正如我們?cè)诘?章中描述的,傳統(tǒng)的認(rèn)知無(wú)線電致力于通過動(dòng)

1、正如我們?cè)诘?章中描述的，傳統(tǒng)的認(rèn)知無(wú)線電致力于通過動(dòng)態(tài)頻譜接入來(lái)利用頻譜空洞，從而達(dá)到提高頻譜效率的目的。通過推廣協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的概念，利用認(rèn)知無(wú)線 電終端自適應(yīng)連接多個(gè)共存無(wú)線電系統(tǒng)的能力，我們可以構(gòu)造一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，其中不同的系統(tǒng)可以相互連接，相互協(xié)作，不論網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是屬于主用戶系統(tǒng)還是 次用戶系統(tǒng)。認(rèn)知無(wú)線電終端必須能夠以協(xié)作接力的方式，利用現(xiàn)存的主用戶系統(tǒng)和/或者協(xié)同的認(rèn)知無(wú)線電終端，這是對(duì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要推廣(請(qǐng)參見圖 6.1中的示例)。我們把這樣的協(xié)作式接力網(wǎng)絡(luò)稱為認(rèn)知無(wú)線電接力網(wǎng)絡(luò)(cognitive radio relay network, CRRN)。因此，CRRN包括主

2、用戶網(wǎng)絡(luò)和/或者協(xié)同認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)，以及利用該網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的認(rèn)知無(wú)線電終端。請(qǐng)注意，這里的協(xié)同接力節(jié)點(diǎn)的目的是整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總帶寬，而不是一般的協(xié)同通信中增加分集的目的。換言之，認(rèn)知無(wú)線電并非只是利用頻譜空洞的鏈路層的技術(shù)。認(rèn)知無(wú)線電可以和協(xié)同接力(即協(xié)同式網(wǎng)絡(luò))攜手并肩，通過利用主用戶系統(tǒng)來(lái)構(gòu)造CRRN。進(jìn)一步 說，來(lái)自認(rèn)知無(wú)線電源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包或者消息，可以通過多跳協(xié)作式接力網(wǎng)絡(luò)，將共存的主用戶系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)以及其他認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)當(dāng)成接力節(jié)點(diǎn)，最終達(dá)到認(rèn)知無(wú)線 電的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。本書中CRN的概念即是針對(duì)這樣的場(chǎng)景的。6.1.在繼續(xù)介紹CRN的全面功能之前，我們先集中討論CRRN是否可以為網(wǎng)絡(luò)效率帶來(lái)好

3、處，這也意味著給定頻譜帶寬后真正的頻譜效率(而非物理層的頻譜效 率)。為了發(fā)掘這一基本內(nèi)涵，Huang 和 Chen 采用了信息論中的網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)研究CRRN。而Geng 將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于只包括ad hoc 節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。我們用圖6.2來(lái)說明CRRN。主系統(tǒng)源用戶通過主網(wǎng)絡(luò)(包括接力節(jié)點(diǎn)，也即類似于任意數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的接力網(wǎng)絡(luò))來(lái)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包。因此主用戶和認(rèn)知無(wú) 線電用戶的數(shù)據(jù)流在這個(gè)CRRN里共存。既然認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的干擾會(huì)造成主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量下降。我們分析認(rèn)知無(wú)線電的基本行為來(lái)學(xué)習(xí)如何避免對(duì)主用戶的干 擾。這樣，我們就可以通過最大化CRRN的網(wǎng)絡(luò)容量，而且不造成對(duì)主用戶的干擾，來(lái)？

4、以下，我們通過分析主用戶min-cut容量的變化來(lái)分析認(rèn)知無(wú)線電和主用戶之間的干擾。Min-cut容量是通過網(wǎng)絡(luò)編碼理論得出的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量。我 們?cè)诜治鲋锌紤]迭加編碼，因?yàn)镃RRN可能會(huì)采用解碼-forward的協(xié)作方式，即，接力網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)先對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的信息解碼，然后將認(rèn)知無(wú)線電 的信息迭加在主用戶的信息上。我們?cè)贒F的方式下分析，在不同的CRRN拓?fù)湎?，認(rèn)知無(wú)線電的干擾是否可以避免，或者可以得到限制。盡管CRRN有很多種 場(chǎng)景，我們可以只考慮以下四種情況，作為CRRN的基本構(gòu)成：?jiǎn)翁恿W(wǎng)絡(luò)(圖6.3(a)tandem 接力網(wǎng)絡(luò) (圖6.3(b)協(xié)作式接力網(wǎng)絡(luò)(圖6.4(a)并行協(xié)

5、作式接力網(wǎng)絡(luò)(圖6.4(b)這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠紤?yīng)用在有網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作式通信中。這些關(guān)于受限或者可避免的干擾的分析可以推廣到到任意協(xié)作式的CRRN拓?fù)渲小８鶕?jù)認(rèn)知無(wú)線電規(guī)避主系統(tǒng) 的本質(zhì)，我們集中研究可容忍干擾的分析。首先，我們推導(dǎo)使得認(rèn)知無(wú)線電可以避免對(duì)主系統(tǒng)干擾的條件。其次，我們把認(rèn)知無(wú)線電和主用戶限制在 unicast，以簡(jiǎn)化對(duì)最大容量的分析。在保證避免對(duì)主用戶干擾的前途下，我們推導(dǎo)出認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量，并將實(shí)現(xiàn)最大網(wǎng)絡(luò)容量的鏈接分配問題公 式化為多貨運(yùn)流問題。然后我們放寬對(duì)unicast的限制，假設(shè)主系統(tǒng)是multicast而認(rèn)知無(wú)線電是unicast。我們證明在這樣情況下最大化認(rèn) 知

6、無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)容量的鏈接容量分配問題成為另外一個(gè)線性規(guī)劃問題。因此，我們可以判決是否任意的網(wǎng)絡(luò)都可以無(wú)干擾地被認(rèn)知無(wú)線電使用，而且可以在CRRN中 最大化認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)容量。最后，我們也分析不可避免的干擾已經(jīng)限制干擾的條件。基于這些步驟，我們可以發(fā)展出一套操作準(zhǔn)則，以檢驗(yàn)可用既提高網(wǎng)絡(luò)流量 又不干擾主用戶的機(jī)會(huì)。6.1.1系統(tǒng)模型因此，我們發(fā)展如圖6.2所示的系統(tǒng)模型來(lái)研究CRRN的網(wǎng)絡(luò)容量。6.1.1.1關(guān)于CRRN的假設(shè)我們做如下假設(shè)，以集中分析CRRN中的干擾，并且簡(jiǎn)化分析過程：在我們分析的CRRN中，只有一個(gè)主用戶源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)或多個(gè)主用戶目的節(jié)點(diǎn)，一個(gè)或者多個(gè)認(rèn)知無(wú)

7、線電目的節(jié)點(diǎn)。認(rèn)知無(wú)線電的源節(jié)點(diǎn)并不直接傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。所以，我們只考慮認(rèn)知無(wú)線點(diǎn)被接力網(wǎng)絡(luò)接力的數(shù)據(jù)流。CRRN中的鏈接一般都是單向的，因?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電的鏈接只是機(jī)會(huì)式地存在一段時(shí)間。所以，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可用建模為有向圖。在認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)和接力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間建立新的鏈接并不改變其他鏈接的信道容量。接力網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)edge至少包含在一條從主用戶源到主用戶目標(biāo)的路徑里。換言之，接力網(wǎng)絡(luò)里的每一條鏈接都要接力傳輸來(lái)自主用戶源的數(shù)據(jù)。我們用有向圖G=(V，E)來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)，其中不包括利用接力網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)。V是G中的節(jié)點(diǎn)而E是其中的edge，容量矩陣R=Rij中的元素 對(duì)應(yīng)于各鏈路。類似的，我們用有向圖

