区块链和边缘计算驱动的短波电磁频谱管理新架构

杨 健， 陈 曦， 何 伟

(1.31107部队，江苏 南京 210007；2.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

短波是重要的中远程指挥与控制手段，在无卫星等恶劣条件下甚至是唯一手段。今天，无线电技术高度发展，而短波电磁环境正逐年恶化，短波频段背景噪声逐年升高，导致几百瓦、数千瓦甚至更大功率的短波电台也很难通畅。严重威胁短波业务的生存与发展，成为无线电发展过程中一个新的国际性难题。

监测了2011年至2015年短波电磁环境和短波频段背景的变化情况，分别如图1和图2所示。可见，短波频段的信号数量正逐年增多，短波频段背景噪声亦以每年约1 dB的速度逐年升高，表明短波电磁环境正逐年恶化。之前的研究工作表明[1]，非合作频率竞争伴随功率竞争，是导致短波电磁环境恶化的主要人为因素，如果仍以当前的方式使用短波频谱资源，短波这一人类最早发明和使用的中远程通信方式将可能被人类自己毁灭!

图1 2011年至2015年短波电磁环境的变化

图2 2011年至2015年短波频段背景噪声的变化

自20世纪末开始，中国陆续建设了多个短波监测站和电离层探测站。毫无疑问，短波监测站和电离层探测站在帮助掌握短波电磁环境的变化和电离层的变化规律方面发挥了重要作用。短波通信的质量在很大程度上取决于反射点的电离层状态，现实情况下很难保证反射点处存在短波监测站或电离层探测站。

在数十种短波业务中，短波业余业务是供业余无线电爱好者进行自我训练、相互通信和技术研究的无线电通信业务。短波业余无线电爱好者通常被称为HAM(Radio amateur)，他们分布在世界的各个角落，并始终在线。如果利用HAM提供短波电磁环境和电离层的状态，并共享短波优质频率信息，则将改变短波频段的非合作通信模式，从而促使短波频段背景噪声逐渐降低，改善短波电磁环境。

当前，区块链和边缘计算的发展为实现这一设想提供了可能性。区块链是一种全新的分布式基础架构和计算范例，它采用块链式结构来验证和存储数据，采用分布式共识算法来生成和更新数据，采用非对称加密来确保数据传输过程中的安全性，采用自动脚本代码组成的智能合约来对数据进行编程和操作。因此，区块链完美解决了短波频谱数据共享过程中的安全性、分布式和效率问题。但是，庞大的短波频谱数据规模使其无法直接存储在区块链中[2]。得益于边缘计算的发展，短波频谱数据可以在本地存储而非在线存储(即存储于区块中)，区块链的共识算法和数据结构可以与边缘计算充分结合，形成新的短波电磁频谱管理框架。

为了改善不断恶化的短波电磁环境，本文结合区块链和边缘计算，提出一种短波电磁频谱管理新框架，使短波频谱数据能够以安全、分布式和高效的方式进行共享。

1 短波电磁频谱管理的新框架

短波电磁频谱管理新框架如图3所示。

图3 短波电磁频谱管理新框架

(1) ITU(International telecommunication union)短波权威机构。ITU短波权威机构是一个可信机构，由ITU运营，负责初始化整个短波电磁频谱管理框架，包括边缘计算节点的预选，短波设备的认证并为其生成专用的公钥/私钥对。ITU短波权威机构在大多数时间都处于离线状态，即ITU短波权威机构并不是中央控制器，并不与该框架分布式的特征相冲突。

(2) 计算节点。计算节点包括ITU短波服务器(即云服务器)和边缘计算节点。ITU短波服务器由ITU运营并部署于ITU网络上。ITU短波服务器为短波电磁频谱管理框架的运行提供了算力和存储空间。在本文的设计中，蜂窝网络的基站可以作为短波电磁频谱管理框架的边缘计算节点，具有相对较高的计算能力和较大的存储空间。边缘计算节点的存储空间用来存储短波区块和预添加的短波区块，边缘计算节点的算力用来推理短波电磁环境和短波优质频率。

(3) 个人短波设备。短波电磁频谱管理框架中广泛存在称为HAM的个人短波设备(包括车载短波设备)。通常，个人短波设备负责采集短波频谱数据并将短波频谱数据上传到附近的基站(边缘计算节点)。此外，在个人短波设备和基站之间通过非对称加密的方式进行短波频谱数据的交易。

