楊 健， 陳 曦， 何 偉

(1.31107部隊(duì)，江蘇 南京 210007；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

短波是重要的中遠(yuǎn)程指揮與控制手段，在無衛(wèi)星等惡劣條件下甚至是唯一手段。今天，無線電技術(shù)高度發(fā)展，而短波電磁環(huán)境正逐年惡化，短波頻段背景噪聲逐年升高，導(dǎo)致幾百瓦、數(shù)千瓦甚至更大功率的短波電臺也很難通暢。嚴(yán)重威脅短波業(yè)務(wù)的生存與發(fā)展，成為無線電發(fā)展過程中一個(gè)新的國際性難題。

監(jiān)測了2011年至2015年短波電磁環(huán)境和短波頻段背景的變化情況，分別如圖1和圖2所示?？梢姡滩l段的信號數(shù)量正逐年增多，短波頻段背景噪聲亦以每年約1 dB的速度逐年升高，表明短波電磁環(huán)境正逐年惡化。之前的研究工作表明[1]，非合作頻率競爭伴隨功率競爭，是導(dǎo)致短波電磁環(huán)境惡化的主要人為因素，如果仍以當(dāng)前的方式使用短波頻譜資源，短波這一人類最早發(fā)明和使用的中遠(yuǎn)程通信方式將可能被人類自己毀滅!

圖1 2011年至2015年短波電磁環(huán)境的變化

圖2 2011年至2015年短波頻段背景噪聲的變化

自20世紀(jì)末開始，中國陸續(xù)建設(shè)了多個(gè)短波監(jiān)測站和電離層探測站。毫無疑問，短波監(jiān)測站和電離層探測站在幫助掌握短波電磁環(huán)境的變化和電離層的變化規(guī)律方面發(fā)揮了重要作用。短波通信的質(zhì)量在很大程度上取決于反射點(diǎn)的電離層狀態(tài)，現(xiàn)實(shí)情況下很難保證反射點(diǎn)處存在短波監(jiān)測站或電離層探測站。

在數(shù)十種短波業(yè)務(wù)中，短波業(yè)余業(yè)務(wù)是供業(yè)余無線電愛好者進(jìn)行自我訓(xùn)練、相互通信和技術(shù)研究的無線電通信業(yè)務(wù)。短波業(yè)余無線電愛好者通常被稱為HAM(Radio amateur)，他們分布在世界的各個(gè)角落，并始終在線。如果利用HAM提供短波電磁環(huán)境和電離層的狀態(tài)，并共享短波優(yōu)質(zhì)頻率信息，則將改變短波頻段的非合作通信模式，從而促使短波頻段背景噪聲逐漸降低，改善短波電磁環(huán)境。

當(dāng)前，區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想提供了可能性。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)和計(jì)算范例，它采用塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來驗(yàn)證和存儲數(shù)據(jù)，采用分布式共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)，采用非對稱加密來確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性，采用自動(dòng)腳本代碼組成的智能合約來對數(shù)據(jù)進(jìn)行編程和操作。因此，區(qū)塊鏈完美解決了短波頻譜數(shù)據(jù)共享過程中的安全性、分布式和效率問題。但是，龐大的短波頻譜數(shù)據(jù)規(guī)模使其無法直接存儲在區(qū)塊鏈中[2]。得益于邊緣計(jì)算的發(fā)展，短波頻譜數(shù)據(jù)可以在本地存儲而非在線存儲(即存儲于區(qū)塊中)，區(qū)塊鏈的共識算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以與邊緣計(jì)算充分結(jié)合，形成新的短波電磁頻譜管理框架。

為了改善不斷惡化的短波電磁環(huán)境，本文結(jié)合區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算，提出一種短波電磁頻譜管理新框架，使短波頻譜數(shù)據(jù)能夠以安全、分布式和高效的方式進(jìn)行共享。

