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1、文章编号:100923443(2008)0620565204认知无线网络中的多域认知王金龙1,龚玉萍1,李玉川2(1.解放军理工大学通信工程学院,江苏 南京210007;2.总参陆航部驻景德镇地区军事代表室,江西 景德镇,333002)摘要:认知无线电与认知无线网络的明显区别之一是认知环境发生了变化,从无线环境拓展到网络环境与用户环境。从认知无线电到认知无线网络的演进过程中,为了深入研究环境认知的基础理论,在分析认知网络的基本概念和工作机理的基础上,提出了多域认知的思想,构建了一个包括多域本地认知层、多域协同认知层和多域主动认知层的3 层认知理论体系框架,提出了基于认知引擎的多域认知实现框架,
2、探讨了多域认知的研究内容,为认知无线网络的应用奠定了基础。关键词:认知无线网络;认知无线电;多域认知中图分类号:TN 92915文献标识码:AM ulti2dom ain cognitionin cognitiveradio netw o rksWA N G J in2long1,GON G Yu2p ing1,L I Yu2chuan2(1.Instituteof Comm unicati ons Engineering,PLAU niv.of Sci.&T ech.,N anjing 210007,Ch ina;2.A rm y A viati on RepresentativeO ffi
3、ce of GeneralStaff H eadquartersin Jingdezhen,Jingdezhen 333002,Ch ina)A bs tra ct:Environm ent cogniti on is the most distinctdifference betw een cognitive radio and cognitive radionetw ork s,and environm ent cogniti on ex tends from w ireless environm ent to network environm ent and userenvironm e
4、nt.D uring the evolution from cognitive radio to cognitive radio network s,in order to investigatedeeply on basic theories of environm ent cogn ition,the cognitive ability of w ireless network s and the basicconcept of cognitive network w ere studied.T he concept of multi2domain cognition and m echa
5、nis m of cog2nitive netw ork sw ere p roposed.U nder the framework of cognitive theory,m ulti2domain cognition w as di2vided into three layers,w hich w ere local multi2domain cogniti on,cooperative multi2domain cognition andinitiative multi2domain cognition respectively.The fram ework of m ulti2doma
6、in cogniti on based on cogni2tive engine w as described.Finally,investigati on s and basic theories on multi2domain cognition w ere pre2sented.Tho se research results lay a foundati on for the application of cognitive radio network s.Ke y w ords:cognitive radio network s;cognitive radio;m ulti2domai
7、n cognitive收稿日期:2008210208.基金项目:国家863计划资助项目(2007AA 01Z267).作者简介:王金龙(1963-),男,教授,博士生导师;研究方向:无线通信;E2m ail:w jl543 .随着信息时代的到来,无线通信在社会经济发展中发挥着越来越重要的战略作用,并渗透到社会各领域。无线网络发展显现出高速化、宽带化、异构化和泛在化的趋势。与此同时,无线网络也面临着严峻的挑战,主要体现在频谱资源的“短缺”与“浪费”、异构网络多种标准并存、泛在接入与服务及管理复杂等方面。在泛在化和异构性普遍存在的现实条件下,当今网络管理工作仍然是以人工管理为主,无法达到适应环境变
