Tinjauan Rantaian Blok dan AI untuk Komunikasi Wayarles 6G

Kandungan

1. Pengenalan

Komunikasi wayarles generasi keenam (6G) mewakili evolusi seterusnya dalam rangkaian mudah alih, membina asas 5G untuk menangani cabaran baru dalam pengurusan sumber, keselamatan, dan seni bina heterogen. Rangkaian 6G bertujuan mencapai kelajuan ultra-tinggi, kependaman ultra-rendah, dan liputan menyeluruh melalui integrasi komunikasi terestrial, satelit, dan udara.

2. Asas Rantaian Blok dan AI

2.1 Gambaran Keseluruhan Teknologi Rantaian Blok

Rantaian blok menyediakan teknologi lejar terpencar dan tidak berubah yang membolehkan transaksi selamat tanpa pihak berkuasa pusat. Dalam rangkaian 6G, rantaian blok boleh meningkatkan keselamatan, membolehkan transaksi tanpa kepercayaan, dan menyokong pengurusan rangkaian terpencar.

2.2 Kecerdasan Buatan dalam Rangkaian Wayarles

Teknologi AI, terutamanya pembelajaran mesin dan pembelajaran mendalam, boleh mengoptimumkan operasi rangkaian, meramal corak trafik, dan membolehkan peruntukan sumber pintar. Integrasi AI dengan rangkaian 6G memudahkan pengurusan rangkaian autonomi dan penyampaian perkhidmatan adaptif.

3. Integrasi Rantaian Blok dan AI dalam 6G

3.1 Perkhidmatan Selamat

Integrasi rantaian blok dan AI membolehkan beberapa perkhidmatan kritikal dalam rangkaian 6G:

• Pengurusan Spektrum: Perkongsian spektrum dinamik menggunakan kontrak pintar dan ramalan berasaskan AI
• Peruntukan Pengiraan: Pengurusan sumber pengiraan teragih
• Pembuangan Kandungan: Strategi pembuangan pintar dengan pengesahan berasaskan rantaian blok
• Keselamatan dan Privasi: Perlindungan dipertingkat melalui pengurusan identiti terpencar

3.2 Aplikasi Pintar IoT

Aplikasi IoT utama yang mendapat manfaat daripada integrasi rantaian blok-AI:

• Penjagaan Kesihatan Pintar: Perkongsian data perubatan selamat dan diagnostik didorong AI
• Pengangkutan Pintar: Penyelarasan kenderaan autonomi dan pengoptimuman trafik
• Grid Pintar: Perdagangan tenaga terpencar dan keseimbangan beban
• Kenderaan Udara Tanpa Pemandu (UAV): Kecerdasan kumpulan dan komunikasi selamat

4. Pelaksanaan Teknikal

4.1 Asas Matematik

Integrasi rantaian blok dan AI dalam rangkaian 6G bergantung pada beberapa model matematik. Untuk peruntukan sumber, kami menggunakan rangka kerja pengoptimuman:

$\min_{x} f(x) = \sum_{i=1}^{N} w_i \cdot C_i(x_i)$

dengan kekangan: $g_j(x) \leq 0, j=1,...,m$

di mana $x$ mewakili pembolehubah peruntukan sumber, $w_i$ ialah pemberat, dan $C_i$ ialah fungsi kos untuk elemen rangkaian berbeza.

Untuk latihan model AI dalam persekitaran teragih, objektif pembelajaran gabungan boleh dinyatakan sebagai:

$\min_{\theta} F(\theta) = \sum_{k=1}^{K} \frac{n_k}{n} F_k(\theta)$

di mana $F_k(\theta)$ ialah fungsi objektif tempatan untuk klien $k$, $n_k$ ialah saiz data, dan $n$ ialah jumlah saiz data.

4.2 Keputusan Eksperimen

Penilaian eksperimen menunjukkan peningkatan ketara dalam prestasi rangkaian. Dalam ujian pengurusan spektrum, pendekatan rantaian blok-AI mencapai 35% penggunaan spektrum lebih tinggi berbanding kaedah tradisional. Kependaman dalam aplikasi penjagaan kesihatan pintar dikurangkan 42% melalui peruntukan sumber dioptimumkan.

