认知网络中的关键技术.doc

认知无线网络的关键技术1.基本概念2.认知网络理论体系3.关键技术 3.1环境感知技术 32数据挖掘 33智能决策 34网络可重配置 4.层次化认知网络技及行为模型5.自组织网络SON6.一种基于跨层设计的分布式认知无线网 络路由方法7.认知无线网络的频谱感知技术8.重配置技术和认知理论的结合9. 认知网络路由技术10.认知网络中的信任机制研究1基本概念认知网络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。2 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。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。3 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。31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(Interfe rence Tempe ratu re)的估计以及频谱空穴 (Spectrum Holes)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。32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。3.3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：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。34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、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、智能、重配置的特征，因而对网络协议的要求也比较高，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、环境变化两带来的网络资源的动态变化、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网络结构设计的成果进行系统性地考虑，网络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重配置元研究已经提上日程。4 层次化认知网络技及行为模型传统的OSI网络结构模型是基于分层协议栈的思想设计的，这种分层模型只能通过接口协议在上下层之间进行相互通信。这种单纯的上下层交互模式已经不能适应认知网络对环境快速感知、智能决策等要求。由于认知网络的认知特性，需要在传统分层网络的每一层引入反馈环，使各层具有认知功能，能够从外界环境中获得必要的信息，并且各层需要全向的信息传递，从而实现信息横向、纵向的全交互。图3以OSI网络分层模型为例，将OODDA环引入模型的各层，并简要分析它们在各层的作用和关键技术。 在物理层引入认知过程的目的是对周围的物理环境进行感知。首先认知网络需要对物理环境进行观察和分析，包括检测频谱空穴和探测节点状态参数。频谱检测技术是现在研究的一个重点技术，对频谱空穴的检测并不是简单的探测感兴趣的频带内信号的能量，而是需要综合检测信号在时域、频域和空域等多个方面的信息；节点参数主要包括传输功率，调制方式，编码方式和载波数量等。然后认知网络通过对之前的物理环境信息的收集和整理进行定向。在决策阶段，认知网络需要对信道的进行确认，主要包括信道状态估计和信道容量预测等。之后，认知网络根据之前的决策对网络进行调整，选择合适的调制方式，以达到动态分配载波，充分利用空闲频谱，同时进行高效的功率控制和速率控制。 数据链路层认知过程的主要目的在于获取频谱的使用情况，从而选择合适的调度策略。首先认知网络通过观察获知频谱感知的方式（集中式还是分布式）并收集链路状态的信息，进而获得整个网络的频谱使用图谱，然而根据获得的信息做出决策，确定感知时间和感知频率，选择合适的感知方式和介质接入控制方式，决定竞争合作策略和调度机制策略等。最后，根据决策，进行频谱租用协商，数据包发送控制和信道传输控制，并选择合适的信道编码方式。 网络层的认知过程的主要目的是获知周围的网络拓扑，选择最佳的路由策略。首先在观察过程中，认知网络需要完成网络状态信息的收集和进行邻居发现的工作，从而获得周围网络拓扑的情况以便进行定向。在决策阶段，认知网络需要新路由的判据，确定路由策略及转发参数（如转发时延、转发速率、转发方式等）。最后，认知网络需要更新的路由策略重新设置路由，并对有效的路由进行再学习。应用层认知过程的目的是更好了解用户和业务的需求，从而更好地提供服务。认知网络需要对用户和业务的需求进行感知，进而确定业务类型的归属，确定QoS等级，重新协调业务的类型，为业务提供安全可靠的服务。 