1 短波電磁頻譜管理的新框架

短波電磁頻譜管理新框架如圖3所示。

圖3 短波電磁頻譜管理新框架

(1) ITU(International telecommunication union)短波權(quán)威機(jī)構(gòu)。ITU短波權(quán)威機(jī)構(gòu)是一個(gè)可信機(jī)構(gòu)，由ITU運(yùn)營，負(fù)責(zé)初始化整個(gè)短波電磁頻譜管理框架，包括邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的預(yù)選，短波設(shè)備的認(rèn)證并為其生成專用的公鑰/私鑰對。ITU短波權(quán)威機(jī)構(gòu)在大多數(shù)時(shí)間都處于離線狀態(tài)，即ITU短波權(quán)威機(jī)構(gòu)并不是中央控制器，并不與該框架分布式的特征相沖突。

(2) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)。計(jì)算節(jié)點(diǎn)包括ITU短波服務(wù)器(即云服務(wù)器)和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。ITU短波服務(wù)器由ITU運(yùn)營并部署于ITU網(wǎng)絡(luò)上。ITU短波服務(wù)器為短波電磁頻譜管理框架的運(yùn)行提供了算力和存儲空間。在本文的設(shè)計(jì)中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站可以作為短波電磁頻譜管理框架的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，具有相對較高的計(jì)算能力和較大的存儲空間。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的存儲空間用來存儲短波區(qū)塊和預(yù)添加的短波區(qū)塊，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的算力用來推理短波電磁環(huán)境和短波優(yōu)質(zhì)頻率。

(3) 個(gè)人短波設(shè)備。短波電磁頻譜管理框架中廣泛存在稱為HAM的個(gè)人短波設(shè)備(包括車載短波設(shè)備)。通常，個(gè)人短波設(shè)備負(fù)責(zé)采集短波頻譜數(shù)據(jù)并將短波頻譜數(shù)據(jù)上傳到附近的基站(邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn))。此外，在個(gè)人短波設(shè)備和基站之間通過非對稱加密的方式進(jìn)行短波頻譜數(shù)據(jù)的交易。

在框架中，短波區(qū)塊鏈采用聯(lián)盟鏈的結(jié)構(gòu)。眾所周知，區(qū)塊鏈主要有3種類型：公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。對于如比特幣和以太坊之類的公有/免許可區(qū)塊鏈，共識過程由所有節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，導(dǎo)致巨大的計(jì)算成本和時(shí)延、短波頻譜管理的低效和低吞吐量；對于私有/許可區(qū)塊鏈，共識過程在預(yù)定的節(jié)點(diǎn)之間執(zhí)行，考慮到短波用戶仍在增加，私有鏈的架構(gòu)并不適合短波頻譜管理。為了緩解計(jì)算密集型任務(wù)的挑戰(zhàn)和適應(yīng)不斷增長的短波用戶規(guī)模，與現(xiàn)有工作不同的是，本文在短波電磁頻譜管理架構(gòu)中采用聯(lián)盟鏈的架構(gòu)。聯(lián)盟區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N許可區(qū)塊鏈，每個(gè)短波用戶在加入網(wǎng)絡(luò)之前都需要進(jìn)行認(rèn)證，由一些預(yù)選節(jié)點(diǎn)完成共識過程[3]。因此，聯(lián)盟鏈在實(shí)現(xiàn)分布、安全、高效的短波電磁頻譜管理方面更加合適和可行。

在所提框架中，短波區(qū)塊鏈由短波區(qū)塊組成，包括短波頻譜數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)。對于每個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，它將一段時(shí)間內(nèi)生成的短波頻譜數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)打包成為預(yù)添加的短波區(qū)塊，并向周圍的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)廣播該預(yù)添加的短波區(qū)塊，以期通過基于PBFT(Practical byzantine fault tolerance)的協(xié)議達(dá)成關(guān)于該預(yù)添加短波區(qū)塊的共識。

