面向5G 的小蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究綜述*

賈亞男，岳殿武，2，＊＊

(1.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026;2.浙江省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸及應(yīng)用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(杭州電子科技大學(xué))，浙江 杭州 310018)

1 引言

無(wú)線通信深刻影響著人們的日常生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但人們對(duì)更高性能通信服務(wù)的需求從未停止過(guò)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展將帶來(lái)第五代移動(dòng)通信(The Fifth－generation Mobile Communications，5G)流量上千倍的增長(zhǎng)，最近相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和組織的研究表明移動(dòng)數(shù)據(jù)流量每年都在翻倍［1］。室內(nèi)或熱點(diǎn)地區(qū)的無(wú)線服務(wù)需求已成為當(dāng)下無(wú)線容量增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿Γ?］。為應(yīng)對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)流量和連接設(shè)備數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)以及不斷涌現(xiàn)的新業(yè)務(wù)和新應(yīng)用，對(duì)5G 技術(shù)的研究迫在眉睫［3－8］。未來(lái)，5G將包含人類社會(huì)生活的各個(gè)方面，并以用戶為中心構(gòu)建智能化的信息生態(tài)系統(tǒng);5G 將為用戶提供極佳的交互式體驗(yàn)，通過(guò)突破時(shí)空限制來(lái)獲得身臨其境的信息盛宴;5G 通過(guò)無(wú)縫融合的方式實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物的智能互聯(lián)，拉近通信雙方的距離。光纖般的接入速率、毫秒級(jí)的時(shí)延體驗(yàn)、超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動(dòng)性等多場(chǎng)景的業(yè)務(wù)服務(wù)以及用戶感知的智能優(yōu)化、超百倍的網(wǎng)絡(luò)能效提升和比特成本降低等，都將成為實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”的無(wú)線服務(wù)目標(biāo)的有利保障。

本文重點(diǎn)分析超密集組網(wǎng)下小蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Small Cell Network，SCN)在增加無(wú)線系統(tǒng)容量、提高能量效率、充分利用頻譜資源和降低成本等方面的優(yōu)勢(shì)以及在自組織和自優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)覆蓋和移動(dòng)性、干擾管理和安全問(wèn)題等方面所面臨的挑戰(zhàn)，給出了對(duì)應(yīng)的解決方案，并分別從上行和下行通信的角度分析了具有認(rèn)知功能的小蜂窩網(wǎng)絡(luò)與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)的相關(guān)干擾問(wèn)題和解決思路，以期為小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展指明方向。

2 5G 發(fā)展愿景與技術(shù)

為應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的爆炸式發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)5G 系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，需要從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和部署及運(yùn)營(yíng)維護(hù)這兩方面來(lái)提升5G 系統(tǒng)性能。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和部署中，5G 首先需要提供更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋，同時(shí)還要降低網(wǎng)絡(luò)部署，尤其是超密集組網(wǎng)時(shí)的復(fù)雜度和成本;其次需要具備靈活可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以適應(yīng)海量用戶和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備業(yè)務(wù)的多樣化需求;最后需要靈活高效地動(dòng)態(tài)利用各類頻譜資源(低頻段和高頻段、授權(quán)和非授權(quán)頻段、連續(xù)和非連續(xù)頻段)。在運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)，5G 首先需要改善網(wǎng)絡(luò)能效和比特運(yùn)維成本，并減少無(wú)線通信能量消耗對(duì)環(huán)境的影響，增加用戶和設(shè)備接入的積極性;其次需要增加網(wǎng)絡(luò)兼容性和部署靈活性，降低多制式共存和新功能引入時(shí)的復(fù)雜度;最后需要網(wǎng)絡(luò)智能感知用戶設(shè)備需求，并保證通信安全性。

