正如我们在第3章中描述的,传统的认知无线电致力于通过动

1、正如我们在第3章中描述的，传统的认知无线电致力于通过动态频谱接入来利用频谱空洞，从而达到提高频谱效率的目的。通过推广协作网络的概念，利用认知无线 电终端自适应连接多个共存无线电系统的能力，我们可以构造一个认知无线电网络，其中不同的系统可以相互连接，相互协作，不论网络节点是属于主用户系统还是 次用户系统。认知无线电终端必须能够以协作接力的方式，利用现存的主用户系统和/或者协同的认知无线电终端，这是对认知无线网络的一个重要推广(请参见图 6.1中的示例)。我们把这样的协作式接力网络称为认知无线电接力网络(cognitive radio relay network, CRRN)。因此，CRRN包括主

2、用户网络和/或者协同认知无线电节点，以及利用该网络传输数据的认知无线电终端。请注意，这里的协同接力节点的目的是整 个网络的总带宽，而不是一般的协同通信中增加分集的目的。换言之，认知无线电并非只是利用频谱空洞的链路层的技术。认知无线电可以和协同接力(即协同式网络)携手并肩，通过利用主用户系统来构造CRRN。进一步 说，来自认知无线电源节点的数据包或者消息，可以通过多跳协作式接力网络，将共存的主用户系统节点以及其他认知无线电节点当成接力节点，最终达到认知无线 电的目标节点。本书中CRN的概念即是针对这样的场景的。6.1.在继续介绍CRN的全面功能之前，我们先集中讨论CRRN是否可以为网络效率带来好

3、处，这也意味着给定频谱带宽后真正的频谱效率(而非物理层的频谱效 率)。为了发掘这一基本内涵，Huang 和 Chen 采用了信息论中的网络编码来研究CRRN。而Geng 将网络编码应用于只包括ad hoc 节点的认知无线电网络。我们用图6.2来说明CRRN。主系统源用户通过主网络(包括接力节点，也即类似于任意数据网络的接力网络)来向目标节点传输数据包。因此主用户和认知无 线电用户的数据流在这个CRRN里共存。既然认知无线电网络的干扰会造成主系统的网络容量下降。我们分析认知无线电的基本行为来学习如何避免对主用户的干 扰。这样，我们就可以通过最大化CRRN的网络容量，而且不造成对主用户的干扰，来？

4、以下，我们通过分析主用户min-cut容量的变化来分析认知无线电和主用户之间的干扰。Min-cut容量是通过网络编码理论得出的整个网络的容量。我 们在分析中考虑迭加编码，因为CRRN可能会采用解码-forward的协作方式，即，接力网络中的节点先对认知无线电网络的信息解码，然后将认知无线电 的信息迭加在主用户的信息上。我们在DF的方式下分析，在不同的CRRN拓扑下，认知无线电的干扰是否可以避免，或者可以得到限制。尽管CRRN有很多种 场景，我们可以只考虑以下四种情况，作为CRRN的基本构成：单跳接力网络(图6.3(a)tandem 接力网络 (图6.3(b)协作式接力网络(图6.4(a)并行协

5、作式接力网络(图6.4(b)这些网络拓扑都应用在有网络编码的协作式通信中。这些关于受限或者可避免的干扰的分析可以推广到到任意协作式的CRRN拓扑中。根据认知无线电规避主系统 的本质，我们集中研究可容忍干扰的分析。首先，我们推导使得认知无线电可以避免对主系统干扰的条件。其次，我们把认知无线电和主用户限制在 unicast，以简化对最大容量的分析。在保证避免对主用户干扰的前途下，我们推导出认知无线电的最大网络容量，并将实现最大网络容量的链接分配问题公 式化为多货运流问题。然后我们放宽对unicast的限制，假设主系统是multicast而认知无线电是unicast。我们证明在这样情况下最大化认 知

6、无线电网络容量的链接容量分配问题成为另外一个线性规划问题。因此，我们可以判决是否任意的网络都可以无干扰地被认知无线电使用，而且可以在CRRN中 最大化认知无线电的网络容量。最后，我们也分析不可避免的干扰已经限制干扰的条件。基于这些步骤，我们可以发展出一套操作准则，以检验可用既提高网络流量 又不干扰主用户的机会。6.1.1系统模型因此，我们发展如图6.2所示的系统模型来研究CRRN的网络容量。6.1.1.1关于CRRN的假设我们做如下假设，以集中分析CRRN中的干扰，并且简化分析过程：在我们分析的CRRN中，只有一个主用户源节点，一个认知无线电源节点，一个或多个主用户目的节点，一个或者多个认知无

7、线电目的节点。认知无线电的源节点并不直接传输到目的节点。所以，我们只考虑认知无线点被接力网络接力的数据流。CRRN中的链接一般都是单向的，因为认知无线电的链接只是机会式地存在一段时间。所以，整个网络可用建模为有向图。在认知无线电节点和接力网络节点之间建立新的链接并不改变其他链接的信道容量。接力网络中的每一个edge至少包含在一条从主用户源到主用户目标的路径里。换言之，接力网络里的每一条链接都要接力传输来自主用户源的数据。我们用有向图G=(V，E)来表示网络，其中不包括利用接力网络的认知无线电节点。V是G中的节点而E是其中的edge，容量矩阵R=Rij中的元素 对应于各链路。类似的，我们用有向图

