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摘要无线应用程序和数据流量的不断增长继续突出了长期以来对分散、自我管理和协作网络体系结构的需求。受区块链技术力量的启发，我们提出了一种区块链无线接入网络（B-RAN）架构，并开发了分散、安全和高效的机制来管理固有的不可信网络实体之间的网络接入和认证。我们进一步确定了通过采用区块链实现开放式无线接入网络而可能实现的有前景的高级功能。我们的测试结果证明了B-RAN体系结构的好处。我们还提出了一些挑战和未来的研究方向。

I. INTRODUCTION

无线服务在规模、速度和广度方面的激增和惊人扩张继续给现有网络基础设施带来压力，并对下一代无线网络的网络接入和质量保证提出了许多挑战。传统无线接入网络（RAN）越来越难以跟上无线用户的巨大增长以及他们对无处不在的连接的渴望[1]-[3]。一个众所周知的解决方案是利用分散、众包的多层网络覆盖[2]，[4]。这种覆盖不仅提供低成本的实际网络访问，而且还克服了集中式控制的许多缺点，这些缺点容易受到对安全和隐私的恶意黑客攻击[3]、[5]、[6]。
区块链最近掀起了金融业和整个社会的风暴。区块链最初因其在加密货币（包括著名的比特币）中的作用而广受欢迎，它可以在分散的对等（P2P）平台上的对等实体之间建立交易信任，同时克服其自身的缺点（例如易受黑客攻击）集中分类账主机[7]。区块链也已成为设计自我管理和可扩展分散网络的潜在工具[8]–[11]。
区块链在网络访问和资源管理中的集成提供了几个重要的好处。首先，基于区块链的网络管理以完全分散的控制机制为特征，能够在P2P级别上直接在网络用户之间建立通信链路，而无需依赖中间代理，从而降低了通信成本，提高了安全性。其次，区块链机制在信任和隐私方面具有重要特征，这是在没有集中管理的情况下成功大规模部署网络的两个基本特征[6]、[12]、[13]。第三，区块链可以允许独立运营商集成单独开发的系统，并提供身份验证/授权设置，以实现跨网络和运营商的漫游用户访问。区块链机制的另一个固有优势是其对动态网络部署和运营环境的灵活性。

由于区块链的固有优势，联邦通信委员会（FCC）在2018年移动世界大会（MWC）上分享了将区块链部署为6G启用的初步想法。
区块链是应对无线网络用户和服务呈指数级增长所带来挑战的一种极具前景的工具。目前，区块链技术已经在各种潜在的应用场景中进行了讨论和研究，如物联网[14]–[16]、边缘计算[17]–[19]、智能电网[20]–[22]、车载网络[23]–[25]、智能城市[26]等
**基于区块链的无线网络架构的开发仍处于初级阶段[27]–[32]。
**Pascale等人[27]采用智能合约作为cell服务的促成因素。Kuo等人[28]利用区块链对无线网络的潜在适用性。Yang等人[29]提出了一种基于区块链的匿名访问（BAA），用于光纤网络上的云广播。在设计实用且商业上可行的项目方面，仍然存在大量未决问题，这些项目可以管理分散的网络，并建立有效的通信协议，以确保可靠的网络操作和交易。一些探索性研究工作已经尝试利用经济学的框架，如拍卖和基于合同的市场[12]，[13]。通过允许联网节点互换地扮演网络接入提供者和接入请求者的角色，这些工作和相关工作被认为是开放的电信市场。然而，人们通常必须依赖一个可信的中心实体来促进拍卖或合同过程并在参与者之间建立信任。在适当设计的区块链技术的帮助下，由于网络指数增长，此类方案在信任、分散和安全方面日益复杂的问题可以得到缓解。
本文的目标是通过设计一个分散、可扩展和自组织的体系结构来研究区块链在RANs中的效用。首先，我们介绍了区块链的概念和基本原理的一般背景。接下来，我们提出区块链无线接入网络（B-RAN）的概念，并强调从基本区块链继承的优势。我们进一步讨论了基于B-RAN的更高级功能。我们还提供了测试结果来验证所提出的体系结构。最后，我们概述了该领域的一些关键挑战和潜在的未来研究方向。