此外，在所提框架中，ITU短波服務(wù)器和ITU短波權(quán)威機(jī)構(gòu)已部署于云端。ITU短波服務(wù)器旨在提供強(qiáng)大的算力，ITU短波權(quán)威機(jī)構(gòu)旨在對個(gè)人短波設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證并生成專用的公鑰/私鑰對?；静渴鹩诰W(wǎng)絡(luò)邊緣成為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，旨在為附近的短波設(shè)備提供算力和存儲空間，個(gè)人短波設(shè)備部署于網(wǎng)絡(luò)末端。由此，ITU短波服務(wù)器、基站和個(gè)人短波設(shè)備構(gòu)成了短波電磁頻譜管理的端-邊-云結(jié)構(gòu)，并通過邊緣計(jì)算驅(qū)動(dòng)短波電磁頻譜管理架構(gòu)的運(yùn)行。

2 短波頻譜數(shù)據(jù)的采集

在5G時(shí)代，基站可以視為功能強(qiáng)大、海量存儲和強(qiáng)大算力的節(jié)點(diǎn)，以分布式方式部署。假定每個(gè)基站管理周邊區(qū)域的電磁環(huán)境，一般而言，一個(gè)區(qū)域的電磁環(huán)境大致可以通過7×24 h連續(xù)的頻譜監(jiān)測來表征[4]。隨著短波頻譜數(shù)據(jù)的不斷采集，可以更準(zhǔn)確地描述短波電磁環(huán)境?？紤]到短波電磁環(huán)境是總體平穩(wěn)、局部動(dòng)態(tài)的，一個(gè)星期的短波頻譜數(shù)據(jù)足以描述某個(gè)區(qū)域的短波電磁環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，基于采集的短波頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)一步推理短波電磁環(huán)境的變化和優(yōu)質(zhì)短波頻率[5]。

個(gè)人短波設(shè)備運(yùn)行App自動(dòng)采集短波頻譜數(shù)據(jù)，并上傳某段時(shí)間內(nèi)收集的短波頻譜數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)的短波電磁頻譜管理架構(gòu)中，自動(dòng)采集的短波頻譜數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的格式，可以被大多數(shù)個(gè)人短波設(shè)備使用。在設(shè)計(jì)的短波電磁頻譜管理架構(gòu)中，可將該App視為自動(dòng)采集短波頻譜數(shù)據(jù)的智能合約。在完成一段時(shí)間的短波頻譜數(shù)據(jù)采集之后，每個(gè)個(gè)人短波設(shè)備將一段時(shí)間內(nèi)采集到的短波頻譜數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)打包，上傳至附近的基站。

直觀上講，短波頻譜數(shù)據(jù)是一種大數(shù)據(jù)。假設(shè)采用1個(gè)字節(jié)表示1 000 m×1 000 m的地理空間網(wǎng)格中的電磁環(huán)境情況，假定頻率分辨率為1 kHz，時(shí)間分辨率為100 ms。一個(gè)月后，100 km×100 km區(qū)域內(nèi)2～30 MHz的短波頻譜數(shù)據(jù)大小將達(dá)到

以Facebook為例進(jìn)行比較。Facebook每個(gè)月大約產(chǎn)生1.4×104TB的數(shù)據(jù)，上述短波頻譜數(shù)據(jù)量幾乎是Facebook同時(shí)間產(chǎn)生數(shù)據(jù)的一半。并且，短波頻譜數(shù)據(jù)不僅隨著數(shù)據(jù)采集時(shí)間、頻率范圍和地理范圍的增加而增加，還隨時(shí)間/頻率/空間分辨率的提高而增加。處理如此大量的短波頻譜數(shù)據(jù)將給ITU短波服務(wù)器帶來沉重的負(fù)擔(dān)，更不用說在集中式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下進(jìn)行處理了。

