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认知能力收获网络：面向未来认知无线电网络的架构演变
摘要：认知无线电技术使用户能够机会性地访问未使用的许可频谱，并被视为应对当前频谱危机的有前途的方式。在过去的15年中，认知无线电技术已经从算法设计到实际实施进行了广泛的研究。一个迫切的根本问题是如何将认知无线电集成到当前的无线网络中，以增强网络容量并改善用户体验。不幸的是，认知无线电网络（CRN）的现有解决方案遭受许多实际设计问题。为了促进这方面的进一步研究活动，我们尝试提供CRN架构设计的教程。注意到在本教程中仍然缺乏CRN的有效架构，我们系统地总结了CRN架构设计的原理，并提出了一种新的灵活的网络架构，称为认知容量收集网络（CCHN），以详细说明如何设计CRN架构。与现有架构不同，我们引入了一个新的网络实体，称为二级服务提供商，并部署了支持认知无线电功能的路由器，称为认知无线电路由器，以便有效地管理资源收集和移动流量，同时使没有认知无线电的用户能够访问和享受CCHN服务。我们的分析表明，我们的CCHN与工业标准化活动保持一致，因此为实施未来的CRN提供了可行的方法。我们希望我们提出的设计方法为未来的CRN研究开辟了新的场所。
索引术语：认知无线电网络，机会频谱接入，多跳传输，频谱拍卖，建筑设计。
第一节 介绍
在过去的二十年中，我们目睹了移动通信技术的巨大成功以及移动数据流量的急剧增长。据思科视觉网络指数报道，截至2015年底，移动流量在过去15年中增长了近4亿倍，并且由于近期智能设备的普及，2015年至2020年间将持续增长近8倍。智能手机和各种新兴应用，如移动健康（mHealth），移动在线社交网络，移动游戏和移动多媒体服务[1]。例如，目前美国使用的智能手机，连接平板电脑和可穿戴设备近3.5亿，产生的流量超过2008年的10万倍[2]。无论根据香农的信息容量限制分配多少频谱，移动数据流量的这种前所未有的扩散将很快超过网络容量[3]。因此，现有的电信系统最终将变得拥挤并需要更多的频谱。遗憾的是，由于固定频谱分配策略，当前电信系统的可用频谱非常有限。最近的一项研究表明，为了支持蓬勃发展的移动数据流量，到2019年我们将需要超过350MHz的额外许可频谱[4]。鉴于对额外频谱资源的巨大需求，联邦通信委员会（FCC）最近为5G系统开辟了毫米波段，放宽了低频段的严格频谱政策[5]-[8]。随着FCC的频谱政策工作，美国国家科学基金会（NSF）宣布投资超过4亿美元以支持先进的无线研究和动态频谱共享被视为一个有前途的研究方向[2]。动态频谱共享为动态共享未充分利用的许可频带提供了机会，只要这种频谱使用不会显着影响现有许可用户的服务。由此产生的认知无线电技术被视为通过利用有效的动态频谱共享策略实现高频谱效率的有前途的解决方案。根据[9]，认知无线电是一种智能无线通信系统，它知道其操作环境并动态地重新配置其操作参数以有效地利用可用的频谱带。当配备认知无线电，未经许可的用户，称为二级用户（SU），可以主动感知未使用的许可频谱并相应地进行通信，而不会影响该频带的许可用户的正常操作，称为主用户（PU）。自从引入认知无线电概念以来，已经对认知无线电的使能技术进行了广泛的研究，例如信道占用建模，频谱感知，频谱决策和资源分配[10]。
在一些调查论文中已经很好地总结了认知无线电的最新研究进展。如前所述，认知无线电的基本操作解决了环境意识，决策和操作参数的重新配置。认知无线电的第一个操作是赋予无线电能够了解其操作环境的能力。在目前的文献中，这通常是通过频谱感知实现的。最近在频谱传感方面的进展已经在[11]中进行了调查，其中Ali和Hamouda[11]回顾了窄带传感，宽带传感和协作传感的现有方法，以及实施和标准化的最新进展。在[11]中在存在实际缺陷的情况下开发基于压缩感知的方法被列为推进认知无线电技术的重要未来步骤。在[12]和[13]中调查了与该主题相关的最新进展。在[12]中，对与压缩感知在认知无线电中的应用相关的现有研究工作进行了全面的评述。在本文中，Sharma等人.首先介绍压缩传感，然后调查与宽带传感，信号参数估计，无线电环境地图构建等相关的现有工作。在[13]中，对认知无线电系统可能遇到的主要缺陷进行全面回顾，并提供相应的对策。除了频谱感知之外，决策能力是使无线电认知的另一个必要条件。认知无线电应该做出的最重要的决定之一是如何获得PU的频谱。通常存在三种频谱接入范例，即机会频谱接入（交织），并发频谱接入（底层）和协作频谱接入（覆盖）。当采用机会频谱接入时，如果检测到PU的活动，则认知无线电不能访问许可频谱。并发频谱接入和协作频谱接入允许认知无线电同时利用许可频谱与PU[14]。一旦确定了频谱接入范例，认知无线电将决定使用哪个频谱以及如何相应地调整操作参数。这些问题在[14]和[15]中有详尽的讨论。特别是，相关的机器学习技术在[16]和[17]中得到了全面的回顾。当与精确的频谱占用模型相结合时，上述技术可以导致更有效的认知无线电。鉴于此，在[18]中调查了从世界各地的测量活动中获得的各种频谱占用模型。
