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Comment la technologie Blockchain facilite une gestion des fréquences efficace et efficiente tournée vers le numérique

Jeudi 24 juin 2021 ((rezonodwes.com))–

A notre connaissance deux régulateurs Télécoms au moins à travers le monde, ont déja expérimenté ou exploré l’utilisation de la blockchain dans la gestion de cette ressource limitée et importante pour les Télécommunications: les fréquences radioélectriques


1- L’Agence Nationale des Fréquences (ANFR) et Blockchain Partner ont lancé en 2018 la première participation d’une agence de l’Etat francais à une blockchain ouverte aux usagers.

Cette blockchain a permis d’expérimenter un nouveau mode de gestion du spectre, tourné vers le numérique, l’auto-organisation des acteurs et l’anticipation de leurs besoins, un mode innovant de gestion des fréquences
adapté aux enjeux du futur.

2- Un autre régulateur Télécom (FCC des Etats-Unis) explore actuellement le potentiel de cette technologie dans la gestion dynamique du spectre des fréquences . En effet la Federal Communications Commission (FCC) souhaite qu’une technologie de suivi et de traçabilité du spectre soit open source, distribuée et sécurisée. Il n’est donc pas surprenant qu’elle ait commencé à explorer l’utilisation des registres blockchain.

« Si vous pensez à un monde de l’Internet des objets avec 50 milliards d’appareils et des fonctionnalités sans fil et des entrées pour tous, nous devrions trouver comment nous pouvons avoir un marché en temps réel pour ces entrées de spectre au lieu de ce système maladroit que nous avons. aujourd’hui avec ces licences à usage exclusif », a déclaré la commissaire de la FCC, Jessica Rosenworcel, aux participants de la conférence Business of Blockchain du MIT Technology Review .


Le nombre total de capteurs et d’appareils connectés pour l’Internet des objets (IoT) devrait passer de 21 milliards cette année à 50 milliards d’ici 2022, selon des données récentes de Juniper Research.

Blockchain exécute des applications d’automatisation d’entreprise connues sous le nom de « contrats intelligents » qui pourraient offrir une méthode standardisée pour accélérer l’échange de données entre les appareils IoT.

Blockchain pour la gestion du spectre : principes de base
Dans cette section, nous allons d’abord fournir les aspects potentiels dont l’application de la technologie blockchain à la gestion du spectre peut bénéficier .
A noter que nous considérons principalement la gestion du spectre dans un usage en partage. Si cela n’est pas spécifiquement mentionné, toutes les blockchains de cette section sont des blockchains publiques.

Ensuite, nous décrivons trois façons différentes de déployer un réseau blockchain sur un réseau radio cognitif. Enfin, nous aborderons et discuterons des défis dans l’application de la blockchain à DSM.

Blockchain comme base de données sécurisée pour la gestion du spectre

La blockchain, en tant que base de données ouverte et distribuée, peut être utilisée pour enregistrer tout type d’informations sous forme de transaction. D’autre part, la gestion du spectre peut bénéficier de l’assistance d’une base de données, telle qu’une base de données de géolocalisation pour la protection des utilisateurs historiques dans les espaces blancs TV. Sur cette base, une tendance potentielle de l’application de la blockchain à la gestion du spectre est d’enregistrer les informations sur la gestion du spectre .


L’une des principales raisons de cette application est que la blockchain rend ces informations accessibles à tous les utilisateurs secondaires. Ces types d’informations incluent les espaces blancs TV, les résultats des enchères de spectre, l’historique d’accès au spectre et les résultats de la détection du spectre. Ici, nous discutons des avantages de l’enregistrement de ce type d’informations sur la gestion du spectre.

Les informations des espaces blancs TV et d’autres bandes de spectre sous-utilisées peuvent être enregistrées dynamiquement dans une blockchain. Dans une blockchain sécurisée, les informations, y compris les exigences de protection contre les interférences des utilisateurs principaux et l’utilisation du spectre en termes de temps, de fréquence et de géolocalisation des espaces blancs TV, peuvent être enregistrées. Par rapport à une base de données tierce traditionnelle, la blockchain permet aux utilisateurs de contrôler directement les données dans la blockchain et garantit ainsi l’exactitude des données. Une autre préoccupation de la gestion du spectre est sa caractéristique dynamique. Avec la mobilité des utilisateurs secondaires mobiles ou la variation des demandes de trafic des utilisateurs primaires, la disponibilité des bandes de fréquences peut changer de manière dynamique. Avec la décentralisation de la blockchain, les informations des bandes de spectre inactives peuvent être enregistrées dynamiquement par les utilisateurs principaux et facilement accessibles par tous les utilisateurs sans licence. De plus, en initiant une transaction, les SU peuvent informer

les autres de leur départ ou de leur arrivée dans une zone, pour aider les autres à saisir les opportunités potentielles de spectre dans la zone où ils se trouvent, pour enfin optimiser leurs stratégies de transmission. Ainsi, l’efficacité de l’utilisation du spectre peut être améliorée.

