認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)概述

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)概述未來通信網(wǎng)絡(luò)是一個泛在、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式，多接入方式并存，多節(jié)點協(xié)同工作，支持不同程度的無縫移動特性，同時它又是一個智能化通信系統(tǒng)，能夠隨時感知外界環(huán)境，并根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況實現(xiàn)自配置和自適應(yīng)。另外，它還需要具備自我意識和自動學(xué)習(xí)能力，以滿足日益增長的未來通信對網(wǎng)絡(luò)智能化要求。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是未來通信網(wǎng)實現(xiàn)的一個重要方案。對認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)概念的討論是近些年來的一個熱點問題。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠收集周圍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的信息并進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整和重構(gòu)。目前，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)以其極具智能特色、無縫融合各個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、通過聯(lián)合資源管理最大化網(wǎng)絡(luò)整體性能等優(yōu)勢，迅速吸引了國內(nèi)外各大標(biāo)準(zhǔn)化組織、研究機(jī)構(gòu)和大量學(xué)者的目光。談及認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，首先需要與軟件無線電、認(rèn)知無線電這兩個名詞相區(qū)分。1991年，JoeMitola提出的軟件無線電(SoftwareDe-finedRadio，SDR)概念，為無線通信的發(fā)展開辟了一片新天地。軟件無線電是指一種可重新編程或者重構(gòu)的無線電系統(tǒng)，即在其系統(tǒng)硬件無需變更的情況下，軟件無線電可以在不同的時候根據(jù)需要通過軟件加載來實現(xiàn)不同的功能，這就極大地提升了無線電業(yè)務(wù)的靈活性。經(jīng)過近20年的研究和發(fā)展，軟件無線電已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子、測控、導(dǎo)航衛(wèi)星及民用廣播電視等各種無線電工程領(lǐng)域。認(rèn)知無線電(CognitiveRadio.CR)的概念最早是由瑞典的JosephMitola博士于1999年8月提出來的，它是基于軟件無線電發(fā)展而來的。認(rèn)知無線電能夠感知周圍的電磁環(huán)境，通過無線電知識描述語言(RKRL)與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流，根據(jù)交流的結(jié)果實時調(diào)整傳輸參數(shù)(調(diào)制方式、編碼體制、發(fā)射功率、通信頻率等)，使通信系統(tǒng)的無線電參數(shù)不僅與規(guī)則相適應(yīng)，而且與環(huán)境相匹配，從而實現(xiàn)無論何時何地都能達(dá)到通信系統(tǒng)的高可靠性和頻譜利用的高效性。也就是說，SDR關(guān)注的是采用軟件方式實現(xiàn)無線電系統(tǒng)信號的處理，而CR強調(diào)的是無線系統(tǒng)能夠感知操作環(huán)境的變化，并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)，實現(xiàn)最佳適配。可以說，認(rèn)知無線電是一種具有智能功能的軟件無線電。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的概念，最初由弗吉尼亞理工大學(xué)提出，可以這樣定義：認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)有一個可以感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的認(rèn)知過程.它能夠?qū)Ξ?dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行觀察，通過對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的理解，動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的配置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計劃、決策和行動，從而靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化。同時，網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有從變化中學(xué)習(xí)的能力，并能夠?qū)ξ磥磉M(jìn)行以端到端為目的的決策。目前，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的概念時常被人們與認(rèn)知無線電聯(lián)系在一起，一些文獻(xiàn)將認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)作為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的一個實例進(jìn)行研究。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知無線電確實有一些共同的特性，但卻是兩個不同的概念。