂直行业融合应用的不断增多，以及5G切片技术的引入，不可避免需要考虑更多的资源分配方式，比如说：1)部分共享：即部分基站资源按照比例进行绝对划分，剩余资源进行共享，如图2所示；2)按比例共享：即双方设置共享比例，可在这个比例范围内共享空闲资源，如图3所示。一旦需要，可抢回该部分份额。

图2 部分共享资源分配方式示意图

图3 按比例共享资源分配方式示意图

1.2 面向5G接入网共享的切片资源分配方式

网络切片可将网络资源按需灵活分配，结合不同的业务需求，定制个性化的网络服务，是5G服务垂直行业的关键切入点。而在共享网络下，网络切片的引入，就需要进一步考虑如何在共享的物理设施基础上，再切隔成多个独立的虚拟网络，为不同运营商下不同业务提供独立运营、相互隔离的定制化专用网络服务。5G无线侧包含三种不同类型的切片机制：QoS调度、RB(Resource Block，无线资源块)资源预留和独立载波切片[3-4]。

1)QoS调度：通过5QI(5G QoS Class Identifier，5G QoS等级标识)或切片标识关联5QI的方式为业务提供差异化的网络服务。

2)RB资源预留：为一个切片或切片组预留资源，以保证服务质量。按照定义，预留的资源可包括专用资源、优先资源和共享资源。其中，专用资源是指该预留资源仅用于切片用户组内用户；优先资源顾名思义是优先保障切片组内用户使用，如果有剩余，则可供其他切片组的用户使用；共享资源则按照现有机制，由所有用户基于QoS调度算法分配。

3)独立载波切片：不同切片使用不同的载波小区，每个切片仅使用本小区的空口资源，以提供各切片的资源保障。

1.3 面向5G接入网共享的资源可信管理需求分析

随着5G赋能垂直行业融合应用的不断深入，以及5G网络切片技术的引入，在5G共建共享网络下的资源分配方式及资源配置参数将更加复杂，任何一个资源配置参数都可能影响运营商间的资源分配，进而影响不同运营商间用户的业务体验，因此，实现共享运营商间资源的可信管理对于5G共建共享网络的可持续性发展显得越来越重要。为了保证5G共建共享网络下，各运营商用户被公平对待且业务体验对等，需从以下几个方面加强频谱资源的可信管理。

1)资源配置参数对等可视：确保频谱资源分配、QoS、调度等相关参数可信可视。

2)资源配置修改公开透明：确保关键资源配置参数在双方共同确认授权下才可修改，避免由于单方私自修改关键资源参数带来的共享运营商用户体验下降。

3)资源使用统计透明可信：确保PRB(Physical Resource Block,物理资源块)资源利用率、业务速率等关键性能指标可信可视，进而方便双方运营商对用户业务体验进行比对。

2 基于区块链的共享网络资源可信管理方案

本文第1.3节对5G接入网共享网络下，尤其是共享载波配置下，资源分配的可信需求进行了分析，由于当前运营商间的共建共享主要集中在网络共建、共维，以及共优层面，各个运营商的品牌、用户和市场都还是独立的，任何一家共享运营商都存在利己动机，也就较难形成足够的公信力，因此，现有的5G网管数据集中式存储方式也就很难满足共享运营商间日益增长的可信管理需求。

区块链作为一种起源于比特币的分布式记账技术，具有去中心化、公开透明等特性，这使得区块链天然成为一个信任机器，即由区块链网络中所有成员共同构建区块链的分布式账本，采用链式、分布式存储，并通过共识机制确保各记账节点写入数据的一致性、完整性和安全性，该方式可以替代权威主体和第三方背书，从根本上避免集中式存储所带来的单点失效而引发的信任体系崩塌问题，而且加大了数据篡改的难度[5-8]。此外，区块链上各成员的身份具有唯一性，可通过公/私钥机制确保区块链上各成员的身份可信；同时通过点对点加密和零知识证明等区块链技术保障区块链上的数据隐私和数据安全[9-12]。因此，在多方参与共建、频谱动态共享的共建共享网络中，如何保证频谱资源分配参数公平可信，同时公平可信地衡量频谱动态共享状况是保障全网稳定运营的关键[13]。

首先，从方案架构的角度来看，依托区块链的分布式链式存储等技术特性，可由承建运营商、共享运营商共同组建联盟链，后续视业务、市场、监管等需要，还可进一步增加第三方监管机构、垂直行业等节点。该联盟链直接对接运营商的网管系统，采用镜像方式将关键的运营商网管数据、资源配置参数修改申请审批流程同步到区块链系统上，并且确保现有5G共建共享网络架构不更改、现有通信业务时延不增加。共享资源可信管理逻辑架构示例图和区块链系统的逻辑功能示例图如图4和图5所示。

