《认知无线电第二章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《认知无线电第二章（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、认知无线电体系结构和关键技术一、认知循环认知无线电结构(Cognitive radio architecture,CRA)包括一系列设计规则，认知无线电依靠这些规则及一些具体的组成成分，使得认知层的信息服务能够得到实现。这种实现方式支持成本-效用这种随时间的推移，执行能力逐渐增长的发展模式。这种结构下的认知子系统包括一个推论层级、一个当前的组织、推论和控制状态以及认知循环之间的流动。1. 认知循环的概念下图为第一代认知无线电结构CRA I而发展的认知循环结构，这个循环以反应序列的方式实现智能的认知无线电(Intelligent cognitive radio,ICR)所需要的能力。外界刺激作为
2、感觉到的中断信号输入认知无线电设备，进入认知循环，并输出一个响应。这种ICR不断地观察(感觉和感知)周围环境，调整自己，做出计划、决定，最后行动。在一个单处理器的推论系统中，CR的控制流可能从循环中的观察状态流向决定状态。在多处理器系统里，感知、预处理、推理和行动的瞬时结构可能是并行且复杂的。其某些特征可以使各个阶段的推理同步。在单位处理器上所有工作的指南码有严格的推论顺序，在图中有定义。这个过程被称为“清醒时期”，因为占大部分时间的原始推理活动同环境是紧密相关的。我们把功率减少状态称为“睡眠时期”，把需要计算的、精确的类型识别和学习称为“做梦时期”，把更高一级交互信息称为“祈祷时期”。在清醒
3、时期中，在CR的任何一个感知器接受到新的刺激或一个先前认知循环的完成都会激起一个新的原始的认知循环。认知无线电通过分析进入的信息流来观察周围环境。这些分析包括监视无线电广播语言到文字的转化，如天气频道、自动收报机纸条。任何提供环境认知信息的射频网络或短距离的无线广播网也可能被分析。在观察时期，一个CR也会读取位置、温度、光照级别感知结果，进而推导出用户通信的环境。2. 观察ICR通过多维的方式同时接受多个外界刺激来感觉和感知周围环境并把这些刺激同先前的经验绑在一起或者更典型的是绑成子集形式，这样随后就可以检测到时间敏感的外界刺激并最终做出计划和行动。因此，ICR不断地收集经验并且把先前的收集结
4、果和当前的环境相比较。一个CR能通过积累其先前的记忆来获取经验。所以能够记忆和快速联系当前经验以及更新先前经验是CRA的一个核心能力。3. 调整“调整阶段”通过把本次观察同一场景的已知的刺激集合绑在一起决定了一次关察的意义。调整阶段包括内部数据构架，它组成了短期记忆(short term memory,STM)，人们在对话中使用STM就不必同长期记忆(long term memory,LTM)一样记忆所有的东西。典型的例子就是长期的情况下，人们需要重复才能获得信息。自然环境提供了必要的冗余信息，促使STM向LTM转化。在CRA中，从STM向长期记忆的转化被睡眠循环居中调停了。在睡眠循环中，对上
5、次睡眠循环后STM中内容的分析既是内部分析又考虑了现有的LTM。怎样解决这个话题是CR的一个重要研究课题，但是总体框架在CRA中已有定义。把当前的外界刺激同已存储的经验相匹配可以通过刺激识别或“绑定”来实现。调整阶段是认知活动中的第一步。4. 计划绝大多数刺激的处理方式都是“精心策划”的，而不是被动的“应激”性的。对于网络上的一个信号，通常都会产生一个计划来处理(计划阶段中的“正常路径”)。计划阶段包括计划的产生。在研究-质量或工业-强度的CR中，因果关系的正式模型必须要嵌入到计划工具中。计划阶段也必须包括时间的推理。典型的情况是，应激性的反映是预先用程序编号的或是由网络定义的(CR被“告知”