在框架中，短波区块链采用联盟链的结构。众所周知，区块链主要有3种类型：公有链、私有链和联盟链。对于如比特币和以太坊之类的公有/免许可区块链，共识过程由所有节点执行，导致巨大的计算成本和时延、短波频谱管理的低效和低吞吐量；对于私有/许可区块链，共识过程在预定的节点之间执行，考虑到短波用户仍在增加，私有链的架构并不适合短波频谱管理。为了缓解计算密集型任务的挑战和适应不断增长的短波用户规模，与现有工作不同的是，本文在短波电磁频谱管理架构中采用联盟链的架构。联盟区块链是一种许可区块链，每个短波用户在加入网络之前都需要进行认证，由一些预选节点完成共识过程[3]。因此，联盟链在实现分布、安全、高效的短波电磁频谱管理方面更加合适和可行。

在所提框架中，短波区块链由短波区块组成，包括短波频谱数据和交易数据。对于每个边缘计算节点，它将一段时间内生成的短波频谱数据和交易数据打包成为预添加的短波区块，并向周围的边缘计算节点广播该预添加的短波区块，以期通过基于PBFT(Practical byzantine fault tolerance)的协议达成关于该预添加短波区块的共识。

此外，在所提框架中，ITU短波服务器和ITU短波权威机构已部署于云端。ITU短波服务器旨在提供强大的算力，ITU短波权威机构旨在对个人短波设备进行认证并生成专用的公钥/私钥对。基站部署于网络边缘成为边缘计算节点，旨在为附近的短波设备提供算力和存储空间，个人短波设备部署于网络末端。由此，ITU短波服务器、基站和个人短波设备构成了短波电磁频谱管理的端-边-云结构，并通过边缘计算驱动短波电磁频谱管理架构的运行。

2 短波频谱数据的采集

在5G时代，基站可以视为功能强大、海量存储和强大算力的节点，以分布式方式部署。假定每个基站管理周边区域的电磁环境，一般而言，一个区域的电磁环境大致可以通过7×24 h连续的频谱监测来表征[4]。随着短波频谱数据的不断采集，可以更准确地描述短波电磁环境。考虑到短波电磁环境是总体平稳、局部动态的，一个星期的短波频谱数据足以描述某个区域的短波电磁环境。在此基础上，基于采集的短波频谱数据进一步推理短波电磁环境的变化和优质短波频率[5]。

个人短波设备运行App自动采集短波频谱数据，并上传某段时间内收集的短波频谱数据。在设计的短波电磁频谱管理架构中，自动采集的短波频谱数据具有统一的格式，可以被大多数个人短波设备使用。在设计的短波电磁频谱管理架构中，可将该App视为自动采集短波频谱数据的智能合约。在完成一段时间的短波频谱数据采集之后，每个个人短波设备将一段时间内采集到的短波频谱数据和交易数据打包，上传至附近的基站。

直观上讲，短波频谱数据是一种大数据。假设采用1个字节表示1 000 m×1 000 m的地理空间网格中的电磁环境情况，假定频率分辨率为1 kHz，时间分辨率为100 ms。一个月后，100 km×100 km区域内2～30 MHz的短波频谱数据大小将达到

以Facebook为例进行比较。Facebook每个月大约产生1.4×104TB的数据，上述短波频谱数据量几乎是Facebook同时间产生数据的一半。并且，短波频谱数据不仅随着数据采集时间、频率范围和地理范围的增加而增加，还随时间/频率/空间分辨率的提高而增加。处理如此大量的短波频谱数据将给ITU短波服务器带来沉重的负担，更不用说在集中式的网络架构下进行处理了。

将边缘计算应用于处理短波频谱数据可以很好地解决这一问题：基站接收到个人短波设备上传的短波频谱数据和交易数据后，将短波频谱数据抽象为短波频谱数据摘要，剩下的作为短波频谱数据主体存储在基站本地。当某区域累积的短波频谱数据超过7×24 h时，负责管理该地域短波电磁环境的基站滚动丢弃7×24 h之前的短波频谱数据主体，以此来保证存储在基站中短波频谱数据的轻量化。短波频谱数据摘要包含唯一的序列号，持续时间/频谱范围/采集地点、时间/频率分辨率、数据大小和存储位置(即基站存储阵列中的位置)。抽象得到的短波频谱数据摘要的数据量很小，依据GJB 5299.5，以SHA-256方法对短波频谱数据摘要进行非对称加密后仅有20字节。通过序列号和存储位置，个人短波设备可以快速访问并下载短波频谱数据主体。基站将短波频谱数据的摘要和交易数据打包成为预添加的短波区块，上传至基站，基站寻求在附近基站之间对预添加的短波区块达成共识，短波频谱数据的主体则存储在基站本地。

