77、6G无线通信系统中区块链赋能网络的应用与挑战

6G无线通信系统中区块链赋能网络的应用与挑战

1 引言

目前，5G网络已在全球部分国家投入使用。5G服务主要分为增强移动宽带（eMBB）、大规模机器类型通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（URLLC）三大类。然而，5G网络的一些初始目标尚未实现，例如大规模物联网（IoT）网络未能达到足够的规模，无法为万物互联（IoE）铺平道路。

在此背景下，学术研究项目正致力于塑造6G技术。6G移动网络有望实现更高的数据速率、更低的延迟，并能提供多样化的服务和创新应用。与5G相比，6G的数据速率约为1 Tb/s，是5G的1000倍左右；端到端延迟小于1 ms，而5G约为5 ms；移动性可达1000 km/h，5G为500 km/h；可靠性约为10⁻⁹，比5G高10⁴倍。

近年来，6G的安全和隐私问题受到了广泛关注。由于6G将为工业和高端用户提供各种服务，满足安全、隐私和可靠性的关键绩效指标（KPI）至关重要，这就需要在网络中嵌入信任模型，该模型应协调网络从实体、提供商到终端用户的各个部分。

区块链技术近年来在工业和学术界都备受关注。它具有去中心化网络、透明度、不可变性和不可逆性等特点。比特币作为最著名的区块链网络，推动了金融系统的变革。此外，区块链还能为能源、农业、神经科学和电信等众多行业提供解决方案。因此，区块链有望为6G无线网络中的各种应用提供信任和安全保障。

本文将介绍区块链在6G网络中的一些应用，包括资源管理、频谱共享、网络虚拟化、边缘计算和人工智能等技术改进方面，以及工业应用、智能医疗、车对车通信、无人机（UAV）和智能电网等不同用例。同时，还将讨论在6G网络中使用区块链技术可能遇到的挑战。

2 6G的一般特性

2.1 更高的数据速率

数据速率是指网络中每秒传输的比特数，通常以比特或字节每秒表示，用于描述无线网络中的数据传输速度。每一代无线通信的主要特点之一就是引入更高的数据速率。随着6G中自动驾驶车辆、16K视频和虚拟现实（VR）服务等新用例的出现，对数据速率和数据消耗的需求增加，这将推动网络基础设施的进一步优化。

2.2 大量的用户

大规模机器类型通信，特别是工业物联网解决方案，需要严格的网络设计来处理大量用户和前所未有的数据流量。此外，机器类型通信需要更安全的设计，以避免数据泄露。

2.3 安全要求

未来的无线网络，如物联网服务，可能面临诸多安全威胁。由于设备数量众多，加密技术需要变得更轻量级，但这些轻量级对称密钥在网络中存在隐私风险。此外，网络节点之间大量的数据传输可能导致更多的窃听行为，影响系统的完整性。同时，6G网络的高可用性可能增加分布式拒绝服务（DDoS）攻击的风险。这些挑战表明，6G系统需要升级网络安全工具。

3 区块链术语

3.1 区块链网络结构

区块链网络是一系列通过分布式账本（如公共账本）保存交易记录的区块。近年来，数字化账本通常采用集中式所有权来存储数据，而区块链技术则引入了分布式的数据存储方式。区块链是由一系列区块组成的链条，每个区块包含区块头和区块数据两部分，其中区块数据为交易数据。以下是区块各部分的详细信息：
- 区块版本（4字节）：指示验证区块的一些规则。
- 默克尔树哈希（32字节）：用于表示区块数据哈希的哈希方法。
- 父区块哈希（32字节）：前一个区块的哈希值。
- 时间戳（4字节）：自1970年1月1日00:00 UTC以来的区块创建时间。
- nBits（4字节）：以紧凑形式表示的当前哈希目标。
- 随机数（4字节）：用于为每个区块数据创建唯一哈希的数字，通常从0开始。
- 数据（32字节）：交易计数器和交易。

3.2 共识协议

新的区块需要经过网络中所有用户使用共识协议进行验证后才能添加到网络中。共识协议是交易过程中应遵循的一组规则。工作量证明（PoW）是比特币网络中使用的一种著名共识协议，但它消耗大量计算资源，不环保。比特币的PoW每秒处理约7笔交易，新块确认需要10分钟，由于有6个块的确认延迟，每个节点需要等待约1小时才能确认交易。