將邊緣計(jì)算應(yīng)用于處理短波頻譜數(shù)據(jù)可以很好地解決這一問題：基站接收到個(gè)人短波設(shè)備上傳的短波頻譜數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)后，將短波頻譜數(shù)據(jù)抽象為短波頻譜數(shù)據(jù)摘要，剩下的作為短波頻譜數(shù)據(jù)主體存儲在基站本地。當(dāng)某區(qū)域累積的短波頻譜數(shù)據(jù)超過7×24 h時(shí)，負(fù)責(zé)管理該地域短波電磁環(huán)境的基站滾動(dòng)丟棄7×24 h之前的短波頻譜數(shù)據(jù)主體，以此來保證存儲在基站中短波頻譜數(shù)據(jù)的輕量化。短波頻譜數(shù)據(jù)摘要包含唯一的序列號，持續(xù)時(shí)間/頻譜范圍/采集地點(diǎn)、時(shí)間/頻率分辨率、數(shù)據(jù)大小和存儲位置(即基站存儲陣列中的位置)。抽象得到的短波頻譜數(shù)據(jù)摘要的數(shù)據(jù)量很小，依據(jù)GJB 5299.5，以SHA-256方法對短波頻譜數(shù)據(jù)摘要進(jìn)行非對稱加密后僅有20字節(jié)。通過序列號和存儲位置，個(gè)人短波設(shè)備可以快速訪問并下載短波頻譜數(shù)據(jù)主體。基站將短波頻譜數(shù)據(jù)的摘要和交易數(shù)據(jù)打包成為預(yù)添加的短波區(qū)塊，上傳至基站，基站尋求在附近基站之間對預(yù)添加的短波區(qū)塊達(dá)成共識，短波頻譜數(shù)據(jù)的主體則存儲在基站本地。

3 短波區(qū)塊的產(chǎn)生

短波區(qū)塊的產(chǎn)生過程如圖4所示，每個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)(基站)將短波頻譜數(shù)據(jù)主體保存在本地，然后對短波頻譜數(shù)據(jù)的摘要進(jìn)行非對稱加密和數(shù)字簽名形成預(yù)添加的短波區(qū)塊，確保數(shù)據(jù)傳輸過程中不被篡改。然后，基站對附近基站廣播預(yù)添加的短波區(qū)塊尋求達(dá)成共識。如附近基站對預(yù)添加的短波區(qū)塊達(dá)成共識，預(yù)添加的短波區(qū)塊將被附加在短波區(qū)塊鏈末尾，成為正式的短波區(qū)塊。

圖4 短波區(qū)塊的產(chǎn)生

同時(shí)，根據(jù)短波頻譜數(shù)據(jù)摘要的信息，一些短波幣自動(dòng)釋放至提供短波頻譜數(shù)據(jù)的個(gè)人短波設(shè)備作為獎(jiǎng)勵(lì)。短波頻譜數(shù)據(jù)形成摘要和主體，主體存儲在基站、摘要上傳至短波區(qū)塊鏈的策略，不僅大大降低了吞吐量壓力，而且大大節(jié)省了短波頻譜數(shù)據(jù)傳輸過程和后續(xù)共識達(dá)成過程的算力和時(shí)間，降低了能耗。

短波區(qū)塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括短波頻譜數(shù)據(jù)摘要和交易數(shù)據(jù)、時(shí)間戳、前一短波區(qū)塊的哈希值。短波區(qū)塊根據(jù)達(dá)成共識的時(shí)間戳首尾鏈接，Merkel樹結(jié)構(gòu)被應(yīng)用短波區(qū)塊中短波子區(qū)塊的組織結(jié)構(gòu)。短波區(qū)塊鏈僅包含頻譜感測數(shù)據(jù)的摘要，并不包含短波頻譜數(shù)據(jù)的主體，短波頻譜數(shù)據(jù)主體存儲在相應(yīng)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)(基站)。

圖5 短波區(qū)塊的結(jié)構(gòu)

與比特幣類似，ITU短波服務(wù)器定期釋放短波幣作為個(gè)人短波設(shè)備采集頻譜數(shù)據(jù)的激勵(lì)。當(dāng)短波區(qū)塊通過驗(yàn)證后，短波區(qū)塊將被添加到短波區(qū)塊鏈，提供短波頻譜數(shù)據(jù)的個(gè)人短波設(shè)備和參與共識的基站都將獲得短波幣作為獎(jiǎng)勵(lì)。短波幣可用于購買額外的短波頻譜帶寬和額外的短波頻譜使用權(quán)。

