賈雪琴，王友祥，曹 暢，林 晨，史 可（中國聯(lián)通研究院，北京 100176）

0 引言

5G 的愿景是為了應對未來爆炸性的移動數(shù)據(jù)流量增長、海量設備連接、各類新業(yè)務和新應用場景。由于其突出的技術特性，5G具有與垂直行業(yè)深度融合的需求與趨勢，是構建社會經(jīng)濟數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基石［1］。

相比較于4G 及其之前的蜂窩技術，5G 具有低時延、高可靠、大帶寬、低功耗、大連接等特性。2015 年ITU-R WP5D 發(fā)布報告M.2083 定義5G 系統(tǒng)將支持至少100 Mbit/s～1 Gbit/s的邊緣用戶體驗速率，10 Gbit/s～20 Gbit/s 的系統(tǒng)峰值速率，100 萬/km2的連接密度，1 ms 的空口時延；相比4G 提升3～5 倍頻譜效率和百倍能效、具有數(shù)十Gbit/s 峰值速率、500 km/h 移動性支持、每平方千米數(shù)十Tbit/s 的流量密度等關鍵能力指標［2］。

5G 特性主要由多輸入輸出天線、毫米波、網(wǎng)絡切片等技術使能。然而由于毫米波容易受到建筑物等障礙物干擾，為了實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋，5G 基站密度遠高于4G，5G 投資巨大。為了節(jié)約5G 投資成本，中國聯(lián)通、中國電信達成了共建共享5G基礎設施的合作協(xié)議。

區(qū)塊鏈具有分布式鏈式存儲、鏈上數(shù)據(jù)不容易被篡改等特點，適用于為缺乏信任的博弈多方提供分布式的、可信任記賬功能。區(qū)塊鏈的分布式賬本功能適用于為參與5G共建共享的運營商提供中立、可信的記賬功能，可賦能運營商的共建共享合作。

本文首先對5G 技術和區(qū)塊鏈技術進行了簡單描述；然后對區(qū)塊鏈賦能網(wǎng)絡切片管理、5G接入網(wǎng)控制、頻譜共享、邊緣平臺共享等案例進行了簡述；最后對區(qū)塊鏈與5G技術融合的方向進行了展望。

1 關鍵技術介紹

1.1 5G

5G 的關鍵技術包括但不限于：5G 頻譜、多網(wǎng)絡接入、網(wǎng)絡切片、多接入邊緣計算。

a）5G 頻譜［2］：由于長期使用低頻段，低頻段的頻段之間干擾嚴重，共存條件苛刻，低頻段難以支撐5G商用。5G 廣覆蓋和高移動性需要依賴中低頻段協(xié)同發(fā)展：低頻段（低于6 GHz）作為5G 基礎頻段；中頻段，毫米波頻段（6 GHz以上）作為重要補充頻段。

b）多網(wǎng)絡接入［3］：比較理想的狀態(tài)是新網(wǎng)絡部署后，原有網(wǎng)絡的用戶可以逐步平滑遷移至新網(wǎng)絡，這樣原有的頻譜資源可以重耕于新網(wǎng)絡，降低網(wǎng)絡運營管理的復雜度。然而，在網(wǎng)絡實際部署中，低版本網(wǎng)絡上的部分用戶難以遷移，退網(wǎng)困難。運營商往往需要同時運營維護多張網(wǎng)絡。隨著5G時代的到來，運營商部署的網(wǎng)絡將成倍增長，會出現(xiàn)從傳統(tǒng)宏站、分布式基站到Pico、Micro、Small Cell、relay 等多種形態(tài)無線網(wǎng)絡并存的情況，此外還需要支持Wi-Fi、RoLa等非蜂窩網(wǎng)絡，形成多模、多頻、多層的復雜網(wǎng)絡。

c）網(wǎng)絡切片［4］：業(yè)務特性的多樣對運營商帶來了巨大挑戰(zhàn)。在有限的物理網(wǎng)絡資源基礎上難以滿足差異化業(yè)務需求。如果為了滿足某些特殊業(yè)務而新增物理網(wǎng)絡投資，將給運營商帶來大額新增投資成本，同時還可能帶來網(wǎng)絡使用率不高、網(wǎng)絡運營商管理復雜度增加等問題。

