基于区块链的无线接入网络关键技术研究

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过去的几十年中,移动通信已逐渐演变成为支撑全行业、全社会运行的万物互联信息基础设施,然而随着无线网络持续致密化与异构化,移动通信系统的发展将面临许多信任危机与挑战。现有无线通信网络架构的极端化信任模式使得无线网络资源割裂化严重,大规模资源无法合理共享与高效利用,网络中诸如访问控制、数据交换、隐私保护、身份认证等方面的安全风险更加剧了网络信任危机。近年来发展迅速的区块链技术,依靠其特有的属性能够在对等实体间建立信任,实现点对点安全的价值传递,为无线网络中的信任问题提供了解决思路。将区块链与无线接入网(Radio Access Network,RAN)有机结合,有利于从网络底层的实体接入过程建立多方信任,促进区块链与未来无线通信系统的深度融合,并为进一步解决网络中诸多安全信任问题提供基础支撑。因此,本文将针对区块链技术与RAN的结合以及其中涉及到的网络信任问题展开研究。首先,本文对区块链在RAN中的应用进行了深入探讨,详细介绍了一种新型无线接入网络架构——区块链无线接入网(Blockchain Radio Access Network,B-RAN)。论文先阐述了B-RAN的基本原理与工作流程,并展示了B-RAN的分层架构。随后在此基础上,深入探讨了B-RAN带来的网络效应,以说明B-RAN能够深度整合网络资源,建立协作可信的多边平台(Multi-Sided Platform,MSP)。最后,论文还介绍了B-RAN中为建立信任与提升效率提供支撑的几项关键使能技术。然后,论文针对网络底层客户端设备之间的信任问题展开了研究,并提出了相应的解决方案。论文先描述了免授权随机接入(Grant-Free Random Access,GFRA)场景下,开放网络中可能存在的设备接入困境,从博弈论角度具体分析了RAN中自私接入行为对网络的不良影响。然后在B-RAN架构中,提出了一种名为哈希接入的免授权接入机制,通过利用哈希函数的特性,约束设备遵守接入规则,从而建立用户设备间的信任,保障了开放网络的接入性能。最后详细探讨了哈希接入机制的设备能耗、负载控制与利益保护机制。接着,论文对哈希接入机制进行了具体的性能分析。论文先为B-RAN中的哈希接入过程建立了马尔科夫模型,以便对系统进行表征与分析。基于上述模型,从数据包成功传输概率、网络吞吐量和接入时延三个方面对哈希接入机制的性能进行了全面分析与评估。随后基于伯努利负载模型,并考虑设备队列长度的情况下,给出了哈希接入机制性能的闭式形式以及最优接入参数。仿真结果验证了哈希接入机制的各项性能指标,与传统Aloha协议相比,哈希接入机制能够有效预防设备的自私行为,保障网络接入性能。最后,本文考虑了B-RAN架构下多子网的场景,研究了多个接入点(Access Point,AP)情况下实现网络负载均衡的哈希接入机制。论文先提出了两种多子网中不同AP的接入难度联合设置方案:分段目标值设置方案和独立目标值设置方案,以实现网络资源的整合与负载均衡。随后,借助B-RAN提供接入服务的特点,将网络负载进行合理分配,使网络资源得到充分利用。仿真结果表明,相较于传统的网络架构,B-RAN在哈希接入机制的保障下,能够更好地进行负载均衡,实现大规模资源合理整合与调配。
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