面對(duì)5G 的需求，傳統(tǒng)的以多址技術(shù)為更新?lián)Q代主線的移動(dòng)通信發(fā)展模式將不再適應(yīng)，5G 的無(wú)線技術(shù)創(chuàng)新來(lái)源將更加豐富。新型的多址技術(shù)(如稀疏碼分多址、圖樣分割多址和多用戶共享接入等)、大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入、靈活或全雙工、非正交傳輸、新型調(diào)制編碼和終端直通等都將是5G 潛在的無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)，其中，超密集組網(wǎng)將是現(xiàn)階段提升網(wǎng)絡(luò)容量最有效的解決方案。若從調(diào)制編碼技術(shù)等帶來(lái)的頻譜效率提高、頻譜帶寬的增加和蜂窩數(shù)量的增加(即蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)半徑收縮和頻譜資源重復(fù)利用)這三個(gè)因素對(duì)提升無(wú)線系統(tǒng)容量的貢獻(xiàn)看，在過(guò)去的發(fā)展中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的增加主要來(lái)自蜂窩數(shù)量的增多，而且在未來(lái)也將起決定性作用。

3 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)與5G

未來(lái)室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)高速率及多樣化的服務(wù)需求將占據(jù)無(wú)線服務(wù)數(shù)據(jù)流量的主要部分，傳統(tǒng)的以宏基站(Macro Base Station，MBS)覆蓋為主的通信技術(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將不再適應(yīng)5G 技術(shù)的發(fā)展。因此，需要引入基于本地的國(guó)際移動(dòng)通信(International Mobile Telecommunications，IMT)方案，實(shí)現(xiàn)與基于宏覆蓋的IMT 方案的演進(jìn)路徑共存和相互協(xié)作，以推進(jìn)5G 的快速發(fā)展。由圖1［2］可知，5G 中基于本地的演進(jìn)與基于宏覆蓋的演進(jìn)起著同樣重要的作用，而在4G 及之前的技術(shù)中以基于宏覆蓋的演進(jìn)路線為主。而小蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Small Cell Network，SCN)［9－10］技術(shù)能夠允許大量覆蓋半徑小、成本小和功耗低的基站共存，且其具有自組織和自優(yōu)化能力。SCN 的提出將很好地適應(yīng)基于本地IMT 方案的演進(jìn)。

圖1 5G 演進(jìn)趨勢(shì)Fig.1 Evolution change for 5G

雖然在基于宏覆蓋的演進(jìn)過(guò)程中也出現(xiàn)了如microcell(毫蜂窩)、picocell(毫微蜂窩)和femtocell等具有較小覆蓋半徑的基站，但這些基站主要用于補(bǔ)充宏基站容量和盲區(qū)覆蓋，且需要與宏基站一起受運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一規(guī)劃，缺乏自組織和自優(yōu)化能力。而SCN 能夠滿足大量具有自組織、低成本和低能耗的小蜂窩基站(Small Cell Base Station，SCBS)隨機(jī)致密化部署。SCBS 具有與多種空口技術(shù)相一致的接入方式，除具有較小發(fā)射功率(一般0.1～10 W)和較小覆蓋范圍(一般10～150 m)外，與宏基站(Macro Base Station，MBS)的概念基本相同。但從網(wǎng)絡(luò)管理的角度來(lái)看，SCBS 與MBS 相比有兩個(gè)主要的本質(zhì)不同之處，即超密集組網(wǎng)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)部署。超密集組網(wǎng)需要SCBS 具有自組織和自優(yōu)化能力，以減少人工在規(guī)劃、配置、運(yùn)作、監(jiān)督和保養(yǎng)等方面的開(kāi)銷。而如今無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)在人工操作上的花銷占據(jù)總開(kāi)支的75%之多［9］，這在SCN 中將是無(wú)法承受的。動(dòng)態(tài)隨機(jī)部署需要SCBS 具有即插即用的熱插拔特性，能夠接入基于IP 的互聯(lián)網(wǎng)作為回傳網(wǎng)絡(luò)，以充分利用現(xiàn)有的固網(wǎng)資源。由于SCBS 允許用戶隨機(jī)部署，且往往處于次最優(yōu)的部署位置處，不能保證高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的全覆蓋，這就需要SCBS 能夠感知周圍的通信環(huán)境，以完成其相關(guān)通信參數(shù)的配置，并與相鄰SCBS 或MBS 進(jìn)行交互協(xié)作。相比于新增MBS 較難的基站選址問(wèn)題(特別是密集的大城市)以及較大的基站建設(shè)資本支出(Capital Expenditures，CAPEXs)和昂貴的用于部署、操作和維護(hù)基站的運(yùn)營(yíng)開(kāi)支(Operational Expenses，OPEXs)，SCBS 具有部署簡(jiǎn)單、投資小和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。宏基站和小蜂窩基站各自的特征總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 宏基站與小蜂窩基站特征對(duì)比Table 1 Comparison between macro and small cell base stations