8、化的自主管理,更无法达到以端到端效能最大化的所谓Self2x 功能,即自配置、自优化、自管理和自愈合等。这些问题的根源在于集中静态网络难以适应环境动态变化的矛盾。解决这些问题的有效方法之一是认 知 无 线 网 络 技 术 CRN(cognitiveradio net2w ork s)。认知无线网络是从认知无线电基础上发展起来的,目前正处于认知无线电向认知无线网方向拓展,最终向认知网络方向演进。认知无线电与认知无线网已成为近年来国际上标准化组织、研究机构和大学广泛关注的一个研究热点,各国分别投入大第9卷 第6期2008年月解 放 军 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal o
9、f PLA U niversity of Science and TechnologyV o l.9 N o.6D ec.2008名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -量经费设立研究计划和研究项目对其开展研究,代表性的研究工作有:(1)认 知 无 线 电(Cogn itiveradio)的 概 念 由J.M ito la于 1999 年 8 月提出 1。(2)美国联邦通信委员会(FCC)于2003 年12 月对 FCC规则第 15 章 公布了修正案,规定:只要具备认知无线电功能,即使是其用途未获许可的无线终端,也能使用需要无线许可的现有无线频带。(3)2003
10、 年,从事高尖端军事设备开发的美国雷声公司与美国国防高级计划研究局DA R PA(de2fen se advance research products agency)签订了有关研发下一代通信XG(next generation communica2tion)计划 2的合同,该计划将研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术,以实现动态频谱接入和共享。(4)2004 年 10 月IEEE 802122 工作组正式成立,该工作组的目标是开发和建立一套基于认知无线电技术、在现有电视频段利用暂时空闲的频谱进行无线通信的区域网空中接口标准,基于该标准的无 线网络称为无线区域网(w ireless re
11、gional areanetw ork s)。(5)2005 年8 月,美国国家自然科学基金(N SF)在全球网络互联创新环境GEN I(global environ 2ment fo r network ing innovati on)项目,作为 5 个子网之一资助了认知无线电项目的研究 3。研究内容包括:认知无线电新技术的验证、物理层自适应的无线网络协议、频谱共享方法、动态频谱测量和硬件实现等。目前,在美国 N SF 的资助下,包括 Berkeley、V irgin ia、Stevens、Rutgers、Georgia理工等大学研究所和软件无线电(SDR)论坛等研究组织纷纷展开认知无线电技
12、术研究 46。(6)2008 年欧盟启动的 FP7 又加大了对下一代无线网络研究的力度,力图在网络融合的基础上进一步向认知无线网络发展。仅 2008 年启动的项目中就有 5个有关认知无线电及网络的项经费近5 000 万欧元。然而从整体上看,目前基于认知无线网络的研究还处于初步阶段,还存在许多需要解决的关键理论和技术问题。本文是针对无线网络的认知性进行研究,提出了多域认知概念,构建了多域认知理论体系,阐明了多域认知工作机理,探讨了多域认知需研究的主要内容。1多域认知基本概念111认知网络文献 1指出,认知网络是具有认知循环特性的网络,该网络能够觉察目前的网络环境,并根据这些环境进行计划、决策与执
13、行,这样的网络能够从自适应过程中学习并利用这些知识以端到端效能为目标进行预先决策。认知网络能够利用环境认知来获取环境信息,并对信息进行挖掘与处理,为智能决策提供依据,通过网络重构实现对环境的动态适应。其工作机理,如图 1 所示。图1认知网络工作机理F ig.1W o rk ing m echanism of cognitivenetw ork s112多域认知认知无线网络与认知无线电的明显区别之一是认知环境发生了变化,从无线环境拓展到网络环境与用户环境,形成多域环境。其每一域都包含种类繁多的认知信息,且域内域间的认知信息之间还存在错综复杂的关系。多域认知是指对多域环境的认知,要解决如何实现认知
