[논문 리뷰] A Survey of Blockchain and Artificial Intelligence for 6G Wireless Communications

Yiping Zuo, Jiajia Guo외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 15.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 6G 무선 통신에서 블록체인과 인공지능(AI)의 통합에 대한 종합적인 서베이를 제시하며, 보안, 프라이버시, 자원 관리 및 지능형 자동화를 향상시키기 위한 상호보완적 프레임워크를 제안한다. AI를 활용한 동적 네트워크 최적화와 블록체인을 통한 탈중앙화된 신뢰성 및 무결성 확보를 통해, 저연결성, 저지연, 고신뢰성 등의 특성을 갖춘 6G 네트워크를 스마트 헬스케어, 드론(UAV), IoT 등 다양한 응용 분야에서 확장 가능하고 안정적이며 효율적인 방식으로 실현할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

The research on the sixth-generation (6G) wireless communications for the development of future mobile communication networks has been officially launched around the world. 6G networks face multifarious challenges, such as resource-constrained mobile devices, difficult wireless resource management, high complexity of heterogeneous network architectures, explosive computing and storage requirements, privacy and security threats. To address these challenges, deploying blockchain and artificial intelligence (AI) in 6G networks may realize new breakthroughs in advancing network performances in terms of security, privacy, efficiency, cost, and more. In this paper, we provide a detailed survey of existing works on the application of blockchain and AI to 6G wireless communications. More specifically, we start with a brief overview of blockchain and AI. Then, we mainly review the recent advances in the fusion of blockchain and AI, and highlight the inevitable trend of deploying both blockchain and AI in wireless communications. Furthermore, we extensively explore integrating blockchain and AI for wireless communication systems, involving secure services and Internet of Things (IoT) smart applications. Particularly, some of the most talked-about key services based on blockchain and AI are introduced, such as spectrum management, computation allocation, content caching, and security and privacy. Moreover, we also focus on some important IoT smart applications supported by blockchain and AI, covering smart healthcare, smart transportation, smart grid, and unmanned aerial vehicles (UAVs). We also analyze the open issues and research challenges for the joint deployment of blockchain and AI in 6G wireless communications. Lastly, based on lots of existing meaningful works, this paper aims to provide a comprehensive survey of blockchain and AI in 6G networks.

연구 동기 및 목표

• 초저지연, 다량의 연결성, 고신뢰성 및 보안 위협을 포함한 6G 네트워크의 복합적 과제를 해결하기 위해.
• 이질적인 6G 아키텍처에서 자원 관리, 프라이버시 보호 및 확장성의 한계를 극복하기 위해.
• 블록체인과 AI의 상호보완적 잠재력을 탐구하여 탈중앙화된 신뢰성, 실시간 의사결정 및 안전한 데이터 처리를 가능하게 하기 위해.
• 핵심 6G 서비스 및 스마트 응용 분야에 걸쳐 블록체인과 AI를 통합하는 통합 프레임워크를 제공하기 위해.
• 확장 가능하고 에너지 효율적이며 프라이버시를 보존하는 6G 시스템을 위한 열린 연구 과제와 향후 방향성 규명하기 위해.

제안 방법

• 6G에서의 블록체인과 AI에 관한 기존 연구를 서베이하고 분류하며, 그들의 개별적 및 병합된 응용에 집중한다.
• 분산 합의 및 스마트 계약을 통해 신뢰할 수 없는 탈중앙화된 시스템과 감사 가능한 시스템을 가능하게 하는 블록체인의 역할을 분석한다.
• AI의 응용을 검토하여 동적 스펙트럼 접근, 엣지 컴퓨팅 이송, 콘텐츠 캐싱 및 실시간 네트워크 제어 최적화를 가능하게 한다.
• 안전하고 적응형이며 지능적인 무선 자원 할당을 지원하기 위해 공동 아키텍처에서 블록체인과 AI를 통합한다.
• 6G에서 지연과 에너지 소비를 줄이기 위해 교차 계층 AI 프로토콜과 경량 블록체인 설계를 제안한다.
• 스마트 헬스케어, 스마트 교통, 스마트 그리드 및 드론(UAV) 분야의 사례 연구를 통해 시뮬레이션 및 실제 기준을 기반으로 시스템 성능을 평가한다.

Figure 1: Outline of the paper.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인과 AI를 공동으로 구현함으로써 6G 무선 네트워크의 보안, 프라이버시 및 신뢰성은 어떻게 향상될 수 있는가?
• RQ2 6G 자원 관리에 AI를 블록체인과 통합함으로써 주요 기술적 지원 요소와 시스템 수준의 이점은 무엇인가?
• RQ3 블록체인과 AI는 6G 네트워크에서 스펙트럼 공유, 계산 이송 및 콘텐츠 캐싱을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 6G에서 블록체인-AI 통합에 있어 확장성, 에너지 효율성 및 실시간 성능에 대한 주요 과제는 무엇인가?
• RQ5 블록체인과 AI가 6G에 가장 유망한 응용 시나리오는 무엇이며, 어떻게 6G의 극한 성능 요구사항을 충족하는가?

주요 결과

• 블록체인과 AI의 통합은 6G 네트워크에서 무선 자원의 안정적이고 탈중앙화되며 지능적인 관리를 가능하게 한다.
• AI 기반의 동적 스펙트럼 접근과 블록체인 기반의 스펙트럼 공유가 스펙트럼 활용도와 공정성을 크게 향상시킨다.
• 블록체인로 보호된 엣지 컴퓨팅과 AI 최적화된 작업 이송이 6G 엣지 환경에서 지연과 에너지 소비를 감소시킨다.
• AI와 블록체인의 융합은 스마트 헬스케어 및 스마트 그리드와 같은 IoT 응용 분야에서 데이터 프라이버시와 무결성을 강화한다.
• 스마트 드론(UAV)과 자율 주행 차량은 실시간 의사결정을 위한 AI와 안전하고 검증 가능한 통신 로그를 위한 블록체인의 이점을 모두 누린다.
• 진전이 있었음에도 불구하고, 확장성, 에너지 효율성 및 교차 계층 조율에 대한 과제가 남아 있으며, 경량 합의 알고리즘과 피어드 학습 기반의 추가 연구가 필요하다.

Figure 2: The structure of blocks.