8、GR=(VR,EE)來(lái)表示CRRN，其中容量矩陣？的元素對(duì)應(yīng)于？。因此，這兩個(gè)圖有如下的關(guān)系：SCR,TCR分別是認(rèn)知無(wú)線電源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的集合。ECRV是認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)和接力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接。在以下各節(jié)里，我們把G=(V，E)稱為原始 網(wǎng)絡(luò)，而將？稱為CRRN。6.1.1.2 解碼-轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作策略：迭加編碼基于網(wǎng)絡(luò)編碼理論模型，我們定義網(wǎng)絡(luò)編碼的以下元素：1 消息集2 各鏈路上的編碼函數(shù)：對(duì)于不對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的消息進(jìn)行接力的鏈路：對(duì)于對(duì)認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)的消息進(jìn)行接力的鏈路：對(duì)于將節(jié)點(diǎn)i 連接到目標(biāo)的鏈路3 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的解碼：對(duì)于主系統(tǒng)：對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電相應(yīng)于主系統(tǒng)和認(rèn)知無(wú)線電的消息集合為？和？。源

9、節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地從其集合中選擇消息，然后在網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行傳輸：n為分組碼碼長(zhǎng)，hrs 和hcr為碼率，fij為鏈路(i,j)上的編碼函數(shù)。在我們的CRRN中，接力節(jié)點(diǎn)對(duì)來(lái)自主用戶和認(rèn)知無(wú)線電的消息分別進(jìn)行解碼，然后將其迭加并加以傳 輸。所以該鏈路用來(lái)接力認(rèn)知無(wú)線電和主用戶的編碼函數(shù)分別為?和?，它們分別對(duì)認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)的消息進(jìn)行編碼。于是？將被在鏈路(i, j)上被傳輸。根據(jù)以上設(shè)置，鏈路(i,j)上對(duì)認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)信息進(jìn)行接力的的碼率為這就是人所共知的迭加編碼。這個(gè)編碼方案將兩套網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行迭加。盡管有時(shí)迭加編碼并不能達(dá)到多源網(wǎng)絡(luò)的容量上限11，我們?nèi)匀徊捎迷摲桨?，因?yàn)閷?duì)主 系統(tǒng)和認(rèn)知無(wú)線電進(jìn)

10、行聯(lián)合壓縮并編碼的方案可能并不可行。如果主用戶的網(wǎng)絡(luò)容量被保持不變，我們并不需要改變CRRN中的主用戶網(wǎng)絡(luò)編碼。換言之，在 CRRN中,主用戶可用使用原有的網(wǎng)絡(luò)編碼，在迭加編碼下就好像認(rèn)知無(wú)線電終端并接入網(wǎng)絡(luò)一樣。迭加編碼是一種解碼-轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)同方式。6.1.1.3 在解碼-轉(zhuǎn)發(fā)策略下的網(wǎng)絡(luò)容量在解碼-轉(zhuǎn)發(fā)策略下，對(duì)于那些包含來(lái)自認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流的鏈路，我們可以將其鏈路容量寫成？，其中？0？0。在我 們的設(shè)置下，通過網(wǎng)絡(luò)編碼，我們可以通過計(jì)算min-cut容量，分別對(duì)主用戶和認(rèn)知無(wú)線電推導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)容量。我們用以下過程分析其干擾。首先，我們打算推 導(dǎo)出原有網(wǎng)絡(luò)？的網(wǎng)絡(luò)容量？。然后，我們可以

11、推出主用戶的網(wǎng)絡(luò)容量，認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)容量，以及整個(gè)CRRN網(wǎng)絡(luò)的容量？。這樣，我們就可以知道保 證獲得vps=v和vcr0的條件，這就意味者認(rèn)知無(wú)線電的干擾是可以避免的。進(jìn)一步的，我們想要通過適當(dāng)?shù)胤峙滏溌啡萘?，在vps=v的前提下 最大化vcr。如果可行，我們則稱之為干擾被限。6.1.2 基本CRRN拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)容量分析在不同的CRRN拓?fù)渲?，基于譯碼-轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式的認(rèn)知無(wú)線電可以在不同程度上對(duì)主系統(tǒng)造成干擾?；谕?fù)浜玩溌啡萘浚J(rèn)知無(wú)線電的干擾可以是可避免的， 也可能是不可避免的，可限的，或者不可限的。我們?cè)谝韵碌幕就負(fù)湎路治龈蓴_的性質(zhì)，并將其推廣到任意的拓?fù)洹Ｎ覀儼呀恿?jié)點(diǎn)和源或者目的

12、地之間的鏈路的 容量設(shè)為無(wú)限，這樣我們就可以集中研究協(xié)作網(wǎng)絡(luò)里的干擾了。6.1.2.1單跳接力網(wǎng)絡(luò)我們從最簡(jiǎn)單的拓?fù)?，單跳接力網(wǎng)絡(luò)，開始分析。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里只有一個(gè)鏈路。直觀地看，既然認(rèn)知無(wú)線電在傳輸，主系統(tǒng)將會(huì)被認(rèn)知無(wú)線電干擾。如果認(rèn)知無(wú)線電 占據(jù)了整個(gè)鏈路的容量，主系統(tǒng)將無(wú)法進(jìn)行傳輸。因此，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里，干擾是不可避免的，也是無(wú)法限制的。6.1.2.2 Tandem接力網(wǎng)絡(luò)一個(gè)tandem接力網(wǎng)絡(luò)是由一系列串連的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。這樣的網(wǎng)絡(luò)的容量是由所有鏈路中容量最小的鏈路決定的。因此，認(rèn)知無(wú)線電可以連接到網(wǎng)絡(luò)中，利用那 些容量更大的鏈路進(jìn)行傳輸，即圖6.3(b)中ba的情況。除非我們給認(rèn)知無(wú)線電

13、分配了太多的容量，使得相應(yīng)的鏈路成為主系統(tǒng)中容量最小的鏈路， 認(rèn)知無(wú)線電是不會(huì)對(duì)主系統(tǒng)發(fā)生干擾的，所以，干擾是可以避免的。但是，如果認(rèn)知無(wú)線電占據(jù)了任何鏈路的全部容量，主用戶將無(wú)法通過接力網(wǎng)絡(luò)傳輸任何數(shù)據(jù)。 因此，如果我們不對(duì)其加以限制，認(rèn)知無(wú)線電的干擾是無(wú)界的。6.1.2.3 協(xié)作式接力網(wǎng)絡(luò)類似于接力通信，我們通過加入?yún)f(xié)作式接力節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)協(xié)作式接力網(wǎng)絡(luò)(圖6.4中的節(jié)點(diǎn)2)，于是網(wǎng)絡(luò)中就有了三條鏈路以及兩個(gè)割集。我們首先考慮原來(lái)的 網(wǎng)絡(luò)的容量(即在沒有認(rèn)知無(wú)線電圖6.4(a)左邊的情況下)。令鏈路(1,2)(1,3)(2,3)的容量分別為a,b,c.主系統(tǒng)的割集為 (1,2)(1,3),(