L’historique d’accès au spectre des bandes de spectre sans licence peut être enregistré dans une blockchain. Avec le protocole d’accès existant tel que Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) et Listen-Before-Talk (LBT), l’accès n’a pas besoin d’être coordonné. Cependant, l’historique d’accès doit être enregistré dans la blockchain pour garantir l’équité de tous les utilisateurs. Par exemple, avec la mise en œuvre autonome des contrats intelligents, les utilisateurs qui sont enregistrés pour accéder aux bandes de spectre sans licence jusqu’à un seuil de fréquence ne seront pas autorisés à accéder aux mêmes bandes de spectre dans une période fixe.

Les résultats des enchères de spectre peuvent également être enregistrés dans une blockchain. Les mécanismes d’enchères ont été montrés comme un moyen efficace pour l’allocation dynamique du spectre . Parmi les enchères de spectre, les enchères secondaires sont utilisées lorsque l’utilisateur principal (PU) sous licence partage le spectre avec des utilisateurs secondaires (SU). Les enchères de spectre sous offre scellée, où les SU en tant qu’enchérisseurs envoient leurs offres à l’UP qui est le commissaire-priseur en privé, peuvent améliorer l’efficacité des enchères de spectre. De plus, l’enchère scellée au second prix peut garantir la véracité des enchères de spectre, ce qui signifie que les SU obtiendront des utilités optimales en soumettant l’offre par rapport à leur véritable évaluation des bandes de spectre, au lieu de tromper le commissaire-priseur. Bien que sceller les résultats des enchères de spectre puisse être bénéfique pour les aspects ci-dessus, il est également important d’enregistrer les résultats des enchères, tels que les offres et le prix d’adjudication, auquel les SU et les PU concluent un accord, une fois l’enchère terminée. La blockchain fournit un moyen sécurisé et vérifiable d’enregistrer de telles informations.

Plus précisément, l’enregistrement des résultats des enchères de spectre dans une blockchain peut être bénéfique sous les aspects suivants :

  1. Empêchez les fraudes d’un PU. Le manque de transparence des offres et du prix d’adjudication peut conduire à la survenance de fraudes. Par exemple, il est possible qu’une UE malhonnête facture à l’UE gagnante un prix falsifié ou accorde à plus d’une UE le droit d’accès exclusif aux bandes de fréquences, afin d’augmenter ses revenus. Cependant, ce genre de fraudes ne peut pas être détecté par les UE puisque les offres sont scellées. Avec l’utilisation de la blockchain, les offres et le prix d’adjudication peuvent être enregistrés de manière immuable en tant que transaction une fois l’enchère terminée et les informations peuvent être vérifiées et
    accessible par toutes les SU. Il est ainsi facile de détecter et de prévenir les fraudes d’une PU.

2.Garantir la non-répudiation du paiement des enchères. Étant donné que la transaction qui enregistre les offres et les prix d’adjudication est vérifiée par tous les SU avant d’être enregistrée dans une blockchain, le SU gagnant ne peut pas répudier l’offre qu’ils soumettent. Ainsi, la PU, en tant que fournisseur de ressources spectrales, peut être assurée d’obtenir son paiement légitime une fois l’enchère terminée.

3.Empêcher l’accès non autorisé des SU. Enregistrés dans une blockchain, les résultats des enchères de spectre sont accessibles à toutes les SU. Afin d’assurer l’équité des enchères de spectre, toutes les UE peuvent superviser et empêcher de manière collaborative l’accès non autorisé. De cette façon, aucune SU ne peut accéder au spectre sans participer et gagner les enchères de spectre.

