Prototype Design and Test of Blockchain Radio Access Network

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提出区块链无线接入网（B-RAN）的概念是为了整合跨网络资源，包括频谱和基础设施，以满足各种连接需求的爆炸性增长。在这项工作中，我们考虑原型设计的B-RAN，并解决了在其实施中出现的问题。为了减少访问延迟，我们为B-RAN开发了一个快速智能合约部署（FSCD）。此外，我们在BRAN中提出了数字化频谱资产（DSA）的概念，以实现高效的频谱共享和管理。我们进一步总结并演示了新引入的FSCD和DSA增强的B-RAN原型，以及总体工作流程。我们应用基于室内实验平台的综合仿真来说明所提出的B-RAN原型的有效性。

I. I NTRODUCTION

随着第五代（5G）移动通信网络的即将部署和对第六代（6G）移动通信的探索性研究，无线设备的持续增长和无处不在的连接性正在对未来的无线通信网络提出若干挑战[1]。特别是，无线接入网络越来越难以满足灵活频谱管理和异构网络部署的需求[2]。为了更好地利用有限的频谱资源和网络基础设施，需要更高效的网络解决方案。
自2008年推出比特币[3]以来，区块链已在信息共享[4]-[6]和数据存储[7]-[9]领域得到广泛考虑。作为一种创新的交易模式，加密货币交易在效率和安全性方面创造了一种分散的范式。区块链网络具有许多可取的特征，如去中心化、抗篡改和安全性。
在2018年移动世界大会（MWC）1上，联邦通信委员会（FCC）提供了将区块链技术与6G无线通信相结合的初步指导。同时，在区块链力量的推动下，在[10]中提出了区块链无线接入网（B-RAN）的概念。B-RAN利用区块链的先进功能，开发了一种分散、安全、高效的机制来管理最初不可信网络之间的网络访问、授权和认证（AAA）
然而，B-RAN仍处于初级阶段，在实际应用中面临各种挑战。一方面，B-RAN中的服务由智能合约提供，智能合约是区块链中用于多步骤流程自动化的静态脚本。部署传统智能合约并启用相应的基于合约的服务需要两步操作2，这会导致较大的延迟。因此，传统的契约部署不适合B-RAN中对延迟敏感的服务。另一方面，通过B-RAN有效管理跨网络资源共享一直是一项具有挑战性的任务，这就要求采用适当和实用的方法来记录和管理跨网络频谱资源。
在这项工作中，我们冒险进入B-RAN原型设计，以解决上述挑战，并进一步考虑在B-RAN中的实施问题。首先，通过引入根契约和契约缓存的概念，我们设计并实现了一个快速智能契约部署（FSCD），以显著减少访问延迟。将B-RAN中的频谱资源数字化，以实现高效的跨网络资源共享和管理。此外，我们还演示了B-RAN原型的工作流程，以突出这两种机制的功能。最后，构建了一个实验平台，以说明B-RAN原型在服务延迟、队列长度和频谱利用率方面的有效性。
我们将本文的其余部分组织如下。第二节简要介绍了B-RAN体系结构。第三节研究并设计了用于实现的B-RAN原型。第四节说明了B-RAN原型的总体工作流程。第五节提供了我们的实验结果，然后是第六节的结论。

