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认知无线电网络关键技术研究

一前沿技术L

【摘要】文章针对现有通信网络的不足,围绕网络认知性及其环境感知、数据挖掘、智能决策以及网络可重配置等关键技术,对认知网络的基本概念及其应用进行了阐述。

【关键词】认知网络

智能决策

环境感知

数据挖掘

网络可重构

1引言

随着信息时代的到来,对无线服务如移动通信、公共安全、电视广播等的需求持续升高。

使得无线电磁频谱已成为现代社会中极其重要的国家资源。

无线频谱资源的使用是需要国家政府管理协调的,这就造成了无线电通信在频谱使用上面临两大难题:

◆匮乏。

现有的频谱分配方法是为每种新的服务提供固定的频段。

由于可用的频谱总量有限,随着服务种类的不断增加,可供分配的频谱将最终用尽。

尤其是近期基于频谱的服务和设备急剧增加,频谱匮乏问题的解决更显迫切。

◆部署困难。

目前,运行这些系统需要国家进行大范

收稿日期:

2008年1月2日圆秒幻通信

2008年2月（上、下

围、逐个频率、逐个系统地协调。

随着系统数量的增加、规模地扩大和复杂度的提高,部署时间往往会不同程度地受到影响。

这两个难题都是由现有的集中式、静态频谱分配策略引起的。

集中式、静态频谱分配策略不能灵活地在空间和时间上实现对已分配频谱的动态复用。

因而造成了频谱的明显匮乏和利用率低下。

此外,集中式、静态频谱分配策略还要求在系统部署前预先向服务分配频谱,这更加导致了部署的困难。

据研究表明,在任意一个给定时刻,人们所用到的频谱只占所有可用频谱的2%到6%。

这是因为,许多已分配的频谱仅用于特定的地理区域,也有大量已分配的频谱只应用于

特定的、很短的时段,由于空间上无线电传播的局部化,以

≤≤≤责任编辑:

周霞zhou×ia2006@gmamcom

万

方数据

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j刖猫玟木L

及时间上高猝发性的服务的增加。

使这种频谱浪费现象越来越严重。

若能对这些。

浪费的”频谱进行再利用,也可以在很大程度上提高频谱的可用容量。

因此,问题并不是真正的频谱匮乏,而是我们没有一种在满足现行授权频谱用户的要求的同时,对频谱访问进行智能管理的技术。

解决这两个问题的有效方法之一是认知无线电技术（CR,CognitiveRadio。

美国联邦通信委员会（FCC于2002年6月成立了无线频谱政策任务组（SpectrumPolicyTaskForce,制订了智能无线的工作方针。

在该方针中使用被称为认知无线电等多项技术,能够避开正在使用的频道。

动态地分配频率。

FCC于2003年12月公布了修正案,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,FCC在推进智能无线技术的同时还将放宽有关限制。

。

认知无线电”这个术语首先是由JosephMitola提出的,全球的大学已经开始研究CR的理论、实现方式和实际应用,Intel、Qualcomm、Philips、Nokia等公司也已经开始着手研究和开发。

而以认知无线电为基础的认知网络是近几年刚刚被提出的,它引起众多学科和不同专业背景学者们的日益重视。

成为一门广泛的交叉和前沿科学。

2基本概念

认知网络㈦川是指网络能够感知外部环境,通过对外部环境的理解与学习,实时调整通信网络内部配置,智能地适应外部环境的变化。

专用认知网络是指通信网络能够感知专用环境,通过对专用环境的理解与学习,实时调整通信网络内部配置,智能地适应专用环境的变化。

其内涵主要体现在三个方面:

（1从通信网络这一主体所处的外部环境来看是战时环境。

专用环境与一般环境有很大区别,针对通信网络而言,其区别主要体现在电磁环境复杂、专用信息量剧增、对抗力度超强等方面。

（2从通信网络这一主体强调的能力来看是认知能力以及自我配置能力。

采用认知无线电等技术,实现。

感知一决策一行为”的动态自适应过程。

主要包括感知、决

责任编辑:

周霞zhouxia2006@gma钉_com>>>策、行为。

（3从通信网络主体本身来看是一体化的通信网络。

它包括了各种专用通信网络,甚至民用通信网络。

3认知网络理论体系

图1给出了认知网络的理论体系。

该理论体系从人类的认知特性出发,以系统工程方法论、信息处理与人工智能为基础,围绕认知将环境感知、数据挖掘、智能决策与网络动态配置紧密有机地结合在一起。

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/—————、lf/—————~、环境感知lI数据挖掘J1智能决策II网络动态配置\、———————————,/、\~一————//、、——————————/\—~一一77