4 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)在5G 中的優(yōu)勢(shì)及挑戰(zhàn)

4.1 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)在5G 發(fā)展中的主要優(yōu)勢(shì)

SCN 在5G 發(fā)展中將發(fā)揮重要作用，其主要優(yōu)勢(shì)可從增加無(wú)線系統(tǒng)容量、提高能量效率、充分利用頻譜資源和降低成本這四個(gè)方面進(jìn)行分析說(shuō)明。

(1)增加無(wú)線系統(tǒng)容量

在滿足一定信干噪比(Signal－to－Interference－plus－Noise，SINR)條件下，通過(guò)增加SCBS 數(shù)量可以近似線性地增加系統(tǒng)容量。在熱點(diǎn)地區(qū)設(shè)置SCBS 可以有效地緩解無(wú)線業(yè)務(wù)高峰期的流量壓力，而在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)邊緣地區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)引入SCBS 可以有效地進(jìn)行補(bǔ)盲，并解決通信速率低的狀況。SCN 中通信設(shè)備間的距離較小，信號(hào)的傳輸環(huán)境在收發(fā)設(shè)備間基本相同，因此，相比于基于宏蜂窩多輸入多輸出(Multiple－ Input－ Multiple－ Output，MIMO)天線機(jī)構(gòu)中10 倍波長(zhǎng)的天線間隔，可以設(shè)計(jì)具有更小天線距離(半波長(zhǎng))的MIMO 天線結(jié)構(gòu)，并能保證天線間具有低相關(guān)性，這大大增加了SCBS 所能容納的天線數(shù)［2］。同時(shí)，利用高頻段優(yōu)質(zhì)的頻譜資源(如毫米波)能夠設(shè)計(jì)更加密集的天線陣列，使得多用戶MIMO 和Massive－MIMO［5］等通信技術(shù)能夠很好地應(yīng)用到SCN 中，為滿足未來(lái)爆炸式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量和設(shè)備數(shù)量提供了可靠保障。

(2)提高能量效率

從物理結(jié)構(gòu)上看，SCBS 與通信用戶間較短的通信鏈路能夠有效地減少路徑損耗，降低單位比特所消耗的能量，延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。而且SCBS 不像宏基站那樣需要冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步減少了能量消耗。通過(guò)引入有效的睡眠算法，使得SCN 中的SCBS 能夠根據(jù)負(fù)載的變化動(dòng)態(tài)地調(diào)整工作模式，進(jìn)而避免不必要的功率消耗和干擾的產(chǎn)生。相比于宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)，SCN 中收發(fā)兩端較小的發(fā)射功率減小了電磁輻射對(duì)人體的危害，同時(shí)也減少了溫室氣體排放。若在SCBS 中引入Massive－ MIMO 技術(shù)［11］，相比于采用較少天線數(shù)的MIMO 技術(shù)，在消耗相同功率的情況下能夠獲得更大的容量提升和覆蓋范圍，這可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)能量效率。