II. BRIEF INTRODUCTION ON BLOCKCHAIN

区块链是一条相互关联的信息区块链，形成一个公共分类账文件，用于记录数字行为（如交易）列表。数字行动由驻留在区块链中的脚本（称为智能合约）通过两个步骤实施。首先，传达数字动作的智能合约被组织成块并向网络广播。其次，有助于维护共识的网络节点（通常称为矿工）通过检查数字签名和确认其有效性来批准交易，例如，验证付款人账户中是否有足够的资金用于交易。矿工们将一束有效的数字动作组织成一个新的区块，通过一个称为挖掘的谜题解决程序连接到区块链的末端。
如图1（a）所示，典型块包含以下基本字段：

III. FRAMEWORK OF B-RAN

A.设置

我们利用区块链原理设计了B-RAN的框架。通过引入区块链，我们可以提供充分的经济激励，避免与集中计划相关的不必要的间接成本，并在参与用户之间建立必要的信任。与当前的频谱交易网络合作线程相比，B-RAN参与者作为接入用户和接入提供商，可以通过消除中间代理及其固有的安全风险，自组织成一个强大的网络。区块链可以实现跨多方和网络的漫游数据交换，如图2所示，更快地识别访问用户。B-RAN作为一个安全和自组织的虚拟公共网络的性质导致了一个开放的市场。参与者之间的竞争与合作可以降低大规模数据访问服务的成本，而无需额外部署无线电基础设施。

图2。B-RAN中跨网络漫游的图示。区块链可以为访问多个网络的订户实现漫游数据交换，并在最初不受信任的各方之间建立RAN。
为了清楚地说明B-RAN的概念，我们认为下面是一个易于理解的例子。具体而言，B-RAN中用户和主机之间的基本关系如图3所示。在提议的协议中，用户设备（UE）和主机接入点（AP）就合同条款达成协议，例如支付和数字化频谱资产。这些术语将明确记录在smart文件中.

图3 B-RAN中的一个简单示例，用于UE从AP请求数据访问。
由客户的数字签名授权的合同（图3中的步骤1）。智能合同承诺（步骤2）给采矿网络，并由矿工验证，以确定UE是否有足够的信用余额支付AP，AP是否有足够的可用频谱资产。如果满足合同条件（例如，足够的余额和频谱资产），则将验证的合同聚合以创建新区块，然后将其添加到现有区块链（步骤3）。在其上构建多个验证块（步骤4）后，新的挂起块将被接受到主链中（步骤5）。UE将被授予对频谱资产的有时间限制的访问权，并且AP将自动从UE接收访问费（步骤6）。B-RAN中的区块链可以组织一个大型合作网络并保护参与者的利益。UE的利益和AP的权利由智能合约强制执行，从而在最初不受信任的AP和UE之间建立信任。

B.协商一致机制

一致性算法是B-RAN中的一个关键组件。作为一个可公开访问的网络，B-RAN需要一个适当的协商一致机制来保护安全。比特币[7]中提出的工作证明（PoW）是一种选择，加密货币的广泛使用证明了它的安全性。在PoW格式中，每个有效块都包含一个nonce，它是一个回答特定数值难题的随机数。基于散列的PoW是为了找到合适的nonce，以使生成的块的散列值满足要求.

由于散列函数的不可逆性，找到解决方案的唯一方法是在当前进行多次随机尝试。拥有更多计算资源的矿工可能更快地找到成功的哈希解决方案，从而更快地生成下一个候选块。尽管PoW很受欢迎，但它消耗了大量的计算能力。因此，达成共识的成本更低机制可能提供有效的替代方案。
B-RAN有一个显著的特点——它构建在许多硬件设备（如智能手机、基站等）上，提供数据传输访问。
这些设备可用于设计一致性算法。与加密货币相比，在数据传输系统中伪造设备的身份（通常要求是唯一的）成本要高得多。（相反，在加密货币中，伪造身份几乎没有成本，用户可以创建多个身份。）独特的硬件标识，例如移动设备的国际移动设备标识（IMEI）和基站的小区全球标识（CGI），可用于区分不同的实体。基于身份的共识机制，即设备证明（PoD），允许设备根据其唯一标识符对新生成的块进行投票。PoD没有解决（1）中的复杂密码问题，而是选择合适的设备作为下一个块的赢家.
根据其独特的身份，每台设备在比赛中获胜的概率相同，类似于彩票。PoD比PoW需要更少的计算成本，因为PoD中的矿工只需要为每个时间戳计算一次哈希函数。一个用户可能拥有多个设备，但一个用户（或一方）几乎不可能拥有网络中一半以上的设备来控制整个区块链。应在PoD原型中添加其他规定，以进一步改进。

