基于区块链的5G无线接入网络资源共享框架与安全资源分配方法

《IEEE Data Descriptions》：Blockchain-Based 5G Wireless Access Network Resource Sharing Framework and Secure Resource Allocation Method

　　

摘要：

为了解决诸如信任缺失、资源利用率低、多重约束导致的冲突以及共享5G无线接入网络资源所带来的安全风险等问题，本研究提出了一种高效、可靠且安全的分布式资源共享系统，并优化了资源分配策略。首先，对三种核心计算资源（频谱、安全和计算能力）进行了虚拟解耦和原子建模。同时，设计了一个集成区块链和软件定义网络的五层分布式资源共享框架。此外，还提出了一种改进的委托式权益证明共识机制，以及非对称加密交易认证和资源状态可追溯机制。其次，针对多重约束冲突问题，设计了一种结合长期和短期记忆状态预测的多智能体深度确定性策略梯度安全资源分配算法。验证实验基于3GPP TR38.901协议规范，使用了5G-RAN公共资源调度数据集进行。实验硬件配备了Intel Core i9-13900K处理器、NVIDIA RTX 4090显卡等设备。仿真平台基于Ubuntu 22.04 LTS系统构建，使用了PyTorch 2.1.0深度学习框架和NS-3 3.36仿真工具。比较基准包括主流的集中式资源分配方案、区块链、联邦深度强化学习方案和联盟链分层交叉切片方案。实验结果表明，该框架的资源利用率达到了89.3%，交易延迟仅为21.8毫秒，服务质量满意度和安全合规率分别为96.7%和98.2%，双重支付攻击抵御率和资源状态可追溯准确率均达到99.9%，所有相关指标均表现出色...

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1 引言

随着5G技术的快速发展，作为连接终端和核心网络的关键枢纽，无线接入网络承担着支持工业互联网和车联网高清视频传输等多样化服务的重要任务。其资源共享效率和安全保障能力直接决定了5G网络的服务质量和应用扩展潜力[1]–[3]。资源共享已成为提高网络利用率和降低5G无线接入网络部署及运营期间基础设施建设成本的核心方法。然而，当前的行业实践和技术研究面临诸多亟需克服的挑战。这些问题的实际影响是可量化的[4]–[6]。在传统的集中式资源分配方案下，行业的平均资源利用率仅为约70%，核心服务的交易延迟通常超过40毫秒。在分布式共享场景中，双重支付攻击等安全威胁的发生率仍然很高。例如，在车联网的5G部署场景中，由于信任丧失导致的资源调度失败率超过15%。边缘云和移动虚拟运营商不愿共享资源的情况进一步加剧了网络资源供需不平衡的问题。这些定量数据和实际部署痛点充分证明了优化5G无线接入网络资源共享的紧迫性和实际意义[7]–[9]。基于上述问题，本研究的核心方向是构建一个高效、可靠且安全的5G无线接入网络分布式资源共享系统。主要研究问题集中在解决可信环境下的分布式资源共享瓶颈、在多重约束和冲突条件下优化资源调度、确保资源状态的全程可追溯性，以及在效率和安全性之间取得平衡。具体研究目标是高效匹配和调度5G无线接入网络中的三种核心资源（计算能力、频谱和安全）。这将提高资源利用率和交易处理效率，同时增强资源共享的安全性和抵御攻击的能力。