3 短波区块的产生

短波区块的产生过程如图4所示，每个边缘计算节点(基站)将短波频谱数据主体保存在本地，然后对短波频谱数据的摘要进行非对称加密和数字签名形成预添加的短波区块，确保数据传输过程中不被篡改。然后，基站对附近基站广播预添加的短波区块寻求达成共识。如附近基站对预添加的短波区块达成共识，预添加的短波区块将被附加在短波区块链末尾，成为正式的短波区块。

图4 短波区块的产生

同时，根据短波频谱数据摘要的信息，一些短波币自动释放至提供短波频谱数据的个人短波设备作为奖励。短波频谱数据形成摘要和主体，主体存储在基站、摘要上传至短波区块链的策略，不仅大大降低了吞吐量压力，而且大大节省了短波频谱数据传输过程和后续共识达成过程的算力和时间，降低了能耗。

短波区块的结构如图5所示，包括短波频谱数据摘要和交易数据、时间戳、前一短波区块的哈希值。短波区块根据达成共识的时间戳首尾链接，Merkel树结构被应用短波区块中短波子区块的组织结构。短波区块链仅包含频谱感测数据的摘要，并不包含短波频谱数据的主体，短波频谱数据主体存储在相应的边缘计算节点(基站)。

图5 短波区块的结构

与比特币类似，ITU短波服务器定期释放短波币作为个人短波设备采集频谱数据的激励。当短波区块通过验证后，短波区块将被添加到短波区块链，提供短波频谱数据的个人短波设备和参与共识的基站都将获得短波币作为奖励。短波币可用于购买额外的短波频谱带宽和额外的短波频谱使用权。

区块链中的共识算法通常分为两类，第一类以工作量证明(PoW)为代表，第二类以PBFT为代表。与PoW相比，PBFT的以下特征表明它是最适合联盟链的共识协议。首先，PBFT通常应用于许可区块链，联盟链则是典型的许可区块链；其次，与PoW的吞吐量(每秒7笔交易)相比，PBFT可达每秒数千笔交易的吞吐量，这对于数据驱动的短波电磁频谱管理尤为重要；第三，考虑到蜂窝网络中假基站的猖獗，虽然PBFT的33%的容错能力[6]逊于PoW共识协议51%的容错能力，但是PBFT在许可链中达成共识的特点使其容错能力相比于PoW并不产生明显劣势[7]；第四，PBFT的能效远优于PoW，考虑到未来大量个人短波设备共同参与短波电磁频谱管理，PBFT达成过程简单(共识仅在预选节点之间进行)代表了更高的能效，使其更适合于所提架构；第五，PoW的确认时延过长，而PBFT的确认时延为毫秒级；最后，在所提的短波电磁频谱架构中应用了边缘计算体系结构，从而克服了PBFT可伸缩性差的问题。接下来，给出所提架构中PBFT共识机制的详细过程。

短波区块的共识过程基于实用拜占庭容错(PBFT)算法，仅在附近的基站之间达成共识[6]。众所周知，PBFT最初是为解决拜占庭将军问题提出的，只要恶意/故障节点的数量不超过1/3，共识仍可达成[8]。

当短波频谱数据摘要和交易数据被打包成预添加的短波区块后，基站向附近基站广播该短波区块以期达成共识。生成预添加短波区块的基站为PBFT共识协议的客户端。首先，基站需要确定PBFT共识协议的视图，即确定参与PBFT的节点。通常，基站倾向于选择具有相同或相似地理位置的基站形成视图，这与簇的生成相似。假设视图中包含N个基站(副本)。PBFT共识协议的执行过程通常分为5个阶段，即请求、预准备、准备、提交和答复。PBFT共识过程如图6所示。