網(wǎng)絡切片技術使得運營商能夠在一張物理網(wǎng)絡上構建多張專用的、虛擬化、相互隔離的網(wǎng)絡來滿足不同客戶對網(wǎng)絡性能的不同需求?；诰W(wǎng)絡切片技術，一張5G網(wǎng)絡可虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。每個邏輯子網(wǎng)可由核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。

d）多接入邊緣計算［5］：多接入邊緣計算（MEC）是在靠近人、物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

MEC 平臺位于無線接入網(wǎng)與移動核心網(wǎng)之間，可利用無線基站內(nèi)部或無線接入網(wǎng)邊緣的云計算設施（邊緣云）提供本地化的公有云服務，并能連接位于其他網(wǎng)絡（如企業(yè)網(wǎng)）內(nèi)部的私有云從而形成混合云。MEC 平臺基于特定的云計算操作系統(tǒng)（例如，Open-Stack）提供虛擬化軟件環(huán)境用以規(guī)劃管理邊緣云內(nèi)的IT 資源。第三方應用以虛擬機（VM）的形式部署于邊緣云，能夠通過統(tǒng)一的API，獲取開放的無線網(wǎng)絡能力。

1.2 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈以其安全、透明、難以篡改等諸多優(yōu)勢［6］成為近年來的技術熱點。

區(qū)塊鏈的技術核心可以歸納為：“區(qū)塊+鏈結構”保證不易篡改、分布式存儲去中心化、非對稱加密賦能數(shù)據(jù)接入控制。

核心技術1：區(qū)塊結構記錄數(shù)據(jù)，鏈狀結構保證數(shù)據(jù)不易被篡改。

在區(qū)塊鏈技術中，數(shù)據(jù)以電子記錄的形式被儲存下來。存放這些電子記錄的文件被稱為“區(qū)塊（block）”。區(qū)塊按時間順序先后生成，每一個區(qū)塊記錄下它在被創(chuàng)建期間發(fā)生的所有交易活動，所有區(qū)塊匯總起來形成一個記錄合集，即區(qū)塊鏈。每一個區(qū)塊的塊頭都包含了前一個區(qū)塊的交易信息壓縮值，這就使得從創(chuàng)世塊（第1個區(qū)塊）到當前區(qū)塊連接在一起形成了一條長鏈，即鏈狀結構。這種鏈狀結構使得修改某個區(qū)塊會導致該區(qū)塊之后的所有區(qū)塊值會發(fā)生變化，從而使得非法數(shù)據(jù)篡改被暴露出來。

核心技術2：分布式結構實現(xiàn)記賬去中心化，共識機制保證記賬一致性。

分布式記賬實現(xiàn)會計責任的去中心化，共識機制確保記賬一致性。區(qū)塊鏈建立一套所有成員都可以參與記錄信息的分布式記賬體系，從而將會計責任分散化。鏈上的所有共識節(jié)點都遵照相同的共識機制，這保證了在去中心化、平等地位的框架下，解決節(jié)點之間的矛盾和分歧。共識機制確立了在當前分布式賬本中，新增記錄是如何在各節(jié)點間達成一致并記錄下來的。當前主流共識機制有：Pow、Pos 等。每個共識節(jié)點都會保存一分內(nèi)容一致、信息完整的賬本，并實時更新。