(3)充分利用頻譜資源

可用的無(wú)線通信頻譜屬于稀缺資源，因此，不能單純地通過(guò)增加頻譜資源來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)海量的數(shù)據(jù)傳輸需求，一種有前景的解決方法就是認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)［12］。CR 通過(guò)有效的頻譜感知技術(shù)來(lái)靈活地復(fù)用空閑頻譜資源，進(jìn)而滿足數(shù)據(jù)傳輸對(duì)帶寬的需求，而SCBS 較小的傳輸功率和覆蓋范圍使得其能夠在一個(gè)相對(duì)孤立的環(huán)境中進(jìn)行通信。同時(shí)，SCBS 所具有的自組織和自優(yōu)化特性使其能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整通信參數(shù)(發(fā)射功率、頻譜資源、切換模式和睡眠模式等)，以適應(yīng)周圍變化的通信環(huán)境。因此，可在SCN 中引入CR 技術(shù)以進(jìn)一步提高頻譜資源的利用效率。而且高頻段頻譜的傳輸特性較適合短距離的視距傳輸環(huán)境，頻譜的復(fù)用效率非常高，且傳輸鏈路間的干擾較弱，非常適合作為密集部署SCBS 的回傳解決方案，這也使得大量?jī)?yōu)質(zhì)的高頻段(6～100 GHz)頻譜資源能夠很好地應(yīng)用于SCN 中。高頻段較小的天線尺寸使得SCBS 具有極高的集成度，非常適合各種環(huán)境條件下的安裝。在現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，主要物理層參數(shù)是基于宏蜂窩的特點(diǎn)而配置的，如第三代合作伙伴計(jì)劃(The Third Generation Partnership Project，3GPP)中長(zhǎng)期演進(jìn)(Long－Term Evolution，LTE)系統(tǒng)的主要物理層參數(shù)循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)長(zhǎng)度和子載波空間間隔，其數(shù)值的設(shè)定是為了滿足高速移動(dòng)(350～500 km/h)和廣覆蓋(10 km)的宏蜂窩環(huán)境。而相對(duì)于室內(nèi)或熱點(diǎn)地區(qū)的情形，CP 長(zhǎng)度可以降低數(shù)倍，子載波間隔可以提高數(shù)倍，這樣就可以進(jìn)一步提高頻譜利用效率。

(4)降低成本

針對(duì)SCN 中弱移動(dòng)性和小半徑的無(wú)線服務(wù)環(huán)境，可以設(shè)計(jì)更加廉價(jià)的射頻和基帶芯片以及集成度較高的設(shè)備，以降低SCBS 的硬件成本。電信運(yùn)營(yíng)商在熱點(diǎn)和偏遠(yuǎn)地區(qū)以及應(yīng)急情況下引入SCBS，能夠有效降低運(yùn)營(yíng)商選址成本，降低基站運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，并能實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)。通過(guò)采用高頻段進(jìn)行無(wú)線回傳，可有效降低光纜鋪設(shè)成本。而用戶選擇安裝SCBS 設(shè)備能夠獲得更優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的無(wú)線傳輸服務(wù)，且可以降低通信成本。

4.2 小蜂窩網(wǎng)絡(luò)在5G 發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)

盡管SCN 具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但為應(yīng)對(duì)未來(lái)多樣化的通信環(huán)境和通信需求，不斷增多的SCBS 使得SCN 也面臨著諸多挑戰(zhàn)，其所面臨的問(wèn)題和對(duì)應(yīng)的解決方案可總結(jié)為如下幾點(diǎn)。

(1)自組織和自優(yōu)化

SCN 需要具有自組織和自優(yōu)化功能，通過(guò)感知周圍的無(wú)線環(huán)境自動(dòng)配置基本的無(wú)線系統(tǒng)參數(shù)和優(yōu)化無(wú)線資源分配，自動(dòng)更新鄰近小區(qū)列表，并能夠?qū)崿F(xiàn)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)設(shè)備的自我修復(fù)。為加速SCN 資源分配的收斂速度，降低設(shè)備感知復(fù)雜度，并獲得較好的傳輸策略方案，需要采用更加智能的資源分配算法，如基于教學(xué)(Docitive)［13］的資源分配算法的引入能夠有效提高SCN 的自組織和自優(yōu)化性能，當(dāng)SCN 中有一個(gè)SCBS 啟動(dòng)時(shí)，為減少初始化階段對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)而消耗的時(shí)間和能量，該SCBS 采用Docitive 的方案向周圍已工作的SCBS 學(xué)習(xí)，并獲得其檢測(cè)結(jié)果，這樣就可以在提高資源分配精度的同時(shí)提高資源分配算法的收斂速度。為避免大量信令交互而降低系統(tǒng)性能，需要SCN 盡量減少網(wǎng)絡(luò)間的切換，如采用有效的負(fù)載均衡方法。為保證SCN 具有可擴(kuò)展性，所采用的算法應(yīng)具有一定的容錯(cuò)性，并都能夠在分布式和集中式框架下實(shí)施。隨著SCN中所部署SCBS 數(shù)量的增加，合理的睡眠模式將有助于減少不必要的能量消耗和干擾。同時(shí)，如何從系統(tǒng)的角度分析SCN 的性能指標(biāo)(容量、時(shí)延、比特錯(cuò)誤率和中斷概率等)將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而基于隨機(jī)矩陣?yán)碚?Random Matrix Theory，RMT)進(jìn)行大系統(tǒng)性能的分析能夠有效地降低算法復(fù)雜度，并獲得比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果［10］。