图4 基于区块链的共享资源可信管理逻辑架构示例图

图5 区块链系统逻辑功能示意图

其次，从方案实现的角度来看，目前国内运营商在5G网络共建共享过程中多采用“谁建设，谁维护，谁优化”的原则，因此，共享基站从规划到建设，再到运维优化的过程中虽然会考虑共享方的需求，但总体来看，共享基站仍由承建方负责，其中也包括对于共享基站资源参数的配置及修改，如若要提升共享运营商对于资源配置参数的可信度，可考虑依托区块链的智能合约和共识机制，实现共享多方运营商对资源相关参数的确认授权流程，如图6所示。

图6 基于智能合约的多方参数修改授权流程

此外，为了避免未经授权流程的参数修改，还需形成闭环核验机制，即周期性(如以天为单位等)上链存证资源配置关键参数，并由智能合约自动对已存证的资源配置参数进行比对，对未经共享多方运营商确认授权的变更参数进行告警，以使得共享运营商能够及时发现共享基站重要参数在未经多方运营商共同同意情况下发生的改变。

再有，随着5G网络覆盖的完善及5G用户的发展，5G网络容量也将随之提升，再加上垂直行业应用的定制化需求，频谱资源分配及使用的公平、透明对于共享运营商均至关重要。因此，在本文前述资源配置参数多方授权修改机制下，还需以区块链作为底层数据存储，由承建运营商负责经由无线设备网管将共享基站资源使用情况(如PRB资源利用率、不同运营商业务速率等)关键KPI(Key Performance Indicator,关键绩效指标)指标上链，并将区块链上的共享基站资源使用情况可信共享给其他共享运营商甚至垂直行业等进行查询，以实现共享多方运营商可以更加真实、准确地了解各自的资源使用情况，视需要，共享运营商间还可进一步协商改进资源分配策略，进而促进5G共享网络下资源的公平调度及高效协同。

最后，从部署可行性和扩展性的角度来看，区块链平台可考虑与无线网管系统或MEC(Multi-Access Edge Computing，多接入边缘计算)边缘云共平台部署。总体来看，区块链的分布式特性与边缘计算架构趋于一致，通过与边缘设备节点结合，可实现资源互补和一次建设到位，同时，也有助于助力后续5G网络演进的新业务拓展。

3 区块链赋能可信共享网络的挑战

前文对基于区块链的5G共建共享可信管理方案进行了一些探讨，但总体来看，5G共建共享和区块链的融合还处于初期探索阶段，后续区块链赋能5G共建共享网络必将持续深入，比如说进一步扩大区块链可信网络的应用范围和上链的数据范围等，除了本文中所提到的网络资源配置及资源使用占比等数据，还可以进一步逐步扩展用于网络运维的优化管理和网络建设、规划等，此外，随着5G与垂直行业融合应用的深入，还可将区块链可信共享网络向垂直行业扩展，为垂直行业提供可信网络保护，构建数据安全共享的生态体系，但随着后续共建共享网络与区块链融合的深入，也不可避免地会遇到更多的挑战，具体如下。

1)确保上链前的数据的准确性

依托区块链的技术特征，可保证链上数据的安全可信防篡改，但上链前数据的真实可靠性如何保证是区块链面临的一个较大问题。因此，后续基于区块链的5G共建共享资源可信方案中，还需要考虑进一步融合云计算、大数据、人工智能等技术，从而尽可能提升链下、链上数据的一致性。

2)提升存储效率

区块链分布式存储的本质就是采用链式数据结构，在链上节点分布式存储相同的数据，然后以时间戳为索引来实现数据的防篡改，该技术的实现原理就注定了区块链技术的应用需要以降低存储效率为代价来换取更高可信度。

此外，理论上说，区块链上的数据一旦上链将不能被删除，故链上的数据量必然会与日俱增，不仅如此，随着系统数据存储量及数据操作量的增加，基于区块链的数据存储机制还会产生大量的冗余数据，不仅消耗大量的存储资源，也会给系统容量带来极大的挑战。因此，如何将链上节点存储数据增速放缓是解决存储资源有限且资源利用率低的重中之重。

3)提升共识算法效率

区块链共识机制的作用就是确定构造区块的节点，以及保证链上节点区块链账本的一致性。因此，随着链上参与共识算法的节点增加，共识算法的效率也会随之降低，故如何设计一种既具备容错能力，又能保证链上节点高效、快速达成一致性的共识算法是改善区块链系统吞吐量的关键之所在。

4 结束语

共建共享已经成为我国5G网络建设的重要方式，随着5G共建共享的深入，资源可信管理至关重要，本文结合目前5G共建共享网络的资源可信管理需求，探讨了一种5G共建共享与区块链融合的可信管理方案，但总体来看，目前5G共建共享网络与区块链技术的融合应用仍处于初期探索阶段，即还处于关键数据或流程机制与区块链的松耦合状态，且受建设成本、商业模式等限制，区块链的应用价值并未完全释放，后续还需持续推进5G共建共享网络与区块链融合应用的深入，并进一步结合云计算、大数据、人工智能等技术，共同推进共享运营商间，甚至运营商与垂直行业间的精细化运营管理。