网络环境具有动态变化的特性，认知网络中，每个节点可以自动的根据周围通信环境及网络状态来主动的计划、判断甚至决定通信行为。因此，需要网络对环境变化作出快速的反应，各个层之间进行灵活准确的认知信息交互。快速准确地完成自认知过程。传统的分层协议栈无法灵活地适应无线移动环境的变化，信息逐层传递的交互模式在很多情况下也已经无法满足环境高度动态变化的要求。因此为了保证认知网络的可靠连接和应用的顺利完成，保证各层之间快速的信息交互，保证认知网络有效地进行调整和重配置，在认知网络中引入跨层机制是十分必要的。目前国内外许多研究者都对跨层设计机制提出了自己设计方案，现有的无线网络跨层设计主要集中在：物理层和MAC层相结台的速率自适应方案；物理层，MAC层，路由层相集合的路由自适应方案；物理层，MAC层和传输层相结合以提供端到端的服务质量保证。这些跨层设计能够改善系统在无线环境的路由、资源调度、QoS保障等。6一种基于跨层设计的分布式认知无线电网络路由方法7 干扰感知 基于跨层干扰感知的MANET路由协议的研究9 认知网络路由技术(1) 环境感知模块负责获取网络环境信息，并将业务需求映射为网络端到端的QoS需求，作为路由构建的优化目标。(2) 路由决策模块负责路由的构建、更新与补救。它依据测量信息和优化目标，选择路由策略，如协同路由、多输入多输出(MIMO)路由、跨层路由等。(3)重构模块负责路由的配置。如采用跨层路由协议， 还须配置运输层、链路层和物理层。 (4)自学习模块负责策略评估、修正与生成，以适应网络环境的变化。3 需解决的关键问题3 .1 环境感知模块需要解决的关键问题3 .2 路由决策3 .3 认知路由算法中的自学习机制信道配置一、无线网状网的路由协议 传统的路由协议是专为有线网络设计的，并不适用于无线网状网环境。因为传统的路由协议不能够很好处理无线网状网环境中常见的拓扑结构和链接质的快速变化。无线网状网络都有一些显著的特性，例如：高动态性，智能性，端对端最佳路径选择，多跳性，通常带宽有限和计算能力不足。无线网状网络的高动态性的原因有两个：第一，路由器本身可能移动，并造成网络拓扑结构的快速变动。第二，即使路由器本身不移动，由于干扰、地理和环境等因素，无线电链路的质量仍可能发生快速变化。 从以上这些特性可以知道，完备的无线网状网路由协议必须需要具备以下特点：分布式操作；快速收敛(适应更快的移动)；可扩展性：适用于大量的小型设备；只占用有限的带宽和计算能力主动式操作(减少初始延迟)：在选择路由时考虑无线电链路的质量和容量；避免环路：安全性。 由于无线网状网是由AdHoc网络发展而来的无线网络。AdHoc网络和无线网状网络之间具有一定的相似性，因此现有的主流无线网状网路由协议也是从AdHoc网络的路由协议发展而来的，主要包括三种类型的路由协-议：一种为先验式路由协议：一种为反应式路由协议；另外一种就是二者的混合，称为混合式路由协议。 二、先验式路由协议 (一)简介 先验式路由协议是一种基于表格的路由协议。在这种协议中，每个节点维护一张或多张表格，这些表格包含到达网络中其它所有节点的路由信息。当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点在网络中发送路由更新信息。收到更新信息的节点更新自己的表格，以维护一致的、及时的、准确的路由信息。不同的先验式路由协议的区别在于拓扑更新信息在网络中传输的方式和需要存储的表的类型。先验式路由协议不断的检测网络拓扑和链路质量的变化，根据变化更新路由表，所以路由表可以准确地反映网络的拓扑结构。源节点一旦需要发送报文，可以立即得到到达目的节点的路由。 (二)典型先验式路由协议DSDV协议 DSDV的基本原理是：每一个节点维持一个到其它节点的路由表，表的内容为路由的“下一跳”节点。DSDV创新之处是为每一条路由设置一个序列号，序列号大的路由为优选路由，序列号相同时，跳数少的路由为优选路由。正常情况下，节点广播的序列号是单调递增的偶数，当节点B发现到节点D的路由(路由序列号为s)中断后，节点B就广播一个路由信息，告知该路由的序列号变为s+l，并把跳数设置为无穷大，这样，任何一个通过B发送信息的节点A的路由表中就包括一个无穷大的距离，这一过程直到A收到一个到达D的有效路由(路由序列号为s+1-1)为止。 在此方案中，网络内所有的移动终端都建立一个路由表，包括所有的目的节点到达各个目标节点的跳跃次数(或标识距离矢量的路径矩阵)。每个路由记录都有一个由目标节点设定的序列号。序列号使移动终端可以区分当前有效路由路径和已过时的路由路径。路由表周期性地做全网更新以维护全网的通信有效性。通常，为了减少由于路由表更新而产生的大量路由信息传递，减少网络路由开销，可以采用两种路由更新方式。第一种是全清除方式，即通过多个网络协议数据单元将路由更新信息在全网中传输。如果网络内终端出现移动，则产生的新路由分组信息不定期的传达至网络内所有终端。第二种是部分更新方式，或称为增量更新方式，即在最后一次全清除传输后，只传递那些涉及变化了的路由信息进行传输，这些信息通常被放置在一个标准的NPDU里，从而减少路由信息的传