【文章內(nèi)容簡介】 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境域和用戶域的多域認(rèn)知上，完成對(duì)海量認(rèn)知信息的獲取，為以后的學(xué)習(xí)、決策、調(diào)整階段提供信息輸入。學(xué)習(xí)階段主要是通過反饋環(huán)路分析行動(dòng)對(duì)外界環(huán)境變化進(jìn)行響應(yīng)，逐步修正達(dá)5 / 39到最優(yōu)的行動(dòng)策略目的。決策和調(diào)整階段是針對(duì)認(rèn)知信息和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)，選擇最優(yōu)的行動(dòng)決策并通過重配置方式進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整。這個(gè)階段涉及無線頻譜資源的分配和管理、對(duì)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)資源的聯(lián)合管理，期望得到資源的最大利用效率，從而獲得系統(tǒng)性能的最大提升。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，跨層設(shè)計(jì)可以通過增加層間交互的方式對(duì)相應(yīng)的協(xié)議層做出最優(yōu)決策和調(diào)整命令，Selfx利用其自配置、自管理、自優(yōu)化的特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。 認(rèn)知階段為了適應(yīng)時(shí)變的無線信道環(huán)境，及時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)需要借助認(rèn)知技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)無線資源的有效利用和網(wǎng)絡(luò)性能的整體提升。由于未來必定是多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存的局面，用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況來自主選擇要接入的性能最佳的網(wǎng)絡(luò)，從而為用戶提供最好的端到端QoS（Quality of Service）保證，認(rèn)知為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了重要的手段。為了提高認(rèn)知的效率和完備性，充分認(rèn)知環(huán)境的變化，認(rèn)知域需要由傳統(tǒng)的單一無線環(huán)境擴(kuò)展為包括無線環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶環(huán)境在內(nèi)的多域認(rèn)知環(huán)境。 傳統(tǒng)的靜態(tài)、局部的頻譜分配策略已經(jīng)不能解決日漸突顯的頻譜匱乏問題，如何有效地整合空閑的頻譜資源并動(dòng)態(tài)地進(jìn)行分配變得尤為重要。因此目前關(guān)于認(rèn)知的研究也主要集中在對(duì)“頻譜空穴” 的感知上，檢測(cè)空白頻譜并重新分配，提高資源的利用效率。主要相關(guān)的技術(shù)有：信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、感知導(dǎo)頻信道（CPC，Cognitive Pilot Channel ）技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)。 學(xué)習(xí)階段學(xué)習(xí)階段是當(dāng)外界環(huán)境參量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)感知此變化并做出相應(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)，通過動(dòng)作響應(yīng)的結(jié)果，判斷對(duì)系統(tǒng)性能的影響。對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將學(xué)習(xí)結(jié)果輸入策略庫，以便下次發(fā)生相同的變化時(shí)采取經(jīng)驗(yàn)條件下最優(yōu)的行動(dòng)策略。簡而言之，期望通過經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)來獲得系統(tǒng)性能的提升。當(dāng)用戶感知到對(duì)外界環(huán)境的某些參數(shù)后，做出決策并作用于外界環(huán)境，外界環(huán)境給認(rèn)知用戶一個(gè)反饋，學(xué)習(xí)階段就是逐步分析這些反饋，以達(dá)到最佳策略，繼而完成學(xué)習(xí)的過程。相關(guān)的學(xué)習(xí)方法主要有：監(jiān)督學(xué)習(xí)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)和半監(jiān)督學(xué)習(xí)。 決策和調(diào)整階段1．頻譜管理 由于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中用戶對(duì)帶寬的需求、可用信道的數(shù)量和位置都是實(shí)時(shí)變化的。頻譜分配技術(shù)將一些不規(guī)律和不連續(xù)的頻譜資源進(jìn)行整合，按照一定的公平原則將頻譜資源分配給不同的用戶，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配和利用。自適應(yīng)頻譜資源分配的關(guān)鍵技術(shù)主要有：載波分配技術(shù)、子載波功率控制技術(shù)、復(fù)合自適應(yīng)傳輸技術(shù)。為了協(xié)調(diào)授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶間的關(guān)系，提高頻譜管理的效率，新的頻譜管理思想和管理規(guī)則亟待提出，以適應(yīng)用戶的需求和技術(shù)的發(fā)展。 2．聯(lián)合無線資源管理 各種異構(gòu)無線接入技術(shù)（RAT，Radio Access Technology）共存將會(huì)是未來無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一大特點(diǎn)。具體來說，各種無線接入技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)重疊覆蓋，各自面向不同的服務(wù)要求，技術(shù)特性之間存在互補(bǔ)性。這些特點(diǎn)使得異構(gòu)無線接入技術(shù)之間的資源共享成為可能，由此提高系統(tǒng)性能和資源利用率，帶來更好的用戶體驗(yàn)。 聯(lián)合無線資源管理（JRRM ，Joint Radio Resource Management）用于多個(gè)異構(gòu)無線接入網(wǎng)之間的無線資源分配，它通過聯(lián)合會(huì)話接納控制、聯(lián)合會(huì)話調(diào)度、聯(lián)合負(fù)載控制和切換等功能來實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能和頻譜效率。 3．跨層設(shè)計(jì) 所謂跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)，是通過在網(wǎng)絡(luò)各層間共享與其他層相關(guān)的信息，利用各層之間的相關(guān)性，將各層協(xié)議集成到一個(gè)綜合的分級(jí)框架中，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的一種思想。這種設(shè)計(jì)模糊了嚴(yán)格的層間界限，打破傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)分層框架，將分散在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)融合，使得協(xié)議棧能夠以全局的方式適應(yīng)特定應(yīng)用所需的QoS和網(wǎng)絡(luò)狀況的變化，根據(jù)系統(tǒng)的約束條件和網(wǎng)絡(luò)特征來進(jìn)行綜合優(yōu)化的方式?？鐚拥脑O(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的有效分配，達(dá)到了提高網(wǎng)絡(luò)的綜合性能，為用戶提供更好服務(wù)的目的。 4．Selfx 技術(shù) 下一代網(wǎng)絡(luò)融合了多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這極大地增加了網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性，針對(duì)此問題，研究人員提出了基于自主計(jì)算（AC， Autonomic Computing）的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)自主管理架構(gòu)。 自主計(jì)算的概念最早由IBM在2022年提出。所謂自主計(jì)算，即通過設(shè)計(jì)、構(gòu)建一個(gè)能夠自管理的計(jì)算系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自我管理，以便將管理人員從復(fù)雜管理任務(wù)中解脫出來，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少管理成本。它的本質(zhì)是由系統(tǒng)主動(dòng)監(jiān)視自身的運(yùn)行狀態(tài)，并按照管理策略針對(duì)不同的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)整系統(tǒng)操作。自主計(jì)算的核心思想是實(shí)現(xiàn)自主管理（Selfmanagement）功能，7 / 39主要表現(xiàn)為：自配置（Selfconfiguring） 、自恢復(fù)（Selfhealing） 、自優(yōu)化（Selfoptimizing） 、自保護(hù)（Selfprotecting ） 。以上自主管理的功能也被稱為 Selfx。 第 3 章 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 目前提出的具有代表性的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)(CRN)體系結(jié)構(gòu) 認(rèn)知無線電是一個(gè)智能無線通信系統(tǒng)，它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化。 基于CR技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)、靈活、智能地使用頻譜資源，提高頻譜利用率的特點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議體系的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)功能的關(guān)鍵?，F(xiàn)有基于認(rèn)知無線電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有美國的CORVUS系統(tǒng)，基于IEEE (WRAN)和支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；協(xié)議體系有CORVUS 協(xié)議體系，軍用的XG系統(tǒng)協(xié)議及WRAN協(xié)議等。 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用認(rèn)知無線電技術(shù)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，由于其獨(dú)特的頻譜復(fù)用性和巨大的覆蓋范圍，呈現(xiàn)出一些不同于以往傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：，分配無線資源。用戶間的鏈接需要進(jìn)行有效的控制和管理， 同時(shí)滿足延遲和帶寬要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度。在數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素：與交疊的認(rèn)知無線電小區(qū)的共存、業(yè)務(wù)流對(duì)應(yīng)的調(diào)度業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量(QoS)參數(shù)值、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院退峙涞膸捜萘俊Ｖ行目刂破髟谛枰闆r下應(yīng)該能夠?qū)⒍鄠€(gè)鄰近頻道進(jìn)行聚合處理以改善系統(tǒng)性能，支持更多的用戶使用并占據(jù)更廣的覆蓋面。它可以在一些控制幀中指示用戶終端哪些信道可以聚合成組以供使用， 而用戶則可以相應(yīng)地采用多信道模式工作。中心控制器要具有能夠處理跨越多個(gè)子信道的上下行傳輸能力，并且隨著信道數(shù)量變化及時(shí)調(diào)整調(diào)度工作。信道分組使用同時(shí)也提高了帶寬利用率。主用戶檢測(cè)程序和分布式感知能力為多信道操作的可行性提供了保證。共存問題包括兩個(gè)層次：一是對(duì)主用戶系統(tǒng)的干擾問題；二是對(duì)于重疊區(qū)、部分重疊區(qū)內(nèi)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的共存問題。為避免對(duì)主用戶的干擾，分布式頻譜感知、測(cè)量、檢測(cè)算法以及頻譜管理等認(rèn)知無線電技術(shù)所特有的功能都必須加以考慮?，F(xiàn)實(shí)中，作為覆蓋范圍巨大的多個(gè)認(rèn)知無線電小區(qū)之間很有可能會(huì)發(fā)生部分重疊，最壞情況下甚至完全重疊。由此引發(fā)的自干擾問題如果不能得到解決，將會(huì)嚴(yán)重影響認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)工作?；谝陨系奶攸c(diǎn)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)提出了一些適用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，其中具有代表性的有如下3個(gè)。 CORVUS 系統(tǒng) 早在2022年美國加州大學(xué)伯克立分校的 Brodersen 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組就提出了基于認(rèn)知無線電方式使用虛擬非授權(quán)頻譜的CORVUS體系結(jié)構(gòu)。在CORVUS系統(tǒng)中，由多個(gè)次用戶(SU)組成次用戶組(SUG) 。 同一個(gè)SUG中的節(jié)點(diǎn)可以彼此間以Ad hoc方式通信，或者通過專用接入節(jié)點(diǎn)訪問骨干網(wǎng)絡(luò)(比如Inter)。不同SUG中的SU是不能直接通 信的。假設(shè)在對(duì)等 SU或者SU與接入點(diǎn)(AP)間只存在單播通信，不支持廣播，那么對(duì)等SU或SU與AP的通信允許分布式或集中式的組織方 式。 CORVUS系統(tǒng)將SU 面對(duì)的業(yè)務(wù)流形式主要?jiǎng)澐譃?種類型：Web式和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)式。對(duì)應(yīng)于Web 式， SU主要工作類似Inter接入，需要一個(gè)類似基站或者訪問點(diǎn)的存在來提供接入服務(wù)，因此會(huì)采用集中式控制。而Ad hoc網(wǎng)絡(luò)式主要工作是節(jié)點(diǎn)彼此間進(jìn)行的通信，采用分布式控制即可。 無線區(qū)域網(wǎng)基于IEEE (WRAN)使用未使用的電視廣播信道，在對(duì)電視信道不產(chǎn)生干擾的前提下，為農(nóng)村地區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)和低人口密度且通信服務(wù)質(zhì)量差的市場(chǎng)提供類似于在城區(qū)或郊區(qū) 使用的寬帶接入技術(shù)的通信性能。在WRAN的系統(tǒng)中，基站和用戶預(yù)定設(shè)備是主要實(shí)體，轉(zhuǎn)發(fā)器是可選的實(shí)體，采用集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在下行方向上，WRAN 采用固定的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)星型結(jié)構(gòu)，其信息傳播方式為廣播方式；在上行方向上，WRAN向用戶提供有效的多址接入，采取按需多址(DAMA)和時(shí)分多址(TDMA)，即各用戶場(chǎng)地設(shè)備(CPE)以傳輸需求為基礎(chǔ)，根據(jù)DAMA 和TDMA機(jī)制共享上行信道。用戶通過與基站(BS)的空中接口接入核心網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)CPE可支持多個(gè)傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻的用戶網(wǎng)絡(luò)的接入，通過BS 可接入到多個(gè)核心網(wǎng)絡(luò)。在 CPE與BS之間，系統(tǒng)可通9 / 39過轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在任何情況下，BS提供集中式的控制，包括功率管理、頻率管理和調(diào)度控制。 支持多信道多接口的無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 支持多信道多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)按Ad hoc方式或者混合網(wǎng)絡(luò)方式布置。如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)或多個(gè)無線電接口(如網(wǎng)卡)，可同時(shí)接入一個(gè)或多個(gè)無線信道，節(jié)點(diǎn)具有感知無線環(huán)境的功能，可以判斷信道的使用情況，選擇相應(yīng)的信道接入。正是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的這一特點(diǎn)，使得這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有很大不同。 協(xié)議體系如何保證所設(shè)計(jì)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)能夠保證正確可靠的數(shù)據(jù)交換，如何保證所設(shè)計(jì)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)時(shí)能夠保證與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一致性，以及如何實(shí)現(xiàn)與其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之間的數(shù)據(jù)交換，這都是認(rèn)知無線電協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。 