基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的5G移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

董春利 王莉

摘 要：迅速增長的移動(dòng)設(shè)備數(shù)量、龐大的數(shù)據(jù)和更高的數(shù)據(jù)速率促使人們重新思考當(dāng)今蜂窩移動(dòng)通信，預(yù)期下一代或第五代（5G）蜂窩網(wǎng)絡(luò)滿足高端需求。SG網(wǎng)絡(luò)具有3個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)：無處不在的連通性、非常低的延遲和非常高速的數(shù)據(jù)傳輸。SG網(wǎng)絡(luò)將超越最先進(jìn)的架構(gòu)和技術(shù)，提供新的架構(gòu)和技術(shù)。現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有基于多層、基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)、基于D2D通信和基于云的體系結(jié)構(gòu)。文章詳細(xì)闡述基于多層、基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)；節(jié)能效率；干擾管理；2層體系結(jié)構(gòu)

設(shè)想的5G網(wǎng)絡(luò)的革命性視野及其后發(fā)優(yōu)勢，需要新的架構(gòu)、方法和技術(shù)。例如，節(jié)能異構(gòu)框架，基于云的通信（軟件定義的網(wǎng)絡(luò)）（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV），全雙工無線電自干擾抵消（Self-interference Cancellation.SIC），設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信，機(jī)器對機(jī)器（M2M）通信協(xié)議，廉價(jià)設(shè)備，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（接入授權(quán)的、未授權(quán)的和共享頻帶），密集部署，通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩[私協(xié)議，回程連接，大規(guī)模多輸入多輸出（massive Multiple-Input Multiple-Output，mMIMO），多無線電接入技術(shù)（Multi-radio Access Technology，RAT）體系結(jié)構(gòu)，毫米波（mmWave）工作技術(shù)，30～300 GHz。有趣的是，5G網(wǎng)絡(luò)不會(huì)僅僅是按照附加容量的4G網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)，它們將包含一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)，可視化、概念化和重新設(shè)計(jì)的通信層。

現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有基于多層，基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)（Cognitive Radio Network，CRN），基于D2D通信和基于云的體系結(jié)構(gòu)。本文詳細(xì)闡述基于多層CRN的體系結(jié)構(gòu)。

1 2層體系結(jié)構(gòu)

多種2層體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)為SG網(wǎng)絡(luò)提出，其中，MBS位于頂層，SBS位于底層，在MBS監(jiān)管下工作。宏蜂窩覆蓋了所有不同類型的小蜂窩。例如，毫微微蜂窩、微微蜂窩、微蜂窩，如圖1所示。2層共享相同的頻帶。小蜂窩增強(qiáng)了宏蜂窩的覆蓋和服務(wù)。

Wang等提出了一種分離室內(nèi)和室外的用戶，并在火車或公共汽車使用移動(dòng)小蜂窩的方法。分離室內(nèi)和室外的用戶，MBS持有大型天線陣列，一些天線蜂窩分布在宏蜂窩，并使用光纖連接到MBS。SBS和大型天線陣列部署在各建筑與MBS通信。建筑物內(nèi)的所有用戶可以和其他的終端連接，通過SBS或使用WiFi，毫米波或VLC。因此，用戶的分離對MBS只會(huì)產(chǎn)生較小的負(fù)荷。Wang等還建議使用一個(gè)位于車輛內(nèi)的移動(dòng)的小蜂窩，允許內(nèi)部用戶通信使用，而位于車輛外的大型天線陣列與MBS通信。因此，相對于對應(yīng)的MBS，車輛（或建筑物）內(nèi)的所有用戶呈現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立蜂窩，而SBS對所有這些用戶來說，呈現(xiàn)為一個(gè)MBS。

在文獻(xiàn)中，2層體系結(jié)構(gòu)部署為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)致密化的過程，它是空間致密化（增加每個(gè)用戶和MBS的天線數(shù)目，即增加了基站的密度。）和頻譜聚合（使用更高的頻帶>3GHz）的結(jié)合。提出了宏蜂窩傳輸功率與小蜂窩覆蓋面積的折衷，也就是說，一方面，如果宏蜂窩的傳輸功率很高，那么許多相鄰的小蜂窩用戶可能在宏蜂窩的服務(wù)區(qū)發(fā)現(xiàn)了自己。因此，它將減少小蜂窩的覆蓋面積。另一方面，如果一個(gè)宏蜂窩的發(fā)射功率低，那么小蜂窩的覆蓋面積將會(huì)增加。因此，進(jìn)行小區(qū)范圍擴(kuò)展（即有利于小蜂窩的有偏切換）可為鄰近小蜂窩更多的用戶提供服務(wù)。此外，部署在辦公室或家里的SBS，可以用來為戶外用戶服務(wù)。例如，在他們社區(qū)的行人和低機(jī)動(dòng)性車輛，這種方法被稱為室內(nèi)到室外用戶服務(wù)。

