面向共享網絡的資源可信管理研究

賀 琳 苗守野 劉秋妍 李 露

1 中國聯通研究院 北京 100048

2 中國聯合網絡通信集團有限公司 北京 100033

引言

2021年是國內5G SA(Standalone,獨立組網)網絡持續建設與發展的一年，從2020年初起，5G作為新基建之首，加快推進5G發展屢屢被點題。在新基建的帶動下，5G共建共享已成為運營商降本增效，更加集約高效地實現5G網絡覆蓋，快速形成5G服務能力的重要手段。截止到2021年6月，我國已經共建共享40余萬個5G基站，覆蓋全國所有地級以上城市。此外，按照前期國內運營商間簽署的5G共建共享協議，后續5G共建共享也必將進一步走向深入。

隨著5G共享網絡，尤其是5G SA共享網絡的不斷完善，行業應用創新不斷增多，5G共享網絡已開始賦能工業、交通、能源、醫療及經濟社會等千行百業，而隨著5G共享網絡賦能垂直行業領域的增多，5G共建共享運營商之間涉及網絡資源分配，每個運營商又涉及公眾用戶與垂直行業用戶之間的資源分配，因此，網絡資源分配方案將變得更加復雜、多樣化。但眾所周知，移動通信網絡中，頻譜資源是有限的，頻譜資源的分配直接影響著用戶的體驗，因此，在共建共享場景下，如何高效利用授權頻譜為全行業提供公平可信的頻譜共享資源，實現共建共享網絡下的頻譜資源的可信管理是亟待解決的關鍵問題，也是確保共建共享網絡下端到端業務體驗，從而最大化5G共建共享價值，促進5G共建共享網絡持續性發展的關鍵。可以預見，后續頻譜資源的高效動態共享在國際上的需求將會更為強烈。

1 5G接入網共享資源分配方式及可信管理需求

網絡共建共享是一個廣義的范疇，最基本的共享是機房、鐵塔等基礎設施的共享，再進一步就是無線網絡甚至核心網絡的共享。雖然從3GPP的角度來看可以分為接入網共享以及核心網共享兩種，但考慮到國內運營商間多采用接入網共享方式，因此，本文僅針對5G接入網共享下的資源分配方案進行分析。

1.1 面向5G接入網共享的資源分配方式

接入網共享[1]顧名思義就是多家運營商間共享無線基站設備及部分傳輸，核心網獨立建設，5G共享基站依據用戶的網號，將用戶鏈接到其歸屬核心網，從而實現同時為多家用戶提供服務的目的。5G共享基站按照載波資源配置方式不同，又可以進一步分為獨立載波和共享載波兩種模式，如圖1所示。

圖1 接入網共享載波資源配置方式

1)獨立載波：指運營商各自擁有獨立的頻譜資源，只共享硬件資源，即物理設備共享，內部邏輯獨立[2]。在獨立載波共享模式下，兩個運營商可以各自調度獨立的頻率資源，既不存在業務上雙方運營商用戶的資源搶占，也不需要考慮運營商間的資源分配問題。

2)共享載波：指運營商之間共享RAN資源，包括頻譜共享和硬件資源共享，即物理和邏輯都共享。該方案下，需要多家共享運營商共同協商空口資源分配方式，并采用相同的QoS(Quality of Service，服務質量)策略，以保證所有共享運營商間用戶的公平性。

從我國國內運營商間的網絡共享模式來看，本著最大化共享價值和頻譜利用率，國內共享運營商間多采用共享載波模式，而且我國雖然從2019年就正式開始5G建設，但前期5G網絡仍以提供eMBB業務為主，運營商間多采用完全共享的方式，即不區分PLMN(Public Land Mobile Network，公共陸地移動網絡)分配基站資源，資源100%共享。而隨著垂直行業融合應用的不斷增多，以及5G切片技術的引入，不可避免需要考慮更多的資源分配方式，比如說：1)部分共享：即部分基站資源按照比例進行絕對劃分，剩余資源進行共享，如圖2所示；2)按比例共享：即雙方設置共享比例，可在這個比例范圍內共享空閑資源，如圖3所示。一旦需要，可搶回該部分份額。

圖2 部分共享資源分配方式示意圖

圖3 按比例共享資源分配方式示意圖

1.2 面向5G接入網共享的切片資源分配方式

網絡切片可將網絡資源按需靈活分配，結合不同的業務需求，定制個性化的網絡服務，是5G服務垂直行業的關鍵切入點。而在共享網絡下，網絡切片的引入，就需要進一步考慮如何在共享的物理設施基礎上，再切隔成多個獨立的虛擬網絡，為不同運營商下不同業務提供獨立運營、相互隔離的定制化專用網絡服務。5G無線側包含三種不同類型的切片機制：QoS調度、RB(Resource Block，無線資源塊)資源預留和獨立載波切片[3-4]。