显然，频谱稀缺性和认知无线电技术的发展最终将导致认知无线电和所谓的认知无线电网络（CRN）的广泛应用。CRN最关键的部分之一是如何开发有效的资源分配方案以允许多个认知无线电的共存。由于其重要性，CRN中的资源分配已在文献中得到很好的研究。在[19]和[20]中提供了对CRN中资源分配的各个方面的一般描述，包括重要标准，典型要求/参数和通用方法。[21]中介绍了资源分配算法的综合调查。研究了这些算法的相同点和不同点以及优缺点。在[22]中，基于C-MAC循环的概念，回顾了与认知MAC（C-MAC）设计相关的现有技术解决方案。在[23]中，基于拍卖的方法被调查为无线系统（包括CRN）的有效资源分配方法。[24]和[25]分别讨论了与具有并发频谱接入范例和协作频谱接入范例的CRN相关的特定资源分配问题。在CRN中，特别是多跳CRN，另一个重要问题是如何识别数据传递的最佳路径。[26]中介绍了针对CRN的最新路由度量的调查和分类。与资源分配和路由并行，对CRN中的安全问题的研究兴趣日益增加。在[27]中研究了CRN中安全威胁和相应对策的最新进展，重点是物理层，而在[28]中提出了关于CRN中协作频谱感知的拜占庭攻击和防御的专门但全面的调查。最近，人们越来越关注能源消耗，导致绿色通信技术的快速发展和绿色能源驱动的CRN的出现。在[29]中，回顾了节能认知无线电和绿色能源驱动的CRN的最新进展。
显然，CRN的成功不仅取决于上述各种技术进步，还依赖于有效和高效的网络架构。正如[30]所指出的，如果没有适当的网络架构，上述认知无线电技术的潜力可能无法得到充分利用。不幸的是，这个问题仍未得到很好的解决。即使在[10]和[31]中提出了一些网络架构，仍然假设所有终端设备必须配备认知无线电能力。没有适当的网络架构，相应的CRN甚至可能无法正常工作[15]，[32]-[37]。虽然有很多关于CRN的调查和教程，但遗憾的是，忽略了CRN网络架构设计的重要性。在本文中，我们试图通过提供有关CRN的网络架构设计的教程来填补这一空白。在本教程中，我们系统地总结了CRN架构设计的原理，并采用了一种新颖灵活的网络架构,称为认知容量收集网络（CCHN），作为详细说明如何为CRN设计有效网络架构的示例。与现有提案不同，我们引入了一个新的网络实体，称为辅助服务提供商（SSP），并部署了支持认知无线电的路由实体，称为认知无线电路由器（CR-routers），以便更有效地为SU提供服务。根据随后的讨论，CCHN可以有效地利用可用的收集频带来服务SU，而不对其通信设备施加约束，这与当前的工业标准化活动很好地配合。然后，我们将介绍如何利用多个潜在的研究方向改进设计的架构。最后，我们通过研究如何在各种应用场景中将其用作CRN的解决方案来证明所设计的CCHN架构的有效性。为便于阅读，表I总结了重要的缩写及其定义。
表I 缩略语列表
本教程的其余部分组织如下。在下一节中，我们将回顾CRN实际实施中的重要但被广泛忽视的挑战，并讨论这些缺陷将如何影响CRN的实施，这会激发我们的几个设计原则。然后，在第三节中，我们以CCHN架构为例，详细阐述CRN架构设计，并解释它与获得的设计原则，当前工业标准化活动以及CRN现有建议的关系。在第四节，我们阐述了必须考虑哪些类型的问题，以进一步重新确定具有多个潜在研究方向的设计架构的细节，然后是几个可能的最有效的应用场景，这些场景最适合第五节中的CCHN。最后，在最后一节中得出结论。
第二节 CRN架构的设计原则
我们首先对CRN实际实施中的重要但被广泛忽视的挑战进行全面概述，这使我们更好地了解CRN，使我们能够找出未来CRN必须具备的重要特征，从而指导我们提出未来CRN架构的基本设计原则。接下来，我们将从五个方面来研究这些挑战，即硬件实现，公共控制信道建立，有效资源利用，频谱拍卖以及统计端到端服务质量供应。
A.硬件实施