Les résultats de détection de spectre sont un autre type d’informations qui peuvent être stockées dans une blockchain. Les résultats de détection stockés dans la blockchain peuvent être utilisés pour cartographier l’utilisation du spectre des réseaux principaux et ainsi leur fournir un outil supplémentaire pour la surveillance et la maintenance de leurs réseaux. De plus, cela pourrait potentiellement inciter davantage d’utilisateurs titulaires de licence à autoriser l’utilisation partagée du spectre. Cependant, sans l’aide d’utilisateurs secondaires pour soumettre les rapports de détection, un opérateur de réseau cellulaire peut atteindre l’objectif ci-dessus en déployant un réseau de capteurs pour surveiller et enregistrer l’utilisation du spectre dans une blockchain. D’autre part, les résultats de détection enregistrés dans la blockchain peuvent être utilisés comme informations préalables lorsque les SU doivent choisir les bandes de spectre sous licence à détecter et à accéder. En particulier, les SU peuvent estimer le taux d’utilisation d

e différentes bandes de spectre à partir des résultats de détection historiques, et les SU peuvent ainsi choisir les bandes de spectre avec un taux d’utilisation relativement faible.

Marché du spectre auto-organisé pris en charge par la blockchain
Avec l’enregistrement inviolable des transactions, l’exécution autonome des contrats et le règlement des paiements permis par les contrats intelligents, la blockchain est une plate-forme puissante pour construire un marché du spectre auto-organisé, pour fournir les applications suivantes.

Mise en œuvre des services : un contrat intelligent, qui est un contrat auto-exécutable construit sur une blockchain, peut être utilisé dans la gestion du spectre, les clauses du contrat intelligent étant exécutées de manière autonome et enregistrées de manière immuable. De plus, le processus de paiement peut également être complété de manière autonome par des contrats intelligents. Ainsi, avec l’utilisation de contrats intelligents, de services tels que le service de détection de spectre [9], l’échange de capacités de transmission peut être exploré pour être exécuté en toute sécurité entre les utilisateurs du réseau blockchain.

Gestion des identités : outre l’exécution des services avec des contrats intelligents, la blockchain peut également fournir un mécanisme de gestion des identités sur le marché du spectre. Plus précisément, une blockchain de consortium en tant qu’intermédiaire collecte et enregistre d’abord les informations des demandeurs de services, tels que les SU, pour terminer le processus d’enregistrement. La blockchain peut ensuite être utilisée pour authentifier les utilisateurs enregistrés et pour permettre uniquement aux utilisateurs enregistrés d’accéder aux données qui y sont enregistrées. Pour protéger la vie privée des utilisateurs, la blockchain ne fournit l’identité pseudonyme des utilisateurs que lorsque les fournisseurs de services recherchent l’authentification de l’identité de l’utilisateur. Une telle configuration est proposée pour la première fois dans , où un service d’identité et de crédibilité (ICS) est construit sur une blockchain de consortium.

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Déploiement de la blockchain sur les réseaux radio cognitifs
La blockchain, en tant que grand livre distribué, est gérée par tous les nœuds du réseau. Cependant, il peut être énergivore pour un nœud de maintenir la blockchain. Par exemple, dans la blockchain utilisant l’algorithme de consensus PoW, les nœuds doivent consacrer des ressources de calcul pour publier un nouveau bloc. Ainsi, le déploiement du réseau blockchain avec le réseau de communication devrait être étudié. Ici, nous décrivons trois façons de déployer le réseau blockchain sur le réseau de radio cognitive et analysons les avantages et les inconvénients de ces méthodes.

Blockchain comme base de données sécurisée pour la gestion du spectre. Les informations telles que les résultats de la détection du spectre, les résultats des enchères de spectre, l’historique d’accès au spectre et les informations sur les bandes de spectre inactives peuvent être enregistrées en toute sécurité dans la blockchain.

Déployer le réseau blockchain directement sur un réseau radio cognitif

La première consiste à déployer directement un réseau blockchain sur un réseau de communication.

Plus précisément, étant donné que les informations concernant la gestion du spectre, qui doivent être enregistrées dans la blockchain, sont produites ou obtenues par les nœuds du réseau de communication, c’est-à-dire les SU et les PU, il est intuitif pour les nœuds du réseau radio cognitif de agissent comme des nœuds dans le réseau blockchain. Pour déployer la blockchain de cette manière, les SU et les PU doivent être équipés du minage et d’autres fonctions de la blockchain. Ainsi, toutes les fonctions de la blockchain, comme la vérification distribuée des transactions, peut être effectuée par tous les utilisateurs. Cependant, ce type de déploiement nécessite un canal de contrôle à travers lequel les utilisateurs peuvent transmettre les transactions et les blocs. Si un canal de contrôle sans fil est utilisé, il existe un risque que le canal de contrôle soit brouillé par les utilisateurs malveillants. Une fois le canal de contrôle paralysé, le réseau blockchain ne peut plus fonctionner.