6、如何去做)，然而其他的行为可能是计划的。一个激励能和一个简单的计划相联系。在一个简单的计划系统中，这种简单计划是计划参数的一个功能。开放的源计划工具能使计划子系统嵌入到CRA中，提高计划的构成。这样的工具从视觉、听觉、文本、射频频段以及RA(regulatory authority rule)规则和先前得知的用户偏好出发，使射频和信息接入以一种基于目标的方式结合在一起。5. 决策决策阶段是从候选计划中选出一个来，当有外来信息时认知无线电可能警告用户(就像寻呼机)或者推迟这个外来的干扰(例如，就像在一个重要会议上的秘书在浏览电话)。6. 行为“行为”阶段是用受动模型发起已选择好的流程。受动器可能
7、接入外部世界或CR的内部状态。(1) 基于外部世界的行为外部世界的接入主要包括将待表达的信息传达给本地环境或以文本的形式传达给另一个用KQML，RKRL，WOL，RXML的CR、CN(cognitive network)或某个其他合适的知识交换标准。(2) 基于内部的行为基于内部的行动包括控制“可机器操控的”资源，如无线电信道。CR也可能影响现有内部模式的内容。例如，通过增加激励-经验-响应的模式(serModel)到现有的内部模式结构。这种新概念本身会给当前的场景定义相关的概念。一个场景中相同概念的多个独立源加强了该场景下的概念。我们用“自己”来标称这些模型以压缩经验。这些经验也可能会应激性
8、地被整合到RXML知识架构中，只要应激性的反应能对这些经验进行合适地编码。7. 学习学习是感知、观察、决策和行动的一个功能。在观察阶段中的感知等级，所有的感官知觉都不断地同先前的激励匹配，这样系统就会不断地记录事件发生的个数，并且记录上次激励同原始激励之间的总时间。初始的学习就是在观察阶段中的感知等级被调停的。当引进新的内部模型时，作为对已存在的模型和CBR（constants bit rate）的反应，学习也会发生。总之，有很多机会把机器学习(machine learning)整合到iCR中。认知循环的每个阶段都有很多的机会给发现过程，像上述的“柱状图”，以及其他很多待发展的ML路径。既然这
9、个构架包括通过计算事件发生的个数来和serModel进行内部加强，那么整个构架也支持带有不确定性的ML路径。最后，每当一个新的serModel的类型被创造时，作为对实例化内部生成的serModel的行动的反应，就会发生一个学习的行为。例如，先前的和当前的内部状态可能会同人们的期望相比，以便来了解通信模式的有效性，实例化一个新的serModel。8. 自主监视先前的每个阶段都必须有计算机构，以便能事先计算执行时间。另外，每个阶段必须限制其计算量，这样才能使耗费的资源少于预先计算的耗费资源的上限。因此，CR作为一个自我调整、自我适应的系统，整个架构必须有一些限制和某种数据集来获得某种程度上可接受的
10、稳定性。由于在某些推理系统中使用的第一顺序预测微积分（first order predicate calculus, FOPC）并不具有决定性，我们就不能事先计算FOPC表达完成所需要的时间。我们也许会用循环来排除这种情况，用循环探测方法解决一个表达所需要的时间可能被宽泛地看成一些参数的指数函数(例如，FOPC数据库中的声明和规则的语句的表达式的个数)。因此，是不允许无限制执行FOPC的。同样，无限制的For、Until和While循环也是被禁止的。有限制的迭代代替了无限的循环。在这种迭代里，计算或者提供循环所需要的时间同决定循环的反复控制的计算是独立的。下一代的编译器和case工具能够便利化