14、信息的海量摄入、认知信息的传递融合、认知信息的挖掘利用。多域认知是认知网络首先需要解决的关键问题。2多域认知理论框架与工作机理211多域认知理论框架动态分层图的链路时变模型面向多域认知环境,本文提出3 层理论体系框架,如图 2 所示。其中,“多域本地认知层”完成认知信息的海量获取,为认知流提供认知信息的海量摄入;“多域协同认知层”从有效表达、高效传递与分布处理出发进行一体化考虑,实现认知信息的合理流动与融合;“多域主动认知层”从预测推理角度挖掘深层含义,实现认知信息的高效运用。认知信息的挖掘包括从不完全的认知信息得到较为完整的认知信息,从先验认知信息得到预测认知信息。这 3 层模型结合在一起,
15、构成了无线网络的认知基础理论框架,解决多域认知信息的获取、表达、传递、共享、处理和预测的基础理论与科学方法,形成由单域认知向多域认知的飞跃。本项目创新性地提出了具有预测推理能力的多域认知理论与方法。它超越了传统认知无线电的范畴,提出了一个包括多域本地认知层、多域协同认知层和多域主动认知层665解 放 军 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第9卷名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -图2多域认知理论框架Fig.2T heoreticalfram ework of m ulti2domain cogniti on的 3 层认知理论体系框架。有效解决了认知
16、信息的海量摄入、传递融合和挖掘利用,实现了由单域认知到多域认知、用户级认知到网络级认知的飞跃。212多域认知工作机理多域认知工作机理如图3 所示。网络中各节点首先进行本地认知,本地认知内容包含了多域环境感知信息。具体而言,无线环境认知信息包括频谱空穴、地理信息、链路质量与无线信号特征等方面。网络环境认知信息包括路由评估、网络流量、网络拓扑等方面;用户环境认知信息包括用户偏好、业务类型、服务质量等方面。本地认知是单节点认知到的信息,要形成区域的认知信息,还需要通过中心节点的数据融合来完成,这样就涉及认知信息的传输问题。为了避免造成网络过大的负荷,需要将认知信息进行有效表达,认知信息的流动形成了认
17、知流。每个节点都有智能决策的功能,大多认知信息可以进行本地处理,为全局处理进行支撑的认知信息才上传,中心节点可以进行区域处理,并对区域内的网络进行重构,这样形成了分层处理。无论是本地认知信息,还是融合后的区域认知信息,都可以通过学习推理进行深层次的认知信息预测,也就是预测环境的变化。本地认知信息、协同认知信息、预测认知信息为图3多域认知工作机理Fig.3W ork ing m echanism of m ulti2dom ain cogniti on智能决策提供了依据,决策后形成了控制流。213认知引擎中的多域认知认知无线网络与传统网络最大的区别是将人类认知特性引入无线网络,能够觉察目前的环境
18、,并根据这些环境进行计划、决策与执行。这样的网络能够从自适应过程中学习并利用这些知识以端到端效能为目标进行预先决策,动态适应环境的变化。认知无线网络可以看作是多智能体构成的网络,网络中的每个节点(认知节点)都是一个智能体。无论是认知无线网络,还是认知节点,其工作机理都是以认知引擎为核心。认知引擎目前还没有一个统一的定义,本文认为认知引擎是认知无线网区别于传统无线网的关键部件,涉及到认知信息的获取、处理,完成学习、推理、规划、决策等功能,是推动认知无线网络发展的核心研究内容。从智能体角度出发,构建了如图 4 所示的认知引擎模型。其中,认知引擎由 4 个主要部件组成,分别是多域认知、可信融合、学习
19、推理和决策评估。此外,为了实现节点的智能性,还引入了认知信息库、认知知识库、网络重构概念,认知信息库包括本地信息库、协同信息库和预测信息库。图4认知引擎构成框图F ig.4B lock diagram of cognitiveengine765第6期王金龙,等:认知无线网络中的多域认知名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -认知节点通过多域认知技术,从外部环境中获取到丰富的信息,包括从无线环境域、网络环境域、用户环境域以及政策域获得的与认知节点行为相关的各类信息,这些信息被存储在本地信息库中。可信融合模块从认知信息库中提取信息,这里可以是本地信息,也可以是协同信
20、息、预测信息或来自各个信息库的组合信息。通过可信理论来融合认知用户的感知信息,获得的协同信息被存储在协同信息库中。学习推理模块也可以从认知信息库中获取本地、协同和预测信息,并将学习推理的结果存储在预测信息库中。作为认知引擎的核心部件,决策评估可利用认知信息库提供的认知信息做出最终的决策,并通过控制重构模块对无线认知节点协议栈的各层进行合理的优化配置。而配置的结果又会对无线网络环境产生相应的影响,从而改变网络内各个节点的多域认知结果,认知节点和认知网络通过这种方式相互影响和制约。3多域认知研究内容311多域本地认知多域本地认知以信号检测与估计、模式识别等理论为基础,从无线环境、网络环境、用户环境