8、GR=(VR,EE)来表示CRRN，其中容量矩阵？的元素对应于？。因此，这两个图有如下的关系：SCR,TCR分别是认知无线电源节点和目标节点的集合。ECRV是认知无线电节点和接力网络节点的连接。在以下各节里，我们把G=(V，E)称为原始 网络，而将？称为CRRN。6.1.1.2 解码-转发协作策略：迭加编码基于网络编码理论模型，我们定义网络编码的以下元素：1 消息集2 各链路上的编码函数：对于不对认知无线电的消息进行接力的链路：对于对认知无线电和主系统的消息进行接力的链路：对于将节点i 连接到目标的链路3 目标节点的解码：对于主系统：对于认知无线电相应于主系统和认知无线电的消息集合为？和？。源

9、节点随机地从其集合中选择消息，然后在网络里进行传输：n为分组码码长，hrs 和hcr为码率，fij为链路(i,j)上的编码函数。在我们的CRRN中，接力节点对来自主用户和认知无线电的消息分别进行解码，然后将其迭加并加以传 输。所以该链路用来接力认知无线电和主用户的编码函数分别为?和?，它们分别对认知无线电和主系统的消息进行编码。于是？将被在链路(i, j)上被传输。根据以上设置，链路(i,j)上对认知无线电和主系统信息进行接力的的码率为这就是人所共知的迭加编码。这个编码方案将两套网络编码进行迭加。尽管有时迭加编码并不能达到多源网络的容量上限11，我们仍然采用该方案，因为对主 系统和认知无线电进

10、行联合压缩并编码的方案可能并不可行。如果主用户的网络容量被保持不变，我们并不需要改变CRRN中的主用户网络编码。换言之，在 CRRN中,主用户可用使用原有的网络编码，在迭加编码下就好像认知无线电终端并接入网络一样。迭加编码是一种解码-转发的协同方式。6.1.1.3 在解码-转发策略下的网络容量在解码-转发策略下，对于那些包含来自认知无线电和主系统的数据流的链路，我们可以将其链路容量写成？，其中？0？0。在我 们的设置下，通过网络编码，我们可以通过计算min-cut容量，分别对主用户和认知无线电推导出网络容量。我们用以下过程分析其干扰。首先，我们打算推 导出原有网络？的网络容量？。然后，我们可以

11、推出主用户的网络容量，认知无线电的网络容量，以及整个CRRN网络的容量？。这样，我们就可以知道保 证获得vps=v和vcr0的条件，这就意味者认知无线电的干扰是可以避免的。进一步的，我们想要通过适当地分配链路容量，在vps=v的前提下 最大化vcr。如果可行，我们则称之为干扰被限。6.1.2 基本CRRN拓扑的网络容量分析在不同的CRRN拓扑中，基于译码-转发协作方式的认知无线电可以在不同程度上对主系统造成干扰。基于拓扑和链路容量，认知无线电的干扰可以是可避免的， 也可能是不可避免的，可限的，或者不可限的。我们在以下的基本拓扑下分析干扰的性质，并将其推广到任意的拓扑。我们把接力节点和源或者目的

12、地之间的链路的 容量设为无限，这样我们就可以集中研究协作网络里的干扰了。6.1.2.1单跳接力网络我们从最简单的拓扑，单跳接力网络，开始分析。在这个网络里只有一个链路。直观地看，既然认知无线电在传输，主系统将会被认知无线电干扰。如果认知无线电 占据了整个链路的容量，主系统将无法进行传输。因此，在这个网络里，干扰是不可避免的，也是无法限制的。6.1.2.2 Tandem接力网络一个tandem接力网络是由一系列串连的节点构成的。这样的网络的容量是由所有链路中容量最小的链路决定的。因此，认知无线电可以连接到网络中，利用那 些容量更大的链路进行传输，即图6.3(b)中ba的情况。除非我们给认知无线电

13、分配了太多的容量，使得相应的链路成为主系统中容量最小的链路， 认知无线电是不会对主系统发生干扰的，所以，干扰是可以避免的。但是，如果认知无线电占据了任何链路的全部容量，主用户将无法通过接力网络传输任何数据。 因此，如果我们不对其加以限制，认知无线电的干扰是无界的。6.1.2.3 协作式接力网络类似于接力通信，我们通过加入协作式接力节点形成一个协作式接力网络(图6.4中的节点2)，于是网络中就有了三条链路以及两个割集。我们首先考虑原来的 网络的容量(即在没有认知无线电图6.4(a)左边的情况下)。令链路(1,2)(1,3)(2,3)的容量分别为a,b,c.主系统的割集为 (1,2)(1,3),(