C.保障机制

替代历史攻击，或在加密货币中称为“双重开销攻击”，是大多数分布式系统中的一个主要安全漏洞。攻击者私下挖掘替代区块链分支，其中欺诈性双重消费交易也包括在内。在等待网络接受当前主链的几次确认后，攻击者释放欺诈分支。如果欺诈分支比良性分支长，攻击者可以成功地改变已确认的历史，这可能对整个区块链造成灾难性影响。在B-RAN中，改变固定链可能导致两个UE同时使用相同的频谱资源，从而造成严重干扰。
这个安全问题是由于异步分布式网络的不一致性造成的。区块链的设计目的是生成计算上无法修改的交易历史。共识机制，如PoW，保证了最终的趋同，而不是立即的趋同。成本是等待几次确认，直到B-RAN“几乎”收敛。显然，更多的确认可以降低欺诈风险。
然而，等待更多的确认通常会导致更长的延迟。通常，在加密货币系统中，可能需要六次确认（比特币约60分钟）。但是，该延迟对于无线电接入服务来说可能太长。作为一种无线接入协议，在B-RAN中使用比加密货币更少数量的安全确认是可能的。新数据块的确认次数越少，延迟越短，尽管这可能会增加替代历史攻击的风险。此外，本工作中的无线接入服务不仅仅是分组级别的连接请求，而是从分钟到小时的连接。因此，注册新服务的数十秒延迟是可以接受的。我们将在第V-C节中展示延迟和安全性之间的权衡。

D.惩罚机制

替代历史攻击始终是可能的[9]。作为进一步的安全步骤，可以引入黑名单来识别重复支出，并识别B-RAN中的污染信用。受害者应监控这些信用并跟踪其流量。其他AP可能不愿意接受受污染的信用，因为它们可能与欺诈有关。
特别是，如果采用PoD作为一致性算法，可能无法防止恶意用户同时挖掘多个分叉，因为挖掘成本比PoW低得多。因此，需要引入额外的惩罚，以阻止矿工通过增加采矿机会成本来尝试创建新分支。
此外，B-RAN中的干扰控制可以在参与节点之间方便地实现。通过预付款（信用卡）或押金，如果发现AP对其他签约服务造成干扰，或以非常高的无线电功率传输，从而降低其他参与者的QoS，则可对AP处以罚款。