图6 PBFT共识过程

在提交阶段，当准备消息Prepare(m,v,n,i)为真时，副本i将提交消息〈Commit,v,n,D(m),i〉σi多播到其他副本(除自己之外的所有N个基站)，表明提交阶段开始。如果提交消息满足以下条件，则副本i接受此提交消息并将其记录在日志中：(1)提交消息的签名正确；(2)提交消息的视图编号与副本i当前视图的编号一致；(3)提交消息的序列号在范围[1,N]以内。

确认消息和本地确认消息的定义为：当且仅当f+1个(f为可容忍的拜占庭节点数)无故障副本中Prepare(m,v,n,i)为真，副本i的确认消息Committed(m,v,n)为真；否则为假。当且仅当副本i接受了2f+1个与m匹配的预准备消息后，副本i的本地确认消息为真。预准备消息与确认消息一致的条件是：相同的视图，相同的序号和相同的摘要。此外，此机制可确保任何无故障副本将至少接收到f+1个本地确认消息。然后，每个完成本地确认消息验证的副本都将执行m的请求。

在答复阶段，当执行请求消息时，每个副本会向客户端发送一个答复消息。在所提的短波电磁频谱管理架构中，请求消息的执行定义为对短波区块质量的检查。由于短波区块仅包含频谱监测数据的摘要，可以通过智能合约提取短波区块典型样本的方式检查短波区块的质量[9]，智能合约由自动执行的代码组成，以使检查过程更自动、更简单。仅使用短波区块中短波频谱数据的摘要来检查短波频谱数据的质量是一个开放性课题，但对于所提的短波电磁频谱管理新架构而言并非不可能。

当客户端收到2f+1个确认正确的答复消息后，答复阶段结束，PBFT共识完成，边缘节点通过PBFT共识机制生成短波区块。一方面，本文假设边缘节点是移动基站，通过移动通信网络传输短波频谱数据，移动基站本身是可以信任的节点；另一方面，考虑到“伪基站”的存在，恶意边缘计算节点可能会以一定概率存在，在之前的研究里[10]，提出了一种抵抗恶意边缘计算节点蓄意发动的拜占庭攻击的共识机制，使得发起共识的基站能够鉴别被恶意边缘计算节点篡改的频谱数据。此外，相对于正常基站，“伪基站”等恶意边缘计算节点仍是少数，基于PBFT的共识协议，33%的容错能力已经足够抵御共识过程被不可信边缘计算节点垄断的问题。

4 短波频谱数据的交易

根据生成短波区块的时间戳首尾链接，基站之间合作通过PBFT对预添加的短波区块达成共识。短波区块链在线存储，并作为副本保存在每个基站中。短波区块链可以看作短波频谱数据的索引，短波区块包含短波频谱数据的摘要。一方面，摘要记载了短波频谱数据的存储位置，个人短波设备可以通过访问短波区块链快速定位存储短波频谱数据主体的基站；另一方面，短波区块链仅保存短波频谱数据的摘要，个人短波设备下载整个短波区块链不会占用很大空间。作为中远程指挥与控制重要手段，以及在无卫星等恶劣条件下的唯一手段，短波不可或缺。然而，短波依赖电离层反射实现远距离传输，昼夜、季节、太阳活动周期的规则变化和太阳辐射突变引发的不规则变化，导致短波电磁环境(电离层)的不稳定性和短波通信的动态时变性。如果利用分布于世界各地的海量个人短波设备(HAM)提供短波电磁环境和电离层状态，共享短波优质频率信息，将有望使短波用频方式从非合作通信转变为合作竞争与共享，促使短波频段背景噪声逐渐降低，改善短波电磁环境。同时，个人短波设备能够利用海量短波频谱数据汇集形成的短波区块链推理当前的短波电磁环境和短波优质频率：(1)查找短波区块链并找到对应的短波区块；(2)支付短波币下载相关短波频谱数据；(3)基于下载的短波频谱数据来推理当前的短波电磁环境和短波优质频率，过程见图7。

图7 短波频谱数据的交易

如图7所示，在第3步，当个人短波设备通过短波区块链定位到存储相应短波频谱数据的边缘节点(基站)时，有两种可能：(1) 根据短波区块链，短波频谱数据位于本地基站。则个人短波设备根据短波区块的索引信息访问本地基站并下载短波频谱数据，支付短波币作为报酬，基站提取少部分短波币后，将剩余的大部分短波币支付给提供短波频谱数据的个人短波设备。(2) 根据短波区块链，短波区块位于外地基站。则个人短波设备通过本地基站向外地基站发送短波频谱数据请求，并支付短波币，外地基站收到请求后，通过高速网络(如5G网络)将短波频谱数据发送至本地基站。个人短波设备下载短波频谱数据结束，短波币同步支付给提供短波频谱数据的个人短波设备。

