Blockchain for 5G: A Prelude to Future Telecommunication

5G、区块链等基础知识简介
- 5G
- 区块链
技术融合：Block5G
- Block5G整体结构
- Block5G 网络切片
- - 区块链如何帮助5G切片？
- Block5G 防止诈骗
- 基于区块链的5G蜂窝网络物理基础设施共享
- 基于区块链的5G频谱分配、共享和管理
- 通过建立身份管理数据提供服务
- 如何实现Block5G?
小结

摘要
5G和区块链可能会彻底改变未来的技术。5G承诺为用户提供高速率和QoS，区块链保证对等体之间的高水平信任和安全。将使用5G的应用程序在速度、带宽、延迟和各种其他因素方面有不同的需求。增强现实、自动驾驶汽车和其他物联网应用往往使用5G来实现可靠和快速的通信。要在这种情况下无缝和安全地工作，就需要一种更专业和更有效的方法。在本文中，我们确定了可以利用区块链增强为用户提供的5G服务的安全性和私密性的具体领域。讨论了当前5G在部署和提升中面临的挑战，以及基于区块链的相关解决方案。提出了利用区块链实现5G多运营商网络切片的模型，并给出了5G区块链的实现。

摘要

5G和区块链可能会彻底改变未来的技术。5G承诺为用户提供高速率和QoS，区块链保证对等体之间的高水平信任和安全。将使用5G的应用程序在速度、带宽、延迟和各种其他因素方面有不同的需求。增强现实、自动驾驶汽车和其他物联网应用往往使用5G来实现可靠和快速的通信。要在这种情况下无缝和安全地工作，就需要一种更专业和更有效的方法。在本文中，我们确定了可以利用区块链增强为用户提供的5G服务的安全性和私密性的具体领域。讨论了当前5G在部署和提升中面临的挑战，以及基于区块链的相关解决方案。提出了利用区块链实现5G多运营商网络切片的模型，并给出了5G区块链的实现。

在本文中，区块链在5G中的使用是主要的重点，而5G的底层知识不会过多展开。本文的内容整合度比较高，如果5G底层技术原理不是特别清楚，请阅读本人的5G专栏，对4G到5G的过渡以及5G的底层技术实现原理进行了详细讲解。
5G-新世代无线通信【专栏链接】

5G、区块链等基础知识简介

5G

第五代蜂窝网络技术(5G)旨在提供高数据速率的移动业务，并保证服务质量(QoS)。像增强现实(Augmented Reality)、虚拟现实(Virtual Reality)、自动驾驶(autonomous driving)、实时游戏(Real-time gaming)等实时服务都是高度延迟敏感的。5G提供1毫秒以下的低延迟，这是此类服务非常需要的。其他应用如视频会议需要高带宽和数据传输速率。与之前的蜂窝技术(即2G、3G和4G)相比，5G技术具有先进的特性，可以很容易地满足这些严格的要求。为了满足蜂窝网络支持的各种设备和服务的特定需求，5G使用了一个称为网络切片的概念。网络切片涉及到用一个网络创建多个虚拟连接。网络资源分布在不同的虚拟网络中，并根据其具体需求进行利用。例如，自动驾驶汽车需要非常快、低延迟的实时操作连接，而许多物联网传感应用/设备可能需要相对较少的带宽。这是因为自动驾驶汽车会产生大量的计算密集型数据，这些数据需要在实时截止日期内反馈，以便自动驾驶汽车正确操作。然而，大多数物联网传感应用涉及传感器数据的生成和转发，这些应用体积较小，因此不需要太多带宽。
5G融合了多种技术，如大规模MIMO(多输入多输出)、小小区、全双工和波束形成。5G技术利用毫米波进行数据传输。这些低能的毫米波不能传播到很远的地方，也会受到建筑物、树木等的干扰。因此，一个密集的小细胞网络被部署作为中继器，并增强降级信号。这些小细胞的距离很短，在10到100米之间。5G的具体特点是:

为每个设备分配高带宽(2GHz)
在许多设备上使用相同的通道
考虑各种新设备/服务的低延迟需求

区块链

区块链是近年来流行起来的数字账本技术(DLT)，它具有安全性、透明性、不可变性等诸多优点。存储在区块链中的数据不容易被篡改。区块链中的每个数据块由数据、其哈希值、前一个块的哈希值、时间戳和一个随机的nonce组成。每个块也有一个唯一的哈希值来标识它和它的所有内容。哈希是在一个块被创建时计算出来的，如果块的内容被篡改，它就会改变。因此，如果在任何时候，有人试图篡改存储在一个块中的数据，那么存储前一个块的哈希值的后续块就会因为哈希值不匹配而使其失效。除了散列之外，还有另一种称为工作证明(POW)的机制来提高安全性。POW机制规定每个矿工解决一些有问题的数学难题，以便能够向链中添加一个新块。矿工是区块链网络中的专业用户，他们在链中扮演验证和添加新块的角色。区块链的工作方式如图1所示，表示从事务启动到最终块验证，再将其附加到现有的主链的不同级别。

如图1所示，从用户端发起一个事务，时间戳、用户详细信息和操作符(以及其他与事务相关的详细信息)等信息被散列为一个块，并由区块链网络发送进行验证。一旦所有区块链网络中的节点都批准了该块，则在处理完用户事务后将其部署到现有的区块链上。我们积极探索区块链在医疗保健、电力和治理等各个行业的应用。CSP(蜂窝服务提供商)可以利用区块链的几种用途来提供电信行业的未来服务。区块链可以为不同CSP的核心网络提供分布式账本，以不安全的方式使用。智能合约可以通过自动处理CSP之间的交易费用来实现基础设施的共享。智能合约是可部署在区块链上的自执行协议，可以在不同的情况下触发不同的协议，无需任何人工干预。区块链在CSP中的应用也可以扩展到欺诈检测领域。区块链可以为eSIM解决方案和身份认证等业务提供便利。

技术融合：Block5G

Block5G整体结构

只要任何设备进入蜂窝网络，它就可以通过不同的选项连接到网络(例如，蜂窝/WiFi/ WiMax)。在现有的系统中，如图2a所示，网络的演化包核心(EPC)规定在3GPP兼容的网络中，所有服务都使用基于IP的包。接入网络发现和选择功能(ANDSF)是EPC的一部分，用于帮助UE (User Equipment)发现、选择和连接非3gpp接入网络，如WiFi或WiMax。ANDSF还有助于从移动网络中卸载数据流量，并为他们提供连接这些网络的强制性规则。它有关于设备的信息和基于需要连接的设备请求的接入网络的记录。它还包含不同接入技术(如WiMax、WiFi等)支持的节点间接口的数据。

接入各种网络是5G技术的核心特征，只有当且仅当CSPs能够照顾到所有不同的接入节点和机制时，才能实现。其中的主要挑战是为每个用户选择最快的访问节点。5G网络可以通过合并一种新的接入技术机制模型来临时，其中区块链可以帮助设备建立与各种网络的连接。

当前问题:在当前的客户机-服务器模型中，集中式服务器(ANDSF)存储发送到设备(即客户机)的规则。它造成的一些问题是由于ANDSF的集中化造成的延迟;设备不支持接入网间的连续发放;且不提供动态变化规则的实时操作

基于区块链的解决方案:分布式的区块链网络可以连接特定区域内的GPRS、LTE等3GPP接入网和Wi-Max、WiFi等非3GPP接入网。在设置中，如图2b所示，网络节点上的每个接入点(如蜂窝基站、WiFi路由器)将监控终端设备。它将有助于决定将为给定的终端设备提供哪些访问节点。例如，如果终端设备附近有多个接入节点，智能合约中的多个参数将权衡每个接入节点的优点，并为该设备分配一个可能的最佳接入节点。智能合约包含各网络运营商之间的规则和协议，提供接入。无论何时要更改任何政策或规则，都可以相应地更改这些合同。每当需要更改规则时，通过智能规则的自动生成(基于所需的更改)形成并部署区块链网络。规则的变更基于新部署的合同实例，适用于未来的交易。假设判断最佳接入节点的参数的权值需要改变;这可以通过形成一个新的契约来有效地使用区块链完成。CSP cell接受该设备，然后由该设备传输其身份。然后，只要设备广播其位置，接入节点就向设备提供服务。同样，如图2b所示，使用区块链访问的基于位置的服务是公共无线局域网、汽车无线局域网和私人WLAN。各节点使用的服务费用将由智能合约持续计算。

Block5G 网络切片

在5G中，网络切片的概念是使用网络功能虚拟化，从单个物理骨干网提供多个虚拟网络连接。网络带宽可根据业务需求定制。网络虚拟化的使用降低了基础设施成本。例如，如果有三种类型的服务，传统服务(如语音通话、短信等)、视频服务和物联网服务，其中每种服务需要不同的带宽，则可以使用单个物理网络来满足这些需求。
Slice Broker的使用:Slice Broker有三个主要任务:动态分配带宽、数据速率等资源;监控网络流量，预测网络数据流;根据无线接入网(Radio Access Network, RAN)调度器配置为用户分配资源。