大多数现有工作假设每个设备都具有认知无线电功能。但是，所有设备都不太可能具备此功能。轻量级手持设备仅具有有限的资源，例如计算资源，电池电量和存储，这使得它们无法实现认知无线电所需的目标。根据FCC的要求，SU不应对许可证持有者（即PU）的传输造成有害干扰或中断。因此，SU应该继续监视/感测未使用的频谱带，以确保PU的传输不受影响，这将消耗大量的时间，计算资源和能量[32]，[38]-[ 41]。当检测到PU有效时，SU的设备需要立即腾出其当前占用的许可频带并可能切换到其他未许可/许可频谱带。如[42]和[43]所述，不同频谱频段之间的切换将涉及功率放大器的频繁调谐，这会导致高能耗。频繁的频谱感知和频谱切换过程会非常快地耗尽电池电量，因此轻量级设备很快就会耗尽电池电量，使设备无法使用。另一方面，相对较小尺寸的轻型设备使硬件设计具有挑战性。在认知无线电中，我们经常需要可重新配置的天线用于通信和处理，以及另一个用于频谱感测/监测的专用天线[44]。当在小型设备上实现这些天线时，我们需要处理共存问题，例如串扰，以便认知无线电的性能不会受到显着影响。此外，当轻量级设备如各种工作中所建议的那样同时使用多个频带时，它们的设计将更加复杂，因为这些设备应该容纳多个收发器/RF链。由于硬件设计的复杂性，赋予具有认知无线电能力的轻量级设备至少在不久的将来不是一件容易的事。即使可以克服上述挑战，也应该花费大量的时间和精力来进行硬件设计和信号处理，这将不可避免地增加用户方面的成本和复杂性。理想的情况是，未来的CRN可以设计得足够灵活，这样没有认知无线电能力的设备仍然可以从认知无线电技术中受益。如同许多多产应用程序通常所做的那样，将硬件设计复杂性从用户端转移到网络端也会更好。1更重要的是，对后向兼容性的要求也要求这种灵活的CRN架构支持没有认知无线电能力的现有设备的服务。
B.共同控制信道建立
为了有效地利用收集的频谱带，我们必须确保链路保持在同一信道和不同链路之间的双方不会相互冲突/干扰。在目前的文献中，这通常是通过共同控制信道（CCC）实现的，其中进行协商和信息交换[47]-[50]。不幸的是，目前还不清楚CCC应分配哪些频段。SU访问未使用的许可频段的动机是缺乏支持当前服务的可用频谱频段。因此，如果没有适当地提供控制信道，即使对于CCC，这些SU也可能没有足够的可靠频谱资源。一些文献建议使用收集的带宽来建立CCC[48]。由于PU活动的空间变化，SU可能对频谱可用性有不同的看法。在这种情况下，考虑到频谱可用性的差异，我们如何在SU中构建CCC？会合过程可以实现这一目标，但SU需要相对较长的时间才能收敛到同一频谱[51]，[52]。在[48]，建议采用集中式方法来建立CCC，这更节省时间。考虑到频谱可用性的空间变化，集中式方法依赖于SU本身来报告其频谱可用性信息。如何以及通过哪些频段SU可以将这些信息提交给中央控制器仍然不清楚。此外，使用收集的频带用于控制信令将需要考虑可靠性问题。当前认知无线电技术的一个基本前提是，一旦PU返回，SU应立即腾出频谱。由于PU的意外返回，控制信令传输可能在任何时间中断，这可能导致正常网络操作的严重问题。因此，为了利用认知无线电，CRN应该能够为控制信道保留可靠的频谱带，但是这个问题在当前的文献中还没有得到很好的解决。
C.资源利用
即使硬件实现和公共控制信道建立已得到妥善处理，如果仅基于CRN的当前网络架构，也可能无法有效利用频谱资源[53]-[56]。广泛采用的CRN架构之一是基于基础设施的CRN（ICRN），其中SU通过单跳连接与BS/AP连接。这种架构可能导致网络频谱资源的低效利用。一方面，单跳中继方案可能导致从SU到BS/AP的长距离传输，因此需要相对高的传输功率，这减少了到本地SU的可用收集频带的数量，因此降低了本地可用频带的利用率。另一方面，单跳传输将极大地限制由于高发射功率引起的频率重用并增加SU的能量消耗。这些问题可以通过将多跳传输纳入ICRN来解决[57]，[58]。然而，目前关于多跳CRN的研究主要集中于认知无线电自组织网络（CRAN），其不依赖于固定基础设施，并且数据通过多跳传输在SU之间转发。CRAN在实践中遇到许多挑战[56]。由于CRAN中的数据传递依赖于基于每个用户的路由，为了获得最佳路由，每个流发起者（源）应该获取完整的网络信息，例如网络拓扑，流量信息，频谱可用性和剩余电池能量，可能会产生太多的控制开销。目前，如何以及在哪些频段上交换这些信息仍然不清楚。此外，在基于各用户的路由中，即使SU可以做出路由决策，由于在考虑频谱可用性时它们之间的冲突，这些路由可能是不可行的。即使所选择的路线是可行的，也很难在不同的链路之间分配足够的资源并且安排它们的传输以建立这些路线。即使可以解决资源分配和链接调度，由于缺乏频谱资源
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