什麼是認知無線網路

Ⅰ 認知無線網路的內容簡介

《認知無線網路》共7章，內容包括認知無線網路的基本概念、基本原理和主要特點，環境感知、數據挖掘、智能決策和網路重構等認知無線網路關鍵技術，及認知無線網路的典型系統的組成、介面和工作原理。
《認知無線網路》可作為高等學校通信工程、信息工程、計算機工程、電子工程、系統工程和其他相近專業的高年級本科生和研究生教材，也可供相關專業的教師和科研人員參考。

Ⅱ 20分！談談對無線認知網路頻譜感知方法的研究與實現的看法

認知無線網路的頻譜感知技術

認知無線電/認知無線網路起源於Joseph Mitola攻讀博士期間的研究工作，在其博士論文中，Mitola將認知無線電定義為「the integration of model-based reasoning with software radio technologies」，認為認知無線電是智能計算和無線通信這兩個學科交叉融合的產物[1] 。隨後，美國的FCC和DARPA分別啟動了多項計劃，對認知無線電和動態頻譜接入問題進行深入研究；歐盟的端到端重配置計劃(E2R: End to End Reconfigurability Project)也啟動了對認知概念在技術和經濟領域等各方面問題的研究。Simon Hakin在2005年發表了關於認知無線電的著名文章「Cognitive radio: brain-empowered wireless communications」[2] ，主要從信號處理和自適應過程的角度對認知無線電技術的框架結構進行了較為完善的分析。此後，許多有名的大學和研究機構也展開了相關技術的研究和實驗平台的開發，認知無線電的概念也被擴展為認知無線網路，指利用認知原理來提高各種資源（頻譜、功率等）使用效率的無線網路[3] 。在頻譜管理部門的帶動下，一些標准化組織也先後開展了一系列標准制定工作以推動該技術的發展。目前涉及認知無線電/認知無線網路標准制訂的組織和行業聯盟主要是美國電氣電子工程師學會（IEEE）、國際電信聯盟（ITU）和軟體無線電論壇(SDR Forum)等。
認知無線網路中，主（授權）用戶指那些對某段頻譜的使用具有高優先順序或合法授權的用戶，次級用戶是指那些低優先順序的用戶。次級用戶對頻譜的使用不得對主用戶造成干擾，因此要求其能快速、可靠地感知主用戶使用授權頻譜的情況。次級用戶必須具備認知能力，因而稱其為認知用戶，在網路結構中則表示為認知節點。認知用戶的頻譜感知主要包括在某個頻段上檢測主用戶存在與否（主用戶信號檢測）和估計認知用戶對主用戶接收機可能造成的附加干擾（干擾溫度估計）兩個任務[4] 。更進一步的可能要求是頻譜感知還應區分主用戶信號的種類（空中介面分類）[5] 。目前大部分頻譜感知的研究都集中在最重要的主用戶信號檢測上。