在第4步，个人短波设备基于下载的短波频谱数据推理短波电磁环境和短波优质频率时，有两种选择：(1) 个人短波设备在本地推理短波电磁环境和短波优质频率。个人短波设备若具备足够算力，可以在本地进行推理计算。(2) 个人短波设备依靠本地基站推理短波电磁环境和短波优质频率并支付短波币。个人短波设备若不具备推理计算的算力，可将推理需求发送至本地基站，并支付短波币，本地基站根据其需求和已存储在本地的短波频谱数据推理短波电磁环境的短波优质频率，将短波电磁环境和短波优质频率信息发送给个人短波设备并获得短波币。

此外，非对称加密可确保短波频谱数据传输过程中的安全性。首先，个人短波设备对拟传输的短波频谱数据进行非对称加密。当个人短波设备A需要向基站B发送短波频谱数据DataA时，A下载B的公钥并对短波频谱数据DataA加密。

(2)

(3)

其次，个人短波设备通过非对称加密验证短波频谱数据是否被篡改。当个人短波设备C将短波频谱数据上传到基站时，C通过哈希算法生成DataC的摘要。

(4)

(5)

C将SignDigest附加到DataC的末尾并将DataC上传到基站。其他个人短波设备可以解密SignDigest并获取DigestData。

(6)

(7)

5 面临的研究挑战

尽管当前的研究和开发程度距离所提的短波电磁频谱管理新架构还很遥远，但得益于区块链和边缘计算的驱动，短波电磁频谱管理确实迎来了令人兴奋的未来，同时也面临以下研究挑战。

(1)防御恶意的个人短波设备。在所提框架中，基于PBFT的共识机制具有33%的恶意/故障设备容忍度；作为智能合约，自动采集短波频谱数据的应用程序还可抵抗某些恶意短波用户。但是，在实践中，如何防御恶意个人短波用户的攻击，以保护短波电磁频谱管理新架构的运行，还需要进一步研究。

(2)短波币作为激励机制的有效性。在提出框架中，短波币被设计用于购买额外的短波频谱带宽和额外的频谱使用权。同样，也激励个人短波设备采集短波频谱数据换取短波币。对于个人短波设备，这种激励方法是否具有足够的吸引力还有待证明。

(3)共识的达成范围。在所提框架中，共识仅在附近的基站间执行。那么，多少个基站达成共识是最优的？达成共识所需的最少基站数量是多少？如果没有足够的基站，如何达成共识？

(4)降低通信复杂度和优化能耗。在确认短波区块时，随着参与基站数量的增多，完成PBFT共识所需的信息交互次数呈指数上升，带来通信复杂度的激增和能耗的增加。如何在大规模基站参与PBFT共识时改善其通信复杂度和优化能耗水平？

(5)短波频谱数据的划分。在所提框架中，短波频谱数据被划分为摘要和主体。如何对采集的HF频谱数据进行划分呢？它将影响短波电磁频谱管理架构的能效和处理延迟。

(6)其他频段。应当研究怎样将所提的电磁频谱管理新架构扩展到其他频段？笔者认为，所提的电磁频谱管理新架构无疑可以向其他频段扩展，需要进一步讨论的是，首先向哪个频段扩展，以及是否具备短波频段这种频率资源使用在地理位置上不可分割的特性。

6 结论

为了改善不断恶化的短波电磁环境，本文结合区块链和边缘计算，提出一种短波电磁频谱管理的新架构，使短波频谱数据能够以安全、分布、高效的方式共享。阐述了三项关键程序，即短波频谱数据的采集、短波区块的生成与验证和短波频谱数据的交易，设想以短波币来激励海量个人短波设备采集并提供短波频谱数据，在边缘计算的基础上构建边缘云架构，以实现有效的短波频谱数据共享。应用PBFT算法在选定的基站间达成有效共识。本文为短波区块链的应用提供了广阔的前景，为基于区块链的电磁环境研究方向打开了新的大门。