14、2,3,(1,3)。该主系统网络的网络容量为现在我们计算协作式接力的网络容量，正如图6.4.(a)右边所示。我们将认知无线电目标接力和节点2，也就是协作式接力节点，连接。将认知无线电的网络 容量记为？，主系统的容量记为？，整个CRRN的网络容量记为？。认知无线电网络的割集为(1,2)。主系统和认知无线电系统的总网络容量为如果a+bv, vcr可以在vp=v的时候大于零。在以下条件下？如果我们设置vp=v，我们知道因此a-c是认知无线电在vps=v的条件下的最大网络容量。注意到vcr=b。这就证明了在这种情况下认知无 线网络对主系统的干扰是有界的。在这样的设置下，？基于以上分析，如果认知无线电的

15、消息是通过不属于割集的链路接力的话，认知无线电对主系统的干扰就是可避免的。进一步地说，在这样的情况下，其干扰对主系 统是有界的。这个现象来源于这样的一个事实：加上协作式接力节点，可以创造新的路由和更多的割集，因此认知无线电对主系统的干扰是可避免而且有界的。在这 个情况下，认知无线电和主系统的网络容量间有两种可能性。当认知无线电的网络容量还没有达到其最大值时，我们可以增加其网络容量而不改变主系统的网络容 量。在达到认知无线电的网络容量后，认知无线电和主系统的网络容量可以在一定范围内进行调节，可是我们赋予认知无线电的网络容量等于从主系统那里剥削来的 容量。反之亦然。6.1.2.4 并行协作式接力网

16、络直到此刻，我们只考虑了一个认知无线电的目标节点。现在，我们把我们的分析推广到多个认知无线电目标节点的情况，来研究相应的干扰。在协作式接力网络里， 我们加入一个额外的协作式接力节点，而在避免对主系统的干扰的前提下，只有一个认知无线电目标节点可以被加入。现在我们加入另外一个节点(图6.4(b) 中的节点3)来形成一个与原来的网络并行的协作式接力网络。接下来我们在CRRN中加入另外一个认知无线电链路。在这样的拓扑里，我们有4个割集，每个割 集有两条链路。让我们再次考虑原主系统的网络容量，如图6.4(b)左所示。将链路(1,2),(1,3),(3,4),(1,4)的容量分别记为a,b,c,d。主用

17、户系统的割集为 ？。该网络的网络容量为？我们接下来分析和认知无线电共存的并行协作式接力网络的容量。认知无线电网络的割集为?，主用户和认知无线电的网络容量分别为？因此，？那么当vps=v的时候vcr可以大于0。在此条件下，我们假设a=db+c，可用得到？a+d0，那么至少有一条链路使得Rijcr0。在edge(i,j)上的主系统链路容量就变为这个edge(i,j)必须属于某个割集。因为RijPSRij，我们有R(Ci)0,当且仅当在包括所有主系统最小割集的edge集合里没有割集。我们首先证明“如果“部分。令链路集合？。令割集集合？包括认知无线电中的所有割集，令hPS为主系统割集中不属于?的最小割

18、集。如果对于 所有？，？。令m为接力网络里的edge数量。在同一割集中edge数量不会超过m。所有？中的每个元素的容量都大于或等于？。这 里？现在我们证明”仅当“部分。假定？，那么？中的每个元素的容量大于或者等于？。可是？，所以？中的每个元素的链路容量无法给认知无线 电分配容量，所以？。注意到当我们考虑压缩-转发的协作策略，而非解码-转发时，”仅当“部分的结论未必成立。现在我们推导在避免对主系统干扰的限制下，认知无线电的最大网络容量，以及在主系统unicast网络中的链路容量分配方法。为了简化问题，在我们推导认 知无线电最大网络容量时，我们首先只考虑一个主系统目标节点和一个认知无线电目标节点。

19、我们定义CRRN的割集为将CRRN分为两个不相连的网络的 edge集合，一个包含着认知无线电源节点和主系统源节点，一个包含认知无线电和主系统的目标节点。于是，CRRN的割集必然包括认知无线电的割集以及主 系统的割集。我们假设接力网络中的edge包含在至少一条从主系统源节点到主系统目标节点的路径里。根据这一假设，每个CRRN的割集都是主系统的割集。定理6.2：令？。CRRN中认知无线电的最大网络容量为CRRN的最小割集容量减去原始网络的容量。证明：令CRRN的最小割集容量为？。我们可以加上一个连接认知无线电源节点和主系统源节点的超级源节点，以及一个联系认知无线电目标节点和主系统目 标节点的超级目

20、标节点，这样，超级源节点的网络容量为？，并且？。因此定理得证。6.1.3.链路分配在我们推导出认知无线电的最大网络容量后，我们应该找到达到认知无线电最大网络容量的网络容量分配方法，而且保证不对主系统产生干扰。CRRN中的链路分 配问题可以表达为一个多货物流问题。来自认知无线电和主系统的信息即货物，认知无线电网络容量？和主系统的网络容量？为货物需求。所以，我们可以 利用线性规划，解决这一多货物流问题，实现对链路容量的分配，以达到认知无线电的最大网络容量。我们放弃unicast的假设，令主系统为multicast，而认知无线电仍然为unicast。对于一个multicast网络，网络容量是由其最小

