認知應急通信系統的建構范文

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對比傳統應急通信系統存在的缺陷和認知無線電、認知網絡技術具備的優勢，不難發現，在網絡環境復雜多變、資源嚴重匱乏的應急通信場景中，非常有必要借鑒采用認知無線電和認知網絡的思想構建具有認知能力的應急通信系統，提升應急通信網絡資源的利用效率，增強應急通信系統在各種網絡環境下的智能性、可靠性和適用性。

認知無線電和認知網絡簡述

認知無線電和認知網絡是近幾年通信網絡界的研究熱點，已得到了業界廣泛的關注和深入的研究。認知無線電的概念最早是由JosephMitola博士于1999年在軟件無線電（SoftwareDefinedRadio，SDR）的基礎上提出的，目的是為了解決無線網絡中不斷增加的頻譜需求與頻譜利用率低下的矛盾。認知無線電摒棄傳統固定分配頻譜資源的方式，允許認知無線電設備伺機動態利用在空域、頻域、時域和碼域上出現的空閑頻譜資源（稱為頻譜空洞），從而提高現有頻譜資源的利用率。CR具有頻譜感知、主動學習和智能處理能力，通過與工作的網絡環境交互，對外界環境進行感知、理解和主動學習，實時改變無線操作參數和調整系統的內部狀態，使無線設備能自動適應外部無線環境和自身需求的變化。認知網絡進一步拓展了認知無線電的作用范圍和操作能力，是一種具有認知能力的新型智能通信網絡。與認知無線電類似，認知網絡同樣具有自配置、自調節和自學習能力，能夠實時感知網絡條件，并根據收集的當前網絡外部環境、內部狀態及經驗信息來動態規劃、調整和決策采取的行動，以滿足系統目標和用戶需求。系統目標隨網絡情景的變化而不同，如提高資源使用效率、改善業務的服務質量及增強網絡安全性等。不難看出，認知無線電是認知網絡在無線通信環境中的一種特例，它更多考慮的是無線設備如何根據網絡環境調節工作頻率和傳輸功率，以高效利用寶貴的無線頻譜資源。與認知無線電相比，認知網絡更重視各網絡組成要素的協調聯動和重構，以實現系統的總體目標。認知網絡的認知行動涉及所有網絡元素，包括全網范圍內參與行動的子網、路由器、交換機、終端、編碼和加密設備、傳輸媒介和網絡接口等，而不是局部范圍或個別元素。認知網絡與認知無線電的另一個重要區別，就是它能夠很好地支持包括有線網絡和無線網絡在內的異構通信網絡，而認知無線電僅能應用于無線網絡。與非認知網絡相比，認知網絡可以提供更好的端到端性能，顯著改善資源利用率、業務服務質量、健壯性及安全性等。此外，CN應具有一定的預見性，而不是被動反應，即試圖在出現問題之前就進行前瞻性調整，以盡量避免發生重大問題而造成嚴重后果，這對于應急通信而言是迫切需要的一項功能。

認知應急通信系統的構建

1網絡體系結構

根據文獻［8－10］中提到的認知網絡框架和模型，并針對應急通信的特點，筆者提出一種支持應急通信的認知網絡體系架構（CognitiveNetworkSupportingEmer－gencyCommunication，ECCN），將應急通信需求、認知處理和底層網絡關聯在一起，如圖1所示。ECCN體系結構從下到上依次是異構網絡基礎設施層、（軟件）可調節／自適應網絡層、認知處理層和應用目標層。（1）網絡基礎設施層包含事發現場的各種網絡系統和通信設備，是網絡運作的基礎平臺。（2）可調節網絡層疊加在底層基礎網絡設施之上，主要包括軟件可調節網絡（SAN）單元、網絡狀態監視器和傳感器，可調節網絡單元（如認知無線電臺）是認知決策的執行單元，基于認知決策指令對網絡設備和系統采取實際可行的操作。網絡基礎設施層與可調節網絡層共同組成可重構網絡（重構一般是指在不改變任何硬件的情況下通過調整操作參數配置來適應網絡要求的功能）。（3）認知處理層是ECCN的核心決策層，實時接收應急用戶的服務請求，并通過網絡監視器和傳感器獲取底層網絡狀態信息，然后通過認知處理引擎（CPE）對上下層信息進行分析推理，做出行動決策，指導下層可調節網絡單元的操作。此外，除了控制決策外，認知處理層還將網絡的服務水平等信息反饋給上層應用和用戶。（4）最上層是應用目標層，系統任務目標由用戶提出或由應用需求決定，這些任務需求通過識別、調整和優化等方式驅動整個應急通信系統的行為。如果脫離目標的指導，各網絡設備自行操作的目標不一致，可能會導致不期望的后果。最后，認知網絡還提供可與外部認知／非認知網絡互聯互通的外部網絡接口。不難看出，ECCN體系結構包括兩個控制環。一是應用目標層和認知處理層之間的反饋控制環，用戶向網絡發出服務請求→認知處理引擎進行分析和推理→網絡向用戶反饋其服務能力→用戶適當調整應用需求；二是認知處理層與可調節網絡層之間的認知控制環，監控器和傳感器向認知處理層傳遞網絡狀態信息和可調節網絡單元的相關信息→認知處理引擎進行分析決策→認知處理層向可調節網絡單元發出決策指令，指導網絡的具體操作。網絡狀態的變化有主動和被動之分，被動變化是不可預測的，如節點的移動、增刪和無線信道環境的變化；主動變化是通過有計劃地調整和配置網絡設備，使網絡狀態趨向預期。網絡狀態信息包括本地信息（如BER、鏈路可用帶寬和節點剩余電量等）和全局信息（如端到端時延和網絡連通性等）。在ECCN網絡體系結構中，所有認知網絡節點之間協同構成認知應急網絡，按照認知決策采取適當的操作，以實現應用需求和系統目標。