區(qū)塊鏈中的共識算法通常分為兩類，第一類以工作量證明(PoW)為代表，第二類以PBFT為代表。與PoW相比，PBFT的以下特征表明它是最適合聯(lián)盟鏈的共識協(xié)議。首先，PBFT通常應(yīng)用于許可區(qū)塊鏈，聯(lián)盟鏈則是典型的許可區(qū)塊鏈；其次，與PoW的吞吐量(每秒7筆交易)相比，PBFT可達(dá)每秒數(shù)千筆交易的吞吐量，這對于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的短波電磁頻譜管理尤為重要；第三，考慮到蜂窩網(wǎng)絡(luò)中假基站的猖獗，雖然PBFT的33%的容錯(cuò)能力[6]遜于PoW共識協(xié)議51%的容錯(cuò)能力，但是PBFT在許可鏈中達(dá)成共識的特點(diǎn)使其容錯(cuò)能力相比于PoW并不產(chǎn)生明顯劣勢[7]；第四，PBFT的能效遠(yuǎn)優(yōu)于PoW，考慮到未來大量個(gè)人短波設(shè)備共同參與短波電磁頻譜管理，PBFT達(dá)成過程簡單(共識僅在預(yù)選節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行)代表了更高的能效，使其更適合于所提架構(gòu)；第五，PoW的確認(rèn)時(shí)延過長，而PBFT的確認(rèn)時(shí)延為毫秒級；最后，在所提的短波電磁頻譜架構(gòu)中應(yīng)用了邊緣計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，從而克服了PBFT可伸縮性差的問題。接下來，給出所提架構(gòu)中PBFT共識機(jī)制的詳細(xì)過程。

短波區(qū)塊的共識過程基于實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(PBFT)算法，僅在附近的基站之間達(dá)成共識[6]。眾所周知，PBFT最初是為解決拜占庭將軍問題提出的，只要惡意/故障節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不超過1/3，共識仍可達(dá)成[8]。

當(dāng)短波頻譜數(shù)據(jù)摘要和交易數(shù)據(jù)被打包成預(yù)添加的短波區(qū)塊后，基站向附近基站廣播該短波區(qū)塊以期達(dá)成共識。生成預(yù)添加短波區(qū)塊的基站為PBFT共識協(xié)議的客戶端。首先，基站需要確定PBFT共識協(xié)議的視圖，即確定參與PBFT的節(jié)點(diǎn)。通常，基站傾向于選擇具有相同或相似地理位置的基站形成視圖，這與簇的生成相似。假設(shè)視圖中包含N個(gè)基站(副本)。PBFT共識協(xié)議的執(zhí)行過程通常分為5個(gè)階段，即請求、預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、提交和答復(fù)。PBFT共識過程如圖6所示。

圖6 PBFT共識過程

在提交階段，當(dāng)準(zhǔn)備消息Prepare(m,v,n,i)為真時(shí)，副本i將提交消息〈Commit,v,n,D(m),i〉σi多播到其他副本(除自己之外的所有N個(gè)基站)，表明提交階段開始。如果提交消息滿足以下條件，則副本i接受此提交消息并將其記錄在日志中：(1)提交消息的簽名正確；(2)提交消息的視圖編號與副本i當(dāng)前視圖的編號一致；(3)提交消息的序列號在范圍[1,N]以內(nèi)。

確認(rèn)消息和本地確認(rèn)消息的定義為：當(dāng)且僅當(dāng)f+1個(gè)(f為可容忍的拜占庭節(jié)點(diǎn)數(shù))無故障副本中Prepare(m,v,n,i)為真，副本i的確認(rèn)消息Committed(m,v,n)為真；否則為假。當(dāng)且僅當(dāng)副本i接受了2f+1個(gè)與m匹配的預(yù)準(zhǔn)備消息后，副本i的本地確認(rèn)消息為真。預(yù)準(zhǔn)備消息與確認(rèn)消息一致的條件是：相同的視圖，相同的序號和相同的摘要。此外，此機(jī)制可確保任何無故障副本將至少接收到f+1個(gè)本地確認(rèn)消息。然后，每個(gè)完成本地確認(rèn)消息驗(yàn)證的副本都將執(zhí)行m的請求。