2 基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

CRN是一個(gè)認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)（或處理器），稱為次級(jí)用戶（SUS），機(jī)會(huì)地利用現(xiàn)有的頻譜。當(dāng)授權(quán)用戶不在的情況下，稱為主用戶（PUS），SUS有LEIRA（學(xué)習(xí)，效率，智能化、可靠性和自適應(yīng)）特性，掃描和接入主用戶不在時(shí)多個(gè)相應(yīng)的異構(gòu)信道（或頻段）。每個(gè)PUS都有一個(gè)固定帶寬，傳輸功率高，可靠性高；然而，SUS工作在一個(gè)范圍廣泛的帶寬，傳輸功率低和可靠性低。

5G網(wǎng)絡(luò)中的CRN用于設(shè)計(jì)多層體系結(jié)構(gòu)，消除小區(qū)間的干擾，并最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗。

2.1基于CRN的SG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

CRN創(chuàng)建一個(gè)兩層體系結(jié)構(gòu)，類似于在上節(jié)所討論的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，它是假定MBS或SBS具有工作在不同信道的認(rèn)知特性。

Hong等提出了SG網(wǎng)絡(luò)的兩種基于CRN的體系結(jié)構(gòu)：非協(xié)作CRNs、協(xié)作CRNs。

非協(xié)作CRN建立了一個(gè)多接入系統(tǒng)，有兩個(gè)獨(dú)立的無線電接口，運(yùn)行在PUS的授權(quán)信道和臨時(shí)空閑的信道，稱為認(rèn)知信道。SUS只在認(rèn)知信道上工作，并形成一個(gè)覆蓋現(xiàn)有授權(quán)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的CRN。這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以集成在上層，而必須在物理層中分離。這種體系結(jié)構(gòu)以不同的方式使用，如：（1）在認(rèn)知和授權(quán)信道上使用的用戶，鄰近MBS和遠(yuǎn)離MBS。（2）分別在認(rèn)知和授權(quán)信道上使用的寬松的QoS和嚴(yán)格的QoS。

協(xié)作CRN只使用授權(quán)的信道，當(dāng)PU信道空閑時(shí)，SUS以機(jī)會(huì)的方式接入信道。這種結(jié)構(gòu)可以用不同的方式，如：（1） -個(gè)SBS與一個(gè)MBS使用授權(quán)信道通信，并為通過機(jī)會(huì)接入到授權(quán)頻段的用戶提供服務(wù)。（2）授權(quán)信道服務(wù)于通過SBS和機(jī)會(huì)接入授權(quán)信道用于給MBS傳輸回傳數(shù)據(jù)的用戶。

總之，協(xié)作CRN提供了一個(gè)在SG網(wǎng)絡(luò)合并CRNs真正的直覺，SBS工作和SUS-樣，它掃描宏蜂窩的行為，并工作在PU臨時(shí)未占用的頻帶上（稱為頻譜空洞），以最小干擾宏蜂窩行為，為它們的用戶提供服務(wù)。

2.2用于CRNs的干擾管理

Huang等提供了一種通過在SBS上集成認(rèn)知技術(shù)來避免層間干擾的方法。認(rèn)知技術(shù)由3部分組成：（1）認(rèn)知模塊，它感知環(huán)境，收集有關(guān)頻譜空洞的信息，碰撞概率，QoS要求，宏蜂窩行為和信道增益。（2）認(rèn)知引擎，它對收集的信息進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，估計(jì)可用資源。（3）自配置模塊，它使用存儲(chǔ)的信息動(dòng)態(tài)優(yōu)化多個(gè)參數(shù)，以有效切換，抗干擾和功率管理。此外，對一個(gè)小蜂窩的信道分配，以避免層間和層內(nèi)干擾的方式進(jìn)行。基于Gale-Shapley頻譜共享方案，不向相鄰小蜂窩分配相同的信道，從而避免了碰撞。

Wang等提出了一種基于頻譜感知、頻譜共享和認(rèn)知中繼，抑制層間干擾的方法。這里一個(gè)MBS和它的用戶之間的聯(lián)系被視為PUS，而一個(gè)SBS和它的用戶之間的聯(lián)系被視為SUS。認(rèn)知技術(shù)用于檢測從MBS到SBS的干擾，反之亦然。路徑損失估計(jì)算法提供了從一個(gè)小蜂窩的用戶到一個(gè)宏蜂窩的用戶的干擾檢測。層間干擾檢測后，小蜂窩與宏蜂窩共享頻譜。

3結(jié)語

5G網(wǎng)絡(luò)CRNs的優(yōu)點(diǎn)是：（1）增加網(wǎng)絡(luò)容量。被開發(fā)的頻譜空洞，可以用來支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并增強(qiáng)帶寬利用率。（2）減少干擾。通過將CRN在小區(qū)上實(shí)施，認(rèn)知小區(qū)通過不選擇相同的信道作為相鄰小區(qū)的信道，可有效地避免干擾。

通常蜂窩網(wǎng)絡(luò)是不節(jié)能的，因?yàn)樗鼈冊陔娐贰⒗鋮s系統(tǒng)中消耗能量，而且還在空中輻射。因此，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的CRN，有效的節(jié)能部署極為重要。進(jìn)一步，空間頻率復(fù)用與中斷概率之間存在一個(gè)折衷，需要選擇一個(gè)有效的頻譜感知算法。