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近日，信息与通信工程学院智慧网络及应用团队2022级博士生罗皓翔以第一作者在美国电气和电子工程师协会（IEEE）旗下计算机科学和工程技术领域的国际著名期刊IEEE Internet of Things Journal（IEEE IoTJ）、IEEE Transactions on Vehicular Technology（IEEE TVT）、IEEE Transactions on Network Science and Engineering（IEEE TNSE）、IEEE Transactions on Network and Service Management（IEEE TNSM）上连续发表四篇学术论文。

在IEEE IoTJ发表的成果题为Performance Analysis and Comparison of Non-ideal Wireless PBFT and RAFT Consensus Networks in 6G Communications。博士生罗皓翔为论文第一作者，电子科技大学为论文第一署名单位，孙罡教授为论文通讯作者，美国杜克大学Xiangyue Yang（格拉斯哥学院2023届毕业生）、虞红芳教授、中国电信研究院雷波高级工程师以及阿联酋默罕默德·本·扎耶德人工智能大学Mohsen Guizani教授（IEEE Fellow）为论文共同作者。

由于在安全性和隐私性方面的优势，区块链被认为是支持6G通信的关键使能技术。实用拜占庭容错(PBFT)和RAFT被视为支持区块链的无线网络中最适用的共识机制。然而，以往对PBFT和RAFT的研究很少考虑物理层的信道性能，如路径损耗和信道衰落，导致研究结果与真实网络相去甚远。此外，6G通信将广泛部署高频信号，如太赫兹（THz）和毫米波（mmWave），而当这些信号在无线PBFT或RAFT网络中传输时，PBFT和RAFT的性能仍然未知。因此，迫切需要研究太赫兹和毫米波信号下的非理想无线PBFT和RAFT网络的性能，以更好地使PBFT和RAFT在6G时代发挥作用。

在本文中，作者们研究和比较了太赫兹和毫米波信号在非理想无线PBFT和RAFT网络中的性能，考虑了瑞利衰落（RF）和近距离自由空间（FS）参考距离路径损耗。性能由五个指标评估:共识成功率、延迟、吞吐量、可靠性增益和能耗。结果表明，两种共识网络在毫米波下比太赫兹具有更低的共识成功率、更高的延迟、更低的吞吐量和更低的能耗。与无线RAFT共识相比，无线PBFT共识具有更低的共识成功率、更高的延迟、更低的吞吐量和更高的能耗。研究结果为未来在PBFT和RAFT网络中传输太赫兹和毫米波信号提供了重要参考。

图1 无线PBFT和RAFT的共识成功率

在IEEE TVT发表的成果题为ESIA: An Efficient and Stable Identity Authentication for Internet of Vehicles。博士生罗皓翔为论文第一作者，电子科技大学为论文第一署名单位，孙罡教授为论文通讯作者，张进副研究员、美国斯坦福大学Xinling Li（格拉斯哥学院2023届毕业生）、李宗航博士、虞红芳教授以及新加坡南洋理工大学Dusit Niyato教授（IEEE Fellow）为论文共同作者。

去中心化、防篡改的区块链被视为解决车联网中身份验证问题的解决方案。然而，随着连接到区块链的车辆数量的增加，区块链的共识时间和通信开销显着增加。为了解决这个问题，引入了车载雾计算来提高效率。然而，现有的研究忽略了几个关键因素，如雾计算系统中的车辆数量，这可能会影响共识通信开销。同时，对雾成分的稳定性还没有全面的研究。车辆的运动将导致雾的动态变化。如果雾的组成不稳定，则由该雾计算系统形成的区块链将不稳定，从而影响共识效率。

为此，作者们提出了一种基于分层区块链和雾计算的高效稳定的身份认证（ESIA）。通过对车辆进行高效分组，具有较低的通信复杂度和较高的稳定性。此外，为了增强分层区块链的共识安全性，共识过程是从底层到上层（自下而上）。通过理论分析和仿真验证，ESIA实现了高效稳定的设计目标，同时在与单层区块链相似的安全性下，将车联网的可扩展性显著提高到1.5次方。此外，与其他基准身份验证方案相比，ESIA具有更少的通信和计算开销、更低的延迟和更高的吞吐量。