21、 割集容量限制的。所以我们可以通过推广多货物流问题表达认知无线电最大网络容量的问题。命题6.1：在包括mutlcast主系统和unicast认知无线电的CRRN网络中，达到最大网络容量的链路分配问题可以表达成一个线性规划问题。以下我们证明命题6.1.的正确性。我们分别考虑从主系统源节点到每一个目标节点的数据流。每一个流应该超过或者至少等于？。于是我们在每一条 edge上选择在这些数据流中最大的流量，将其分配给主系统，并最大化认知无线电的网络容量。现在我们可以证明这个问题也可以表达成一个线性规划问题。我们将原网络容量的符号从V改成A，以区分顶点V的符号。于是在主系统multicast网络 中，我

22、们的链路分配算法可以表达如下。？和？代表主系统和认知无线电的源，？和？代表主系统和认知无线电的目标节点(主系统有多个目标节 点)，？和？代表分配给主系统和认知无线电的链路容量，V代表接力节点。在主系统multicast的CRRN网络中，链路分配的线性规划问题如下：我们可以用多种广为所知的方法来解决以上的线性规划问题，例如单纯性方法。以上的结果提供了一个构成CRRN的方法，其中认知无线电可以避免对主用户的干扰。引理6.1.证明了原始网络不应该在网络的瓶颈上有链路。最小割集即网 络的瓶颈。定理6.1推导出了认知无线电应该满足的条件：主系统的最小割集不应该包括认知无线电的任何割集。也即，我们应该可以

23、找到认知无线电的至少一条 从源到目标的路由，不经过主系统的瓶颈。引理6.1和定理6.1给我们提供了CRRN拓扑的全面特性。给定CRRN的拓扑，并且假设主系统和认知无线电都 是uni-cast，定理6.2给出了在避免对主系统的干扰的限制下，认知无线电的最大网络容量，这是认知无线电可以通过接力网络获得的，以网络容量衡量 的资源的上界。界下来，我们把达到认知无线电最大网络容量的链路分配问题，表达为多货物流问题，并可以用线性规划解决。最后，我们把我们的工作推广到 multi-cast主系统和uni-cast认知无线电的情况，证明了认知无线电的最大网络容量问题仍然是一个线性规划问题，因此可以用相应的方法

24、解 决。我们现在研究在认知无线电对主系统造成干扰时，认知无线电网络容量变化时随之而来的总网络容量的变化。根据定理6.2，认知无线电的最小割集必须包含在主 系统的最小割集内，这也是CRRN在获得最大网络容量时的最小格集。因此链路容量分配的微小变化，在不影响认知无线电和主系统的的割集的位置时，不会改变 整个网络的容量。总网络容量仍然是CRRN的最小割集容量。可是当我们考虑认知无线电是 multicast时，链路容量分配的变化可能会减小总的网络容量，正如以下引理所言：如果CRRN中，认知无线电是multicast而主系统是unicast，增加认知无线电的网络容量会减小网络的总容量，如果不同的认知无线

25、电目标节点 的不同割集占据了不止一条属于同一主系统最小割集的链路。证明：我们只证明两个认知无线电目标节点并占据属于同一主系统最小割集的两条链路的情况，因为其他情况都只是这个证明的平凡推广。将这两条属于不同认知无 线电的最小割集的链路记为e1,e2，这两条链路属于同一个主系统割集phi_i。令链路？的容量分配为？。现在，如果我们增加在e1和e2上分 配给认知无线电的网络容量，增量为?，我们有因为e1和e2在认知无线电的不同目标节点的最小割集上，属于主系统的同一个最小割集，我们有方程(6.28)中的不等式是因为存在认知无线电的另外的割集，不包括e1和e2。根据方程(6.30)，CRRN的总的网络容

26、量减少了？接下来我们研究当干扰不可避免的时候，认知无线电对主系统的干扰。我们把我们的讨论限制在只给认知无线电分配较小的容量情况，估计对主系统的干扰的上界。 以下引理的想法已经证明都来源于定理6.1的证明，仅做了一些修改。引理6.3：假设认知无线电的干扰是不可避免的。令链路集合？。认知无线电中有m个割集包含于？。那么在？不受分配给认知无线电的链路容量的 限制的情况下认知无线电对主系统的网络容量的干扰的上界为？。证明：假设认知无线电在？中的割集不交叠。我们将链路容量分配给认知无线电，获得较小的网络容量？，并且不改变？。因此，主系统的最小割集仍 然包含在原来的？中，有m个认知无线电的割集获得了链路容

27、量？。假设这些认知无线电的割集都只包含在一个主系统的最小割集中。那么这个割集的容量将减 少？，主系统的网络容量也成比例地减少。如果我们放弃认知无线电割集不交叠的假设，或者？，干扰将？。因此，干扰将？现在我们研究有界干扰的条件。引理6.4：如果所有认知无线电的路径的edge集合不包括在任何主系统的割集中，认知无线电对主系统的干扰是有界的。证明：我们称占据了所有从源到路径的链路的认知无线电将给主系统带来最大危害。如果所有认知无线电的路径的edge的合集不包括任何主系统的割集的话，主 系统的最小割集容量将大于0，即便是在最坏的情况下。所有主系统的网络容量总是大于0，换言之，认知无线电的干扰是有界的。