核心技術3：非對稱加密賦能數(shù)據(jù)接入控制。

非對稱加密技術是利用數(shù)學方法解決去中心系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)接入控制問題。非對稱加密算法是指需要一對密鑰來進行加密和解密。區(qū)塊鏈非對稱加密具有2個特點。

a）加密時的密碼是公開全網(wǎng)可見的，所有成員都可以用自己的公鑰來加密一段信息。

b）只有信息的正確接收者才擁有解密密碼，被公鑰加密過的數(shù)據(jù)只有擁有相應私鑰的用戶才能夠解密。非對稱加密保證了雖然向全節(jié)點廣播數(shù)據(jù)，但敏感數(shù)據(jù)仍然能夠得到保護。非對稱加密賦能數(shù)據(jù)接入控制能夠很好的保護敏感信息。

核心技術4：智能合約。

智能合約是以圖靈完備編碼語言編寫的一系列計算機程序代碼，首先在以太坊系統(tǒng)中被提出來［7］。自動化執(zhí)行和不可否認性是智能合約的主要技術特點，它可以數(shù)字化地促進、驗證和執(zhí)行分散的利益相關者之間達成的協(xié)議。

2 區(qū)塊鏈在5G中的典型應用

從功能設計上，5G 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預定的性能指標。但實際場景非常豐富，有些場景還非常復雜，此外還需要考慮投資收益率等現(xiàn)實問題，因此5G在實際業(yè)務中的落地仍然具有挑戰(zhàn)性，共建共享是一項可選的破題方案。

區(qū)塊鏈的分布式存儲、不易篡改、可控的數(shù)據(jù)接入等特性可賦能5G多主體之間的合作、多設備之間的協(xié)作，為共建共享5G 基礎設施、降低5G 部署成本、提高5G設施利用率，提供技術使能。

本文基于相關研究并參考有關學術論文，選取了區(qū)塊鏈在網(wǎng)絡切片、多網(wǎng)絡接入、協(xié)同邊緣計算、頻率共享中的應用，以展示區(qū)塊鏈在促進5G技術發(fā)展和業(yè)務落地中的價值。

2.1 區(qū)塊鏈在網(wǎng)絡切片中的應用

5G 采用網(wǎng)絡功能虛擬化技術［8］在一張物理網(wǎng)絡上虛擬化出多個虛擬物聯(lián)網(wǎng)。借助網(wǎng)絡切片，客戶可以根據(jù)需要定制虛擬網(wǎng)絡，這極大降低了物理網(wǎng)絡投資成本。

網(wǎng)絡切片管理主要由切片代理負責。切片代理具有3個主要功能：動態(tài)分配資源，如帶寬、速度；監(jiān)控網(wǎng)絡流量、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；根據(jù)RAN 調(diào)度配置，為用戶設備分配資源。

因運營商之間具有復雜的競合關系，傳統(tǒng)上，跨運營商的網(wǎng)絡切片管理是難以實現(xiàn)的。因為跨運營商網(wǎng)絡切片的實現(xiàn)需要依賴于運營商之間的相互信任，相互開放資源配置、調(diào)度和狀態(tài)監(jiān)控等能力。

區(qū)塊鏈可為跨運營商的網(wǎng)絡切片管理提供維護信任的技術手段。

把網(wǎng)絡切片代理的功能部署在分布式的區(qū)塊鏈節(jié)點上。參與端到端切片的運營商均可為切片管理業(yè)務部署自己的區(qū)塊鏈節(jié)點。因網(wǎng)絡切片代理所需的資源分配、網(wǎng)絡狀態(tài)、RAN 資源配置等參數(shù)廣播至全部區(qū)塊鏈節(jié)點，這使得所有運營商節(jié)點所獲得的網(wǎng)絡切片管理數(shù)據(jù)都是一致的，可防止切片數(shù)據(jù)偽造。

把網(wǎng)絡切片管理規(guī)則和所需參數(shù)制作成智能合約。當滿足一定規(guī)則、獲得相關參數(shù)情況下，智能合約可被觸發(fā)，網(wǎng)絡切片代理操作可自動進行。網(wǎng)絡切片涉及到的計費等問題也可以做成智能合約，自動執(zhí)行［9］。

在這個應用中，基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡切片管理，可賦能跨運營商網(wǎng)絡切片業(yè)務；基于智能合約，跨運營商網(wǎng)絡切片業(yè)務的性能和效率也能夠獲得很大提升。