图2 系统框架

在IEEE TNSE发表的成果题为An Energy-Efficient Wireless Blockchain Sharding Scheme for PBFT Consensus。博士生罗皓翔为论文第一作者，电子科技大学为论文第一署名单位，孙罡教授为论文通讯作者，虞红芳教授、中国电信研究院雷波高级工程师以及阿联酋默罕默德·本·扎耶德人工智能大学Mohsen Guizani教授（IEEE Fellow）为论文共同作者。

区块链技术由于其安全特性，在无线网络场景中受到了相当大的关注。然而，区块链共识协商复杂的工作流程往往会导致较高的能耗。这可能会导致节点快速耗尽能量并脱机，特别是在节点电池容量有限的无线网络中。

为了改善这个问题，文章提出了一种名为绿色分片（GS）的分片方案，该方案最大限度地减少了实际拜占庭容错（PBFT）共识的能耗。GS将无线区块链网络中的节点根据其地理位置分配给特定的分片，从而避免了它们参与全局共识。同时，文章还提出了一种分片后能耗的估计方法，以简化分片无线区块链网络的能耗计算。此外，GS还包括一种委员会节点选择的最优算法，可以进一步降低委员会共识的能耗。最后，面向太赫兹（THz）和毫米波（mmWave）这两种6G通信场景，分析和模拟了GS的性能。仿真结果证明了该方法的有效性，可以较分片前减少99.76%的能量消耗，且能耗估计方法的最小误差仅为0.11%。

图3 GS分片方案

在IEEE TNSM发表的成果题为ESCM: An Efficient and Secure Communication Mechanism for UAV Networks。博士生罗皓翔为论文第一作者，电子科技大学为论文第一署名单位，孙罡教授为论文通讯作者，美国卡耐基梅隆大学Yifan Wu（格拉斯哥学院2021届毕业生）、虞红芳教授以及阿联酋默罕默德·本·扎耶德人工智能大学Mohsen Guizani教授（IEEE Fellow）为论文共同作者。

无人机在各种人类活动中得到迅速发展，并已成为天-空-地-海一体化网络的重要组成部分。无人机作为高速运动的物体，不仅对通信时延要求极其严格，且不能被攻击者恶意控制作为武器。因此，有必要为无人机网络设计一种高效、安全的通信机制（ESCM）。

为了提高效率，ESCM提供了一种基于人工蜂群（ABC）算法的路由协议，以加速无人机之间的通信。同时，文章使用区块链来保证无人机网络的安全。然而，区块链在高移动性网络中链路不稳定，导致共识效率低，通信开销高。因此，ESCM引入了数字孪生技术，通过将无人机从物理世界映射到虚拟网络空间，将无人机网络转换为静态网络。该虚拟的无人机网络被称为CyberUAV。然后，在CyberUAV中，文章设计了一个基于网络编码的区块链共识 （Proof of network coding，PoNC）。分析和仿真表明，上述模块在ESCM中具有优于现有方案的优点。消融实验证明了这些模块对于无人机网络的高效、安全通信都是不可或缺的。

图4 CyberUAV的构建

据了解，罗皓翔同学是信息与通信工程学院2022级博士生，指导老师为虞红芳教授。目前，他正围绕区块链技术及其在各类网络场景中的应用开展研究，在著名期刊和会议上发表学术论文十余篇，担任2023 IEEE MetaCom分会场主席，以及多个会议和期刊的审稿人。在学术研究之外，他也曾担任信通学院研究生会主席团成员，以及挑战性学习课程、研究生精品课程、全英文课程等多门课程助教。

该同学所在的智慧网络及应用团队，由李乐民院士领衔，长期致力于智能通信网络与信息处理、网络安全、机器学习与区块链网络等领域的相关研究，已取得系列研究成果，发表高水平学术论文数百篇，包括 IEEE JSAC、IEEE Network、IEEE TITS、IEEE TSC、IEEE TII 和 IEEE TNSM 等国际顶级期刊论文和A类国际会议论文。

论文链接：

Performance Analysis and Comparison of Non-ideal Wireless PBFT and RAFT Consensus Networks in 6G Communications

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10275077

ESIA: An Efficient and Stable Identity Authentication for Internet of Vehicles

https://ieeexplore.ieee.org/document/10310120

An Energy-Efficient Wireless Blockchain Sharding Scheme for PBFT Consensus

https://ieeexplore.ieee.org/document/10414128

ESCM: An Efficient and Secure Communication Mechanism for UAV Networks

https://ieeexplore.ieee.org/document/10415005