Jadual Perbandingan Prestasi:

4.3 Pelaksanaan Kod

Di bawah ialah kod pseudo dipermudah untuk peruntukan spektrum berasaskan rantaian blok dengan pengoptimuman AI:

class SpectrumAllocation:
    def __init__(self):
        self.blockchain = Blockchain()
        self.ai_model = AIModel()
        
    def allocate_spectrum(self, request):
        # Sahkan permintaan pada rantaian blok
        if self.blockchain.validate_request(request):
            # Pengoptimuman berasaskan AI
            allocation = self.ai_model.optimize_allocation(request)
            # Rekod pada rantaian blok
            transaction = self.blockchain.create_transaction(allocation)
            return transaction
        return None
    
    def train_ai_model(self, data):
        # Pendekatan pembelajaran gabungan
        local_model = self.ai_model.local_update(data)
        global_model = self.blockchain.aggregate_models(local_model)
        return global_model

5. Aplikasi Masa Depan dan Hala Tuju Penyelidikan

Integrasi rantaian blok dan AI dalam rangkaian 6G membuka banyak kemungkinan masa depan:

• Kriptografi Rintang Kuantum: Membangunkan protokol rantaian blok pasca-kuantum untuk keselamatan jangka panjang
• AI Boleh Diterangkan: Mencipta model AI boleh ditafsir untuk keputusan rangkaian kritikal
• Aplikasi Metaverse: Menyokong pengalaman imersif melalui komunikasi kependaman rendah yang boleh dipercayai
• Rangkaian Mampan: Mekanisme konsensus rantaian blok cekap tenaga dan pengurusan kuasa didorong AI
• Integrasi Angkasa-Terestrial: Meluaskan keupayaan 6G kepada komunikasi satelit dan angkasa

Analisis Asal

Integrasi rantaian blok dan kecerdasan buatan dalam komunikasi wayarles 6G mewakili anjakan paradigma dalam reka bentuk seni bina rangkaian. Tinjauan ini secara komprehensif membincangkan bagaimana dua teknologi disruptif ini secara sinergi boleh menangani cabaran asas yang dihadapi rangkaian generasi akan datang. Penulis dengan betul mengenal pasti bahawa rangkaian 6G memerlukan bukan sahaja peningkatan berperingkat tetapi transformasi seni bina untuk memenuhi permintaan keselamatan, kecekapan, dan kecerdasan.

Dari perspektif teknikal, gabungan mekanisme kepercayaan rantaian blok dengan keupayaan pengoptimuman AI mencipta rangka kerja berkuasa untuk pengurusan rangkaian autonomi. Serupa dengan bagaimana CycleGAN [1] menunjukkan terjemahan imej dua hala melalui latihan adversial, integrasi rantaian blok-AI membolehkan aliran kepercayaan dan kecerdasan dua hala dalam rangkaian. Rantaian blok menyediakan asas kepercayaan boleh disahkan, manakala AI membekalkan kecerdasan adaptif, mencipta hubungan simbiotik seperti pasangan penjana-pendiskriminasi dalam GAN.

Formulasi matematik yang dibentangkan selaras dengan rangka kerja pengoptimuman mantap dalam komunikasi wayarles, terutamanya mengambil daripada prinsip pengoptimuman cembung dan teori permainan. Pendekatan pembelajaran gabungan yang disebut selaras dengan kerja Google mengenai pembelajaran mesin teragih sambil menangani kebimbangan privasi melalui pengesahan rantaian blok. Menurut laporan IEEE Communications Society [2], AI teragih pemeliharaan privasi sedemikian akan menjadi penting untuk aplikasi 6G dalam domain sensitif seperti penjagaan kesihatan dan kewangan.

Berbanding pendekatan berpusat tradisional, seni bina terpencar menawarkan kelebihan ketara dalam ketahanan dan kebolehskalaan. Walau bagaimanapun, seperti yang dinyatakan dalam analisis MIT Technology Review mengenai batasan rantaian blok [3], overhead pengiraan kekal menjadi kebimbangan, terutamanya untuk peranti IoT terhad sumber. Tinjauan ini boleh mendapat manfaat daripada analisis lebih terperinci mengenai mekanisme konsensus ringan dan pelaksanaan AI tepi.

Keputusan eksperimen yang menunjukkan peningkatan kecekapan spektrum 35% dan pengurangan kependaman 42% adalah mengagumkan, walaupun penyebaran dunia sebenar mungkin menghadapi cabaran tambahan dalam persekitaran heterogen. Kerja masa depan harus meneroka pendekatan hibrid yang menggabungkan kekuatan seni bina berpusat dan terpencar, serupa dengan paradigma pembelajaran gabungan yang mengimbangi pemprosesan tempatan dengan penyelarasan global.

Rujukan: [1] Zhu, J.Y., et al. "Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks." ICCV 2017. [2] IEEE Communications Society, "6G Vision and Requirements," 2022. [3] MIT Technology Review, "The blockchain and AI are converging," 2021.

6. Rujukan

1. Zuo, Y., et al. "A Survey of Blockchain and Artificial Intelligence for 6G Wireless Communications." IEEE Access, 2023.
2. Letaief, K.B., et al. "The Roadmap to 6G: AI Empowered Wireless Networks." IEEE Communications Magazine, 2019.
3. NVIDIA. "AI in Wireless Communications: White Paper." 2022.
4. 3GPP. "Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies." TR 38.913, 2022.
5. Zhu, J.Y., et al. "Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks." ICCV 2017.
6. IEEE Communications Society. "6G Vision and Requirements." Technical Report, 2022.