14、2,3,(1,3)。該主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量為現(xiàn)在我們計(jì)算協(xié)作式接力的網(wǎng)絡(luò)容量，正如圖6.4.(a)右邊所示。我們將認(rèn)知無(wú)線電目標(biāo)接力和節(jié)點(diǎn)2，也就是協(xié)作式接力節(jié)點(diǎn)，連接。將認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò) 容量記為？，主系統(tǒng)的容量記為？，整個(gè)CRRN的網(wǎng)絡(luò)容量記為？。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的割集為(1,2)。主系統(tǒng)和認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的總網(wǎng)絡(luò)容量為如果a+bv, vcr可以在vp=v的時(shí)候大于零。在以下條件下？如果我們?cè)O(shè)置vp=v，我們知道因此a-c是認(rèn)知無(wú)線電在vps=v的條件下的最大網(wǎng)絡(luò)容量。注意到vcr=b。這就證明了在這種情況下認(rèn)知無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)對(duì)主系統(tǒng)的干擾是有界的。在這樣的設(shè)置下，？基于以上分析，如果認(rèn)知無(wú)線電的

15、消息是通過不屬于割集的鏈路接力的話，認(rèn)知無(wú)線電對(duì)主系統(tǒng)的干擾就是可避免的。進(jìn)一步地說，在這樣的情況下，其干擾對(duì)主系 統(tǒng)是有界的。這個(gè)現(xiàn)象來(lái)源于這樣的一個(gè)事實(shí)：加上協(xié)作式接力節(jié)點(diǎn)，可以創(chuàng)造新的路由和更多的割集，因此認(rèn)知無(wú)線電對(duì)主系統(tǒng)的干擾是可避免而且有界的。在這 個(gè)情況下，認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量間有兩種可能性。當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)容量還沒有達(dá)到其最大值時(shí)，我們可以增加其網(wǎng)絡(luò)容量而不改變主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容 量。在達(dá)到認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)容量后，認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可是我們賦予認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)容量等于從主系統(tǒng)那里剝削來(lái)的 容量。反之亦然。6.1.2.4 并行協(xié)作式接力網(wǎng)

16、絡(luò)直到此刻，我們只考慮了一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)在，我們把我們的分析推廣到多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的情況，來(lái)研究相應(yīng)的干擾。在協(xié)作式接力網(wǎng)絡(luò)里， 我們加入一個(gè)額外的協(xié)作式接力節(jié)點(diǎn)，而在避免對(duì)主系統(tǒng)的干擾的前提下，只有一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以被加入?，F(xiàn)在我們加入另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖6.4(b) 中的節(jié)點(diǎn)3)來(lái)形成一個(gè)與原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)并行的協(xié)作式接力網(wǎng)絡(luò)。接下來(lái)我們?cè)贑RRN中加入另外一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電鏈路。在這樣的拓?fù)淅?，我們?個(gè)割集，每個(gè)割 集有兩條鏈路。讓我們?cè)俅慰紤]原主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量，如圖6.4(b)左所示。將鏈路(1,2),(1,3),(3,4),(1,4)的容量分別記為a,b,c,d。主用

17、戶系統(tǒng)的割集為 ？。該網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量為？我們接下來(lái)分析和認(rèn)知無(wú)線電共存的并行協(xié)作式接力網(wǎng)絡(luò)的容量。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的割集為?，主用戶和認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)容量分別為？因此，？那么當(dāng)vps=v的時(shí)候vcr可以大于0。在此條件下，我們假設(shè)a=db+c，可用得到？a+d0，那么至少有一條鏈路使得Rijcr0。在edge(i,j)上的主系統(tǒng)鏈路容量就變?yōu)檫@個(gè)edge(i,j)必須屬于某個(gè)割集。因?yàn)镽ijPSRij，我們有R(Ci)0,當(dāng)且僅當(dāng)在包括所有主系統(tǒng)最小割集的edge集合里沒有割集。我們首先證明“如果“部分。令鏈路集合？。令割集集合？包括認(rèn)知無(wú)線電中的所有割集，令hPS為主系統(tǒng)割集中不屬于?的最小割

18、集。如果對(duì)于 所有？，？。令m為接力網(wǎng)絡(luò)里的edge數(shù)量。在同一割集中edge數(shù)量不會(huì)超過m。所有？中的每個(gè)元素的容量都大于或等于？。這 里？現(xiàn)在我們證明”僅當(dāng)“部分。假定？，那么？中的每個(gè)元素的容量大于或者等于？?？墒牵?，所以？中的每個(gè)元素的鏈路容量無(wú)法給認(rèn)知無(wú)線 電分配容量，所以？。注意到當(dāng)我們考慮壓縮-轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作策略，而非解碼-轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，”僅當(dāng)“部分的結(jié)論未必成立?，F(xiàn)在我們推導(dǎo)在避免對(duì)主系統(tǒng)干擾的限制下，認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量，以及在主系統(tǒng)unicast網(wǎng)絡(luò)中的鏈路容量分配方法。為了簡(jiǎn)化問題，在我們推導(dǎo)認(rèn) 知無(wú)線電最大網(wǎng)絡(luò)容量時(shí)，我們首先只考慮一個(gè)主系統(tǒng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

19、我們定義CRRN的割集為將CRRN分為兩個(gè)不相連的網(wǎng)絡(luò)的 edge集合，一個(gè)包含著認(rèn)知無(wú)線電源節(jié)點(diǎn)和主系統(tǒng)源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)包含認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。于是，CRRN的割集必然包括認(rèn)知無(wú)線電的割集以及主 系統(tǒng)的割集。我們假設(shè)接力網(wǎng)絡(luò)中的edge包含在至少一條從主系統(tǒng)源節(jié)點(diǎn)到主系統(tǒng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑里。根據(jù)這一假設(shè)，每個(gè)CRRN的割集都是主系統(tǒng)的割集。定理6.2：令？。CRRN中認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量為CRRN的最小割集容量減去原始網(wǎng)絡(luò)的容量。證明：令CRRN的最小割集容量為？。我們可以加上一個(gè)連接認(rèn)知無(wú)線電源節(jié)點(diǎn)和主系統(tǒng)源節(jié)點(diǎn)的超級(jí)源節(jié)點(diǎn)，以及一個(gè)聯(lián)系認(rèn)知無(wú)線電目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和主系統(tǒng)目 標(biāo)節(jié)點(diǎn)的超級(jí)目

20、標(biāo)節(jié)點(diǎn)，這樣，超級(jí)源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)容量為？，并且？。因此定理得證。6.1.3.鏈路分配在我們推導(dǎo)出認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量后，我們應(yīng)該找到達(dá)到認(rèn)知無(wú)線電最大網(wǎng)絡(luò)容量的網(wǎng)絡(luò)容量分配方法，而且保證不對(duì)主系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。CRRN中的鏈路分 配問題可以表達(dá)為一個(gè)多貨物流問題。來(lái)自認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)的信息即貨物，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)容量？和主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量？為貨物需求。所以，我們可以 利用線性規(guī)劃，解決這一多貨物流問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路容量的分配，以達(dá)到認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量。我們放棄unicast的假設(shè)，令主系統(tǒng)為multicast，而認(rèn)知無(wú)線電仍然為unicast。對(duì)于一個(gè)multicast網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)容量是由其最小

21、 割集容量限制的。所以我們可以通過推廣多貨物流問題表達(dá)認(rèn)知無(wú)線電最大網(wǎng)絡(luò)容量的問題。命題6.1：在包括mutlcast主系統(tǒng)和unicast認(rèn)知無(wú)線電的CRRN網(wǎng)絡(luò)中，達(dá)到最大網(wǎng)絡(luò)容量的鏈路分配問題可以表達(dá)成一個(gè)線性規(guī)劃問題。以下我們證明命題6.1.的正確性。我們分別考慮從主系統(tǒng)源節(jié)點(diǎn)到每一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流。每一個(gè)流應(yīng)該超過或者至少等于？。于是我們?cè)诿恳粭l edge上選擇在這些數(shù)據(jù)流中最大的流量，將其分配給主系統(tǒng)，并最大化認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)容量?，F(xiàn)在我們可以證明這個(gè)問題也可以表達(dá)成一個(gè)線性規(guī)劃問題。我們將原網(wǎng)絡(luò)容量的符號(hào)從V改成A，以區(qū)分頂點(diǎn)V的符號(hào)。于是在主系統(tǒng)multicast網(wǎng)絡(luò) 中，我