28、在满足以上条件的网络中，主系统总是能够保持传输，即便认知无线电不遵守网络礼仪。6.1.4.数值结果为了验证我们的算法可以应用到随机生成的一般CRRN拓扑中，我们在如图6.5(a)所示的7X7的网格中，对一个随机生成的CRRN网络进行了仿真。接 力节点以概率0.5出现在图的每一个格点上。我们考虑单源节点双目标节点的multicast主系统网络，以及单源节点单目标节点的unicast认知无 线电，如图6.5(a)所示。仿真参数设置如下。每条链路的容量从区间1,3中随机选取一个整数。如果两个节点在网格中的距离小于2，我们就认为这两个节点间存在一条链路。我们的 算法对随机生成的CRRN拓扑运行1000

29、次。认知无线电的最大网络容量占主系统的网络容量的比例直方图(？)如图6.6所示。我们用比例来比较主系统 的通信资源和认知无线电的通信资源。当认知无线电的最大网络容量为0的时候，比例定义为-0.5。仿真结果表明，在随机生成的CRRN拓扑中，认知无线电 可以利用主系统来传递数据包的概率为概率92%。我们也注意到，认知无线电容量与主用户网络容量相同或者略少的情况经常发生。平均意义上讲，认知无线电的 网络容量为主系统容量的1.3倍。通过这个结果，我们可以知道，当认知无线电利用主系统网络进行接力的时候，其最大网络容量的概率分别。认知无线电可以获得高网络容量时，通过研究CRRN的拓扑，我们观察到主系统的网

30、络容量被一个或者几个小的割集所限制，如图6.5(b)所示，或者认知无 线电的源和目标节点的距离较近，如图6.5(c)所示 (如图中所示，认知无线电只需要在接力网络中传输一跳或者两跳，就可以到达其目标节点)。我们可以直观地从我们的理论结果中推测出这些特性。如果主系统的 最小割集的数量较小，其容量也较小，主系统就只能使用网络里的一小部分资源。于是，认知无线电就有了更多的利用这些资源的机会。另一方面，如果认知无线电 只使用CRRN中的几个？，它就可以利用这些？中更多的资源，如果这些HOP不是主系统的瓶颈。在这些情况里，我们可以分配更多的容量给认知无线电， 而无需对主系统造成干扰。因为定理 6.1的条

31、件，或者认知无线电的源和目标节点之间没有路由，认知无线电的最大网络容量有可能为0。我们本节分析了当CRRN中认知无线电使用主系统进行接力时，对应于网络拓扑的干扰的特性。当认知无线电使用主系统进行接力时，我们改动译码-转发协作策 略。我们从基本的网络拓扑开始，研究了认知无线电的干扰是否可以避免或者示范有界。我们推导出了如下结论：干扰在单跳接力里是可以避免的，在tandem 网络里是无界的，而在协作式接力结构里是有界的。然后，我们把我们的工作推广到了多认知无线电目标节点的情况。在推广理论结果时，因为认知无线电干扰避免 的本质，我们着重强调了对干扰避免的分析。我们首先推导出了推广的CRRN的条件，以

32、保证认知无线电的干扰是可避免的：主系统的最小割集不能包括认知无线 电的任意割集。因此，在设计CRRN时，我们应该至少有意条认知无线电的路径绕开主系统的瓶颈。这这种拓扑里，我们推导出在主系统unicast的 CRRN中，保证避免对主系统的干扰时的限制下，认知无线电的最大网络容量。我们也证明了为获得最大网络容量的链路容量分配，在unicast和 multicast的主系统中，可以表达成一个线性规划问题。当认知无线电超越干扰的限制时，我们描述了对应于认知无线电网络容量的总网络容量的变化。我 们接下来分析了不可避免的干扰，并估计了在认知无线电网络容量较小时干扰的界。最后，我们推出了认知无线电干扰有界的

33、CRRN拓扑的推广条件。我们对随机 产生的CRRN拓扑进行了仿真，运行了我们的链路分配算法，来获得认知无线电的最大网络容量。平均意义而言，认知无线电的最大网络容量是主系统的1.3 倍，这是一个很大的增益。通过在CRRN中分析干扰的特性，路由和调度可以建立起来以提高网络应用CRRN的效率。因此，使用主系统进行数据包接力的认知 无线电系统被证明可以在网络流量和可利用度上获得频谱效率，认知无线电网络的基础也就随之可建了。6.2.认知无线电网络结构体系认知无线电可以在链路层提高频谱利用率这一事实已经广为人所知了。我们也证明了认知无线电和主系统节点间的协作式接力，可以通过构造一个广义的CRN，以 极大地

34、增加网络容量，这意味这认知无线电将感知其附近可用的网络和通信系统，来完成网络功能，而不仅限于在链路层利用频谱空洞。因此，认知无线电网络不只 是另外一种以认知无线电连接的网络。它们包括了不同种类的共存的多无线电系统，其中包括认知无线电系统。认知无线电网络可以被看成某种包括多种通信系统的 混合网络。其混合来自于各种无线接入技术，网络，用户终端，应用，以及运营商等等。认知无线电的结构体系设计的目标是提高网络的利用率。从用户的角度看， 网络的利用率就意味着它们可以在任何时间和任何地点通过接入CRN来满足其需求。从运营商的角度看，它们不只可以为移动用户提高更好的服务，还可以更有效 的分配无线电和网络的资