(2)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和移動(dòng)性

由于SCBS 部署的隨機(jī)化，將不能保證高速無(wú)線服務(wù)的全覆蓋，同時(shí)大量SCBS 的使用將增加網(wǎng)絡(luò)間干擾協(xié)調(diào)的復(fù)雜度。因此，需要采用有效的用戶切換方案來(lái)應(yīng)對(duì)不同的用戶需求和系統(tǒng)性能限制，如在用戶業(yè)務(wù)需求質(zhì)量提升、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信號(hào)變?nèi)?、?dāng)前網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞和新網(wǎng)絡(luò)具有更好服務(wù)性能等情況下，用戶需要在SCBS 間及SCBS 與MBS 間進(jìn)行合理的切換操作來(lái)獲得更優(yōu)的服務(wù)和更大的系統(tǒng)性能提升。而單個(gè)SCBS 的服務(wù)半徑一般為10～100 m，當(dāng)用戶設(shè)備移動(dòng)速度增大時(shí)，傳統(tǒng)的硬切換算法將導(dǎo)致較大的切換信令開(kāi)銷，甚至引起切換失敗和乒乓切換效應(yīng)。因此，SCN 需要與宏網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，可由宏網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)籌管理并保證無(wú)線信號(hào)覆蓋，而SCN 承載高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在進(jìn)行切換時(shí)可考慮多目標(biāo)切換策略，通過(guò)增加可切換資源(中心頻率、帶寬、信號(hào)強(qiáng)度和干擾強(qiáng)度)數(shù)來(lái)提高切換成功率［14］。另外，如何構(gòu)建以用戶為中心的虛擬蜂窩網(wǎng)絡(luò)［15］，使得用戶設(shè)備在進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)感知不到網(wǎng)絡(luò)間切換帶來(lái)的影響，這將非常有利于提高用戶體驗(yàn)水平。

(3)干擾管理

信息通信技術(shù)(Information and Communication Technology，ICT)已成為全球第5 大耗能產(chǎn)業(yè)，且移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的功率消耗占ICT 功耗10%之多。雖然單個(gè)SCBS 的功耗不大，但隨著部署數(shù)量的增加，其所帶來(lái)的功耗也非常巨大，如來(lái)自公司ABI Research的市場(chǎng)研究數(shù)據(jù)表明，2015年Femtocell 的出貨量達(dá)5400 萬(wàn)，總能耗達(dá)到6.48×108W 之多。當(dāng)采用頻譜復(fù)用因子為1 的開(kāi)放式接入方式隨機(jī)部署SCBS時(shí)，隨著SCBS 數(shù)量的增多，且缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，SCN中同層網(wǎng)絡(luò)間以及SCN 與宏網(wǎng)絡(luò)間的干擾問(wèn)題將愈發(fā)嚴(yán)重。而且SCN 中通信鏈路間具有視距傳播特性，若不采用有效的干擾管理方案，系統(tǒng)性能將受到嚴(yán)重?fù)p害。因此，需要智能的睡眠模式、功率控制機(jī)制和有效的動(dòng)態(tài)頻譜資源接入算法來(lái)減小有害干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響。而干擾對(duì)齊(Interference Alignment，IA)［16］技術(shù)、范德蒙德頻分復(fù)用(Vandermonde Frequency Division Multiplexing，VFDM)［17］技術(shù)和多網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合處理［18］技術(shù)具有較高的復(fù)雜度，且需要可靠的信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)來(lái)保證算法的有效性，而實(shí)際的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中這些算法所能帶來(lái)的性能增益和利益還不太明朗。