22、們的鏈路分配算法可以表達(dá)如下。？和？代表主系統(tǒng)和認(rèn)知無(wú)線電的源，？和？代表主系統(tǒng)和認(rèn)知無(wú)線電的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(主系統(tǒng)有多個(gè)目標(biāo)節(jié) 點(diǎn))，？和？代表分配給主系統(tǒng)和認(rèn)知無(wú)線電的鏈路容量，V代表接力節(jié)點(diǎn)。在主系統(tǒng)multicast的CRRN網(wǎng)絡(luò)中，鏈路分配的線性規(guī)劃問題如下：我們可以用多種廣為所知的方法來(lái)解決以上的線性規(guī)劃問題，例如單純性方法。以上的結(jié)果提供了一個(gè)構(gòu)成CRRN的方法，其中認(rèn)知無(wú)線電可以避免對(duì)主用戶的干擾。引理6.1.證明了原始網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)的瓶頸上有鏈路。最小割集即網(wǎng) 絡(luò)的瓶頸。定理6.1推導(dǎo)出了認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)該滿足的條件：主系統(tǒng)的最小割集不應(yīng)該包括認(rèn)知無(wú)線電的任何割集。也即，我們應(yīng)該可以

23、找到認(rèn)知無(wú)線電的至少一條 從源到目標(biāo)的路由，不經(jīng)過主系統(tǒng)的瓶頸。引理6.1和定理6.1給我們提供了CRRN拓?fù)涞娜嫣匦?。給定CRRN的拓?fù)?，并且假設(shè)主系統(tǒng)和認(rèn)知無(wú)線電都 是uni-cast，定理6.2給出了在避免對(duì)主系統(tǒng)的干擾的限制下，認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量，這是認(rèn)知無(wú)線電可以通過接力網(wǎng)絡(luò)獲得的，以網(wǎng)絡(luò)容量衡量 的資源的上界。界下來(lái)，我們把達(dá)到認(rèn)知無(wú)線電最大網(wǎng)絡(luò)容量的鏈路分配問題，表達(dá)為多貨物流問題，并可以用線性規(guī)劃解決。最后，我們把我們的工作推廣到 multi-cast主系統(tǒng)和uni-cast認(rèn)知無(wú)線電的情況，證明了認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量問題仍然是一個(gè)線性規(guī)劃問題，因此可以用相應(yīng)的方法

24、解 決。我們現(xiàn)在研究在認(rèn)知無(wú)線電對(duì)主系統(tǒng)造成干擾時(shí)，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)容量變化時(shí)隨之而來(lái)的總網(wǎng)絡(luò)容量的變化。根據(jù)定理6.2，認(rèn)知無(wú)線電的最小割集必須包含在主 系統(tǒng)的最小割集內(nèi)，這也是CRRN在獲得最大網(wǎng)絡(luò)容量時(shí)的最小格集。因此鏈路容量分配的微小變化，在不影響認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)的的割集的位置時(shí)，不會(huì)改變 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量。總網(wǎng)絡(luò)容量仍然是CRRN的最小割集容量?？墒钱?dāng)我們考慮認(rèn)知無(wú)線電是 multicast時(shí)，鏈路容量分配的變化可能會(huì)減小總的網(wǎng)絡(luò)容量，正如以下引理所言：如果CRRN中，認(rèn)知無(wú)線電是multicast而主系統(tǒng)是unicast，增加認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)容量會(huì)減小網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘浚绻煌恼J(rèn)知無(wú)線

25、電目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 的不同割集占據(jù)了不止一條屬于同一主系統(tǒng)最小割集的鏈路。證明：我們只證明兩個(gè)認(rèn)知無(wú)線電目標(biāo)節(jié)點(diǎn)并占據(jù)屬于同一主系統(tǒng)最小割集的兩條鏈路的情況，因?yàn)槠渌闆r都只是這個(gè)證明的平凡推廣。將這兩條屬于不同認(rèn)知無(wú) 線電的最小割集的鏈路記為e1,e2，這兩條鏈路屬于同一個(gè)主系統(tǒng)割集phi_i。令鏈路？的容量分配為？?，F(xiàn)在，如果我們?cè)黾釉趀1和e2上分 配給認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)絡(luò)容量，增量為?，我們有因?yàn)閑1和e2在認(rèn)知無(wú)線電的不同目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小割集上，屬于主系統(tǒng)的同一個(gè)最小割集，我們有方程(6.28)中的不等式是因?yàn)榇嬖谡J(rèn)知無(wú)線電的另外的割集，不包括e1和e2。根據(jù)方程(6.30)，CRRN的總的網(wǎng)絡(luò)容

26、量減少了？接下來(lái)我們研究當(dāng)干擾不可避免的時(shí)候，認(rèn)知無(wú)線電對(duì)主系統(tǒng)的干擾。我們把我們的討論限制在只給認(rèn)知無(wú)線電分配較小的容量情況，估計(jì)對(duì)主系統(tǒng)的干擾的上界。 以下引理的想法已經(jīng)證明都來(lái)源于定理6.1的證明，僅做了一些修改。引理6.3：假設(shè)認(rèn)知無(wú)線電的干擾是不可避免的。令鏈路集合？。認(rèn)知無(wú)線電中有m個(gè)割集包含于？。那么在？不受分配給認(rèn)知無(wú)線電的鏈路容量的 限制的情況下認(rèn)知無(wú)線電對(duì)主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量的干擾的上界為？。證明：假設(shè)認(rèn)知無(wú)線電在？中的割集不交疊。我們將鏈路容量分配給認(rèn)知無(wú)線電，獲得較小的網(wǎng)絡(luò)容量？，并且不改變？。因此，主系統(tǒng)的最小割集仍 然包含在原來(lái)的？中，有m個(gè)認(rèn)知無(wú)線電的割集獲得了鏈路容

27、量？。假設(shè)這些認(rèn)知無(wú)線電的割集都只包含在一個(gè)主系統(tǒng)的最小割集中。那么這個(gè)割集的容量將減 少？，主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量也成比例地減少。如果我們放棄認(rèn)知無(wú)線電割集不交疊的假設(shè)，或者？，干擾將？。因此，干擾將？現(xiàn)在我們研究有界干擾的條件。引理6.4：如果所有認(rèn)知無(wú)線電的路徑的edge集合不包括在任何主系統(tǒng)的割集中，認(rèn)知無(wú)線電對(duì)主系統(tǒng)的干擾是有界的。證明：我們稱占據(jù)了所有從源到路徑的鏈路的認(rèn)知無(wú)線電將給主系統(tǒng)帶來(lái)最大危害。如果所有認(rèn)知無(wú)線電的路徑的edge的合集不包括任何主系統(tǒng)的割集的話，主 系統(tǒng)的最小割集容量將大于0，即便是在最壞的情況下。所有主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量總是大于0，換言之，認(rèn)知無(wú)線電的干擾是有界的。