图1认知网络理论体系

在认知网络理论体系中,环境感知、数据挖掘、智能决策与网络动态配置存在紧密的内在逻辑性,其关系如图2所示。

其中,环境感知包括对无线环境和网络环境的感知。

几者间的关系可描述为:

环境感知为数据挖掘提供基础;数据挖掘为智能决策提供依据;智能决策确定了网络重构的具体目标;网络重构的实施使得网络能够动态适应环境。

图2理论体系内在逻辑关系

秒勃通信

—面丽锄（丽圃

　万方数据

一前沿技术L认知无线电网络关键技术研究

4关键技术

认知网络所要研究的核心问题主要包括:

环境分析及感知、环境自适应理论研究及其组织运用理论研究等。

其关键技术包括:

环境感知技术、数据挖掘技术、智能决策技术、网络可重配置等。

4.1环境感知技术

环境感知是实现通信网络认知的基础,所要感知的内容包括无线环境与网络环境。

无线环境感知的主要研究内容有:

无线环境的分析,包括对无线传播环境干扰度（InterferenceTemperature的估计以及频谱空穴（SpectrumHoles的检测;信道的确认,包括对信道状态信息的估计以及对信道容量的预测;发射功率控制及动态频谱管理等。

其中,频谱空穴检测是目前研究的重点,其主要方法有循环谱检测法等。

网络环境感知[41是网络环境自适应的基础。

研究内容包括网络环境信息的获取、表示、融合和利用。

其中,网络环境主要包括网络类型、网络拓扑、接口协议、可用资源、网络流量等影响端到端传输性能的网络工作状态。

迅速准确地感知网络环境的变化。

及时调整网络配置是充分发挥多种传输手段综合效能,保证未来信息化战场信息可靠传输的关键环节。

4.2数据挖掘

数据挖掘就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中,提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。

这个定义包括好几层含义:

数据源必须是真实的、大量的、含噪声的;发现的是用户感兴趣的知识;发现的知识要可接受、可理解、可运用。

应从环境特征分析入手,重点研究数据挖掘五大功能:

自动预测趋势和行为、关联分析、聚类、概念描述、偏差检测。

环境特征分析包括两个方面与两个层次。

两个方面是指无线环境特征分析与网络环境特征分析,两个层次是指认知节点与网络。

4。

3智能决策

智能决策是利用人工智能,特别是专家系统的原理和囝秒勃通信

26a百军2月（上、下一技术所建立的、辅助决策的计算机软件系统,支持半结构化

和非结构化问题的决策。

智能决策系统主要包括决策支持系统、专家系统、机器学习、效能评价等。

专用认知网络是一

个具有智能的主体,我们将人工智能理论、机器学习、推理

机制引入专用通信网络决策系统,使得专用通信网络能够实

现环境自适应。

目前博弈论是研究的热点之一。

博弈论。

就是使用严

谨数学模型来解决现实世界中的利害冲突的理论,又称对策论。

它被设计用来帮助我们理解所观察到的决策主体相互作

用时的现象。

这种理论隐含的基本假设是:

决策主体追求确

定的外部目标（他们是理性的,并且考虑他们自身的知识

或其它决策主体行为的期望。

图3给出了博弈在无线资源管

理中的应用:

图3无线资源管理应用图

除了要将无线资源管理博弈论拓展到网络配置决策,我

们还需研究智能决策的性能评价机制,根据环境分析的结果

和用户输入判断决策结果是否最优,进而调整网络认知循环

的各个环节。

4.4网络可重配置

目前的网络配置和管理有很多是依赖人工。

无论是初

期的网络建设还是后期的维护,这将极大的增加网络的配

置和维护成本,而且其配置效果常不理想,系统的整体性能

欠佳。

按照未来异构网络的特征,各个网络在网络拓扑、

≤≤≤责任编辑:

周霞*********************、

　万方数据

认知无线电网络关键技术研究√前沿技术k

√刖猫投木k

工作模式和设备参数方面,都会动态变化,过分依赖人工的配置和镣理显然已不再适用。

总之,未来认知网络应舆各自配置、囊篱理、彝考||己亿功髭,这就需要隧绦吴有弩耋配置特性。

针对阚络可耋配置,将沿着这样的思路进行磷究。

铁认知网络体系结构出发,研究网络可重配遴体系、网络可重配置元与快速配置设计。

由于认知网络具有动态、灵活、智髭、耋配置的特薤,因纛对网络协议豹要求也鲍较高,要求协议具有异步、实时的特点,必须能自适成于因终端变动、环境变渤两带来的网络资源的湖态变化、网络拓扑结构的改变。