2認知處理引擎

認知處理引擎通過特有的認知規范語言（CSL），將系統目標映射為下層認知過程可以理解的形式，以指導可調節網絡單元的具體操作行為，可以采用類似擴展標識語言（XML）的語言。認知處理引擎利用各種人工智能、機器學習、決策支持、自適應算法進行學習和推理，根據當前網絡狀態信息并結合成功的經驗知識做出最佳決策，然后將這些成功的決策信息保存在數據庫中，供以后遇到類似的情況直接使用。在網絡設計階段，可以根據經驗事先確定學習和推理規則，但在運行階段可由認知處理引擎根據當前網絡狀況動態修改預定規則。無論選擇什么樣的學習方式，認知過程需要快速地學習或者收斂到一個解，且當狀態發生改變時該學習仍能夠實現快速收斂。對于環境經常變化的網絡（如移動無線網絡），快速收斂是非常重要的。鑒于認知應急通信網絡必須基于應用需求協調網絡節點的行動來優化系統整體目標，在認知網絡節點上由認知處理引擎進行網絡資源的統一智能管理和全局優化，多個節點的CPE之間交互信息、協同運作，最終使多個自主的認知節點整合為統一的認知網絡。CPE的功能結構如圖2所示。CPE是一種多功能軟件實體，它利用感知的網絡狀態信息和協議棧各層的信息，基于策略庫提供的策略信息進行分析，然后通過調用合適的優化機制和算法來調度資源的使用，并按需靈活調整跨層協議棧各層參數以獲得匹配應用需求的最佳系統設置。隨后，CPE觀察節點的行為和網絡優化結果，通過推理和學習來總結經驗和更新策略，并將其存入策略庫中。此外，CPE還可以決策在合適的時候采用合適的信道資源及通信技術，為不同的用戶提供各自所需的服務質量保障。CPE是模塊化和可擴展的，可以根據需要添加合適的優化和調節工具，包括神經網絡、模式識別、遺傳算法、專家系統、時序分析和卡爾曼濾波等。例如，CPE會針對大量數據執行多層面的優化，可以考慮采用遺傳算法或模擬退火方法。為了更有效地處理大量歷史數據，有必要對信息進行分類和聚類，采用的方法包括神經網絡、時序分析等。同時，為了使CPE能夠可靠操作，必須確保決策過程中使用的數據質量，可采用卡爾曼濾波、貝葉斯推理和統計學習理論處理推理的不確定性，并確保數據的可靠性。

3軟件可調節網絡

軟件可調節網絡（SAN）實際上是一個獨立的研究領域，如同SDR的設計獨立于認知無線電。但是，SAN需要提供認知處理層可理解和利用的網絡接口。這些接口類似于應用程序接口（API）或者接口描述語言（IDL），并且應該是靈活和可擴展的。SAN還包括可修改的網絡要素，這些網絡要素可以作為認知網絡的策略控制點（PCP）。這些網絡要素可包括任何網元，且認知處理層可以通過API對每個可調節網絡要素進行操作。軟件可調節網絡（SAN）的一個簡單實例就是支持定向天線（天線可以搜索接收或以不同的旋轉角度進行發射）的無線網絡。這種無線網絡具有SAN的基本特征，包括一種可供調節的網絡單元。需要指出的是，只有當調整天線方向是服務于系統目標的認知行為時才將其稱為認知網絡，否則如果修改天線僅為了實現鏈路層的局部目標，則只能稱之為采用智能天線的無線網絡。