在答復(fù)階段，當(dāng)執(zhí)行請求消息時(shí)，每個(gè)副本會向客戶端發(fā)送一個(gè)答復(fù)消息。在所提的短波電磁頻譜管理架構(gòu)中，請求消息的執(zhí)行定義為對短波區(qū)塊質(zhì)量的檢查。由于短波區(qū)塊僅包含頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)的摘要，可以通過智能合約提取短波區(qū)塊典型樣本的方式檢查短波區(qū)塊的質(zhì)量[9]，智能合約由自動(dòng)執(zhí)行的代碼組成，以使檢查過程更自動(dòng)、更簡單。僅使用短波區(qū)塊中短波頻譜數(shù)據(jù)的摘要來檢查短波頻譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量是一個(gè)開放性課題，但對于所提的短波電磁頻譜管理新架構(gòu)而言并非不可能。

當(dāng)客戶端收到2f+1個(gè)確認(rèn)正確的答復(fù)消息后，答復(fù)階段結(jié)束，PBFT共識完成，邊緣節(jié)點(diǎn)通過PBFT共識機(jī)制生成短波區(qū)塊。一方面，本文假設(shè)邊緣節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)基站，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸短波頻譜數(shù)據(jù)，移動(dòng)基站本身是可以信任的節(jié)點(diǎn)；另一方面，考慮到“偽基站”的存在，惡意邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)可能會以一定概率存在，在之前的研究里[10]，提出了一種抵抗惡意邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)蓄意發(fā)動(dòng)的拜占庭攻擊的共識機(jī)制，使得發(fā)起共識的基站能夠鑒別被惡意邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)篡改的頻譜數(shù)據(jù)。此外，相對于正?；荆皞位尽钡葠阂膺吘売?jì)算節(jié)點(diǎn)仍是少數(shù)，基于PBFT的共識協(xié)議，33%的容錯(cuò)能力已經(jīng)足夠抵御共識過程被不可信邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)壟斷的問題。

4 短波頻譜數(shù)據(jù)的交易

根據(jù)生成短波區(qū)塊的時(shí)間戳首尾鏈接，基站之間合作通過PBFT對預(yù)添加的短波區(qū)塊達(dá)成共識。短波區(qū)塊鏈在線存儲，并作為副本保存在每個(gè)基站中。短波區(qū)塊鏈可以看作短波頻譜數(shù)據(jù)的索引，短波區(qū)塊包含短波頻譜數(shù)據(jù)的摘要。一方面，摘要記載了短波頻譜數(shù)據(jù)的存儲位置，個(gè)人短波設(shè)備可以通過訪問短波區(qū)塊鏈快速定位存儲短波頻譜數(shù)據(jù)主體的基站；另一方面，短波區(qū)塊鏈僅保存短波頻譜數(shù)據(jù)的摘要，個(gè)人短波設(shè)備下載整個(gè)短波區(qū)塊鏈不會占用很大空間。作為中遠(yuǎn)程指揮與控制重要手段，以及在無衛(wèi)星等惡劣條件下的唯一手段，短波不可或缺。然而，短波依賴電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，晝夜、季節(jié)、太陽活動(dòng)周期的規(guī)則變化和太陽輻射突變引發(fā)的不規(guī)則變化，導(dǎo)致短波電磁環(huán)境(電離層)的不穩(wěn)定性和短波通信的動(dòng)態(tài)時(shí)變性。如果利用分布于世界各地的海量個(gè)人短波設(shè)備(HAM)提供短波電磁環(huán)境和電離層狀態(tài)，共享短波優(yōu)質(zhì)頻率信息，將有望使短波用頻方式從非合作通信轉(zhuǎn)變?yōu)楹献鞲偁幣c共享，促使短波頻段背景噪聲逐漸降低，改善短波電磁環(huán)境。同時(shí)，個(gè)人短波設(shè)備能夠利用海量短波頻譜數(shù)據(jù)匯集形成的短波區(qū)塊鏈推理當(dāng)前的短波電磁環(huán)境和短波優(yōu)質(zhì)頻率：(1)查找短波區(qū)塊鏈并找到對應(yīng)的短波區(qū)塊；(2)支付短波幣下載相關(guān)短波頻譜數(shù)據(jù)；(3)基于下載的短波頻譜數(shù)據(jù)來推理當(dāng)前的短波電磁環(huán)境和短波優(yōu)質(zhì)頻率，過程見圖7。