(4)安全問(wèn)題

信息安全問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越引起人們的注意，美國(guó)“棱鏡門”事件已經(jīng)為我們敲響了警鐘。由于SCN 具有分層的扁平化結(jié)構(gòu)，SCN 中可能會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)沒(méi)有的易受網(wǎng)絡(luò)攻擊的弱節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)將SCBS 接入不受運(yùn)營(yíng)商完全掌控的基于IP 的回傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用戶隱私將受到威脅。因此，需要SCBS 具有防止網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力，避免黑客等不法分子暴力接入基站獲取和篡改用戶信息。而如何將擬態(tài)安全防御技術(shù)［19］等安全機(jī)制引入SCN，以提高系統(tǒng)的抗攻擊能力將具有切實(shí)的現(xiàn)實(shí)意義。

5 認(rèn)知小蜂窩網(wǎng)絡(luò)

具有優(yōu)質(zhì)傳輸特性的頻譜屬于稀缺資源，而現(xiàn)有的通信技術(shù)需要更多的頻帶來(lái)應(yīng)對(duì)人們不斷增加的高質(zhì)量通信需求，為滿足快速發(fā)展的移動(dòng)通信服務(wù)，頻譜資源將成為5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的命脈。預(yù)計(jì)中國(guó)到2020年還有1000 MHz的頻譜缺口，而現(xiàn)有的通信技術(shù)對(duì)頻譜的利用率較低，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的研究表明，平均僅有15%～85%的授權(quán)頻譜被充分利用［20］。而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)［12］能夠通過(guò)有效的頻譜感知技術(shù)發(fā)現(xiàn)頻譜空穴資源，在不對(duì)授權(quán)的主用戶(Primary User，PU)通信設(shè)備產(chǎn)生有害干擾的情況下能夠提高頻譜資源的利用效率，進(jìn)而增加系統(tǒng)吞吐量。由于SCBS 具有較小的覆蓋范圍以及自組織和自優(yōu)化功能，其固有的特性使得認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠很好地融入到SCN 的部署中，通過(guò)發(fā)現(xiàn)和使用空閑頻譜資源能夠進(jìn)一步提高頻譜資源的復(fù)用率。因此，由認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)與SCN 的結(jié)合而得名的認(rèn)知小蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Small Cell Networks，CSCN)技術(shù)已逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)［5，21－22］，而其所服務(wù)的用戶可稱為認(rèn)知小蜂窩用戶(Cognitive Small Cell User，CSCU)。SCBS 的隨機(jī)部署對(duì)設(shè)備的分布式自組織能力提出了較高的要求［23］，而具有認(rèn)知特性的SCBS 能夠通過(guò)感知其周圍的無(wú)線通信環(huán)境自適應(yīng)地調(diào)整其通信參數(shù)［24］，使其能夠在滿足即插即用特性的同時(shí)最優(yōu)化通信系統(tǒng)的整體性能。

在CSCN 和宏網(wǎng)絡(luò)(或其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò))共同組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，SCBS 的隨機(jī)大量部署使得該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜多變［21］。如何有效地解決其中的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、用戶切換、基站選擇、功率和頻譜資源分配等問(wèn)題已獲得廣泛關(guān)注。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，本節(jié)將分別從上行通信和下行通信兩個(gè)角度介紹CSCN 和宏網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)所面臨的相關(guān)問(wèn)題。