2.2 區(qū)塊鏈在多網(wǎng)絡接入的應用

兼容多種接入網(wǎng)絡技術，是5G技術的核心特征之一。但傳統(tǒng)方式下，5G只能兼容和管理一家運營商管理域內(nèi)的接入網(wǎng)［9］。

接入網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)和選擇功能（ANDSF——Access Network Discovery and Selection Function）是EPC 的核心功能之一，它可幫助5G 用戶終端發(fā)現(xiàn)、選擇和連接到接入網(wǎng)絡，如LTE、Wi-Fi 和WiMax［10］。ANDSF 存儲了接入網(wǎng)與用戶終端之間的連接規(guī)則，包括用戶終端信息、可接入網(wǎng)絡的相關信息以及可接入網(wǎng)絡的接口數(shù)據(jù)等。當網(wǎng)絡繁忙時，ANDSF 可以幫助分流移動網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流。ANDSF 的消息模型一般為集中式的客戶端—服務器模式。ANDSF的局限性如下。

a）ANDSF 無法管理和控制其他運營商的接入網(wǎng)元設備。

b）傳統(tǒng)的集中式ANDSF 存在時延較大、接入網(wǎng)技術的更新能力較差、無法提供接入規(guī)則的動態(tài)改變等問題。

區(qū)塊鏈的智能合約可以幫助解決集中式ANDSF存在的問題。不同制式的網(wǎng)絡接入點均可對用戶終端進行監(jiān)測。用戶終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)可被發(fā)送到區(qū)塊鏈智能合約，從而由區(qū)塊鏈智能合約自動觸發(fā)選擇用戶終端的接入網(wǎng)絡。

在這個場景中，區(qū)塊鏈智能合約中包含了網(wǎng)絡運營商接入網(wǎng)之間合作的規(guī)則和協(xié)議。一旦運營商之間的合作規(guī)則發(fā)生變化，智能合約可同步更新?；谶@種監(jiān)控接入點網(wǎng)絡狀態(tài)的方法，ANDSF 的接入網(wǎng)選擇能力被分布式部署到各接入點，并可依據(jù)獲得的參數(shù)迅速選擇出合適的接入點。

在這個用例中，區(qū)塊鏈的分布式賬本以及智能合約都得到了很好應用。與此同時，區(qū)塊鏈還可以及時根據(jù)接入網(wǎng)絡的使用情況，進行實時計費。這將大大有利于5G 接入網(wǎng)絡的共建共享，推動5G 接入網(wǎng)低成本的協(xié)作運營。

2.3 區(qū)塊鏈在協(xié)同邊緣計算中的應用

邊緣計算是在靠近數(shù)據(jù)源處為數(shù)據(jù)提供計算、存儲、智能處理等能力。協(xié)同邊緣計算［11］是指計算節(jié)點協(xié)同工作，既能充分滿足大計算資源需求，也能滿足時延敏感處理需求。

協(xié)同邊緣計算的部署形式包括單一主體部署和多主體協(xié)同部署。

a）單一主體部署下，邊緣計算節(jié)點都由一個主體負責，是單一可信系統(tǒng)，其資源編排和調(diào)動服從集中管理。

b）多主體協(xié)同部署下，邊緣計算節(jié)點可由多個主體協(xié)作部署，是競合關系系統(tǒng)，其資源編排和調(diào)動請求來自多方、需要以一種公平的方式進行分布式處理。