因此，还有其他一些局限性较小的共识算法，如权益证明（PoS）等，更多地应用于基于区块链应用的服务中。不同共识协议的对比如下表所示：
| 共识算法/用例 | 延迟 | 交易 | 优点 | 缺点 |
| — | — | — | — | — |
| 工作量证明（PoW）/比特币、以太坊 | 6 - 60分钟 | 10秒 | 完全去中心化 | 能源效率低 |
| 权益证明（PoS）/点点币 | 10 - 60分钟 | 10秒 | 能源效率高 | 存在安全威胁 |
| 拜占庭容错（BFT）/超级账本 | 1 - 6秒 | 1000秒 | 效率高 | 通信复杂度高 |
| 委托权益证明（DPoS）/EOS | ≤1秒 | ≥1000秒 | 能源效率更高、脆弱性低 | 去中心化程度较低 |

2.3 区块链分类

根据添加新块到链的权限，区块链网络可分为两类：
- 无权限区块链：网络中的任何用户都可以添加新块，类似于公共互联网，任何人都可以访问。
- 有权限区块链：只有少数具有权限的用户才能添加新块，类似于企业内部网，受控制且通常由团体或组织使用。

公共区块链是无权限区块链的一种，任何人可以随时进出网络，并参与共识机制。私有区块链和联盟区块链是有权限区块链的两个主要类别，前者只有部分授权用户可以访问，后者只有预先选定的节点可以参与共识机制。

2.4 智能合约

智能合约是区块链的一项重要技术创新，也是与6G等其他技术结合使用的有效且重要的特性。它是预定义的规则和可编程代码，是网络中用户之间的软件定义合约，当满足特定条件时会自动触发协议条款。智能合约可应用于工业、保险、电信和能源交易等多个用例。

2.5 区块链特性

• 去中心化：没有中央权威进行决策，网络中的每个人都可以访问信息，用户可以直接进行交易，无需第三方。
• 隐私：用户的真实身份不会暴露给他人，得到安全保护。
• 不可变性：数据进入区块链后不能被删除或编辑，具有防篡改特性。
• 分布式账本：数据库会广播到网络中的所有用户，每个用户都拥有相同的数据库副本。
• 不可逆性：一旦任务完成就无法撤销。
• 可审计性：由于所有交易记录都存储在分布式账本中，通过访问一个节点就可以审计过去的记录。

4 区块链为6G提供的解决方案

4.1 区块链赋能的6G技术

4.1.1 资源管理

在6G大规模网络中，资源管理是一个具有挑战性的问题，因为网络连接众多且服务种类多样。网络资源如频谱和基础设施有限，需要更高效地利用。资源共享允许不同类型的用户共享频谱或网络基础设施，这需要一个开放的市场，让从终端用户到频谱提供商、基础设施提供商和服务提供商的网络各方都能安全地交换资源。

区块链可以通过提供智能合约，为网络实体之间的资源共享提供一个有前景的安全解决方案。当特定条件满足时，智能合约会自动触发协议条款。

4.1.2 网络虚拟化

无线网络中出现了软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等新的云处理方式，增加了网络的计算和存储资源。NFV可让移动运营商将路由、负载均衡和策略管理等网络功能虚拟化，转移到虚拟服务器上；SDN则使用基于软件的控制器与硬件基础设施进行通信。

通过网络虚拟化，物理服务器的数量减少，降低了电力消耗，提高了能源效率和网络容量。网络软件化和虚拟化不仅提高了成本效益，还增强了6G网络的端到端可靠性。然而，由于安全功能在软件中实现，也带来了一些新的安全挑战，而区块链可以解决这些问题。

通过启用SDN和NFV，网络切片技术可以轻松实现。网络切片技术可以为特定用例提供端到端的网络控制，服务提供商可以在共享网络上轻松提供不同的切片，以支持各个垂直行业和领域的不同应用。例如，一个切片可用于低延迟的车辆通信，一个用于高带宽的4K视频，另一个则针对低功耗物联网网络进行优化。区块链可以确保虚拟网络切片管理和共享的不可变性和安全性。

4.1.3 边缘计算

云计算和边缘计算使计算能力成为网络中的宝贵资源。区块链可以帮助提供一个安全的网络，以高效地管理和共享资源。通过边缘计算，繁重的计算过程可以卸载到远程服务器。由于这些计算可能涉及敏感信息，保证隐私至关重要。区块链技术可以在用户和远程边缘服务器之间建立信任。

4.1.4 人工智能（AI）

AI赋能的6G推动了智能服务的发展，产生了大量的数据和存储需求。这些海量数据更容易受到攻击，区块链可以为系统增加更多的安全层级。此外，将AI和区块链集成到6G服务中，可以进一步优化智能服务的质量。

综上所述，区块链为6G服务带来以下好处：
- 在用户和服务器之间建立信任。
- 保证远程服务器的完整性。
- 增强频谱管理和共享的安全性。
- 保证提供商和市场用户之间的信任。
- 消除第三方和中介。
- 为系统提供更高的安全级别。