1)QoS調度：通過5QI(5G QoS Class Identifier，5G QoS等級標識)或切片標識關聯5QI的方式為業務提供差異化的網絡服務。

2)RB資源預留：為一個切片或切片組預留資源，以保證服務質量。按照定義，預留的資源可包括專用資源、優先資源和共享資源。其中，專用資源是指該預留資源僅用于切片用戶組內用戶；優先資源顧名思義是優先保障切片組內用戶使用，如果有剩余，則可供其他切片組的用戶使用；共享資源則按照現有機制，由所有用戶基于QoS調度算法分配。

3)獨立載波切片：不同切片使用不同的載波小區，每個切片僅使用本小區的空口資源，以提供各切片的資源保障。

1.3 面向5G接入網共享的資源可信管理需求分析

隨著5G賦能垂直行業融合應用的不斷深入，以及5G網絡切片技術的引入，在5G共建共享網絡下的資源分配方式及資源配置參數將更加復雜，任何一個資源配置參數都可能影響運營商間的資源分配，進而影響不同運營商間用戶的業務體驗，因此，實現共享運營商間資源的可信管理對于5G共建共享網絡的可持續性發展顯得越來越重要。為了保證5G共建共享網絡下，各運營商用戶被公平對待且業務體驗對等，需從以下幾個方面加強頻譜資源的可信管理。

1)資源配置參數對等可視：確保頻譜資源分配、QoS、調度等相關參數可信可視。

2)資源配置修改公開透明：確保關鍵資源配置參數在雙方共同確認授權下才可修改，避免由于單方私自修改關鍵資源參數帶來的共享運營商用戶體驗下降。

3)資源使用統計透明可信：確保PRB(Physical Resource Block,物理資源塊)資源利用率、業務速率等關鍵性能指標可信可視，進而方便雙方運營商對用戶業務體驗進行比對。

2 基于區塊鏈的共享網絡資源可信管理方案

本文第1.3節對5G接入網共享網絡下，尤其是共享載波配置下，資源分配的可信需求進行了分析，由于當前運營商間的共建共享主要集中在網絡共建、共維，以及共優層面，各個運營商的品牌、用戶和市場都還是獨立的，任何一家共享運營商都存在利己動機，也就較難形成足夠的公信力，因此，現有的5G網管數據集中式存儲方式也就很難滿足共享運營商間日益增長的可信管理需求。

區塊鏈作為一種起源于比特幣的分布式記賬技術，具有去中心化、公開透明等特性，這使得區塊鏈天然成為一個信任機器，即由區塊鏈網絡中所有成員共同構建區塊鏈的分布式賬本，采用鏈式、分布式存儲，并通過共識機制確保各記賬節點寫入數據的一致性、完整性和安全性，該方式可以替代權威主體和第三方背書，從根本上避免集中式存儲所帶來的單點失效而引發的信任體系崩塌問題，而且加大了數據篡改的難度[5-8]。此外，區塊鏈上各成員的身份具有唯一性，可通過公/私鑰機制確保區塊鏈上各成員的身份可信；同時通過點對點加密和零知識證明等區塊鏈技術保障區塊鏈上的數據隱私和數據安全[9-12]。因此，在多方參與共建、頻譜動態共享的共建共享網絡中，如何保證頻譜資源分配參數公平可信，同時公平可信地衡量頻譜動態共享狀況是保障全網穩定運營的關鍵[13]。

首先，從方案架構的角度來看，依托區塊鏈的分布式鏈式存儲等技術特性，可由承建運營商、共享運營商共同組建聯盟鏈，后續視業務、市場、監管等需要，還可進一步增加第三方監管機構、垂直行業等節點。該聯盟鏈直接對接運營商的網管系統，采用鏡像方式將關鍵的運營商網管數據、資源配置參數修改申請審批流程同步到區塊鏈系統上，并且確保現有5G共建共享網絡架構不更改、現有通信業務時延不增加。共享資源可信管理邏輯架構示例圖和區塊鏈系統的邏輯功能示例圖如圖4和圖5所示。

圖4 基于區塊鏈的共享資源可信管理邏輯架構示例圖

圖5 區塊鏈系統邏輯功能示意圖

其次，從方案實現的角度來看，目前國內運營商在5G網絡共建共享過程中多采用“誰建設，誰維護，誰優化”的原則，因此，共享基站從規劃到建設，再到運維優化的過程中雖然會考慮共享方的需求，但總體來看，共享基站仍由承建方負責，其中也包括對于共享基站資源參數的配置及修改，如若要提升共享運營商對于資源配置參數的可信度，可考慮依托區塊鏈的智能合約和共識機制，實現共享多方運營商對資源相關參數的確認授權流程，如圖6所示。