28、在滿足以上條件的網(wǎng)絡(luò)中，主系統(tǒng)總是能夠保持傳輸，即便認(rèn)知無(wú)線電不遵守網(wǎng)絡(luò)禮儀。6.1.4.數(shù)值結(jié)果為了驗(yàn)證我們的算法可以應(yīng)用到隨機(jī)生成的一般CRRN拓?fù)渲?，我們?cè)谌鐖D6.5(a)所示的7X7的網(wǎng)格中，對(duì)一個(gè)隨機(jī)生成的CRRN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真。接 力節(jié)點(diǎn)以概率0.5出現(xiàn)在圖的每一個(gè)格點(diǎn)上。我們考慮單源節(jié)點(diǎn)雙目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的multicast主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，以及單源節(jié)點(diǎn)單目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的unicast認(rèn)知無(wú) 線電，如圖6.5(a)所示。仿真參數(shù)設(shè)置如下。每條鏈路的容量從區(qū)間1,3中隨機(jī)選取一個(gè)整數(shù)。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)格中的距離小于2，我們就認(rèn)為這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在一條鏈路。我們的 算法對(duì)隨機(jī)生成的CRRN拓?fù)溥\(yùn)行1000

29、次。認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量占主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量的比例直方圖(？)如圖6.6所示。我們用比例來(lái)比較主系統(tǒng) 的通信資源和認(rèn)知無(wú)線電的通信資源。當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量為0的時(shí)候，比例定義為-0.5。仿真結(jié)果表明，在隨機(jī)生成的CRRN拓?fù)渲校J(rèn)知無(wú)線電 可以利用主系統(tǒng)來(lái)傳遞數(shù)據(jù)包的概率為概率92%。我們也注意到，認(rèn)知無(wú)線電容量與主用戶網(wǎng)絡(luò)容量相同或者略少的情況經(jīng)常發(fā)生。平均意義上講，認(rèn)知無(wú)線電的 網(wǎng)絡(luò)容量為主系統(tǒng)容量的1.3倍。通過這個(gè)結(jié)果，我們可以知道，當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電利用主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接力的時(shí)候，其最大網(wǎng)絡(luò)容量的概率分別。認(rèn)知無(wú)線電可以獲得高網(wǎng)絡(luò)容量時(shí)，通過研究CRRN的拓?fù)?，我們觀察到主系統(tǒng)的網(wǎng)

30、絡(luò)容量被一個(gè)或者幾個(gè)小的割集所限制，如圖6.5(b)所示，或者認(rèn)知無(wú) 線電的源和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離較近，如圖6.5(c)所示 (如圖中所示，認(rèn)知無(wú)線電只需要在接力網(wǎng)絡(luò)中傳輸一跳或者兩跳，就可以到達(dá)其目標(biāo)節(jié)點(diǎn))。我們可以直觀地從我們的理論結(jié)果中推測(cè)出這些特性。如果主系統(tǒng)的 最小割集的數(shù)量較小，其容量也較小，主系統(tǒng)就只能使用網(wǎng)絡(luò)里的一小部分資源。于是，認(rèn)知無(wú)線電就有了更多的利用這些資源的機(jī)會(huì)。另一方面，如果認(rèn)知無(wú)線電 只使用CRRN中的幾個(gè)？，它就可以利用這些？中更多的資源，如果這些HOP不是主系統(tǒng)的瓶頸。在這些情況里，我們可以分配更多的容量給認(rèn)知無(wú)線電， 而無(wú)需對(duì)主系統(tǒng)造成干擾。因?yàn)槎ɡ?6.1的條

31、件，或者認(rèn)知無(wú)線電的源和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間沒有路由，認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量有可能為0。我們本節(jié)分析了當(dāng)CRRN中認(rèn)知無(wú)線電使用主系統(tǒng)進(jìn)行接力時(shí)，對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母蓴_的特性。當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電使用主系統(tǒng)進(jìn)行接力時(shí)，我們改動(dòng)譯碼-轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作策 略。我們從基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溟_始，研究了認(rèn)知無(wú)線電的干擾是否可以避免或者示范有界。我們推導(dǎo)出了如下結(jié)論：干擾在單跳接力里是可以避免的，在tandem 網(wǎng)絡(luò)里是無(wú)界的，而在協(xié)作式接力結(jié)構(gòu)里是有界的。然后，我們把我們的工作推廣到了多認(rèn)知無(wú)線電目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的情況。在推廣理論結(jié)果時(shí)，因?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電干擾避免 的本質(zhì)，我們著重強(qiáng)調(diào)了對(duì)干擾避免的分析。我們首先推導(dǎo)出了推廣的CRRN的條件，以

32、保證認(rèn)知無(wú)線電的干擾是可避免的：主系統(tǒng)的最小割集不能包括認(rèn)知無(wú)線 電的任意割集。因此，在設(shè)計(jì)CRRN時(shí)，我們應(yīng)該至少有意條認(rèn)知無(wú)線電的路徑繞開主系統(tǒng)的瓶頸。這這種拓?fù)淅?，我們推?dǎo)出在主系統(tǒng)unicast的 CRRN中，保證避免對(duì)主系統(tǒng)的干擾時(shí)的限制下，認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量。我們也證明了為獲得最大網(wǎng)絡(luò)容量的鏈路容量分配，在unicast和 multicast的主系統(tǒng)中，可以表達(dá)成一個(gè)線性規(guī)劃問題。當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電超越干擾的限制時(shí)，我們描述了對(duì)應(yīng)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)容量的總網(wǎng)絡(luò)容量的變化。我 們接下來(lái)分析了不可避免的干擾，并估計(jì)了在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)容量較小時(shí)干擾的界。最后，我們推出了認(rèn)知無(wú)線電干擾有界的

33、CRRN拓?fù)涞耐茝V條件。我們對(duì)隨機(jī) 產(chǎn)生的CRRN拓?fù)溥M(jìn)行了仿真，運(yùn)行了我們的鏈路分配算法，來(lái)獲得認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量。平均意義而言，認(rèn)知無(wú)線電的最大網(wǎng)絡(luò)容量是主系統(tǒng)的1.3 倍，這是一個(gè)很大的增益。通過在CRRN中分析干擾的特性，路由和調(diào)度可以建立起來(lái)以提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用CRRN的效率。因此，使用主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)包接力的認(rèn)知 無(wú)線電系統(tǒng)被證明可以在網(wǎng)絡(luò)流量和可利用度上獲得頻譜效率，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)也就隨之可建了。6.2.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系認(rèn)知無(wú)線電可以在鏈路層提高頻譜利用率這一事實(shí)已經(jīng)廣為人所知了。我們也證明了認(rèn)知無(wú)線電和主系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作式接力，可以通過構(gòu)造一個(gè)廣義的CRN，以 極大地

34、增加網(wǎng)絡(luò)容量，這意味這認(rèn)知無(wú)線電將感知其附近可用的網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)，來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)功能，而不僅限于在鏈路層利用頻譜空洞。因此，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)不只 是另外一種以認(rèn)知無(wú)線電連接的網(wǎng)絡(luò)。它們包括了不同種類的共存的多無(wú)線電系統(tǒng)，其中包括認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)可以被看成某種包括多種通信系統(tǒng)的 混合網(wǎng)絡(luò)。其混合來(lái)自于各種無(wú)線接入技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)，用戶終端，應(yīng)用，以及運(yùn)營(yíng)商等等。認(rèn)知無(wú)線電的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。從用戶的角度看， 網(wǎng)絡(luò)的利用率就意味著它們可以在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)通過接入CRN來(lái)滿足其需求。從運(yùn)營(yíng)商的角度看，它們不只可以為移動(dòng)用戶提高更好的服務(wù)，還可以更有效 的分配無(wú)線電和網(wǎng)絡(luò)的資

