基于認知無線電網絡的5G移動蜂窩網絡結構

董春利 王莉

摘 要：迅速增長的移動設備數量、龐大的數據和更高的數據速率促使人們重新思考當今蜂窩移動通信，預期下一代或第五代（5G）蜂窩網絡滿足高端需求。SG網絡具有3個獨特的特點：無處不在的連通性、非常低的延遲和非常高速的數據傳輸。SG網絡將超越最先進的架構和技術，提供新的架構和技術?，F有的5G網絡結構主要有基于多層、基于認知無線電網絡、基于D2D通信和基于云的體系結構。文章詳細闡述基于多層、基于認知無線電網絡的體系結構。

關鍵詞：認知無線電網絡；節能效率；干擾管理；2層體系結構

設想的5G網絡的革命性視野及其后發優勢，需要新的架構、方法和技術。例如，節能異構框架，基于云的通信（軟件定義的網絡）（Software Defined Network，SDN）和網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV），全雙工無線電自干擾抵消（Self-interference Cancellation.SIC），設備到設備（D2D）通信，機器對機器（M2M）通信協議，廉價設備，認知網絡（接入授權的、未授權的和共享頻帶），密集部署，通信和數據傳輸的安全隱私協議，回程連接，大規模多輸入多輸出（massive Multiple-Input Multiple-Output，mMIMO），多無線電接入技術（Multi-radio Access Technology，RAT）體系結構，毫米波（mmWave）工作技術，30～300 GHz。有趣的是，5G網絡不會僅僅是按照附加容量的4G網絡的增強，它們將包含一個系統架構，可視化、概念化和重新設計的通信層。

現有的5G網絡結構主要有基于多層，基于認知無線電網絡（Cognitive Radio Network，CRN），基于D2D通信和基于云的體系結構。本文詳細闡述基于多層CRN的體系結構。

1 2層體系結構

多種2層體系結構已經為SG網絡提出，其中，MBS位于頂層，SBS位于底層，在MBS監管下工作。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。小蜂窩增強了宏蜂窩的覆蓋和服務。

Wang等提出了一種分離室內和室外的用戶，并在火車或公共汽車使用移動小蜂窩的方法。分離室內和室外的用戶，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只會產生較小的負荷。Wang等還建議使用一個位于車輛內的移動的小蜂窩，允許內部用戶通信使用，而位于車輛外的大型天線陣列與MBS通信。因此，相對于對應的MBS，車輛（或建筑物）內的所有用戶呈現為一個獨立蜂窩，而SBS對所有這些用戶來說，呈現為一個MBS。

在文獻中，2層體系結構部署為一個網絡致密化的過程，它是空間致密化（增加每個用戶和MBS的天線數目，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區發現了自己。因此，它將減少小蜂窩的覆蓋面積。另一方面，如果一個宏蜂窩的發射功率低，那么小蜂窩的覆蓋面積將會增加。因此，進行小區范圍擴展（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。此外，部署在辦公室或家里的SBS，可以用來為戶外用戶服務。例如，在他們社區的行人和低機動性車輛，這種方法被稱為室內到室外用戶服務。

2 基于認知無線電網絡的體系結構

CRN是一個認知無線電節點（或處理器），稱為次級用戶（SUS），機會地利用現有的頻譜。當授權用戶不在的情況下，稱為主用戶（PUS），SUS有LEIRA（學習，效率，智能化、可靠性和自適應）特性，掃描和接入主用戶不在時多個相應的異構信道（或頻段）。每個PUS都有一個固定帶寬，傳輸功率高，可靠性高；然而，SUS工作在一個范圍廣泛的帶寬，傳輸功率低和可靠性低。

5G網絡中的CRN用于設計多層體系結構，消除小區間的干擾，并最大限度地減少網絡中的能量消耗。

2.1基于CRN的SG網絡結構

CRN創建一個兩層體系結構，類似于在上節所討論的網絡結構。但是，它是假定MBS或SBS具有工作在不同信道的認知特性。

Hong等提出了SG網絡的兩種基于CRN的體系結構：非協作CRNs、協作CRNs。

非協作CRN建立了一個多接入系統，有兩個獨立的無線電接口，運行在PUS的授權信道和臨時空閑的信道，稱為認知信道。SUS只在認知信道上工作，并形成一個覆蓋現有授權蜂窩網絡的CRN。這兩個網絡可以集成在上層，而必須在物理層中分離。這種體系結構以不同的方式使用，如：（1）在認知和授權信道上使用的用戶，鄰近MBS和遠離MBS。（2）分別在認知和授權信道上使用的寬松的QoS和嚴格的QoS。

協作CRN只使用授權的信道，當PU信道空閑時，SUS以機會的方式接入信道。這種結構可以用不同的方式，如：（1） -個SBS與一個MBS使用授權信道通信，并為通過機會接入到授權頻段的用戶提供服務。（2）授權信道服務于通過SBS和機會接入授權信道用于給MBS傳輸回傳數據的用戶。

總之，協作CRN提供了一個在SG網絡合并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。

2.2用于CRNs的干擾管理

Huang等提供了一種通過在SBS上集成認知技術來避免層間干擾的方法。認知技術由3部分組成：（1）認知模塊，它感知環境，收集有關頻譜空洞的信息，碰撞概率，QoS要求，宏蜂窩行為和信道增益。（2）認知引擎，它對收集的信息進行分析和存儲，估計可用資源。（3）自配置模塊，它使用存儲的信息動態優化多個參數，以有效切換，抗干擾和功率管理。此外，對一個小蜂窩的信道分配，以避免層間和層內干擾的方式進行。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、頻譜共享和認知中繼，抑制層間干擾的方法。這里一個MBS和它的用戶之間的聯系被視為PUS，而一個SBS和它的用戶之間的聯系被視為SUS。認知技術用于檢測從MBS到SBS的干擾，反之亦然。路徑損失估計算法提供了從一個小蜂窩的用戶到一個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結語

5G網絡CRNs的優點是：（1）增加網絡容量。被開發的頻譜空洞，可以用來支持更高的數據傳輸速率，并增強帶寬利用率。（2）減少干擾。通過將CRN在小區上實施，認知小區通過不選擇相同的信道作為相鄰小區的信道，可有效地避免干擾。

通常蜂窩網絡是不節能的，因為它們在電路、冷卻系統中消耗能量，而且還在空中輻射。因此，在蜂窩網絡中的CRN，有效的節能部署極為重要。進一步，空間頻率復用與中斷概率之間存在一個折衷，需要選擇一個有效的頻譜感知算法。