35、源。6.2.1.网络体系结构认知无线电使用在中心式，分布式？，满足licensed un?的需求。认知无线电网络的基本构件是移动终端，基站和？网络。这三个构件组成了认知无线电网络里三种网络体系结构，即？6.2.1.1.基础体系结构在基础体系结构中(图6.7)，一个移动终端只能以单跳的方式接入一个基站或者接入点。在同一个基站或者接入点的传输范围内，移动终端应该通过基站或者接 入点进行通信。在不同小区间进行的通信应该通过骨干/核心网络进行。终端/接入点可以运行一个或者多个通信标准/协议来满足移动终端的不同需求。一个认知 无线电终端也可以通过它们的基站/接入点接入不同的通信系统。6.2.1.2 Ad

36、 hoc结构体系在ad-hoc结构体系内，没有基础体系的支持。网络是实时动态生成的。如果一个移动终端发现附近有其他移动终端，而且可以通过一定的通信标准/协议进行 连接，它们就可以设置一条链路，形成一个ad hoc网络。注意到这些节点间的链路可能是由不同通信技术完成的。并且，两个认知无线电终端，可以使用现存的通信协议(例如 WiFi, 或者Bluetooth)，或者动态地使用频谱空洞，来进行通信。6.2.1.3.网状体系结构这种体系结构是基础体系结构和ad hoc体系结构的结合，并且保证基站/接入点之间的无线连接(如图6.9)。这种网络体系类似于混合无线网状网。在这种体系结构里，基站/接入点如同

37、是无 线路由器，形成无线骨干。移动终端可以直接接入基站/接入点，或者利用其他移动终端作为多跳接力节点。有些基站/接入点可以连接到有线骨干/核心网络并作 为网关。既然基站/接入点无须连接到有线骨干/核心网，这就增加了适应性，并减少了对基站/接入点的位置规划的费用。如果基站/接入点有认知无线电的功 能，它们可以通过频谱空洞进行互相通信。因为现在频谱利用度的低下，可能存在大量频谱空洞可资利用。因此，在认知无线电基站/接入点之间的无线通信链路的 容量可能会很大，这使得无线骨干网络可以提供更多的数据流量。6.2.2.认知无线电网络中的链路我们记得认知无线电网络中的两种无线通信系统：主系统和认知无线电系统

38、，其区别为频段上的不同优先级。一个主系统是指现存的，并在一个或者多个固定频段上 工作的系统。不同的主系统在有执照或者无执照的频段上工作，或者在相同的地理位置，或者在相同的频段(或者是相同的频带集合)。它们可以描述如下：在有执照频段的主系统：在有执照频段工作的主系统有使用该频段的最高优先级 (例如2G/3G蜂窝系统，数字电视广播)。其他无执照用户/系统即不能无法容忍地干扰主系统，也不能占用有执照频段。在无执照频段的主系统：在无执照频段上工作的主系统被称为无执照频段主系统。不同的主系统可以利用频谱兼容。特别地，在同一无执照频段上工作的主系统应该 考虑相互的影响，实现共存。这些系统也许有不同的优先级

39、，这取决于一些相关规定。一个认知无线电系统无权接入某一固定频段。认知无线电系统必须通过利用频谱空洞和动态接入进行相互的通信。认知无线电系统中有两种成分，认知无线电基站 (CR-BS)和认知无线电移动终端(CR-MS)。认知无线电基站 (CR-BS)：一个认知无线电基站是认知无线电系统的固定成分，有认知无线电的功能。它代表认知无线电系统的基础体系结构的部分，并为认知无线电移动终端提供支持(例如 频谱空洞管理，移动管理，安全管理等等)。它为认知无线电终端提供接入骨干网络(例如互联网)的网关。认知无线电基站也可以通过互相进行无线通信，形成一 个网状无线骨干网络，其中一些基站如果同有线骨干网络相连接，

40、就可以起到网关的作用。如果一个认知无线电基站可以运行主系统的协议，它也可以为主系统移动 终端提供网络接入业务。认知无线电移动终端(CR-MS)一个认知无线电移动终端是可便携并具有认知无线电功能的设备。它可以重新设置自己，以连入不同的通信系统。它可以感知频谱并动态地利用它们和认知无线电移 动终端或者认知无线电基站进行通信。既然认知无线电系统可以在不同通信系统间提供中介服务，我们就应该设置一些系统间的连接。我们在表6.1中列出了各种可能性，并在图6.10中加以描述。认知无线电移动终端-认知无线电移动终端：一个认知无线电移动终端可以同其他认知无线电移动终端进行直接通信。它们可以联合对不同有执照和无执