II. B LOCKCHAIN R ADIO ACCESS N ETWORK

如图1所示，B-RAN的基本架构包含用户设备（UE）、接入点（AP）、频带和由miner网络维护的区块链[10]。B-RAN基本访问的工作程序包括以下步骤。1） AP和UE就服务细节达成协议，包括服务时间、服务费用等；2） AP和UE共同签署解决这些服务细节的智能合约，同时UE向合约地址进行存款交易以初始化接入服务；
3） 智能合同将提交给矿工网络；
4） 区块链记录智能合约后，AP和UE将等待几个确认区块，以避免潜在的攻击；5） 接入服务将根据签署的智能合同执行。此外，智能合约可以定义比简单访问更复杂的关系，例如协调通信、多跳传输和灵活的干扰控制。此外，数据传输的隐私受智能合同中附加条款的保护。
B-RAN中采用的区块链支持在图灵完整虚拟机上运行的智能合约。工作证明（PoW）一致性可以在B-RAN中用于维护高度安全的网络上下文，但是，它会消耗巨大的计算资源。为了降低功耗，提出了另一种共识机制，即设备证明（PoD），以利用B-RAN构建在众多硬件设备上的特性[10]。PoD利用独特的硬件标识（如国际移动设备标识）来区分不同的标识，而不是解决能耗难题。在PoD中，下一个区块的获胜者根据
三、 B-RAN P原型D设计
与现有解决方案相比，B-RAN在促进网络资源整合方面具有显著优势。然而，在现实世界中实现B-RAN时会出现一些问题。因此，在本节中，我们将研究用于合同部署和频谱管理的B-RAN原型设计。
A.根合同
通常，由智能合约启用的区块链服务包括以下两个步骤。首先，区块链记录并确认包含服务条款的智能合同。其次，服务请求者需要对合同地址进行事务处理，以初始化和触发合同规定的特定服务[11]–[15]。如果区块链尚未确认智能合约，则此类交易不可用。因此，由于两步操作，合同部署会出现额外延迟。
因此，我们提出了一种机制，即根契约，如图2所示，以减少契约部署中的延迟。根契约可以被视为某种服务的模板，并且只能声明一次通过区块链。在B-RAN中，根合同有多个服务条款，如服务时间、频谱类型、服务费用、AP和UE的标识、锁定状态等。与传统合同不同，根合同仅声明上述输入字段，而将相应的值留空。同一类型的服务可以由同一根契约启用，该根契约通常在特定服务类型发布之前很久就被接受并存储在区块链中。在提议的机制中，请求者将发起一个从其自身帐户到根合同的事务，并使用服务的特定值填充输入字段。同时，交易还包含信用保证所需的保证金。当存在多个请求时，根契约将生成多个独立的服务分叉来支持
如图2所示。服务分支由包含特定服务的必要信息的契约缓存链组成。（合同缓存的概念将在下一小节中介绍。）由于根合同早在特定服务类型发布之前就已经被区块链记录，我们不必等待区块链首先接受合同，这可以有效地减少服务延迟。
B.基于以太坊[16]的分散应用程序（DAPP）中的契约缓存，可以从根于区块链的账户树中轻松检索某个节点的余额和某个契约。这是因为以太坊要求节点在本地存储整个帐户树，而活动节点必须保持跟踪新交易，确保其副本是最新的。因此，它可能会导致巨大的传输开销，特别是在资源有限的无线网络中。此外，出于安全考虑，直接从其他节点请求此类信息是不合适的。
因此，我们提出契约缓存的概念，以便有效地从区块链检索数据。所设计的区块链能够执行所有以太坊操作，以更低的开销和更高的效率支持B-RAN的实施。如图2所示，在根契约被请求激活后，根据特定请求填充输入值，事务在缓存生成阶段完成。服务分支的最后一个契约缓存包含所有最新的服务信息。因此，节点可以轻松地从区块链获取必要的数据，而不是使用资源消耗操作的账户树。一旦服务完成，最后的合约缓存将自动将服务费用从UE转移到服务提供商AP。之后，余额为零的新契约缓存将附加到同一服务分支，表示服务的正式结束。请注意，只有最后一个协定缓存是有效的，对以前协定缓存的所有请求都将得到无效响应。总之，通过引入根契约和契约缓存，我们为实际实现开发了FSCD。
C.数字化频谱资产
频谱资产代表一种短期权利，即在给定的地理区域内，通过固定的功率掩码在给定的频带上独家发射或接收[17]，并且可以被视为B-RAN中的基本商品，AP作为供应商，UE作为买方。目前，无线电频谱根据法规和法律划分为频段，但划分相对粗糙，对未经许可的频谱支持较差。因此，我们提出了数字化频谱资产（DSA）的概念，将连续频谱划分为几个频带，并使用区块链中声明的限时访问码对其进行数字化。