5.1 上行通信干擾問(wèn)題

上行通信時(shí)，移動(dòng)用戶設(shè)備是功率發(fā)射的主體，對(duì)應(yīng)的服務(wù)基站是接收信號(hào)的受體，在通信過(guò)程中移動(dòng)設(shè)備將不可避免地出現(xiàn)干擾其他接收基站的情形，如圖2 所示，其中虛線部分表示干擾。當(dāng)CSCU開(kāi)始通信時(shí)，需要進(jìn)行SCBS 的選擇，根據(jù)不同的接入方式，可將其分為封閉式、開(kāi)放式和混合式接入［25］。若采用封閉式接入模式時(shí)，CSCU 只能接入其注冊(cè)授權(quán)的SCBS，而不能接入其他SCBS。當(dāng)CSCU 距離自己的服務(wù)基站較遠(yuǎn)，但距離其他SCBS或MBS 較近時(shí)，CSCU 設(shè)備需要較大的發(fā)射功率才能進(jìn)行可靠通信。圖2 中CSCU1 和CSCU3 將分別對(duì)MBS 和SCBS2 在同頻段上產(chǎn)生干擾，隨著CSCU的增多，累積干擾將會(huì)影響系統(tǒng)整體性能。因此，需要CSCU 選擇不同的頻段資源或減小發(fā)射功率，以避免同層網(wǎng)絡(luò)或跨層網(wǎng)絡(luò)間的有害干擾，或者通過(guò)在基站端引入干擾溫度限制來(lái)控制有害干擾的產(chǎn)生。但由于該限制條件使得不同CSCU 間的發(fā)射功率和頻譜資源策略間存在耦合關(guān)系，在未知系統(tǒng)全局CSI 的情況下，使得求解CSCN 中各CSCU 的最優(yōu)發(fā)射策略變得更加復(fù)雜，且不易在分布式結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)。若允許CSCU 進(jìn)行SCBS 的選擇，即采用開(kāi)放式的接入模式，在滿足一定服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)需求的情況下，通過(guò)接入信道狀態(tài)較好的SCBS 來(lái)減少對(duì)其他基站設(shè)備的干擾。如CSCU x 設(shè)備在多個(gè)SCBS 的覆蓋下，需要進(jìn)行合理的基站選擇來(lái)減少對(duì)其他基站的干擾，并且可以降低自身的能量消耗，進(jìn)而提高移動(dòng)設(shè)備的電池續(xù)航能力。但開(kāi)放式的接入模式具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，需要基站設(shè)備能夠識(shí)別和應(yīng)對(duì)未知的攻擊行為。而混合式接入模式中的SCBS 在滿足了本網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求或能夠?yàn)槠鋷?lái)更多無(wú)線資源的前提下，才允許對(duì)應(yīng)CSCU(其他SCBS 中的注冊(cè)用戶)的接入。

圖2 上行干擾傳輸模型Fig.2 Uplink interference transmission model

針對(duì)CSCU 設(shè)備的移動(dòng)切換問(wèn)題，若不能進(jìn)行合理的網(wǎng)絡(luò)切換，將會(huì)引起通信中斷，如PU4 在宏網(wǎng)絡(luò)邊緣時(shí)，需要切換到SCBS3 才能進(jìn)行有效通信。為滿足不同的性能需求，需要采用合理的切換算法來(lái)激勵(lì)SCBS 主動(dòng)提供服務(wù)，可以從滿足最小鏈路容量需求、最小化比特錯(cuò)誤率、最小化系統(tǒng)干擾、最大化系統(tǒng)容量或最大化能量效率等角度進(jìn)行切換。如圖2 中的PU3，由于其處于宏網(wǎng)絡(luò)邊緣，在固定帶寬的頻段上需要較大的發(fā)射功率才能建立有效通信，這增加了對(duì)CSCN 的干擾，尤其是對(duì)SCBS2的干擾。若SCBS2 允許PU3 的接入，由于通信鏈路間距離較近，在滿足相同QoS 的情況下，PU3 將消耗更少的功率和使用更少的帶寬，這樣就可以減少對(duì)CSCN 中其他SCBS 的干擾，增加CSCN 中可用頻譜資源的數(shù)量，同時(shí)也減少了電磁輻射對(duì)人體的危害。而基于分簇的虛擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)以CSCU 為中心的連續(xù)無(wú)線服務(wù)，使得CSCU 感受不到其在同一簇中不同SCBS 間的切換行為，該切換過(guò)程將由簇頭進(jìn)行統(tǒng)一管理。根據(jù)分簇的基本原則可采用同區(qū)域分簇和跨區(qū)域分簇兩種主要模式，其中同區(qū)域分簇是將具有相鄰物理結(jié)構(gòu)但使用不同頻譜資源的SCBS 分為一簇，跨區(qū)域分簇是將具有不相鄰物理結(jié)構(gòu)但使用同一頻譜資源的SCBS 分為一簇。根據(jù)不同的系統(tǒng)需求，如何有效地進(jìn)行快速分簇和選擇簇頭將會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大影響，如基于博弈論［26－27］、進(jìn)化理論和蟻群算法等分簇方法的研究。