簡單來講，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)不是簡單的停留在認(rèn)知無線電層次，而是上升到整個網(wǎng)絡(luò)的層次，即實現(xiàn)端到端的目標(biāo)；認(rèn)知無線電中具備了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的一些特性，它可以成為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的一種關(guān)鍵技術(shù)，或是重要組成部分。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無線電共有的一個最重要的特性就是認(rèn)知過程，這是網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)化的核心。認(rèn)知過程的關(guān)鍵部分就是能夠從過去的決策中學(xué)習(xí)并將其應(yīng)用于對未來的決策中。因此，在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中可以借鑒認(rèn)知無線電的一些方法，比如認(rèn)知無線電中對感知到的內(nèi)容進(jìn)行描述的模式化語言RKRL。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知無線電之間一個最明顯的區(qū)別就是控制目標(biāo)不同。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是基于端到端網(wǎng)絡(luò)性能的，而認(rèn)知無線電的目標(biāo)僅局限于無線電用戶。在設(shè)計認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧時，處理認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的操作、用戶、應(yīng)用和資源等要求都是基于端到端的目標(biāo)的；而對認(rèn)知無線電的研究則強調(diào)與物理層的相互作用。另一個明顯不同就是，它們適用的范圍不同。認(rèn)知無線電僅能應(yīng)用在單一無線網(wǎng)絡(luò)中，而認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是一種基于異構(gòu)、融合的新型網(wǎng)絡(luò)。由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可以跨越多種有線和無線的媒介，因此，可以基于蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等設(shè)計認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)方案。認(rèn)知過程是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的核心，它最大的特點就是具有認(rèn)知和學(xué)習(xí)的能力。因此，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)需要一個環(huán)狀反饋來對過去決策和當(dāng)前環(huán)境、當(dāng)前決策和未來環(huán)境之間進(jìn)行交互，實現(xiàn)認(rèn)知過程。圖l是由ColJohnBoyd提出的一個簡單的反饋環(huán)——OODA模型，它包括觀察（Observe）、定向（Orient）、決定（Decide）、動作（Act）四個模塊。該模型最初用于軍事領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛運用在軍事之外的各種領(lǐng)域。在某些情況下，還可以增加學(xué)習(xí)模塊，防止之前產(chǎn)生的一些錯誤信息對未來的決策造成不利的影響。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知和學(xué)習(xí)特性，造成了它不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一些重要特性：與非認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)相比，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠動態(tài)、自適應(yīng)地提供更好的端到端性能。認(rèn)知過程可以提供更好的資源管理、QoS.安全、接入控制等網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點能夠通過認(rèn)知過程隨時感知周圍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，選擇適合的接入方式，靈活地切換通信模式。認(rèn)知過程有利于構(gòu)造異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，因此，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能提供最大可能的無縫連接服務(wù)，實現(xiàn)多網(wǎng)融合和各種網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換，并使網(wǎng)絡(luò)的性能最優(yōu)化（圖2）。目前的網(wǎng)絡(luò)中，終端和終端之間、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)之間缺少有效的信息互通，由于節(jié)點間缺乏相互溝通而造成資源浪費及資源分配不合理等情況，致使網(wǎng)絡(luò)利用率低下。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知過程不僅能夠感知周圍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，也能夠感知網(wǎng)絡(luò)中其他網(wǎng)絡(luò)元素的信息，因此，可以改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間因信息孤立而導(dǎo)致的競爭和不合作的關(guān)系，建立起節(jié)點之間協(xié)同工作的關(guān)系。這種建立在對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)元素充分認(rèn)知基礎(chǔ)上的協(xié)作關(guān)系，能夠有效地進(jìn)行節(jié)點間的資源共享，從而更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，使網(wǎng)絡(luò)的使用更加合理和高效。目前的網(wǎng)絡(luò)配置和管理還主要依賴于人工操作，但是，隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)日益龐大復(fù)雜，人工的管理和維護(hù)很難滿足系統(tǒng)性能的要求。按照未來網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)特性，各種網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒐ぷ髂Ｊ胶蛥?shù)設(shè)置等方面，都應(yīng)該能夠動態(tài)的變化，盡量減少對人工的依賴。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)高度智能性體現(xiàn)在它具有自感知、自適應(yīng)、自配置、自我意識、自我學(xué)習(xí)的功能，能夠智能地進(jìn)行決策和重配置。通過認(rèn)知過程，網(wǎng)絡(luò)能夠感知和適應(yīng)周圍的環(huán)境，并不斷進(jìn)行調(diào)整和重構(gòu)，以適應(yīng)周圍環(huán)境。這種感知過程，不僅包括終端間的感知、網(wǎng)絡(luò)間的感知，還包括終端和網(wǎng)絡(luò)間的感知。同時，網(wǎng)絡(luò)的變化又會引發(fā)環(huán)境的再變化，對網(wǎng)絡(luò)和其中的用戶產(chǎn)生新的影響，引起新的調(diào)整和重構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)在這種不斷的相互影響和變化中實現(xiàn)自我配置，最終實現(xiàn)性能的最優(yōu)化。為實現(xiàn)這種智能的自我組織和配置功能，可以考慮借鑒人工智能等領(lǐng)域的一些研究成果，在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和調(diào)度中引入人工智能算法，從而達(dá)到認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)具備全網(wǎng)絡(luò)智能性能的目標(biāo)。傳統(tǒng)的OSI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型是基于分層協(xié)議棧的思想設(shè)計的，這種分層模型只能通過接口協(xié)議在上下層之間進(jìn)行相互通信。這種單純的上下層交互模式已經(jīng)不能適應(yīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境變化的快速感知、智能決策等要求。由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知特性，需要考慮在傳統(tǒng)分層模型中的每一層都引入反饋環(huán)，使各層都具有認(rèn)知的功能，能夠從外界環(huán)境中獲得必要的信息，并且各層之間需要全向的信息傳遞，從而實現(xiàn)信息的橫向、縱向的全交互。圖3以O(shè)SI網(wǎng)絡(luò)分層模型為例，將OODA環(huán)引入模型的各層，并簡要分析它在各層的作用以及所需關(guān)鍵技術(shù)。在物理層引入認(rèn)知過程的目的是對周圍物理環(huán)境進(jìn)行感知。首先認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)需要對物理環(huán)境進(jìn)行觀察和分析，包括檢測頻譜空穴和探測節(jié)點狀態(tài)參數(shù)。頻譜空穴檢測是現(xiàn)在研究的一個重點技術(shù)，對頻譜空穴的檢測并不是簡單的探測感興趣的頻帶內(nèi)的信號能量，而是需要綜合檢測信號在時域、頻域和空域等多個方面的信息；節(jié)點參數(shù)主要包括傳輸功率、調(diào)制方式、編碼方式和載波數(shù)量等。然后認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)通過對之前物理環(huán)境信息的收集和整理進(jìn)行定向。在決策階段，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行對信道的確認(rèn)，主要包括信道狀態(tài)估計和信道容量預(yù)測。之后，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)根據(jù)之前的決策對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，選擇合適的調(diào)制方式，以達(dá)到動態(tài)分配載波，充分利用空閑頻譜，同時進(jìn)行高效功率控制和速率控制。數(shù)據(jù)鏈路層認(rèn)知過程的主要目的在于獲知網(wǎng)絡(luò)頻譜使用情況，從而選擇適合的調(diào)度策略。首先認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)通過觀察獲知頻譜感知的方式（集中式還是分布式）并收集鏈路狀態(tài)的信息，進(jìn)而獲取整個網(wǎng)絡(luò)的頻譜使用圖譜，然后根據(jù)獲得的信息作出決策，確定感知時間和感知頻率，選擇合適的感知方式和介質(zhì)接入控制方式，決定競爭合作策略和調(diào)度機(jī)制策略等。最后，根據(jù)決策，進(jìn)行頻譜租用協(xié)商，數(shù)據(jù)包發(fā)送控制和信道傳輸控制，并選擇合適的信道編碼方式。網(wǎng)絡(luò)層認(rèn)知過程的主要目的是獲知周圍網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌x擇最佳的路由策略。首先在觀察的過程中.