四、 超越简单访问

A.合作传输
第三节中计划之外的更高级的互动和合作关系可通过以下方式灵活定义：
智能合约，例如多AP合作传输。所提出的智能合约可以导致多个不可信任的客户之间达成协议，以建立更复杂的合作关系。如果UE在多个ap的范围内，则这些ap可以协作地在相同的频带中提供公共数据服务，从而通过利用空间信道分集来增强UE服务。服务AP的频谱资产、总付款和付款比例等条款可以在B-RAN的智能合同中建立，并自动执行。
B.多跳数据代理
在区块链技术的刺激下，在移动自组织网络（MANET）中，甚至在自已和可能不诚实的对等方之间，也有可能开发一种激励驱动的协议。移动设备，即代理，动态地形成自组织网络并将数据转发到MANET内的目标节点。ue在智能合约中指示其与另一节点共享信息或对网关进行网络访问的请求。可以根据UE和数据代理之间通过区块链达成的共识达成的协议，建立到目的地节点的多跳路由，而不是直接AP-UE链路。一旦智能合约进入主链，预先确定的交付费用将被转移，签约的数据代理将帮助转发显示源节点数字签名的数据流。这样的网络可以在没有任何现有基础设施的不可信环境中建立。
可以设计更复杂的协议来提高这种自组织网络的效率。例如，UE可以在智能合约中宣布，只有最短或最快路径中的数据代理才能接收支付。将根据紧急情况或预期资源消耗在智能合同中宣布付款。通过这种方式，每个经纪人为了自身利益独立行事，试图通过计算其预期回报、交付成本以及其在网络中的位置和联系来最大化其收益。因此，网络资源使用的整体效率通过代理之间的分散竞争得到优化。
C.隐私保护
区块链可以在数据服务开放市场以外的情况下提供服务。它可以在数据共享中的隐私保护中发挥重要作用，而不会泄露内容创建者的敏感信息。有几个常见的隐私问题。首先，内容发起人应拥有并完全控制其数据。第二，每个用户都应该对共享哪些数据以及如何访问这些数据拥有完全的权限和意识。原则上，虽然个人和敏感信息由第三方存储或交付，但应保持其保密，以防止可能的误用。在此，区块链为数据共享提供了一个分散的解决方案，并提供了隐私保护。在拟议的B-RAN中，隐私保护可以是智能合同中的附加条款。用户被授予频谱资产的使用，但他们可能不希望AP访问传输数据的内容。区块链中的智能合约除了管理传输服务外，还可以充当内容访问控制器。在区块链的帮助下，只有授权节点（如合法接收者）才允许使用数据所有者通过智能合约发布的访问密钥读取加密传输数据，而数据所有者通过其数字签名识别。在此场景中，用户能够同时操作数据传输和管理内容访问。
另一个与隐私相关的场景出现在云操作中，如数据共享、远程软件更新、云计算和存储。事实上，完全可信的云服务提供商（尽管经常声称）可能实际上并不存在。云服务器应使用显式权限访问个人数据。基于区块链的云可以通过数据所有者的数字签名对其进行身份验证，并通过授权识别共享服务。只有所有者授权的人员才允许读/写加密数据，而所有者控制其数据的可访问性。在未来的扩展中，可以进一步合并安全多方计算，以避免未经授权访问敏感数据，但仍然可以直接提供分布式计算。
V. CASE STUDY
为了进一步证明B-RAN的概念和有效性，我们将提供一系列数值示例。根据[10]和[13]，表1列出了模拟参数。ap和ue随机地位于一个区域中.B-RAN的模拟参数。给定范围。ue生成不同速率要求的接入请求，而ap接收提供所请求服务的费用。我们采用第三节所述的B-RAN框架，通过基于PoW的区块链，遵循先到先得的服务规则，建立开放接入市场，UE从AP购买数字化频谱资产。智能合同捕获买家和供应商之间的协议，该协议将在记录到区块链中后自动执行（例如，至少需要三次确认），如图4所示。
A.吞吐量与流量负载
在图5中，我们展示了不同流量负载（即请求频率）下整个网络的吞吐量。在集中式方案中，所有请求都由可信中心收集，可信中心通过最大化吞吐量来控制频谱分配，以避免任何可能的干扰（制定为整数线性规划）。它需要一个计算能力强大的中心，虽然可以实现最高的吞吐量，但成本高昂且通常不可用。在多运营商网络中，网络中有几个独立的运营商，每个运营商都有自己的频谱资产和AP。对于其UE，此类网络仅通过其访问的运营商部分受信任。这种类型的部分信任可能会导致频谱利用不足，这解释了为什么4-运算符方案优于2-运算符方案。在sel fish方案中，每个UE尝试访问显示最佳链路质量的AP，而不考虑相互干扰。尽管完全分散，sel fish方案代表了不信任的极端情况，使有限频谱资源的使用无法协调。因此，大量的相互干扰会产生并降低系统性能。拟议的B-RAN优于多运营商和自助鱼方案，利用其分散和网络级信任的优势。