Une autre façon consiste à utiliser un réseau blockchain dédié pour aider à enregistrer les informations pertinentes. Pour les utilisateurs du réseau radio cognitif, les capacités de calcul limitées leur rendent difficile l’accès aux bandes de spectre et la maintenance de la blockchain en même temps. Plus précisément, l’exploitation minière, qui peut consommer beaucoup d’énergie, n’est pas pratique à mettre en œuvre pour les SU avec une batterie limitée. Pour surmonter ce défi, un moyen possible est de permettre aux utilisateurs de se décharger de la tâche d’enregistrement des transactions sur un réseau blockchain dédié, comme le montre la figure 5.6. De cette façon, la blockchain fonctionne c

omme une base de données indépendante. Cependant, la transaction ne peut pas être vérifiée directement par les utilisateurs et la surcharge de transmission des transactions vers le réseau blockchain dédié augmente également. De plus, les nœuds perdent le contrôle des informations enregistrées dans la blockchain. À cette fin, un moyen plus pratique pour les utilisateurs consiste uniquement à décharger la tâche de minage, qui consomme de l’énergie, à un fournisseur de services de cloud/edge computing, et à enregistrer eux-mêmes la transaction dans la blockchain. Les chercheurs ont conçu des mécanismes d’enchères pour allouer des ressources de calcul dans ce cas . Cependant, le déchargement de la tâche de minage peut entraîner des compétitions malveillantes entre les utilisateurs, ce qui doit également être pris en compte lorsqu’un réseau blockchain est déployé de cette manière.

La coexistence d’un réseau blockchain dédié et d’un réseau radio cognitif

Outre le réseau radio cognitif et le réseau blockchain, il existe parfois un troisième réseau, par exemple un réseau de capteurs, où des capteurs peuvent être déployés pour effectuer une détection de spectre coopérative afin d’obtenir le gain de diversité. Sous le même principe de blockchain dédiée, les trois réseaux ci-dessus peuvent coexister et interagir avec les autres. Traditionnellement, le troisième réseau tel que le réseau de capteurs communique directement avec le réseau radio cognitif. Le réseau Blockchain, cependant, peut devenir un intermédiaire des deux réseaux.

Défis de l’application de la blockchain à la gestion du spectre

L’application à la blockchain dans la gestion du spectre est prometteuse. Cependant, il reste quelques défis en ce qui concerne, par exemple, le coût de transaction, la latence et la fuite de la vie privée. En règle générale, les défis peuvent être résolus en échangeant différentes caractéristiques d’une blockchain.

Comme on peut le voir, la décentralisation de la blockchain est utile pour garantir la non-répudiation, la transparence et l’immuabilité, tout en diminuant la confidentialité et l’évolutivité, et en augmentant la latence et le coût de transaction dans le réseau blockchain. Nous présentons les défis et discutons de leurs solutions potentielles comme suit.

Les compromis entre différentes caractéristiques dans un réseau blockchain

Coût de transaction : Le coût de transaction d’un nœud dans un réseau blockchain comprend le coût de publication d’un nouveau bloc et les frais généraux de communication pour transmettre les transactions initiées par tous les nœuds. L’algorithme de consensus, à travers lequel un nouveau bloc est publié, tel que PoW, est trop gourmand en calculs pour être durable pour les appareils cognitifs avec des ressources de calcul et une batterie limitées. Bien que les utilisateurs puissent télécharger la tâche de minage vers un fournisseur de cloud/edge computing pour économiser leur énergie, cela leur coûte toujours de payer pour le service informatique. Une autre solution consiste à adopter ou à concevoir un algorithme de consensus plus adapté pour réduire le coût de maintenance de la blockchain. Cependant, un algorithme de consensus économe en énergie nécessitait généralement un niveau de confiance plus élevé entre les nœuds du réseau pour garantir la sécurité, ce qui limite la flexibilité du réseau blockchain.

Un autre coût de maintenance d’une blockchain est causé par la transmission des transactions. Une transaction, initiée par un nœud dans un réseau blockchain, doit être diffusée et vérifiée par d’autres nœuds avant de pouvoir être enregistrée dans un nouveau bloc. Après cela, le nouveau bloc doit également être diffusé à d’autres nœuds pour vérification et stockage. Dans le cas où la génération de transactions est fréquente, le surcoût de transmission des transactions ne peut être négligé. D’autre part, la transmission de transactions nécessite généralement un canal de contrôle, qui risque d’être brouillé par les nœuds malveillants. Le risque augmente également le coût de transmission des transactions. Pour conclure, un compromis entre le coût et les avantages doit être pris en compte lors de l’application de la blockchain à la gestion du spectre.

Source:

https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-15-0776-2_5

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