35、源。6.2.1.網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)認(rèn)知無(wú)線電使用在中心式，分布式？，滿足licensed un?的需求。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)件是移動(dòng)終端，基站和？網(wǎng)絡(luò)。這三個(gè)構(gòu)件組成了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)里三種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，即？6.2.1.1.基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)中(圖6.7)，一個(gè)移動(dòng)終端只能以單跳的方式接入一個(gè)基站或者接入點(diǎn)。在同一個(gè)基站或者接入點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)，移動(dòng)終端應(yīng)該通過基站或者接 入點(diǎn)進(jìn)行通信。在不同小區(qū)間進(jìn)行的通信應(yīng)該通過骨干/核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。終端/接入點(diǎn)可以運(yùn)行一個(gè)或者多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議來(lái)滿足移動(dòng)終端的不同需求。一個(gè)認(rèn)知 無(wú)線電終端也可以通過它們的基站/接入點(diǎn)接入不同的通信系統(tǒng)。6.2.1.2 Ad

36、 hoc結(jié)構(gòu)體系在ad-hoc結(jié)構(gòu)體系內(nèi)，沒有基礎(chǔ)體系的支持。網(wǎng)絡(luò)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成的。如果一個(gè)移動(dòng)終端發(fā)現(xiàn)附近有其他移動(dòng)終端，而且可以通過一定的通信標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議進(jìn)行 連接，它們就可以設(shè)置一條鏈路，形成一個(gè)ad hoc網(wǎng)絡(luò)。注意到這些節(jié)點(diǎn)間的鏈路可能是由不同通信技術(shù)完成的。并且，兩個(gè)認(rèn)知無(wú)線電終端，可以使用現(xiàn)存的通信協(xié)議(例如 WiFi, 或者Bluetooth)，或者動(dòng)態(tài)地使用頻譜空洞，來(lái)進(jìn)行通信。6.2.1.3.網(wǎng)狀體系結(jié)構(gòu)這種體系結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)和ad hoc體系結(jié)構(gòu)的結(jié)合，并且保證基站/接入點(diǎn)之間的無(wú)線連接(如圖6.9)。這種網(wǎng)絡(luò)體系類似于混合無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)。在這種體系結(jié)構(gòu)里，基站/接入點(diǎn)如同

37、是無(wú) 線路由器，形成無(wú)線骨干。移動(dòng)終端可以直接接入基站/接入點(diǎn)，或者利用其他移動(dòng)終端作為多跳接力節(jié)點(diǎn)。有些基站/接入點(diǎn)可以連接到有線骨干/核心網(wǎng)絡(luò)并作 為網(wǎng)關(guān)。既然基站/接入點(diǎn)無(wú)須連接到有線骨干/核心網(wǎng)，這就增加了適應(yīng)性，并減少了對(duì)基站/接入點(diǎn)的位置規(guī)劃的費(fèi)用。如果基站/接入點(diǎn)有認(rèn)知無(wú)線電的功 能，它們可以通過頻譜空洞進(jìn)行互相通信。因?yàn)楝F(xiàn)在頻譜利用度的低下，可能存在大量頻譜空洞可資利用。因此，在認(rèn)知無(wú)線電基站/接入點(diǎn)之間的無(wú)線通信鏈路的 容量可能會(huì)很大，這使得無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)可以提供更多的數(shù)據(jù)流量。6.2.2.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的鏈路我們記得認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的兩種無(wú)線通信系統(tǒng)：主系統(tǒng)和認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)

38、，其區(qū)別為頻段上的不同優(yōu)先級(jí)。一個(gè)主系統(tǒng)是指現(xiàn)存的，并在一個(gè)或者多個(gè)固定頻段上 工作的系統(tǒng)。不同的主系統(tǒng)在有執(zhí)照或者無(wú)執(zhí)照的頻段上工作，或者在相同的地理位置，或者在相同的頻段(或者是相同的頻帶集合)。它們可以描述如下：在有執(zhí)照頻段的主系統(tǒng)：在有執(zhí)照頻段工作的主系統(tǒng)有使用該頻段的最高優(yōu)先級(jí) (例如2G/3G蜂窩系統(tǒng)，數(shù)字電視廣播)。其他無(wú)執(zhí)照用戶/系統(tǒng)即不能無(wú)法容忍地干擾主系統(tǒng)，也不能占用有執(zhí)照頻段。在無(wú)執(zhí)照頻段的主系統(tǒng)：在無(wú)執(zhí)照頻段上工作的主系統(tǒng)被稱為無(wú)執(zhí)照頻段主系統(tǒng)。不同的主系統(tǒng)可以利用頻譜兼容。特別地，在同一無(wú)執(zhí)照頻段上工作的主系統(tǒng)應(yīng)該 考慮相互的影響，實(shí)現(xiàn)共存。這些系統(tǒng)也許有不同的優(yōu)先級(jí)

39、，這取決于一些相關(guān)規(guī)定。一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)無(wú)權(quán)接入某一固定頻段。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)必須通過利用頻譜空洞和動(dòng)態(tài)接入進(jìn)行相互的通信。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中有兩種成分，認(rèn)知無(wú)線電基站 (CR-BS)和認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端(CR-MS)。認(rèn)知無(wú)線電基站 (CR-BS)：一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電基站是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的固定成分，有認(rèn)知無(wú)線電的功能。它代表認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的部分，并為認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端提供支持(例如 頻譜空洞管理，移動(dòng)管理，安全管理等等)。它為認(rèn)知無(wú)線電終端提供接入骨干網(wǎng)絡(luò)(例如互聯(lián)網(wǎng))的網(wǎng)關(guān)。認(rèn)知無(wú)線電基站也可以通過互相進(jìn)行無(wú)線通信，形成一 個(gè)網(wǎng)狀無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)，其中一些基站如果同有線骨干網(wǎng)絡(luò)相連接，

40、就可以起到網(wǎng)關(guān)的作用。如果一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電基站可以運(yùn)行主系統(tǒng)的協(xié)議，它也可以為主系統(tǒng)移動(dòng) 終端提供網(wǎng)絡(luò)接入業(yè)務(wù)。認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端(CR-MS)一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端是可便攜并具有認(rèn)知無(wú)線電功能的設(shè)備。它可以重新設(shè)置自己，以連入不同的通信系統(tǒng)。它可以感知頻譜并動(dòng)態(tài)地利用它們和認(rèn)知無(wú)線電移 動(dòng)終端或者認(rèn)知無(wú)線電基站進(jìn)行通信。既然認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)可以在不同通信系統(tǒng)間提供中介服務(wù)，我們就應(yīng)該設(shè)置一些系統(tǒng)間的連接。我們?cè)诒?.1中列出了各種可能性，并在圖6.10中加以描述。認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端-認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端：一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端可以同其他認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端進(jìn)行直接通信。它們可以聯(lián)合對(duì)不同有執(zhí)照和無(wú)執(zhí)

41、照的頻段中的頻譜空洞進(jìn)行感知，并利用它們作為工作頻 段。我們需要一個(gè)共同的控制信道來(lái)保證它們可以互相交換信息。認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端-認(rèn)知無(wú)線電基站：一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電基站可以動(dòng)態(tài)地感知附近一個(gè)可用的頻段，并收集其他移動(dòng)終端的感知結(jié)果，在其覆蓋區(qū)域?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端提供單跳接入。這或許需要協(xié)同式 感知的技術(shù)。在認(rèn)知無(wú)線電基站的協(xié)作下，認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端可以接入骨干網(wǎng)，或者和其他通信系統(tǒng)進(jìn)行通信。認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端-主系統(tǒng)基站：如果有必要讓認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端和主系統(tǒng)基站相連接，認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端可以對(duì)自己進(jìn)行重新配置，稱為主系統(tǒng)的一部分。在這個(gè)情況下，它將在該頻段上成為 一個(gè)主用戶。認(rèn)知無(wú)線電基站-認(rèn)