認知應急通信系統的應用

筆者設計的具有認知能力的應急通信系統通過資源實時感知和自適應管理來解決緊急情況下的資源緊缺問題，適用于多種應急場景。

1城市突發事件

在應急現場，每個救援機構往往都會部署自己的應急無線通信網絡，由于供應急通信使用的頻譜資源有限，這些機構將競爭使用這些稀缺的無線資源，從而造成嚴重的通信干擾，進而妨礙救援行動。為此，可以改造升級各機構的應急無線通信網絡，使其具備認知能力，以便協調多個機構應急通信網絡的行動，準確、及時地傳遞各種應急信息。例如，各部門應急人員攜帶的認知無線電臺通過自適應頻譜感知來檢測和收集活動的無線電臺的位置和發射頻率信息，并通過動態頻譜接入（DSA）來優化使用頻譜資源，從而提高頻譜利用率，并可在一定程度上避免各救援機構之間的通信干擾。另外，認知應急通信系統能夠隨網絡環境的變化自適應調節，以保證不同用戶和應用按照其重要程度使用網絡資源，并確保重要業務的服務質量。

2地震災害救援

當地震災害發生后，事發區域的網絡通信基礎設施會遭受嚴重損毀，且呼往震區的通信業務量會在短時間內劇增，很容易造成現有通信網絡的擁塞，甚至癱瘓。這使得地震災區的大量災情信息不能及時向外傳遞，外部指揮機構和救援人員也無法及時有效地開展救援工作。如果在災區部署具有認知能力的通信系統，那么在地震發生時可以利用網絡傳感器／監視器及時采集網絡狀態信息和災情信息，優先保證指揮救援中心與災區的通信暢通。認知處理引擎對實時收集的網絡狀態信息進行分析，基于掉話率、通話時延等性能指標以及基站退服和光纜中斷等告警信息來判斷地震災害的破壞程度，然后通過限制呼入災區的呼叫量和調節網絡設備的參數來確保應急通信指揮的順暢進行。例如，根據基站的位置調整其發送功率和覆蓋方向，盡可能大地覆蓋受災地區。另外，可根據功能職責的不同將應急通信網絡劃分為不同的應急救援簇，如警察、消防員和醫護人員簇等。在搶險過程中，每個簇協作完成特定的任務。采用網絡分簇方法具有眾多優勢，即有效的數據聚集、短的通信范圍、減少沖突和競爭、降低路由開銷和便于網絡同步等。其中一個簇與指揮網絡相連，指揮網絡可以連接到外部網絡。各簇之間的通信通常需要借助于指揮網絡，可以使用各種無線技術。

3森林火情監控

可以在重要的林場部署具有認知能力的無線傳感網來預警和監視火情。具有認知能力的無線傳感網（C－WSN）由傳感器節點、中間轉發節點和匯聚節點組成。由于每個節點都具有頻譜感知和信道選擇的認知能力，傳感器節點可以選擇空閑信道將感知信息發送給轉發節點，轉發節點同時利用其他空閑信道繼續進行轉發，直到到達匯集節點，提高了空閑信道的利用率。采用多頻多跳的組網方式可以利用認知無線電技術進行高效的頻譜分配，從而降低相鄰節點無線傳輸的相互干擾，增強數據傳輸的并發性，解決傳統無線傳感器網絡對信道利用率不高的問題。另外，考慮這種傳感網絡規模較大且節點數量較多，適合采用分簇網絡結構，簇頭節點負責感知簇內傳感節點的位置、發射功率和工作頻率，并于鄰近簇頭交互信息，從而有效地管理和協調傳感節點的行動，提升網絡整體性能。

結束語

認知無線電和認知網絡是近年來得到業界廣泛關注和深入研究的熱點技術，可以顯著提高無線頻譜利用率和優化網絡性能。筆者將認知無線電思想用于應急通信領域，給出了具有認知能力的應急通信系統的構建思路，對網絡體系結構及認知處理引擎和可調節網絡等關鍵部件進行了說明，并分析了幾種常見的應用場景。目前，對具有認知能力的應急通信網絡研究剛剛起步，還存在很多有待解決的技術和管理問題。必須從現實需求出發，充分挖掘包括認知無線電、認知網絡、無線自組網、協同通信等新興優勢技術的潛能，建立動態資源感知接入，空間與地面結合、有線與無線結合、固定與機動結合的自適應立體應急通信系統，最大限度地發揮應急通信為社會服務的效能。（本文作者：王海濤、宋麗華單位：解放軍理工大學）