董春利 王莉

摘 要：迅速增長的移動設(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(shù)據(jù)傳輸。SG網(wǎng)絡(luò)將超越最先進的架構(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)。文章詳細闡述基于多層、基于認知無線電網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：認知無線電網(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，機器對機器（M2M）通信協(xié)議，廉價設(shè)備，認知網(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)不會僅僅是按照附加容量的4G網(wǎng)絡(luò)的增強，它們將包含一個系統(tǒng)架構(gòu)，可視化、概念化和重新設(shè)計的通信層。

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只會產(chǎn)生較小的負荷。Wang等還建議使用一個位于車輛內(nèi)的移動的小蜂窩，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)為一個獨立蜂窩，而SBS對所有這些用戶來說，呈現(xiàn)為一個MBS。

在文獻中，2層體系結(jié)構(gòu)部署為一個網(wǎng)絡(luò)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(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，如果一個宏蜂窩的發(fā)射功率低，那么小蜂窩的覆蓋面積將會增加。因此，進行小區(qū)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(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)的行人和低機動性車輛，這種方法被稱為室內(nèi)到室外用戶服務(wù)。

2 基于認知無線電網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

CRN是一個認知無線電節(jié)點（或處理器），稱為次級用戶（SUS），機會地利用現(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多個相應(yīng)的異構(gòu)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(wǎng)絡(luò)中的CRN用于設(shè)計多層體系結(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建立了一個多接入系統(tǒng)，有兩個獨立的無線電接口，運行在PUS的授權(quán)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(xiàn)有授權(quán)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的CRN。這兩個網(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）在認知和授權(quán)信道上使用的用戶，鄰近MBS和遠離MBS。（2）分別在認知和授權(quán)信道上使用的寬松的QoS和嚴格的QoS。

協(xié)作CRN只使用授權(quán)的信道，當(dāng)PU信道空閑時，SUS以機會的方式接入信道。這種結(jié)構(gòu)可以用不同的方式，如：（1） -個SBS與一個MBS使用授權(quán)信道通信，并為通過機會接入到授權(quán)頻段的用戶提供服務(wù)。（2）授權(quán)信道服務(wù)于通過SBS和機會接入授權(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上集成認知技術(shù)來避免層間干擾的方法。認知技術(shù)由3部分組成：（1）認知模塊，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(tài)優(yōu)化多個參數(shù)，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(nèi)干擾的方式進行?；贕ale-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(lián)系被視為PUS，而一個SBS和它的用戶之間的聯(lián)系被視為SUS。認知技術(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(jié)語

5G網(wǎng)絡(luò)CRNs的優(yōu)點是：（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，并增強帶寬利用率。（2）減少干擾。通過將CRN在小區(qū)上實施，認知小區(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，因為它們在電路、冷卻系統(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。進一步，空間頻率復(fù)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。