4.2 区块链赋能的6G用例

以下是一些可以从区块链技术中受益的6G技术用例：
- 工业应用：工业应用，特别是工业4.0以上的应用，在6G用例中扮演着重要角色。区块链可以满足工业应用在大规模连接或远程维护方面对去中心化架构的需求。
- 智能医疗：近年来，区块链在智能医疗中的应用备受关注。随着可穿戴设备的发展，通过医疗数据进行远程监测成为可能。在维护医疗记录时，利用区块链解决用户数据的隐私问题成为一个重要的研究案例。
- 车对车通信：6G网络将为车对车网络技术提供巨大机遇，例如通过结合卫星通信和现有无线通信确保服务可用性。区块链可以为车辆管理提供可靠的解决方案。
- 无人机（UAV）：无人机在未来无线应用中发挥着重要作用，它们可以在难以到达的区域提供低延迟的覆盖。然而，由于无人机收集的信息容易成为网络攻击的目标，它们更容易受到攻击。区块链技术可以为无人机的安全、空中交通管理和保险提供解决方案。
- 智能电网：智能电网是一种利用分布式去中心化能源提供商随时随地提供能源的新技术。从传统的集中式机制向去中心化机制的转变需要一个适当且安全的无线连接，6G网络可以满足这一需求。区块链是解决这些问题的合适技术，可以为智能电网用户提供安全的连接。

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5 面临的挑战

尽管区块链技术对提升6G网络服务具有重要作用，但将其集成到6G中可能会面临一些挑战，需要仔细考虑。以下是一些主要挑战的描述：

5.1 存储

由于区块链技术的去中心化特性，每个节点都需要拥有整个网络的完整副本，这需要大量的存储容量。这对6G的大规模连接性产生影响，特别是在物联网解决方案中，每个节点可能无法存储大量交易。因此，将区块链技术应用于物联网服务需要进一步研究，尤其是选择合适的共识算法至关重要。此外，大容量存储成本高昂，不适用于许多用例。

5.2 延迟

区块链技术需要在用户之间传递和广播大量消息，这可能会给网络增加一些延迟。对于一些对延迟要求严格的应用来说，这是不合适的，除非在延迟和区块链所保证的隐私之间进行权衡。

5.3 安全风险

虽然区块链通过透明性和不可变性等特性可以提高网络的安全性和隐私性，但在将其作为6G的核心技术采用时，仍需考虑一些安全问题。以下是一些需要考虑的安全风险：
- 多数攻击 ：当攻击者试图控制网络的主要处理能力时，就会发生这种攻击。对于工作量证明（PoW）来说，当一个团体拥有系统51%的处理能力时，网络就会被他们控制，他们可以逆转交易和区块链。
- 双重花费 ：这种攻击旨在破坏区块链的完整性。特别是在加密货币中，当一个用户用相同数量的货币完成两笔不同的交易时，就会发生双重花费。
- 隐私泄露 ：虽然交易发生时没有关于用户真实身份的信息，但一些研究表明，由于所有交易对用户都是可见的，用户的交易隐私无法得到保证。此外，还有一些方法可以找到用户的IP地址，这对许多用户来说是不利的。

5.4 可扩展性

最著名的区块链网络比特币存在两个主要问题：低吞吐量和高交易延迟。这两个问题影响了区块链赋能服务的可扩展性，特别是在6G网络中，延迟和吞吐量非常重要。虽然有一些研究致力于解决区块链网络的扩展问题，但仍需要进一步的研究。

挑战类型	具体描述	影响
存储	每个节点需完整副本，需大量存储容量	影响6G大规模连接性，成本高
延迟	传递和广播大量消息增加网络延迟	不适合对延迟要求严格的应用
安全风险	多数攻击、双重花费、隐私泄露	破坏区块链完整性，泄露用户隐私
可扩展性	低吞吐量和高交易延迟	影响区块链赋能服务在6G网络中的应用

6 结论

本文首先介绍了6G技术的一些一般问题，然后提出将区块链作为一种创新解决方案来增强6G服务。研究了区块链在6G网络中的应用，列举了可以通过区块链技术改进的6G服务，并讨论了在不同6G服务和应用中使用区块链可能遇到的挑战。

总体而言，区块链可以为6G应用的发展提供安全攻击和隐私问题的解决方案，但需要进一步研究以减轻其面临的挑战。在未来的发展中，随着技术的不断进步，有望找到更好的方法来克服这些挑战，使区块链技术在6G网络中发挥更大的作用。

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