42、知無(wú)線電基站：當(dāng)在認(rèn)知無(wú)線電基站間實(shí)現(xiàn)直接無(wú)線連接時(shí)，它們可以形成一個(gè)網(wǎng)狀無(wú)線骨干網(wǎng)。因?yàn)樗鼈冋J(rèn)知無(wú)線電的能力，它們可以動(dòng)態(tài)地選擇工作頻段并互相通信。既然認(rèn)知 無(wú)線電基站友更多的無(wú)線接口，認(rèn)知無(wú)線電基站間的鏈路容量可能會(huì)很大。這種鏈路的另外一個(gè)好處就是減小開銷。這是因?yàn)槲覀兛梢栽谝恍┯芯€連接不能實(shí)現(xiàn)的情 況下部署認(rèn)知無(wú)線電基站。主系統(tǒng)移動(dòng)終端-主系統(tǒng)基站：這是在移動(dòng)終端和基站間典型的單跳連接。主系統(tǒng)基站負(fù)責(zé)在其覆蓋區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)通信，并為主系統(tǒng)移動(dòng)終端提供骨干王接入。這樣的鏈路隨時(shí)都是雙向的，這是和其 他種類的鏈路本質(zhì)的區(qū)別。主系統(tǒng)移動(dòng)終端-認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端：為了提供不同通信系統(tǒng)間的連接性，這種

43、鏈路是有可能的。在這種情況下，認(rèn)知無(wú)線電終端應(yīng)該重新設(shè)置自己，成為主系統(tǒng)的一部分。主系統(tǒng)移動(dòng)終端-認(rèn)知無(wú)線電基站：為了提供不同通信系統(tǒng)間的連接性，這種鏈路是有可能的。如果認(rèn)知無(wú)線電基站可以運(yùn)行主系統(tǒng)的協(xié)議，它就可以為主系統(tǒng)移動(dòng)終端提供接入服務(wù)。主系統(tǒng)移動(dòng)終端-主系統(tǒng)移動(dòng)終端：這種通信可以以ad hoc網(wǎng)絡(luò)的形式存在于主系統(tǒng)中。但是，在某些系統(tǒng)的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)模式下，這樣的通信可能是被禁止的。不過，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以轉(zhuǎn)換成認(rèn)知無(wú)線電，這就轉(zhuǎn) 換成了認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端之間的通信。請(qǐng)注意以上列表中認(rèn)知無(wú)線電鏈路的一個(gè)特點(diǎn)。除掉主系統(tǒng)移動(dòng)終端和主系統(tǒng)基站間的連接可以保證雙向性外，其他七種連接在一次頻譜接

44、入內(nèi)只能保持單向性。這 不難理解，既然頻譜機(jī)會(huì)在時(shí)間上可能很短，無(wú)法保證雙向數(shù)據(jù)包的交流，下一次的頻譜機(jī)會(huì)也無(wú)法保證。這樣的單向鏈路性質(zhì)，在考慮各種網(wǎng)絡(luò)操作時(shí)，例如網(wǎng)絡(luò) 安全性，將起到關(guān)鍵的作用。這一點(diǎn)將在第9章內(nèi)討論。6.2.3.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的IP移動(dòng)性管理正如我們所提到的，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)在很多方面是一種異質(zhì)網(wǎng)，例如無(wú)線通信技術(shù)，協(xié)議，骨干網(wǎng)絡(luò)種類，用戶終端種類，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商等等。一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端選擇最好的通信系統(tǒng)來(lái)滿足其需求。既然不同的無(wú)線系統(tǒng)有不同的媒介接入控制和物理層，如何綜合這些系統(tǒng)來(lái)為上層提供更好的服務(wù)，就 成為了一個(gè)重要的任務(wù)。既然網(wǎng)絡(luò)層是點(diǎn)到點(diǎn)的通信接口(或者接入技術(shù))

45、和端到端的層(例如傳輸和應(yīng)用層)之間的接口，它在綜合的過程中起著至關(guān)重要的作 用?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)及其推廣已經(jīng)被看作是將各種異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)融合成單一的，全I(xiàn)P的，綜合的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，移動(dòng)IP被看作更為相關(guān)的推廣。在移動(dòng)IP中有兩 個(gè)？：本地代理(HA)和外地代理(FA)，它們是本地或者外地網(wǎng)絡(luò)上的互聯(lián)網(wǎng)路由器。一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN)通過HA或者FA接入互聯(lián)網(wǎng)。和MN連接的 節(jié)點(diǎn)被稱為責(zé)任節(jié)點(diǎn)。我們希望移動(dòng)IP能夠在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)里保持其在移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中起到的重要性。在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)里，在基站和移動(dòng)終端間只有一個(gè)跳躍，移動(dòng)終端之間沒有連接，也不允許多跳路徑。既然所有的移動(dòng)終端直接和基站連接，一

46、個(gè)集中式的移 動(dòng)管理方案便成為可行的。例如在移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)中，所有的基站可以通過代理廣告，直接向移動(dòng)終端宣傳它們的care-of-address(CoA)。一個(gè) 移動(dòng)終端很容易從外地網(wǎng)絡(luò)獲得CoA，并向起本地代理(HA)注冊(cè)。然后，HA可以以隧道方式將所有數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)給移動(dòng)終端的最終的COA。可是，在網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié) 構(gòu)的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)里，移動(dòng)管理是更加具有挑戰(zhàn)性的研究任務(wù)，特別是移動(dòng)終端間有多跳接力功能時(shí)。相關(guān)的問題包括位置管理和切換.6.2.3.1 位置管理:位置管理是一個(gè)兩階段的過程，使得網(wǎng)絡(luò)可以找到移動(dòng)終端的附著點(diǎn)以傳遞呼叫。這兩個(gè)階段包括位置注冊(cè)和呼叫傳遞。當(dāng)一個(gè)移動(dòng)終端訪問一個(gè)外地網(wǎng)絡(luò)，并希望

47、得到互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)時(shí)，它首先通過檢測(cè)代理廣告找到FN的移動(dòng)代理。在得到代理廣告后，移動(dòng)終端便可形成一個(gè)CoA并通知HA關(guān)于當(dāng)前CoA和MN之間的 聯(lián)系。可是，在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端可以同時(shí)連接到多個(gè)不同的無(wú)線系統(tǒng)，這些系統(tǒng)有可能屬于不同的FN，它應(yīng)該從每一個(gè)系統(tǒng)獲取一個(gè) CoA，以通過它們獲取或者傳輸數(shù)據(jù)。所以，有必要發(fā)展新的策略來(lái)對(duì)付多重CoA。特別地，一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電移動(dòng)終端可以從沒一個(gè)連接的FN處獲取多個(gè) CoA，以便認(rèn)知無(wú)線電終端無(wú)須再用一個(gè)CoA來(lái)代表其當(dāng)前的位置以及傳遞數(shù)據(jù)包。進(jìn)一步，多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電終端可以形成一個(gè)ad hoc網(wǎng)絡(luò)，其中有些終端可以連接到基站/接入