圖6 基于智能合約的多方參數修改授權流程

此外，為了避免未經授權流程的參數修改，還需形成閉環核驗機制，即周期性(如以天為單位等)上鏈存證資源配置關鍵參數，并由智能合約自動對已存證的資源配置參數進行比對，對未經共享多方運營商確認授權的變更參數進行告警，以使得共享運營商能夠及時發現共享基站重要參數在未經多方運營商共同同意情況下發生的改變。

再有，隨著5G網絡覆蓋的完善及5G用戶的發展，5G網絡容量也將隨之提升，再加上垂直行業應用的定制化需求，頻譜資源分配及使用的公平、透明對于共享運營商均至關重要。因此，在本文前述資源配置參數多方授權修改機制下，還需以區塊鏈作為底層數據存儲，由承建運營商負責經由無線設備網管將共享基站資源使用情況(如PRB資源利用率、不同運營商業務速率等)關鍵KPI(Key Performance Indicator,關鍵績效指標)指標上鏈，并將區塊鏈上的共享基站資源使用情況可信共享給其他共享運營商甚至垂直行業等進行查詢，以實現共享多方運營商可以更加真實、準確地了解各自的資源使用情況，視需要，共享運營商間還可進一步協商改進資源分配策略，進而促進5G共享網絡下資源的公平調度及高效協同。

最后，從部署可行性和擴展性的角度來看，區塊鏈平臺可考慮與無線網管系統或MEC(Multi-Access Edge Computing，多接入邊緣計算)邊緣云共平臺部署。總體來看，區塊鏈的分布式特性與邊緣計算架構趨于一致，通過與邊緣設備節點結合，可實現資源互補和一次建設到位，同時，也有助于助力后續5G網絡演進的新業務拓展。

3 區塊鏈賦能可信共享網絡的挑戰

前文對基于區塊鏈的5G共建共享可信管理方案進行了一些探討，但總體來看，5G共建共享和區塊鏈的融合還處于初期探索階段，后續區塊鏈賦能5G共建共享網絡必將持續深入，比如說進一步擴大區塊鏈可信網絡的應用范圍和上鏈的數據范圍等，除了本文中所提到的網絡資源配置及資源使用占比等數據，還可以進一步逐步擴展用于網絡運維的優化管理和網絡建設、規劃等，此外，隨著5G與垂直行業融合應用的深入，還可將區塊鏈可信共享網絡向垂直行業擴展，為垂直行業提供可信網絡保護，構建數據安全共享的生態體系，但隨著后續共建共享網絡與區塊鏈融合的深入，也不可避免地會遇到更多的挑戰，具體如下。

1)確保上鏈前的數據的準確性

依托區塊鏈的技術特征，可保證鏈上數據的安全可信防篡改，但上鏈前數據的真實可靠性如何保證是區塊鏈面臨的一個較大問題。因此，后續基于區塊鏈的5G共建共享資源可信方案中，還需要考慮進一步融合云計算、大數據、人工智能等技術，從而盡可能提升鏈下、鏈上數據的一致性。

2)提升存儲效率

區塊鏈分布式存儲的本質就是采用鏈式數據結構，在鏈上節點分布式存儲相同的數據，然后以時間戳為索引來實現數據的防篡改，該技術的實現原理就注定了區塊鏈技術的應用需要以降低存儲效率為代價來換取更高可信度。

此外，理論上說，區塊鏈上的數據一旦上鏈將不能被刪除，故鏈上的數據量必然會與日俱增，不僅如此，隨著系統數據存儲量及數據操作量的增加，基于區塊鏈的數據存儲機制還會產生大量的冗余數據，不僅消耗大量的存儲資源，也會給系統容量帶來極大的挑戰。因此，如何將鏈上節點存儲數據增速放緩是解決存儲資源有限且資源利用率低的重中之重。

3)提升共識算法效率

區塊鏈共識機制的作用就是確定構造區塊的節點，以及保證鏈上節點區塊鏈賬本的一致性。因此，隨著鏈上參與共識算法的節點增加，共識算法的效率也會隨之降低，故如何設計一種既具備容錯能力，又能保證鏈上節點高效、快速達成一致性的共識算法是改善區塊鏈系統吞吐量的關鍵之所在。

4 結束語

共建共享已經成為我國5G網絡建設的重要方式，隨著5G共建共享的深入，資源可信管理至關重要，本文結合目前5G共建共享網絡的資源可信管理需求，探討了一種5G共建共享與區塊鏈融合的可信管理方案，但總體來看，目前5G共建共享網絡與區塊鏈技術的融合應用仍處于初期探索階段，即還處于關鍵數據或流程機制與區塊鏈的松耦合狀態，且受建設成本、商業模式等限制，區塊鏈的應用價值并未完全釋放，后續還需持續推進5G共建共享網絡與區塊鏈融合應用的深入，并進一步結合云計算、大數據、人工智能等技術，共同推進共享運營商間，甚至運營商與垂直行業間的精細化運營管理。