6G无线通信系统的区块链赋能网络

# 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（