原则上，支持稳定的接入服务需要最小带宽，并且最小带宽也因不同的链路类型而异。在当前实现中，任何DSA的信息（例如所有权、类型、价格）以前记录在区块链中，并在网络中共享，以避免传统频谱市场中的信息不对称。在实现中，AP将根据所需的DSA类型和当前状态分配DSA。通过引入DSA的概念，B-RAN可以建立一个透明的交易平台，并有效地跨网络整合频谱，从而显著提高频谱利用率和网络效率。
四、 B-RAN P原型W工作流程
在本节中，我们总结了图3（a）中B-RAN原型的工作流程，以及第三节中提出的FSCD和DSA。根合同早在证明之前就已经部署并存储在区块链中服务。事务1启用的访问服务C1在事务由两个块3验证并被主链接受后开始。事务1包含必要的信息，包括服务费、频谱类型、参与者的数字签名等。然后，根据最新合约缓存，AP通过发送限时接入码为UE提供接入服务。维修C2和C3将经历与维修C1类似的过程。两次确认后，服务C3不会立即启动，因为AP2现在处于忙碌状态。所需类型的DSA由服务C2占用。为了避免干扰，服务C3必须等待服务C2释放频谱访问权。在这种情况下，合同缓存将排队等待，直到所有冲突服务完成。
为了呈现更多细节，图3（b）集中于基于FSCD机制的服务C2的实现。首先，UE1和AP2就服务条款达成协议，并从UE1到根合同进行交易，包括这些条款以及作为定金的服务费。然后，交易激活B-RAN根合约，并生成区块链的新合约缓存。在契约缓存获得足够的确认后，访问服务将开始并持续声明的服务时间。服务完成后，AP2将启动另一个包含通知消息的事务，发送到目标合约缓存。然后，缓存将自动将预付服务费转移到AP2，并在同一服务分支中生成另一个余额为零的新合同缓存。请注意，有效信息只能从最后一个协定缓存中获得。
V.C配置和实验结果
A.测试配置
在本节中，将提供全面的实验测试来展示B-RAN的性能。B-RAN原型的测试环境是基于所提出的FSCD机制的内部实验平台。根据[10]、[18]–[20]，实验参数列于表一。AP和UE被随机地定位在给定的范围内，并且矿工都被赋予相同的计算能力。该实验平台是用Python编写的，已经针对使用多线程的高负载场景进行了优化技巧它使用一个工作站，以Intel CPU I7-8700K为计算中心，多线程作为网络的不同实体。平台中的矿工网络允许多个矿工共享一个线程，以减少挖掘开销，同时矿工之间的传输延迟被视为常数。此外，多线程同步技术使实验能够在可控的时间内在单个工作站上进行。
B.实验结果
图4通过使用表I中的配置，比较了拟议B-RAN原型与传统区块链服务的服务延迟分布。块时间设置为10秒，需要两个块作为确认。根据服务延迟的分布，传统的机制比使用所提出的FSCD的B-RAN原型遭受更大的延迟。通常，B-RAN下的访问服务持续数分钟甚至数小时。
图7：不同平均服务时间下频谱利用率和交通负荷之间的关系。
因此，大约几十秒的延迟是可以接受的。请注意，延迟也与网络的安全级别高度相关[10]。
图5说明了阻塞时间对不同流量负载下AP平均队列长度的影响。低、中、高流量负载分别设置为不同的请求频率（1、1.5和2.5请求/分钟）。可以看出，阻塞时间越大，平均队列长度越长。此外，流量负载越高，队列长度越长。当阻塞时间大于45秒时，高流量负载下的平均队列长度几乎是其他两种情况下长度的两倍。
图6显示了确认次数对AP平均队列长度的影响。给定确认的数量，较长的平均请求到达时间，或相当于较低的请求频率，将增加平均队列长度。当确认数量较大时，影响更为显著。即使三次确认，B-RAN中的平均队列长度通常小于一是必需的。更多的确认可以有效地保护B-RAN的安全，但也会导致更大的延迟。
在图7中，我们展示了频谱利用率和请求频率之间的关系。给定平均服务时间，随着请求频率的增加，频谱利用率显著降低。值得注意的是，当请求频率从每分钟1个请求增加到2个请求时，这三种情况下的频谱利用率几乎翻了一番。无花果。6和7，队列长度和频谱利用率在服务时间更长和需要更多确认的情况下对请求频率更为敏感。
六、 结论和未来方向
这项工作从实用的角度阐述了B-RAN的原型设计。为了解决访问延迟和频谱管理问题，我们将FSCD机制和DSA的概念引入到B-RAN实现中。基于这些新特性，我们提供了B-RAN原型的工作流程，并详细演示了合同部署过程。最后，我们搭建了一个实验平台，通过综合测试结果验证了B-RAN原型的有效性。
我们还想指出在不久的将来可以进一步改进B-RAN的几个潜在方向。
•网络安全。实际上，矿工网络可能并不总是可信的。文献[10]中的实验结果揭示了访问延迟与网络安全之间的关系。因此，可以考虑使用动态确认控制来平衡延迟和安全性之间的平衡。
•质量保证。AP提供的服务质量可能低于其声称的服务质量。需要设计新颖的设计来保证访问服务的质量，而不是采用一般的惩罚。