因此。

在网络体系结构中必须考虑重配置功能,协议设计应充分反映认知光线电技术的特征,协议架构设计应结合算法与潮络结构设计笺或票逡行系统牲地考虑,弱终体系结构需支持智能的控制与管理。

为了支持网终可重配置特性,网络可罄粪己置元研究已经提上日程。

网络可璧配置元初步设想如图4所示:

・可重配爨天线元

・n-I重配黧象藏元

・可重配擞基带元

・可重配饿终端元

・可重配嚣瓣终元

豳4网络可重配置元

快速配置设计研究从跨屡设计入手,跨层设计可阪对分散在网络各子层的特性参数进行协调融合。

以优化网络整体性裴。

5结论

丽向专用环壤的应用,阪环境自适皮研究为书心,本文提出了专用认知通信网络的概念,并分别对认知网络的关键支撑拨本以及缝织应用进始了潮述,该网终是下一代专用通信网络的可行方案之一,具备环境认知及自适应能力,能在复杂环境下为专用电子信息系统提供必要的网络和服务支持;熊增强集散节赢和集群结构翔络对蓄意攻击帮破埔的抵御能力;能全面提升通信网络安全防护、电磁防护、物理防

责任编辑:

周霞*********************>>>护能力;可实现资源共拳,发挥熬体效能。

【1】DARPAXGWorkingGroup.DARPAXGP01icyLanguageFramework,RequestforComments（version1。

0【R】,preparedbyBBNTechnologies,CambridgeMA,USA,2004.

【2】DRAGANB.CognitivenetWOrks【R】.MotOrolaTechnologyPositionpaper,2005。

f3】THOMASR,DASILVAL,MACKENZIEA.CognitiVenetWOrkS[C】.InNewFrontiersinDYnamicSpectrumAccesSNetworks2005（DySPAN,FirstIEEEInternationalSymposium。

2005:

352-360。

【4】YMIAO,ZQLIU,CKSIEW,CYMIAO.Dynamica1C09nitiVeNetW0rk—anEXtensionofFUzzvCognitiVeMap【J】.IEEETransactionsonFuzzySysterns。

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_醪鞴界爹_■_●习宋会和:

毕业于中圈人民解放举南京理_大学,现为解放军举事体育综合训练基地士官系档案管理教研窳谤溪。

陈莉:

毕业于桂林电子科技火学,现为中国电子科技集团公司第七研究辑第二研究部设诤魉,童要联究方

向移动通信网络与交换技术。

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认知无线电网络关键技术研究

作者:

宋会利,陈莉,宋绯,莫永成

作者单位:

宋会利（解放军军事体育综合训练基地档案管理教研室,陈莉（中国电子科技集团公司第七研究所第二研究部,宋绯（解放军理工大学通信工程学院,莫永成（总参通信部驻广州地

区军事代表室

刊名:

移动通信

英文刊名:

MOBILECOMMUNICATIONS

年,卷（期:

2008,32（3

被引用次数:

3次

参考文献（4条

1.DARPAXGWorkingGroupDARPAXGPolicyLanguageFramework.RequestforComments（vetsion1.02004

2.DRAGANBCognitivenetworks2005

3.THOMASR.DASILVAL.MACKENZIEACognitivenetworks2005

4.YMIAO.ZQLIU.CKSIEW.CYMIAODynamicalCognitiveNetwork-anExtensionofFuzzyCognitiveMaP

2001（05

相似文献（1条

1.期刊论文李艳妮认知网络的简单介绍-科协论坛（下半月2008,""（11

本文首先根据现有通信网络的不足,提出了认知网络的概念.在对认知网路的基本概念进行简单介绍后,分析了它与认知无线电的关系.接着提出了目前认知网络研究的主要内容,最后简单介绍了认知网络的几个应用.

引证文献（3条

1.龙李军基于直扩技术的认知无线电资源管理信道研究[期刊论文]-重庆科技学院学报（自然科学版2009（4

2.李艳妮认知网络的简单介绍[期刊论文]-科协论坛（下半月2008（11

3.冯霞.莫景猷认知无线电研究综述[期刊论文]-中国无线电2008（10

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2010年12月7日