41、照的频段中的频谱空洞进行感知，并利用它们作为工作频 段。我们需要一个共同的控制信道来保证它们可以互相交换信息。认知无线电移动终端-认知无线电基站：一个认知无线电基站可以动态地感知附近一个可用的频段，并收集其他移动终端的感知结果，在其覆盖区域为认知无线电移动终端提供单跳接入。这或许需要协同式 感知的技术。在认知无线电基站的协作下，认知无线电移动终端可以接入骨干网，或者和其他通信系统进行通信。认知无线电移动终端-主系统基站：如果有必要让认知无线电移动终端和主系统基站相连接，认知无线电移动终端可以对自己进行重新配置，称为主系统的一部分。在这个情况下，它将在该频段上成为 一个主用户。认知无线电基站-认

42、知无线电基站：当在认知无线电基站间实现直接无线连接时，它们可以形成一个网状无线骨干网。因为它们认知无线电的能力，它们可以动态地选择工作频段并互相通信。既然认知 无线电基站友更多的无线接口，认知无线电基站间的链路容量可能会很大。这种链路的另外一个好处就是减小开销。这是因为我们可以在一些有线连接不能实现的情 况下部署认知无线电基站。主系统移动终端-主系统基站：这是在移动终端和基站间典型的单跳连接。主系统基站负责在其覆盖区域内协调通信，并为主系统移动终端提供骨干王接入。这样的链路随时都是双向的，这是和其 他种类的链路本质的区别。主系统移动终端-认知无线电移动终端：为了提供不同通信系统间的连接性，这种

43、链路是有可能的。在这种情况下，认知无线电终端应该重新设置自己，成为主系统的一部分。主系统移动终端-认知无线电基站：为了提供不同通信系统间的连接性，这种链路是有可能的。如果认知无线电基站可以运行主系统的协议，它就可以为主系统移动终端提供接入服务。主系统移动终端-主系统移动终端：这种通信可以以ad hoc网络的形式存在于主系统中。但是，在某些系统的基础体系结构模式下，这样的通信可能是被禁止的。不过，如果两个节点都可以转换成认知无线电，这就转 换成了认知无线电移动终端之间的通信。请注意以上列表中认知无线电链路的一个特点。除掉主系统移动终端和主系统基站间的连接可以保证双向性外，其他七种连接在一次频谱接

44、入内只能保持单向性。这 不难理解，既然频谱机会在时间上可能很短，无法保证双向数据包的交流，下一次的频谱机会也无法保证。这样的单向链路性质，在考虑各种网络操作时，例如网络 安全性，将起到关键的作用。这一点将在第9章内讨论。6.2.3.认知无线电网络中的IP移动性管理正如我们所提到的，认知无线电网络在很多方面是一种异质网，例如无线通信技术，协议，骨干网络种类，用户终端种类，网络运营商等等。一个认知无线电移动终端选择最好的通信系统来满足其需求。既然不同的无线系统有不同的媒介接入控制和物理层，如何综合这些系统来为上层提供更好的服务，就 成为了一个重要的任务。既然网络层是点到点的通信接口(或者接入技术)

45、和端到端的层(例如传输和应用层)之间的接口，它在综合的过程中起着至关重要的作 用。互联网协议(IP)及其推广已经被看作是将各种异质网络融合成单一的，全IP的，综合的网络平台，移动IP被看作更为相关的推广。在移动IP中有两 个？：本地代理(HA)和外地代理(FA)，它们是本地或者外地网络上的互联网路由器。一个移动节点(MN)通过HA或者FA接入互联网。和MN连接的 节点被称为责任节点。我们希望移动IP能够在认知无线电网络里保持其在移动ad hoc网络中起到的重要性。在传统的基础体系结构里，在基站和移动终端间只有一个跳跃，移动终端之间没有连接，也不允许多跳路径。既然所有的移动终端直接和基站连接，一

46、个集中式的移 动管理方案便成为可行的。例如在移动IP网络中，所有的基站可以通过代理广告，直接向移动终端宣传它们的care-of-address(CoA)。一个 移动终端很容易从外地网络获得CoA，并向起本地代理(HA)注册。然后，HA可以以隧道方式将所有数据报发给移动终端的最终的COA。可是，在网状网结 构的认知无线电网络里，移动管理是更加具有挑战性的研究任务，特别是移动终端间有多跳接力功能时。相关的问题包括位置管理和切换.6.2.3.1 位置管理:位置管理是一个两阶段的过程，使得网络可以找到移动终端的附着点以传递呼叫。这两个阶段包括位置注册和呼叫传递。当一个移动终端访问一个外地网络，并希望

47、得到互联网接入服务时，它首先通过检测代理广告找到FN的移动代理。在得到代理广告后，移动终端便可形成一个CoA并通知HA关于当前CoA和MN之间的 联系。可是，在认知无线电网络中，一个认知无线电移动终端可以同时连接到多个不同的无线系统，这些系统有可能属于不同的FN，它应该从每一个系统获取一个 CoA，以通过它们获取或者传输数据。所以，有必要发展新的策略来对付多重CoA。特别地，一个认知无线电移动终端可以从没一个连接的FN处获取多个 CoA，以便认知无线电终端无须再用一个CoA来代表其当前的位置以及传递数据包。进一步，多个认知无线电终端可以形成一个ad hoc网络，其中有些终端可以连接到基站/接入