圖7 短波頻譜數(shù)據(jù)的交易

如圖7所示，在第3步，當(dāng)個(gè)人短波設(shè)備通過短波區(qū)塊鏈定位到存儲相應(yīng)短波頻譜數(shù)據(jù)的邊緣節(jié)點(diǎn)(基站)時(shí)，有兩種可能：(1) 根據(jù)短波區(qū)塊鏈，短波頻譜數(shù)據(jù)位于本地基站。則個(gè)人短波設(shè)備根據(jù)短波區(qū)塊的索引信息訪問本地基站并下載短波頻譜數(shù)據(jù)，支付短波幣作為報(bào)酬，基站提取少部分短波幣后，將剩余的大部分短波幣支付給提供短波頻譜數(shù)據(jù)的個(gè)人短波設(shè)備。(2) 根據(jù)短波區(qū)塊鏈，短波區(qū)塊位于外地基站。則個(gè)人短波設(shè)備通過本地基站向外地基站發(fā)送短波頻譜數(shù)據(jù)請求，并支付短波幣，外地基站收到請求后，通過高速網(wǎng)絡(luò)(如5G網(wǎng)絡(luò))將短波頻譜數(shù)據(jù)發(fā)送至本地基站。個(gè)人短波設(shè)備下載短波頻譜數(shù)據(jù)結(jié)束，短波幣同步支付給提供短波頻譜數(shù)據(jù)的個(gè)人短波設(shè)備。

在第4步，個(gè)人短波設(shè)備基于下載的短波頻譜數(shù)據(jù)推理短波電磁環(huán)境和短波優(yōu)質(zhì)頻率時(shí)，有兩種選擇：(1) 個(gè)人短波設(shè)備在本地推理短波電磁環(huán)境和短波優(yōu)質(zhì)頻率。個(gè)人短波設(shè)備若具備足夠算力，可以在本地進(jìn)行推理計(jì)算。(2) 個(gè)人短波設(shè)備依靠本地基站推理短波電磁環(huán)境和短波優(yōu)質(zhì)頻率并支付短波幣。個(gè)人短波設(shè)備若不具備推理計(jì)算的算力，可將推理需求發(fā)送至本地基站，并支付短波幣，本地基站根據(jù)其需求和已存儲在本地的短波頻譜數(shù)據(jù)推理短波電磁環(huán)境的短波優(yōu)質(zhì)頻率，將短波電磁環(huán)境和短波優(yōu)質(zhì)頻率信息發(fā)送給個(gè)人短波設(shè)備并獲得短波幣。

此外，非對稱加密可確保短波頻譜數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性。首先，個(gè)人短波設(shè)備對擬傳輸?shù)亩滩l譜數(shù)據(jù)進(jìn)行非對稱加密。當(dāng)個(gè)人短波設(shè)備A需要向基站B發(fā)送短波頻譜數(shù)據(jù)DataA時(shí)，A下載B的公鑰并對短波頻譜數(shù)據(jù)DataA加密。

(2)

(3)

其次，個(gè)人短波設(shè)備通過非對稱加密驗(yàn)證短波頻譜數(shù)據(jù)是否被篡改。當(dāng)個(gè)人短波設(shè)備C將短波頻譜數(shù)據(jù)上傳到基站時(shí)，C通過哈希算法生成DataC的摘要。

(4)

(5)

C將SignDigest附加到DataC的末尾并將DataC上傳到基站。其他個(gè)人短波設(shè)備可以解密SignDigest并獲取DigestData。

(6)

(7)

5 面臨的研究挑戰(zhàn)

盡管當(dāng)前的研究和開發(fā)程度距離所提的短波電磁頻譜管理新架構(gòu)還很遙遠(yuǎn)，但得益于區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算的驅(qū)動(dòng)，短波電磁頻譜管理確實(shí)迎來了令人興奮的未來，同時(shí)也面臨以下研究挑戰(zhàn)。

(1)防御惡意的個(gè)人短波設(shè)備。在所提框架中，基于PBFT的共識機(jī)制具有33%的惡意/故障設(shè)備容忍度；作為智能合約，自動(dòng)采集短波頻譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序還可抵抗某些惡意短波用戶。但是，在實(shí)踐中，如何防御惡意個(gè)人短波用戶的攻擊，以保護(hù)短波電磁頻譜管理新架構(gòu)的運(yùn)行，還需要進(jìn)一步研究。

(2)短波幣作為激勵(lì)機(jī)制的有效性。在提出框架中，短波幣被設(shè)計(jì)用于購買額外的短波頻譜帶寬和額外的頻譜使用權(quán)。同樣，也激勵(lì)個(gè)人短波設(shè)備采集短波頻譜數(shù)據(jù)換取短波幣。對于個(gè)人短波設(shè)備，這種激勵(lì)方法是否具有足夠的吸引力還有待證明。

(3)共識的達(dá)成范圍。在所提框架中，共識僅在附近的基站間執(zhí)行。那么，多少個(gè)基站達(dá)成共識是最優(yōu)的？達(dá)成共識所需的最少基站數(shù)量是多少？如果沒有足夠的基站，如何達(dá)成共識？

(4)降低通信復(fù)雜度和優(yōu)化能耗。在確認(rèn)短波區(qū)塊時(shí)，隨著參與基站數(shù)量的增多，完成PBFT共識所需的信息交互次數(shù)呈指數(shù)上升，帶來通信復(fù)雜度的激增和能耗的增加。如何在大規(guī)?；緟⑴cPBFT共識時(shí)改善其通信復(fù)雜度和優(yōu)化能耗水平？

(5)短波頻譜數(shù)據(jù)的劃分。在所提框架中，短波頻譜數(shù)據(jù)被劃分為摘要和主體。如何對采集的HF頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分呢？它將影響短波電磁頻譜管理架構(gòu)的能效和處理延遲。

(6)其他頻段。應(yīng)當(dāng)研究怎樣將所提的電磁頻譜管理新架構(gòu)擴(kuò)展到其他頻段？筆者認(rèn)為，所提的電磁頻譜管理新架構(gòu)無疑可以向其他頻段擴(kuò)展，需要進(jìn)一步討論的是，首先向哪個(gè)頻段擴(kuò)展，以及是否具備短波頻段這種頻率資源使用在地理位置上不可分割的特性。

6 結(jié)論

為了改善不斷惡化的短波電磁環(huán)境，本文結(jié)合區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算，提出一種短波電磁頻譜管理的新架構(gòu)，使短波頻譜數(shù)據(jù)能夠以安全、分布、高效的方式共享。闡述了三項(xiàng)關(guān)鍵程序，即短波頻譜數(shù)據(jù)的采集、短波區(qū)塊的生成與驗(yàn)證和短波頻譜數(shù)據(jù)的交易，設(shè)想以短波幣來激勵(lì)海量個(gè)人短波設(shè)備采集并提供短波頻譜數(shù)據(jù)，在邊緣計(jì)算的基礎(chǔ)上構(gòu)建邊緣云架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)有效的短波頻譜數(shù)據(jù)共享。應(yīng)用PBFT算法在選定的基站間達(dá)成有效共識。本文為短波區(qū)塊鏈的應(yīng)用提供了廣闊的前景，為基于區(qū)塊鏈的電磁環(huán)境研究方向打開了新的大門。