5G NS代理从基础设施提供商(运营商)访问当前资源可用性，并根据每个用户的请求和服务水平协议(SLA)将网络切片分配给UE。图3a以图示的方式显示了网络切片的过程。对于多个操作符之间的NS操作，创建多操作符片的操作符之间应该相互信任。为此，NS代理不应该总是集中的，而切片代理的分布式网络是可行的。提出一种基于区块链的多运营商网络切片创建模型，如图3b所示。

区块链如何帮助5G切片？

区块链为上述问题提供了解决方案。它可以作为NS代理系统中的分布式账本，使用用户唯一的数字密钥对交易进行验证。区块链中的智能合约用于自动化重复和直接的谈判。它们还用于执行与分片代理操作相关的直接协议。通过部署智能合约作为片代理，使用区块链的主要优点是可以显著降低协调复杂度和交易成本。由于服务质量(QoS)和价格工作也是智能合约的参数，服务水平协议的谈判效率也得到了提高。
智能合约在主操作网络管理(MONM)的帮助下处理网络资源分配。区块链只有在双方都接受条件后才保留合同协议。使用时间戳和经过验证的签名部署契约，以防止不可抵赖性问题。由于将所有数据存储在分布式区块链中开销非常大，所以只有启动或终止服务的时间、协商QoS参数、计费证据等重要参数才能存储在链上。将所有重要参数存储在一个块中，有助于快速认证。

Multi-Operator NS多操作员的分配过程中使用区块链:使用运营商和来自多个运营商的用户详细信息，创建标准网络片的智能合约，这是一个全球多运营商标准网络片(GMOSNS)或简单的标准网络片(SNS)。将这些智能合约细节添加到区块链后，将根据智能合约为外国用户提供网络片分配服务。利用区块链进行多算子网络切片，如图3b所示。
具体步骤如下：

智能合约审批通过后，将全球多运营商标准化网络切片信息分发给参与区块链的所有运营商。
标准网络片最初由家庭网络分配给UE。
当终端移动到访问网时，访问网会向区块链请求一份用户信息。区块链通过向终端家庭网络发送服务确认请求，提供了相同的功能。
区块链根据智能合约授予访问网络资源的权限。
家庭网络控制终端访问过的网络资源，根据终端的要求，可进一步分配自定义网络切片

Block5G 防止诈骗

使用区块链的多个运营商之间的基础设施共享，其中多运营商网络切片可以是其中的一部分。此外，当用户处于Visited Network时，为防止欺诈活动的另一个区块链模型如下所示。

在现有系统中，当用户拨打电话或发生事件时，VPMN (Visited Public Mobile Network)会向HPMN (Host Public Mobile Network)查询该用户在家庭网络之外订阅的服务。它查询HLR (Home Location Register)以接收话单(Call Detail Records)。HPMN从VPMN接收话单信息作为一个转移帐户过程(TAP)文件，如图4a所示。有些公司就像数据清算所(DCH)一样处理这些文件。它们代表宿主消费者服务提供商传输和转换TAP文件。HPMN根据VPMN的费率与VPMN结算费用。
当前问题:通常，当用户离开HPMN并连接到VPMN, VPMN先向HPMN收费然后由主机网络向用户收费。欺诈行为是指用户不支付通过使用VPMN产生的漫游费而绕过系统的行为。这些恶意用户需要被识别，欺诈预防必须实时进行。预测和预防这些欺诈行为是电信运营商主要关注的问题。
基于区块链的解决方案:可以在拥有区块链许可的运营商之间制定漫游协议，其中少数注册实体(运营商)被赋予验证数据的特权。来自两家运营商的指定节点验证在网络上广播的每一笔交易的原创性。智能合约用于实现HPMN和VPMN之间的漫游协议，当交易在包含CDR数据的区块链网络上广播时调用该协议。如图4b所示，每当用户在网络中发起一个事件时，话单信息就会作为一个事务被VPMN广播到HPMN。智能合约由该数据发起，并执行该合约的条件。根据提供的服务，计费金额由HPMN计算并返回给VPMN。这主张当场解决和确认授权，以防止任何欺诈活动。该协议还根据基于区块链的智能合同条款进行，从而消除了DCH的需要，从而进一步降低了成本。