21、 3 域出发,进行认知信息的获取机理研究。建立资源空间感知模型,提出多维边缘检测方法,确定资源的占用边界,提升频谱的利用率;从异构网络的类型识别、路由质量、网络状态、网络配置、网络行为等角度出发,研究网络环境认知;通过对业务感知机理、用户需求等方面研究实现用户环境认知,使得用户需求能够与无线网络能力动态匹配,从而保证了端到端效能。3个空间域分别从参量、状态、行为 3 个属性域进行认知信息的获取机理研究。多域本地认知将实现本地范围内环境认知信息的获取,为认知流提供输入。在本地认知中,无线环境的认知是较为复杂困难的,特别是无线频谱环境的认知。以频谱检测为中心建立超频谱空间多维综合感知模型,采用小波
22、等时频分析方法,并结合分布式协同定位和地理信息,实现多维空穴的边缘检测可实现比较有效的无线环境感知。312多域协同认知多域协同认知是以数据挖掘、网络编码等理论为基础,从认知信息的有效表达、高效传递、分布处理,融合等展开研究。例如,研究认知信息的有效表达、映射方法,在维护认知信息的完整性和无二意性前提下提高信息表达的效率,采用认知信息节点融合与分离技术来实现高效的认知信息传递方法。目前的研究热点是采用多智能体协同的基本思想进行多域认知信息的分布处理,采用证据理论来融合认知用户的感知信息,从而提升认知信息的融合性能。313多域主动认知多域主动认知的研究内容包括预测推理、学习算法与认知信息共享,侧重
23、在前两个问题的研究。研究中以机器学习等理论为基础,研究认知参量随环境变化趋势,建立预测推理机制,将传统的认知溯源决策反应环缩减为认知反应修正环;以环境认知信息为基础,考察已有的机器学习方法,或对几种学习方法进行融合,选择收敛性、稳定性、处理能力等方面均能满足认知网络要求的学习方法。4结语本文针对无线网络的认知性进行研究,描述了认知网络的工作机理,提出了多域认知概念。面向无线认知网络中的多域认知环境,提出了一个包括多域本地认知层、多域协同认知层和多域主动认知层的三层认知理论体系框架,有效解决了认知信息的海量摄入、传递融合和挖掘利用,实现了由单域认知到多域认知、用户级认知到网络级认知的飞跃。在这个
24、框架下,描述了多域认知工作机理,并对多域本地认知、多域协同认知和多域主动认知的具体研究内容进行了初步的探讨。参考文献:1M ITOLAJ.Cognitiveradio:M aking softw are radiosmo re personalJ.IEEEPersonalComm unicati ons,1999,6(4):13218.2 DA RPA XG W ork ing Group.DA RPA XG po licy lan2guage fram ewo rk,request fo r comments,versi on110 R.Cam bridgeM A:Preparedby BB
25、NT echno lo2gies,2004.3TRA PPE W.Cognitiveradio in U S:overview,chal2lenge and directi ons EB OL,http:www.w inlab.rutgers.edu,2007.4 A KY ILD IZ I F,L EE WY,VU RANMC,et al.N extgenerati ondynam icspectrumaccess cognitiveradi o w ireless netw ork s:a surveyJ.E lsevier Com2puterN etw ork s,2006(50):21
26、2722159.5 GE IRHO FERS,TON G L,SADL ER B M.D ynam icspectrumaccess in the time dom ain:modelingand ex2p lo iting w hite spaceJ.IEEE Comm unicati onsM aga2zine,2007(5):66272.6 FRAN K H P,F IT ZEK,M A RCO S D.Katz.Cogni2tive w ireless netw ork s EB OL.ISBN97821240202597927(e2book),springer,http:.2007.(责任编辑:程群)865解 放 军 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第9卷名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -