基于认知无线电网络的5G移动蜂窝网络结构

董春利 王莉

摘 要：迅速增长的移动设备数量、庞大的数据和更高的数据速率促使人们重新思考当今蜂窝移动通信，预期下一代或第五代（5G）蜂窝网络满足高端需求。SG网络具有3个独特的特点：无处不在的连通性、非常低的延迟和非常高速的数据传输。SG网络将超越最先进的架构和技术，提供新的架构和技术。现有的5G网络结构主要有基于多层、基于认知无线电网络、基于D2D通信和基于云的体系结构。文章详细阐述基于多层、基于认知无线电网络的体系结构。

关键词：认知无线电网络；节能效率；干扰管理；2层体系结构

设想的5G网络的革命性视野及其后发优势，需要新的架构、方法和技术。例如，节能异构框架，基于云的通信（软件定义的网络）（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV），全双工无线电自干扰抵消（Self-interference Cancellation.SIC），设备到设备（D2D）通信，机器对机器（M2M）通信协议，廉价设备，认知网络（接入授权的、未授权的和共享频带），密集部署，通信和数据传输的安全隐私协议，回程连接，大规模多输入多输出（massive Multiple-Input Multiple-Output，mMIMO），多无线电接入技术（Multi-radio Access Technology，RAT）体系结构，毫米波（mmWave）工作技术，30～300 GHz。有趣的是，5G网络不会仅仅是按照附加容量的4G网络的增强，它们将包含一个系统架构，可视化、概念化和重新设计的通信层。

现有的5G网络结构主要有基于多层，基于认知无线电网络（Cognitive Radio Network，CRN），基于D2D通信和基于云的体系结构。本文详细阐述基于多层CRN的体系结构。

1 2层体系结构

多种2层体系结构已经为SG网络提出，其中，MBS位于顶层，SBS位于底层，在MBS监管下工作。宏蜂窝覆盖了所有不同类型的小蜂窝。例如，毫微微蜂窝、微微蜂窝、微蜂窝，如图1所示。2层共享相同的频带。小蜂窝增强了宏蜂窝的覆盖和服务。

Wang等提出了一种分离室内和室外的用户，并在火车或公共汽车使用移动小蜂窝的方法。分离室内和室外的用户，MBS持有大型天线阵列，一些天线蜂窝分布在宏蜂窝，并使用光纤连接到MBS。SBS和大型天线阵列部署在各建筑与MBS通信。建筑物内的所有用户可以和其他的终端连接，通过SBS或使用WiFi，毫米波或VLC。因此，用户的分离对MBS只会产生较小的负荷。Wang等还建议使用一个位于车辆内的移动的小蜂窝，允许内部用户通信使用，而位于车辆外的大型天线阵列与MBS通信。因此，相对于对应的MBS，车辆（或建筑物）内的所有用户呈现为一个独立蜂窝，而SBS对所有这些用户来说，呈现为一个MBS。

在文献中，2层体系结构部署为一个网络致密化的过程，它是空间致密化（增加每个用户和MBS的天线数目，即增加了基站的密度。）和频谱聚合（使用更高的频带>3GHz）的结合。提出了宏蜂窝传输功率与小蜂窝覆盖面积的折衷，也就是说，一方面，如果宏蜂窝的传输功率很高，那么许多相邻的小蜂窝用户可能在宏蜂窝的服务区发现了自己。因此，它将减少小蜂窝的覆盖面积。另一方面，如果一个宏蜂窝的发射功率低，那么小蜂窝的覆盖面积将会增加。因此，进行小区范围扩展（即有利于小蜂窝的有偏切换）可为邻近小蜂窝更多的用户提供服务。此外，部署在办公室或家里的SBS，可以用来为户外用户服务。例如，在他们社区的行人和低机动性车辆，这种方法被称为室内到室外用户服务。

2 基于认知无线电网络的体系结构

CRN是一个认知无线电节点（或处理器），称为次级用户（SUS），机会地利用现有的频谱。当授权用户不在的情况下，称为主用户（PUS），SUS有LEIRA（学习，效率，智能化、可靠性和自适应）特性，扫描和接入主用户不在时多个相应的异构信道（或频段）。每个PUS都有一个固定带宽，传输功率高，可靠性高；然而，SUS工作在一个范围广泛的带宽，传输功率低和可靠性低。

5G网络中的CRN用于设计多层体系结构，消除小区间的干扰，并最大限度地减少网络中的能量消耗。

2.1基于CRN的SG网络结构

CRN创建一个两层体系结构，类似于在上节所讨论的网络结构。但是，它是假定MBS或SBS具有工作在不同信道的认知特性。

Hong等提出了SG网络的两种基于CRN的体系结构：非协作CRNs、协作CRNs。

非协作CRN建立了一个多接入系统，有两个独立的无线电接口，运行在PUS的授权信道和临时空闲的信道，称为认知信道。SUS只在认知信道上工作，并形成一个覆盖现有授权蜂窝网络的CRN。这两个网络可以集成在上层，而必须在物理层中分离。这种体系结构以不同的方式使用，如：（1）在认知和授权信道上使用的用户，邻近MBS和远离MBS。（2）分别在认知和授权信道上使用的宽松的QoS和严格的QoS。

协作CRN只使用授权的信道，当PU信道空闲时，SUS以机会的方式接入信道。这种结构可以用不同的方式，如：（1） -个SBS与一个MBS使用授权信道通信，并为通过机会接入到授权频段的用户提供服务。（2）授权信道服务于通过SBS和机会接入授权信道用于给MBS传输回传数据的用户。

总之，协作CRN提供了一个在SG网络合并CRNs真正的直觉，SBS工作和SUS-样，它扫描宏蜂窝的行为，并工作在PU临时未占用的频带上（称为频谱空洞），以最小干扰宏蜂窝行为，为它们的用户提供服务。

2.2用于CRNs的干扰管理

Huang等提供了一种通过在SBS上集成认知技术来避免层间干扰的方法。认知技术由3部分组成：（1）认知模块，它感知环境，收集有关频谱空洞的信息，碰撞概率，QoS要求，宏蜂窝行为和信道增益。（2）认知引擎，它对收集的信息进行分析和存储，估计可用资源。（3）自配置模块，它使用存储的信息动态优化多个参数，以有效切换，抗干扰和功率管理。此外，对一个小蜂窝的信道分配，以避免层间和层内干扰的方式进行。基于Gale-Shapley频谱共享方案，不向相邻小蜂窝分配相同的信道，从而避免了碰撞。

Wang等提出了一种基于频谱感知、频谱共享和认知中继，抑制层间干扰的方法。这里一个MBS和它的用户之间的联系被视为PUS，而一个SBS和它的用户之间的联系被视为SUS。认知技术用于检测从MBS到SBS的干扰，反之亦然。路径损失估计算法提供了从一个小蜂窝的用户到一个宏蜂窝的用户的干扰检测。层间干扰检测后，小蜂窝与宏蜂窝共享频谱。

3结语

5G網络CRNs的优点是：（1）增加网络容量。被开发的频谱空洞，可以用来支持更高的数据传输速率，并增强带宽利用率。（2）减少干扰。通过将CRN在小区上实施，认知小区通过不选择相同的信道作为相邻小区的信道，可有效地避免干扰。

通常蜂窝网络是不节能的，因为它们在电路、冷却系统中消耗能量，而且还在空中辐射。因此，在蜂窝网络中的CRN，有效的节能部署极为重要。进一步，空间频率复用与中断概率之间存在一个折衷，需要选择一个有效的频谱感知算法。