基于区块链的5G蜂窝网络物理基础设施共享

5G基础设施:在传统的通信网络中，每个网络运营商都有自己的基础设施，这些基础设施跨越了广阔的地理区域。对于5G，应该部署一个密集的小单元网络，这增加了每个运营商的基础设施成本。因此，运营商之间的资源共享是降低成本的最佳途径。
区块链作为解决方案:在传统系统中，基础设施共享是一个复杂的问题，因为数据以更集中的方式存储。因此，使用区块链可以提供以分布式方式存储数据，多个运营商可以访问该数据，从而向其他运营商的订阅者提供服务。多个操作符可以组成具有管理权限的联盟，以批准链中的关联节点。由于这种选择性地添加节点，对于这种场景，联盟区块链比公共链更安全。联盟区块链和公共区块链在允许访问方面存在差异。在联盟区块链中，只有联盟组成员可以参与区块链网络，而在公有区块链中，任何人员可以参与任何区块链网络且可以访问区块链数据，也可以参与区块链进程。图5a(i)和5a(ii)描述了使用区块链实现5G的基础设施共享方法。

区块链5G基础设施共享实现模型:运营商配置新SIM卡时，在链中创建一个新区块。带有SIM卡和用户订阅优惠细节的区块将分发到所有节点进行验证，并在审批后加入链中。如图5a所示，使用eNodeB连接和分离UE的提示性工作如下。

执行智能合约后，当客户购买SIM卡时，运营商对客户进行验证。然后向区块链发送加密的客户端有效性数字证明。
当终端向网络的EPC (evolution Packet Core)发送附加请求时，EPC会从消息中获取IMSI (International Mobile Subscriber Identity)信息。若终端属于服务网络，则智能合约执行空交易;否则智能合约将终端的认证密钥发送给MME (Mobile Management Entity)，以实现终端的认证和安全机制。
一旦身份验证过程完成，MME就会请求并接收来自分布式账本的订阅者信息。终端收到用户信息后，由MME向其提供业务。
终端终止业务时，终端会话结束，同时通知分布式账簿。
智能合约接收终端用户的订阅下线信息，以及他们的IMSI，根据用户的数据消费量和智能合约内容进行涉及客户运营商账户和服务运营商账户的对等交易
最后，将整个UE分离，并向区块链添加更新后的信息的副本。

基于区块链的5G频谱分配、共享和管理

随着技术和新设备的发展，对高速数据速率的频谱分配的需求确实是必要的。分配新的频带在技术和经济上都是一个关键的任务。为了避免这种情况，CSPs可以通过在多个运营商之间共享现有频段来利用它们。这样，它可以帮助运营商满足日益增长的流量需求。动态频谱共享(DSS)通过与其他运营商共享未使用的频带，有助于减少网络瓶颈。5G中的DSS是一个很有前途的解决方案，可在现有频谱中容纳更多的设备/服务。然而，如果在5G启动时不采取适当的谨慎措施，5G中的频谱共享可能会影响其核心特性。
5G 频谱共享需要考虑的问题有以下几点：

分配规则:世界上大多数电信监管机构不允许多个运营商共享频谱。大多数情况下，运营商被禁止自愿分享他们的频谱。造成这种情况的一个因素是低效的频谱管理实践，这会导致网络退化。
集中化:现有的电信网络是集中化的系统，不能处理有效的频谱共享实践。由于集中化，多个运营商网络系统之间无法共享数据以提供频谱共享
异构性:异构网络如宏、微、微和飞蜂窝(通常称为HetNets)之间的频谱共享是一项关键任务。这些小区之间的频谱共享可能会导致干扰，这也会降低网络的整体性能。

基于区块链的解决方案:区块链可用于在5G中高效实现动态频谱共享，如[Blockchainbased Infrastructure Sharing
in 5G Small Cell Networks]所述。基于区块链的联盟频谱共享框架通过智能合约形成。该网络由CSP和电信监管当局作为多方利益相关者组成。智能合约包含了频谱分配、共享和管理策略，以及频谱分担租用成本。利用区块链实现多算子之间基本动态频谱共享的建议步骤如下:

多个运营商向分布式账本中的节点广播它们关于频带使用情况和各自位置的状态。区块链在它的块中维护这个状态的记录。这是一个周期性的过程，以提供动态频谱共享之间的操作员。
当主运营商的频谱被占用，需要更多的频谱资源向主用户提供业务时，主运营商基站(BS)向区块链网络发送一个请求。
然后区块链将频谱共享请求发送到主运营商BS附近的次运营商BS，分配可用的频谱。
二级操作员向区块链发送应答(ACK)，并为主操作员分配未使用的频谱(覆盖频谱)，同时持续监控自己的频谱需求。为频谱共享分配特定的时间段。一旦分配时间完成或二级运营商有自己的频谱需求来服务其用户，频谱共享就终止了。区块链网络也有相同的通知。
运营商之间通过智能合约进行金融交易。最后，该会话的运营商之间的频谱共享完全终止，信息被更新并存储在区块链中。

通过区块链，电信监管机构可以根据当前的业务需求(如上文所述的网络切片)和需求区域，为多个运营商执行动态频谱分配(DSA)。这规定管理当局持续监测频谱分配、频谱共享和网络参数，从而增加对运营商的信任和区域电信网的安全，而在5G中启用区块链，也提供了异构5G网络之间的频谱共享，减少了它们之间的干扰，便于管理。

通过建立身份管理数据提供服务

除了用户数据管理之外，CSP还可以通过向合作伙伴提供用户身份验证服务，在区块链的帮助下产生额外的收入。

CSP为新订阅者创建一个数字标识。这个由带有订户详细信息的公共身份组成的数字身份被添加到区块链中，与此身份相关联的私钥存储在eSIM中，如图5b(i)所示。当订阅者需要验证其身份标识符的CSP伙伴的服务,用户的虚拟身份上创建区块链可以用来验证用户,也就是说,任何CSP的伴侣想验证一个用户为任何目的可以使用用户的公共虚拟身份区块链上可用来做同样的事情。在这里，订阅者使用他们的私钥数字签名这个身份验证过程，如图5b(ii)所示。在完成过程中，在每一步中，区块链都会使用指向使用所需的descr创建的虚拟标识的指针进行更新。

如何实现Block5G?

本节在区块链中加入5G的规格，观察节点总数下块传播时间的中位数。如图6a所示，在不同的地理区域模拟一个基于多运营商的5G区块链。来自北美、欧洲、南美、亚洲、日本和澳大利亚的区块链节点被考虑用于此实现。节点的分布密度是基于这些区域中当前相对可用的节点。节点跨区域分布的概率分别为0.3869、0.5159、0.011、0.0574、0.0119和0.0166。基于该区域，预测了5G平均带宽(平均最高为2Gb/s)和延迟，并将其纳入仿真中。图6a为区块跨区域在节点间传播的某一时刻的5G区块链网络连通性模型。在该图中，一个圆表示一个区块链节点，其颜色与该节点的最新块相关联，而一个大圆则是对应该节点的矿机。此外，link (b)在时间戳上从节点传播到另一个节点，它的颜色与流动块相关联，同时在时间戳上以粗体表示新接收到的块。

图6b是区块链中一个块的中值传播时间与它传播的多算子区块链节点数量之间的图。一个块的中间传播时间是一个块在所有指定的网络节点之间传播所花费的总时间。从图中可以看出，对于相同数量的区块链节点，一个区块链中的区块数量无关，区块的传播时间大致相同。1000个多算子区块链节点的中值块传播时间小于100 ms, 60000个多算子区块链节点的中值块传播时间小于450 ms。经评估(图6b)， 5G区块链网络中的块传播速度比现有区块链网络快20倍以上。也就是说，在本实现中，10000个多操作节点之间的块传播时间中值为339.5 ms，而现有网络中的当前值为8849.5 ms。因此，5G可以显著提高区块链网络的可扩展性和性能。此外，改善区块链网络性能的方法可以部署在5G中提供和增强各种基于应用的服务，如基于区块链的多运营商基础设施共享;基于区块链的多运营商网络切片;并防止欺诈和增加网络的安全性。

在未来，区块链的实际实现将面临几个挑战。其中包括:
•与块验证定时的UE关联和解离的同步问题
•降低区块链节点的功耗，实现低功耗模式
•区块链节点的延迟感知操作，以验证一个块是否达到实际的5G指定延迟

小结

5G网络的实施仍处于测试阶段，标准正在制定中。我们提出了在5G蜂窝网络中使用区块链的一系列可能性，如多运营商网络切片、欺诈防范、物理基础设施共享、频谱管理、用户身份认证和数据管理服务。我们还评估了一个多运营商的5G区块链网络，该网络提高了5G区块链网络的性能。

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