B.吞吐量与块大小
在区块链中，每个区块通常具有有限的大小（即，最大数字动作数）。图6说明了B-RAN中块大小对网络吞吐量的影响。块大小越大，单位时间内可以处理的数据请求越多，因此吞吐量越高。如果流量负载高于每分钟300个请求，则这种影响会变得显著。这是因为在这种情况下，在平均块时间（12秒）内生成的请求数可能大于最大数字动作数（例如，60）。当块大小达到每个块180个请求时，网络吞吐量受到轻微影响。因此，应根据流量负载和网络大小适当选择块大小。这一区块链可伸缩性问题是未来研究的主题（见第VI-C节）。图6。块大小的影响。块大小将限制每个块中的请求数，并进一步影响系统性能。
C.延迟与安全
完成数据请求的平均延迟如图7所示，用于不同数量的确认n。可以看出，需要的确认n越多，自然会导致更大的延迟。由于网络拥塞，请求频率越高，等待时间越长。通常，无线接入服务将超过十几分钟，甚至几个小时。因此，对于B-RAN场景中移动设备的首次尝试访问，一分钟内的延迟是可以接受的。另一方面，我们发现延迟和安全性之间存在权衡。图8显示，鉴于攻击者的散列率，更多的确认将降低替代历史攻击的概率，但这将导致更高的延迟。延迟安全权衡意味着应根据网络安全级别选择适当数量的确认。例如，如果与整个网络相比，攻击者的散列率为1%，则两次确认可将风险降低到0.1%以下。同时更多如果攻击者更强大，则需要确认。延迟可以看作是在不信任的环境中建立信任的成本。
六、 未来的调查方向
我们的调查表明，区块链显然提供了许多实际好处。然而，区块链技术在通信网络中的集成也带来了一些挑战，并开辟了新的有趣的未来研究方向。
A.通过限功率节点设备进行挖掘
B-RAN中的功率限制设备应设计绿色采矿机制，而不是PoW。PoD是利用RANs功能的良好尝试，但仍需要更多的改进和进一步的发展。请注意，挖掘需要设置难以解决但易于验证的谜题。这些问题自然存在于通信过程中，例如长纠错码字的解码和优化资源分配。将这些有用的通信任务集成到挖掘中，可以避免在无意义的解谜过程中浪费电力。
B.成本敏感传输网络中的区块链
传统的区块链是建立在互联网上的，迄今为止，区块传播使用有线网络，通常被认为成本很低。然而，在RANs中，无线数据传输可能会耗费大量资源，从而对无线区块链提出了截然不同的挑战。重要的研究问题包括：区块链如何在这样的环境中生存，以及如何引入更多的区块传播激励。寻求这些问题的答案不仅对拟议的B-RAN很重要，而且还为未来潜在的区块链技术改进提供了途径。
C.区块链可扩展性
当前的区块链技术面临着高处理和数据包开销以及有限的可扩展性。区块链可伸缩性可能是限制基于区块链的分散网络性能的瓶颈（如图6中的B-RAN）。据估计[10]，使用当前的区块链技术，处理速度最多为每秒27个数字动作，这对于运行高度动态的无线网络来说太慢了。更先进的区块链技术，如Lightning，9和Raiden，10有望帮助解决动态网络问题。
延迟一直是限制区块链应用在延迟敏感场景中的关键问题[28]。在基于区块链的网络服务中，生成和确认区块的过程是延迟的主要原因。这本质上是在不信任的网络中建立信任的成本。一个关键的研究挑战是通过减少块确认时间来减少延迟，同时满足用户所需的必要系统安全和信任。
E.质量保证
在决定最终付款时，通过纳入最终用户的反馈意见，可以提高性能。一个有趣的想法是让付款与所服务的数据量相关联。然而，一个主要障碍在于难以保证用户反馈的真实性，因为网络从一开始就不可信。研究提高基于区块链的分散式网络的效率和可靠性的方法有着强烈的动机。
七、结论
在本文中，我们建议B-RAN利用区块链技术，通过虚拟组合多个实体来开发大型自组织RAN，而无需依赖功能强大、资源丰富且具有信息意识的网络中心。区块链的优势，如分散化、自组织、建立信任和隐私保护，使B-RAN成为一个有希望的解决方案，以克服快速扩张和用户对服务质量保证需求不断增加这两种矛盾力量带来的许多挑战。

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