認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)需要完成收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)的工作，從而獲知周圍網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r以便進(jìn)行定向。在決策的階段，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)需要更新路由判據(jù)，確定路由策略及轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)（如轉(zhuǎn)發(fā)時延、轉(zhuǎn)發(fā)速率、轉(zhuǎn)發(fā)方式等）。最后，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)更新的路由信息重新設(shè)置路由，并對有效的路由進(jìn)行再學(xué)習(xí)。應(yīng)用層認(rèn)知過程的主要目的是為了更好地了解用戶和業(yè)務(wù)的需求，從而更好地提供服務(wù)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)需要對用戶和業(yè)務(wù)的需求進(jìn)行感知，進(jìn)而確定業(yè)務(wù)類型的歸屬，確定QoS等級，重新協(xié)調(diào)業(yè)務(wù)的類型，為用戶提供安全可靠的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有動態(tài)變化的特性，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點可以自動的根據(jù)周圍通信環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)來主動的計劃、判斷甚至決定通信行為因此，需要網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境變化作出快速的反應(yīng)，各個層之間進(jìn)行靈活準(zhǔn)確的認(rèn)知信息交互，快速準(zhǔn)確地完成自認(rèn)知過程。傳統(tǒng)的分層協(xié)議棧無法靈活地適應(yīng)無線移動環(huán)境的變化，信息逐層傳遞的交互模式在很多情況下也已經(jīng)無法滿足環(huán)境高度動態(tài)變化的要求。因此，為了保證認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的可靠連接和應(yīng)用的順利完成。保證各層之間快速的信息交互，保證認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)有效地進(jìn)行調(diào)整和重配置，在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中引入跨層機(jī)制是十分必要的。目前，國內(nèi)外許多研究者都對跨層設(shè)計機(jī)制提出了自己設(shè)計方案?，F(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計主要集中在物理層和MAC層相結(jié)合的速率自適應(yīng)方案：物理層、MAC層、路由層相集合的路由自適應(yīng)方案；物理層、MAC層和傳輸層相結(jié)合以提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。這些跨層設(shè)計能夠改善系統(tǒng)在無線環(huán)境內(nèi)的路由、資源調(diào)度、QoS保障等性能。未來通信網(wǎng)絡(luò)將是一個泛在、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式，多接入方式并存，多節(jié)點協(xié)同工作，支持不同程度的無縫移動特性，同時它又是一個具有智能特性的無線通信系統(tǒng)，具有自我配置、自我優(yōu)化和自動學(xué)習(xí)的能力。未來通信網(wǎng)絡(luò)向著認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)發(fā)展將是未來通信技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。為了應(yīng)對這一發(fā)展趨勢，各大標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛在標(biāo)準(zhǔn)制定時提出新的要求。在2009年2月，IEEE802.16m提出的最新文檔中要求網(wǎng)絡(luò)能夠支持自組織(Self-Organization)功能，包括網(wǎng)絡(luò)的自配置(Self-Configuration)和自我優(yōu)化(Sclf-Optimization)。LTE-A在Release8中提出了自組織網(wǎng)絡(luò)(SelfOrganlZationNetwork，SON)的概念和需求，并在2008年12月更新的文檔中要求自組織網(wǎng)絡(luò)具有自配置、自優(yōu)化和自愈合(Self-Healing)的能力。兩大標(biāo)準(zhǔn)在網(wǎng)絡(luò)自組織功能上不謀而合，其基本思想都是未來網(wǎng)絡(luò)需要具有智能特性，能夠盡可能多的進(jìn)行自我的管理和重構(gòu)，減少人工對網(wǎng)絡(luò)配置和管理的干預(yù)。顯然，網(wǎng)絡(luò)具有自我意識是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個普遍要求。目前，LTE和IEEE組織對SON的討論僅停留在初步概念定義階段，而對于SON功能的實現(xiàn)，還需要大量的研究工作。同時，一些國際運營公司(如NEC等)都在積極地進(jìn)行LTE中SON功能的探索研究。由此可見，網(wǎng)絡(luò)更高智能性的需求已經(jīng)非常強烈，這些標(biāo)準(zhǔn)中提出的對網(wǎng)絡(luò)自組織、自配置、自優(yōu)化的要求和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知特性是相吻合的，SON的特征，已經(jīng)具備了一些認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的雛形，因此，可以