48、点以接入骨干/核心网络。我们把这些节点称为网关节点。因为基站/接入点的有限覆盖，有些移动终端只能通过 多跳中继来得到基站的服务，如图6.11所示。这样的移动终端和ad hoc网络的协作和融合是一项具有挑战性的任务。6.2.3.2.切换管理切换管理使得网络可以保持用户在移动并改变网络接入点时的连接。这包括三个阶段：初始化，新连接的产生，数据流控制。因为认知无线电的多跳特性，切换管理 不再是单个移动终端和FN之间的事情。它涉及到多个移动终端和FN。例如，如果有的网关节点从基站的覆盖区域移走，它们应该通知ad hoc网络中的节点连接已经失去。所以ad hoc网络中的节点可以准备实施切换，如果它们和这

49、些网关节点有连接的话。6.3. CRN的终端结构体系认知无线电及网络的实现是基于智能终端设备的，这些终端设备可以完成分布式的网络功能。和传统的蜂窝通信及网络结构比，认知无线电网络包括了大量局域的自 组织的优化，从而在链路层和网络层实行全局的最优。6.3.1. 认知无线电设备体系图6.12描述了我们提出的自组织认知无线电的设备架构，它包括以下主要的功能模块：认知无线电：认知无线电认知无线通信环境以及共存的系统和网络。软件无线电：基于协调者的决定，软件无线电为移动设备通信设置适当的接收机的参数。第2章提供了一些全面可编程的软件无线电的例子。可重置MAC：协调者也决定在系统和网络间最优的路由，可重置

50、MAC则调节至适当全面可接入的协议机上的子进程上。网络层过程：协调者也指导网络层的功能如无线资源分配，移动管理等等，来实现整个网络的运行。自组织通信/网络协调者：终端设备的“大脑”决定(i) 基于认知无线电信息的接入网络路由； (ii) 适当的认知无线电硬件和软件的设置； (iii) 通信需求的维护。射频：射频部分可能包括多个子带射频以涵盖正确的频段，并且有可调节的射频滤波的能力，以满足选定的系统参数。认知无线电和自组织协调者以及软件无线电之间的关系如图6.13所示。我们暂且不考虑电路的复用。广为所知的是认知无线电是以频谱感知为核心的。可是，如图6.13所示，我们需要更多的信息来在实践中提高感

51、知的性能，不仅限于频谱的感知，而且还需要对 一些网络功能进行感知，成为广义的感知或者认知。我们把这样的频谱/网络感知的特点列在下面：射频信号处理：包括载波频率，信号带宽，信号强度，SINR估计BB(？)预检测信号处理：包括发射速率，载波和时间信息，PILOT信号，信道衰减BB检测后处理(有的可以在检测前完成)：包括系统/用户的审核，调制参数，纠错编码种类及速率，多天线参数，传输功率控制。网络处理信息：包括多用户接入或者MAC，无线资源分配(例如时？，子载波，码)，自动重复请求(ARQ)和流量模式(任意比特率(ABR)，恒定比特率 (CBR)，可变比特率(VBR)，路由或者移动信息。以上列表的目

52、的是实现频谱感知，检测共存的系统和网络，以及这些系统和网络的运行。研究文献提供 了大量的实例来实现这个列表中的部分功能。认知无线电的工作流程如图6.14 所示。J. Mitola 和 Haykins 发展了不同但是类似的认知循环的概念。既然我们推广到认知无线网络，以及速率-距离概念，这就区别出了新的特征。认知无线功能不只感知频谱，适应资源，同 时也适应网络环境，把认知路由推广到网络的层次。6.3.3.无线接入网络选择遵循以上的结构，自组织协调者规划路由中正确的网络功能以控制QoS，并决定合适的MAC层的设置，软件无线电通信参数和射频参数。实现自组织无线通信的 典型方法考虑整个网络/系统的拓扑控

53、制，并基于不同的准则进行优化。为了实际的实现，我们从另外一个角度考虑这个问题，即一个终端决定其路由，只取决于其 拥有的信息，以选择正确的接入网络，包括认知无线电。无线接入网络可以是蜂窝网络的一部分，例如UTRAN，一个联往Internet的无线局域网的接入 点，或者WiMAX系统的基站(或者是mesh网络的一个用户站)。因此，我们假设有来自K个系统的用户，都在同一地理区域内工作，设备可以接入所有的工 作频段。传统意义上，一个可以在某个系统内工作的移动设备无法在另外一个系统内工作，在这K个系统中的资源无法公平分配，有的系统可能拥挤，有的系统可能 没有或者有很少的数据流。通过认知无线电，我们可以利用可能的合作，来提供个体和整体的性能。主要的挑战来自于在不同组合的系统中决定合适的合作以提供性 能或者QOS。请注意在实际应用中，用户也许需要一个损耗函数作为系统性能指标。不失一般性，我们考虑一个有n1个用户的电路？的网络(例如2G或者 3G蜂窝网络)，以及一个有n2个用户的包？的网络(例如WIFI)。对于这N=n1+n2个在两个系统间以认知模式工作的用户，我们希望能证明有效的 路由来提高整体网络的性能(如图6.15所示)。数据包的损失是因为冲突与重传，我们也假设网络