多主體協(xié)同部署是協(xié)同邊緣計算的重要形式?？尚艆f(xié)作是邊緣計算多主體協(xié)作的重要基礎之一。

區(qū)塊鏈的分布式賬本、智能合約與邊緣計算結合可賦能多主體協(xié)同部署，解決多主體協(xié)同的可信問題和處理效率問題。

參考圖1，基于區(qū)塊鏈的協(xié)同邊緣計算的原理如下。

由具有協(xié)作關系的多個主體貢獻區(qū)塊鏈節(jié)點，組成聯(lián)盟鏈。

將智能合約部署在區(qū)塊鏈節(jié)點上。智能合約具有響應算力請求、觸發(fā)競標、中標調(diào)度、確認任務執(zhí)行結果等功能。

a）邊緣節(jié)點（如MEC節(jié)點、霧節(jié)點）采用一定算法選擇某個或者某幾個區(qū)塊鏈節(jié)點，并進行連接。

b）發(fā)起算力等資源請求的邊緣節(jié)點作為交易的發(fā)起者將資源需求等信息發(fā)送給智能合約。

c）根據(jù)請求，智能合約觸發(fā)競標流程。

d）交易的響應節(jié)點將應標價格等信息發(fā)送給智能合約。

圖1 基于區(qū)塊鏈的協(xié)同邊緣計算

e）智能合約選擇符合條件且價格低的邊緣節(jié)點作為中標節(jié)點，并執(zhí)行中標邊緣節(jié)點的算力調(diào)度。

f）智能合約驗證中標邊緣節(jié)點的算力執(zhí)行結果。

g）執(zhí)行結果在區(qū)塊鏈節(jié)點間進行同步。

2.4 區(qū)塊鏈在頻率共享中的應用

對于無線通信來說，頻譜資源是非常重要而緊缺的資源。為了避免頻譜干擾、確保無線通信的正常運行，商用頻譜的獲得和使用受到嚴格管制。為了獲得頻譜牌照，申請者需要預先做好充分的頻譜使用規(guī)劃，對頻譜使用等問題做好預估。然而實際情況是，由于市場發(fā)展的難以預測性，頻譜持有者可能會面臨頻譜被閑置或者頻譜不夠用的情況。

頻譜共享并不是新提出來的問題，然而頻譜共享問題卻一直沒有得到有效解決。面臨的問題包括以下2方面［12］。

a）供需難以匹配：頻譜持有者無法找到頻譜需求者，反之亦然。

b）缺乏透明的技術來處理頻譜共享帶來的干擾問題。

區(qū)塊鏈的分布式賬本、智能合約等技術可用于解決以上2 個問題。不過除了上述問題，5G 頻譜共享還面臨其他挑戰(zhàn)。

a）監(jiān)管問題。目前大部分國家的監(jiān)管部門都不允許運營商之間進行頻譜共享；因為頻譜共享可能會降低網(wǎng)絡質(zhì)量。

b）異構網(wǎng)絡之間的性能問題。宏基站、小基站、微基站、Femto cells 之間進行頻譜共享可能會造成整個網(wǎng)絡性能的下降。

c）頻譜共享不適用于集中化部署的運營商網(wǎng)絡。此外，持有頻譜的運營商也難以把頻譜共享給自己的競爭對手。

因此區(qū)塊鏈雖然能促進解決頻譜共享中的供需對接和違規(guī)使用共享頻譜造成的干擾問題，但是由于監(jiān)管、商業(yè)競爭以及共享頻譜所引入的干擾等問題，區(qū)塊鏈在頻譜共享中的應用還有待時日。

3 總結

區(qū)塊鏈的出現(xiàn)為存在博弈關系的運營商之間的5G 基礎設施共建共享打開了一扇門，能看到比較清晰的商業(yè)價值。但仍有技術問題需要解決。

區(qū)塊鏈的分布式賬本、鏈式區(qū)塊數(shù)據(jù)結構、準實時響應速度、模塊化封裝等特性適用于與5G 技術結合。但當進行商用部署時，還需要考慮區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、實時性、可擴展性、規(guī)?；葐栴}。

此外，5G 技術和業(yè)務本身具有一定技術門檻。需要相關專家從5G 共建共享的整體角度對區(qū)塊鏈賦能5G 進行業(yè)務和技術規(guī)劃，以避免出現(xiàn)多個區(qū)塊鏈孤島，造成重復建設和資源浪費。