11、这些貌似不合实际的做法。由于结构话的设计和编程禁止这些自我指示、自我调整的编码，市场上目前还没有这些工具。但是由于CR本身就有自我指示调整的属性，也许在CR的需求和认知循环的结构框架的帮助下，这些工具可能很快就会出现。最后，认知循环本身不能含内部循环，每次循环的迭代花费的时间必须预先定义，就像一个3G的空中接口传送一帧要花10ms。随着CR的计算平台执行计算过程，循环里所要做的计算量也不断增加。但是，任何条件下，外部或内部循环都不应该引进到认知循环中去，以使循环时间不超过一定的范围。二、认知无线电经典架构模型目前已有的架构可分为集中式、分布式和集中加分布式的架构三种。1.集中式架构频谱池架构介
12、绍一种基于OFDM技术的集中式的频谱池架构，该架构仅初步提出采用频谱池方法进行频谱检测，在架构设计其他方面并没有深入探讨。这一架构包含非授权系统基站和移动非授权用户，非授权用户探测帧探测授权用户，将探测信息收集发送到基站，并通过基站周期性地进行广播。移动终端在授权用户出现的子载波以最大功率调制一个复合信号，通过这一操作，基站在授权用户出现的子载波接收到一个放大信号。如下图所示，不同的频谱拥有者将其空闲可用频谱收集到一个公共的频谱池中，用来将频谱进行出租。实现频谱池的一个重要工作就是周期性地探测授权系统的空闲子带，并通过二进制分配矢量传递该信息。WLAN系统作为非授权系统，非授权系统中相关移动终
13、端完成探测循环后，探测结果被收集到接入节点AP，如下图所示。接入节点将接收到的二进制独立信息进行处理，采用“或”操作进行合并。一个公共的频谱池分配矢量通过接入节点广播给每一个移动终端。其缺点及存在问题如下：随机地选择非授权用户进行频谱探测，不能保证探测移动终端的最优空间分布；这些探测结果以数据帧方式传输会产生时延，影响探测结果的正确接收；如果探测结果通过MAC层发送数据包的方式从每一个移动终端收集到接入节点，而且移动终端的数量很大的话，将会产生非常的信令开销；由于许多移动终端会探测同样的授权用户接入群，因此测量数据的冗余性是另一个重要的问题。为解决上述问题，文献采用Boosting协议，以在物
14、理层承载信令的方法，为有用的数据包传输节省大量时间，并提供更加可靠的探测结果。DIMSUMnet架构DIMSUMnet(dynamic intelligent management of spectrum for ubiquitous mobile network)是泛指在接入网络中频谱的动态、智能管理的缩写。此网络在合作接入带(coordinated access band,CAB)中运行统计联合多路接入(statistical multiple access,SMA)技术，采用集中式、区域网络的broker机制，在降低复杂度和灵活性要求的前提下，提高频谱利用率。2.分布式架构Nautilu
15、s项目中对于体系结构的设计不依赖于集中式的控制实体，主要强调分布式可协调的频谱共享方式，项目设计了一种分布式的、可升级的、联合协作的Ad Hoc体系架构，在此基础上，提出了以下三种频谱接入机制：(1)基于合作的频谱接入。(2)区域内基于讨价还价的分布式接入。(3)自主协商结合先验规则机制接入。3.集中加分布式架构DARPA XG该研究计划的目标是全面解决动态频谱访问问题，以实现动态频谱接入和共享，涉及频段包括授权频段和非授权频段。DARPA XG计划网络架构如下图所示。三、认知无线电网络关键问题随着认知无线电(CR)技术的发展，组建认知无线电网络(Cognitive Radio Network，CRN)已势在必行。CRN与其他通信网络最大的不同是传输的媒介无线频谱不是自有的，而是利用“频谱机会”进行接入。下面简要介绍各关键技术。1. 频谱感知频谱感知的两大基本功能为：一是感知频谱空穴，充分利用所有频谱机会；二是检测授权用户出现，避免对授权用户造成干扰。由于CRN的特殊应用环境，频谱感知也有其自身的特点：它不同于信号解调，频谱检测不需要恢复原来的信号波形，只需判断授权用户信号的有无；它也不同于雷达检测，不能依据反射回波获得信号的信息，而只能被动地检测信号。因此，在CRN环境中，频谱感知的本质是CR用户对接收信号进行检测来判断某信道是否存在授权用户