48、點(diǎn)以接入骨干/核心網(wǎng)絡(luò)。我們把這些節(jié)點(diǎn)稱為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)榛?接入點(diǎn)的有限覆蓋，有些移動(dòng)終端只能通過 多跳中繼來(lái)得到基站的服務(wù)，如圖6.11所示。這樣的移動(dòng)終端和ad hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作和融合是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。6.2.3.2.切換管理切換管理使得網(wǎng)絡(luò)可以保持用戶在移動(dòng)并改變網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)時(shí)的連接。這包括三個(gè)階段：初始化，新連接的產(chǎn)生，數(shù)據(jù)流控制。因?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電的多跳特性，切換管理 不再是單個(gè)移動(dòng)終端和FN之間的事情。它涉及到多個(gè)移動(dòng)終端和FN。例如，如果有的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從基站的覆蓋區(qū)域移走，它們應(yīng)該通知ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)連接已經(jīng)失去。所以ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以準(zhǔn)備實(shí)施切換，如果它們和這

49、些網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)有連接的話。6.3. CRN的終端結(jié)構(gòu)體系認(rèn)知無(wú)線電及網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)是基于智能終端設(shè)備的，這些終端設(shè)備可以完成分布式的網(wǎng)絡(luò)功能。和傳統(tǒng)的蜂窩通信及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)包括了大量局域的自 組織的優(yōu)化，從而在鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層實(shí)行全局的最優(yōu)。6.3.1. 認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備體系圖6.12描述了我們提出的自組織認(rèn)知無(wú)線電的設(shè)備架構(gòu)，它包括以下主要的功能模塊：認(rèn)知無(wú)線電：認(rèn)知無(wú)線電認(rèn)知無(wú)線通信環(huán)境以及共存的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。軟件無(wú)線電：基于協(xié)調(diào)者的決定，軟件無(wú)線電為移動(dòng)設(shè)備通信設(shè)置適當(dāng)?shù)慕邮諜C(jī)的參數(shù)。第2章提供了一些全面可編程的軟件無(wú)線電的例子?？芍刂肕AC：協(xié)調(diào)者也決定在系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)間最優(yōu)的路由，可重置

50、MAC則調(diào)節(jié)至適當(dāng)全面可接入的協(xié)議機(jī)上的子進(jìn)程上。網(wǎng)絡(luò)層過程：協(xié)調(diào)者也指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)層的功能如無(wú)線資源分配，移動(dòng)管理等等，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。自組織通信/網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者：終端設(shè)備的“大腦”決定(i) 基于認(rèn)知無(wú)線電信息的接入網(wǎng)絡(luò)路由； (ii) 適當(dāng)?shù)恼J(rèn)知無(wú)線電硬件和軟件的設(shè)置； (iii) 通信需求的維護(hù)。射頻：射頻部分可能包括多個(gè)子帶射頻以涵蓋正確的頻段，并且有可調(diào)節(jié)的射頻濾波的能力，以滿足選定的系統(tǒng)參數(shù)。認(rèn)知無(wú)線電和自組織協(xié)調(diào)者以及軟件無(wú)線電之間的關(guān)系如圖6.13所示。我們暫且不考慮電路的復(fù)用。廣為所知的是認(rèn)知無(wú)線電是以頻譜感知為核心的。可是，如圖6.13所示，我們需要更多的信息來(lái)在實(shí)踐中提高感

51、知的性能，不僅限于頻譜的感知，而且還需要對(duì) 一些網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行感知，成為廣義的感知或者認(rèn)知。我們把這樣的頻譜/網(wǎng)絡(luò)感知的特點(diǎn)列在下面：射頻信號(hào)處理：包括載波頻率，信號(hào)帶寬，信號(hào)強(qiáng)度，SINR估計(jì)BB(？)預(yù)檢測(cè)信號(hào)處理：包括發(fā)射速率，載波和時(shí)間信息，PILOT信號(hào)，信道衰減BB檢測(cè)后處理(有的可以在檢測(cè)前完成)：包括系統(tǒng)/用戶的審核，調(diào)制參數(shù)，糾錯(cuò)編碼種類及速率，多天線參數(shù)，傳輸功率控制。網(wǎng)絡(luò)處理信息：包括多用戶接入或者M(jìn)AC，無(wú)線資源分配(例如時(shí)？，子載波，碼)，自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(ARQ)和流量模式(任意比特率(ABR)，恒定比特率 (CBR)，可變比特率(VBR)，路由或者移動(dòng)信息。以上列表的目

52、的是實(shí)現(xiàn)頻譜感知，檢測(cè)共存的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，以及這些系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。研究文獻(xiàn)提供 了大量的實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)列表中的部分功能。認(rèn)知無(wú)線電的工作流程如圖6.14 所示。J. Mitola 和 Haykins 發(fā)展了不同但是類似的認(rèn)知循環(huán)的概念。既然我們推廣到認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以及速率-距離概念，這就區(qū)別出了新的特征。認(rèn)知無(wú)線功能不只感知頻譜，適應(yīng)資源，同 時(shí)也適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，把認(rèn)知路由推廣到網(wǎng)絡(luò)的層次。6.3.3.無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)選擇遵循以上的結(jié)構(gòu)，自組織協(xié)調(diào)者規(guī)劃路由中正確的網(wǎng)絡(luò)功能以控制QoS，并決定合適的MAC層的設(shè)置，軟件無(wú)線電通信參數(shù)和射頻參數(shù)。實(shí)現(xiàn)自組織無(wú)線通信的 典型方法考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)的拓?fù)淇?/p>

53、制，并基于不同的準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化。為了實(shí)際的實(shí)現(xiàn)，我們從另外一個(gè)角度考慮這個(gè)問題，即一個(gè)終端決定其路由，只取決于其 擁有的信息，以選擇正確的接入網(wǎng)絡(luò)，包括認(rèn)知無(wú)線電。無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)可以是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一部分，例如UTRAN，一個(gè)聯(lián)往Internet的無(wú)線局域網(wǎng)的接入 點(diǎn)，或者WiMAX系統(tǒng)的基站(或者是mesh網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)用戶站)。因此，我們假設(shè)有來(lái)自K個(gè)系統(tǒng)的用戶，都在同一地理區(qū)域內(nèi)工作，設(shè)備可以接入所有的工 作頻段。傳統(tǒng)意義上，一個(gè)可以在某個(gè)系統(tǒng)內(nèi)工作的移動(dòng)設(shè)備無(wú)法在另外一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)工作，在這K個(gè)系統(tǒng)中的資源無(wú)法公平分配，有的系統(tǒng)可能擁擠，有的系統(tǒng)可能 沒有或者有很少的數(shù)據(jù)流。通過認(rèn)知無(wú)線電，我們可以利用可能的合作，來(lái)提供個(gè)體和整體的性能。主要的挑戰(zhàn)來(lái)自于在不同組合的系統(tǒng)中決定合適的合作以提供性 能或者QOS。請(qǐng)注意在實(shí)際應(yīng)用中，用戶也許需要一個(gè)損耗函數(shù)作為系統(tǒng)性能指標(biāo)。不失一般性，我們考慮一個(gè)有n1個(gè)用戶的電路？的網(wǎng)絡(luò)(例如2G或者 3G蜂窩網(wǎng)絡(luò))，以及一個(gè)有n2個(gè)用戶的包？的網(wǎng)絡(luò)(例如WIFI)。對(duì)于這N=n1+n2個(gè)在兩個(gè)系統(tǒng)間以認(rèn)知模式工作的用戶，我們希望能證明有效的 路由來(lái)提高整體網(wǎng)絡(luò)的性能(如圖6.15所示)。數(shù)據(jù)包的損失是因?yàn)闆_突與重傳，我們也假設(shè)網(wǎng)絡(luò)