由于認(rèn)知無線電技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、靈活、智能的特點(diǎn)，因而對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求也比較高，要求協(xié)議具有異步、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，必須能自適應(yīng)于因終端變動(dòng)、無線環(huán)境變動(dòng)而帶來的可用頻譜資源的動(dòng)態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。因此在設(shè)計(jì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，將遵循以下原則：協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)充分反映認(rèn)知無線電技術(shù)的特征。常用通信協(xié)議體系結(jié)協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)充分反映認(rèn)知無線電技術(shù)的特征構(gòu)都采用分層結(jié)構(gòu)，在對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將主要考慮物理層、媒體接入控制(MAC)層以及網(wǎng)絡(luò)層。在具體設(shè)計(jì)過程中，將借鑒已有物理層、MAC 層與網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議層次，在此基礎(chǔ)上，加入具有認(rèn)知無線電特性的功能模塊。協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合算法與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成果進(jìn)行系統(tǒng)性地考慮。由于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)與采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而算法又與所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，三者之間，相輔相成，互相影響。因此在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)建立一個(gè)初步的框架，然后結(jié)合算法設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成果不斷 修訂，最終完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)。協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮相容性，即考慮與其他系統(tǒng)之間的協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮相容性共存問題。由于目前的通信格局是多系統(tǒng)共存，因此在認(rèn)知無線電協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮與其它系統(tǒng)之間的共存問題?，F(xiàn)有認(rèn)知無線電系統(tǒng)的一些協(xié)議體系都是以分層協(xié)議棧為基礎(chǔ)進(jìn)行研究的，這種分層和模塊化的設(shè)計(jì)在將新技術(shù)融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。 CORVUS 的協(xié)議體系CORVUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)基于通用的OSI/ISO 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，如圖31所示。從這個(gè)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)可以看到，主要涉及了物理層與鏈路層。在物理層中，與認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊包括：頻譜感知、信道估計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸功能模塊。系統(tǒng)內(nèi)SU間的控制和感知信息是通過兩個(gè)專用邏輯信道通用控制信道(UCC) 和組控制信道 (GCC)來實(shí)現(xiàn)傳送。UCC是系統(tǒng)唯一的公用控制信道，每個(gè)SU預(yù)先知道。每個(gè)SUG 擁有一個(gè)GCC負(fù)責(zé) 交換組內(nèi)控制和感知信息。 在鏈路層上，與認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)的主要模塊是：組管理模塊，鏈路管理模塊和介質(zhì)接入控制模塊。 組管理模塊：CORVUS體系結(jié)構(gòu)假定系統(tǒng)由主用戶(PU)和具有認(rèn)知能力的SU組成，PU是某些頻段的合法擁有者，SU 在認(rèn)知無線電技 術(shù)支持下借用PU暫時(shí)未使用頻段通信。多個(gè)SU組成SU組，任何一個(gè)SU均屬于某個(gè)組。系統(tǒng)通過定義的信道全局控制信道用來進(jìn)行組的管理。新加入網(wǎng)絡(luò)的SU加入已存在的某個(gè)SUG或者新生成一個(gè)組，從 UCC處獲取所必需的信息。 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 鏈路層 物理層公用控制信道組控制信道組管理 鏈路管理 MAC頻譜感知 信道估計(jì) 數(shù)據(jù)傳輸 MAC：媒體接入控制 圖 31 CORVUS 的協(xié)議結(jié)構(gòu)11 / 39 鏈路管理模塊：該模塊負(fù)責(zé)兩個(gè)SU之間的通信建立和鏈路維護(hù)。鏈路層基于感知信息，信道估計(jì)或者用戶/法規(guī)要求等選擇一組子信道用以建立鏈接。在物理層感知到有PU意圖使用這些信道時(shí)，鏈路層要換到新的信道以免影響PU并維持自身通信。MAC模塊：MAC是認(rèn)知無線電系統(tǒng)中比較有挑戰(zhàn)性的部分。在多分組多用戶系統(tǒng)中，MAC要能夠提供多個(gè)SU并發(fā)接入一個(gè)鏈接的能力，甚至要能夠管理多個(gè)SU的多個(gè)鏈接并發(fā)使用同一子信道。 XG 項(xiàng)目的協(xié)議體系美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助的XG項(xiàng)目也在積極關(guān)注動(dòng)態(tài)使用頻譜問題。XG系統(tǒng)設(shè)定普通協(xié)議分層模型不需重