5.2 下行通信干擾問(wèn)題

下行通信時(shí)，基站是功率發(fā)射的主體，所服務(wù)的用戶設(shè)備是接收信號(hào)的受體，在通信過(guò)程中基站也將不可避免地出現(xiàn)干擾其他非授權(quán)移動(dòng)用戶的情形，如圖3 所示。相比于宏蜂窩中通信鏈路設(shè)備兩邊不同的干擾環(huán)境，CSCN 中通信設(shè)備間較短的距離使得通信鏈路兩邊所受的干擾環(huán)境基本相同，這使得CSCN 上行通信中的很多方法可以移植到其下行通信中。當(dāng)SCBS 距離MBS 較近時(shí)，同頻帶干擾將非常嚴(yán)重，一種簡(jiǎn)單有效的方法便是采用不同頻段進(jìn)行通信，但頻譜利用率較低。而距離較遠(yuǎn)時(shí)，由于信號(hào)路徑損耗和穿墻損耗的影響，MBS 對(duì)SCBS的干擾較弱，通過(guò)合理的功率分配可以實(shí)現(xiàn)全頻譜復(fù)用。有效的切換算法也將減少M(fèi)BS 對(duì)CSCN 的干擾，如圖3 中PU2 和PU3 若被允許分別切換到SCBS3 和SCBS2，在滿足相同QoS 的情況下，SCBS能夠消耗較少的功率和使用較少的帶寬，這樣既減少了對(duì)CSCU1 的干擾，又能激勵(lì)CSCN 主動(dòng)為PU服務(wù)以使用更多的頻譜資源，同時(shí)該方案也更加節(jié)能環(huán)保。若CSCN 不允許PU 的接入，則可能導(dǎo)致通信死區(qū)的出現(xiàn)，即雖然PU 能夠接收到來(lái)自MBS 的信號(hào)，但由于來(lái)自鄰近SCBS 的干擾較大，PU 將不能進(jìn)行正常通信。因此，可以在PU 端引入干擾溫度限制條件［27］，以避免CSCN 中所產(chǎn)生的累積干擾損害PU 的正常通信。

圖3 下行干擾傳輸模型Fig.3 Downlink interference transmission model

針對(duì)用戶的快速移動(dòng)問(wèn)題，頻繁的網(wǎng)絡(luò)切換將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，而有效的分簇算法在下行通信中同樣具有重要的作用。在分布式結(jié)構(gòu)下，需要合理的動(dòng)態(tài)頻譜和功率分配機(jī)制來(lái)最優(yōu)化系統(tǒng)性能，CSCN 主要從利己和利它兩個(gè)方面進(jìn)行資源配置。在利己方式下，SCBS 會(huì)盡量選擇具有較好CSI 的頻譜資源，并采用較大的發(fā)射功率來(lái)最大化其鏈路容量。而利它方式下，SCBS 在考慮自身性能的同時(shí)會(huì)考慮對(duì)其他SCBS 所服務(wù)用戶的影響，以最大化系統(tǒng)整體性能為目標(biāo)。如圖3 中的SCBS2 可通過(guò)減少其發(fā)射功率來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋半徑收縮，雖然服務(wù)的用戶數(shù)量變少，但可以避免對(duì)其他移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生有害干擾，同時(shí)也不會(huì)影響對(duì)CSCU2 的通信。

6 總結(jié)與展望

面對(duì)5G 較高要求的發(fā)展愿景，需要更多和更高的性能指標(biāo)以及更多新型技術(shù)來(lái)指導(dǎo)和支持5G的發(fā)展，其中SCN 所具有的諸多優(yōu)勢(shì)使其在5G 的發(fā)展中起著重要作用，但同時(shí)也需要解決發(fā)展中所遇到的相關(guān)問(wèn)題。而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)與SCN 的結(jié)合充分發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)，使得認(rèn)知小蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠更好地與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)相融合，以適應(yīng)5G 多樣化的服務(wù)需求?；赟CN 特有的眾多優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)有效地解決其發(fā)展中所面臨的問(wèn)題，我們相信SCN 技術(shù)將對(duì)5G 的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

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