1. 頻譜感知的基本方法
主用戶信號檢測的單節點頻譜感知基本方法通常分為三類：
第一類為相干檢測。如果知道主用戶信號的結構特徵（如導頻、前導或同步消息等），匹配濾波器加門限檢測的方法是最優的主用戶信號檢測方法。相干檢測可獲得精確的頻譜感知結果，但其缺點也很明顯，必須知道主用戶信號的先驗知識，而且當認知無線網路運行在很寬的頻段上時，實現許多類型的授權信號的相干檢測成本太高，幾乎不可實現。
第二類為能量檢測。在感興趣頻段上測量某段觀測時間內接收信號的總能量，如果能量低於某個設定門限則聲明該頻段為白空間。與相干檢測相比，能量檢測需要更長的感知時間以達到同樣的感知效果，但低成本、易實現的特性使其受到認知無線網路中頻譜感知技術的青睞。
以上基於信號檢測技術的兩種頻譜感知方法，有很好的理論基礎[6] ，性能分析已比較完善。
第三類為特徵檢測[7] 。能量檢測的最大缺點是它不能區分接收到的能量是來自主用戶信號還是雜訊，在低信噪比環境中的頻譜感知結果尤其不可靠。在主用戶信號的載波頻率、調制類型或循環前綴等某些特徵已知時，利用信號的期望和自相關函數呈現出來的周期性（循環平穩譜相關特性），可將信號能量與雜訊能量區分開來，突破能量檢測的瓶頸。文獻[8] 還分析實際情況下有限的數據長度對循環譜特徵檢測的影響。實現復雜度遠高於能量檢測是制約特徵檢測在頻譜感知中應用的最主要缺點。
此外，2003年底FCC頻譜政策工作組提出了干擾溫度模型[9] ，意在對無線環境中的干擾源進行量化和管理。干擾溫度限提供了特定地理位置在某一感興趣頻段上接收機能夠順利工作的最差環境的特徵描述。根據干擾溫度模型，認知用戶若能確定其對主用戶接收機造成的附加干擾量並加以限制，使主用戶接收機所受的總干擾（含雜訊）不超過干擾溫度限，則認知用戶可與主用戶運行在同一頻段上。可以看出，基於主用戶信號檢測的頻譜感知意在避開主用戶，而基於干擾溫度模型的頻譜感知則試圖與主用戶同時並存於同一個頻段，這是兩者最大的區別。文獻[10] 定義了已知和未知主用戶信號參數時干擾溫度的理想模型和一般模型，並從通信容量的角度分析了如何來最優地選擇認知系統的工作帶寬和發送功率。但干擾溫度模型存在兩個需要解決的難題：其一為在主用戶發送信號存在的情況下如何測定其接收機的雜訊水平，其二為在主用戶接收機位置未知的情況下如何估計認知用戶對它可能產生的干擾。降低問題難度的一種可能辦法是讓主用戶系統來輔助認知系統的頻譜感知，如文獻[11] 中要求主用戶接收機在工作過程中持續發送指示信號。另一個需要考慮到的是，認知用戶和主用戶共存於同一個頻段時，認知系統的通信過程中也會受到授權系統的干擾，所以認知系統能獲得的通信容量可能非常有限[10] 。

2. 協同頻譜感知
認知無線網路可通過對多節點感知信息的協同處理來提高頻譜感知的效果，這被稱為協同（協作、合作）頻譜感知。頻譜感知性能主要由感知范圍、檢測時間、檢測概率、虛警概率等幾個相互關聯的指標來衡量，協同頻譜感知可利用空間分集增益改善上述指標，解決單節點感知中難以克服的多徑深衰落、陰影衰落和隱終端等難題[4] ，同時也可減輕對單個節點感知靈敏度的要求，降低實現成本[12] 。
實現協同頻譜感知的方式有兩種，即中心式和分布式。
中心式感知：中心單元收集各認知節點的感知信息，負責識別可用頻譜，並將頻譜可用信息廣播給各認知節點或直接控制認知節點的通信參數。文獻[13] 中以AP為中心收集、處理各感知節點的硬判決（二進制）結果，通過克服信道衰落效應來提高感知性能，其檢測概率和虛警概率的計算在文獻[14] 中給出。文獻[15] 以主節點（master node）為中心節點合並各感知結果來檢測TV信道。文獻[16] 則由融合中心（fusion center）根據各認知節點能量檢測的結果最終判斷主用戶在某個頻段上的存在與否。
分布式感知：認知節點彼此之間共享感知信息，但獨立判斷各自的可用頻譜。與中心式感知相比，分布式感知的優點是不需要基礎結構網路，部署更靈活些。文獻[17] 顯示一個用戶作為另一個用戶中繼的兩用戶協同頻譜感知可帶來35%的捷變增益（所需感知時間減少35%）。文獻[18] 進一步將這種分布式感知協議推廣到多用戶環境中。
無論中心式還是分布式感知，就協同頻譜感知的研究內容而言，主要包含以下兩個方面：
1）認知節點感知信息的合並處理，即考慮信息融合（fusion）問題。
2）感知信息傳遞過程的合作，即考慮中繼傳輸問題。

Ⅲ 什麼是認知無線電網路中路由跨層優化

認知無線電（Cognitive Radio,CR）的概念起源於1999年Joseph Mitola博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有學習能力，能與周圍環境交互信息，以感知和利用在該空間的可用頻譜，並限制和降低沖突的發生。
認知無線電（Cognitive Radio,CR）的學習能力是使它從概念走向實際應用的真正原因。有了足夠的人工智慧，它就可能通過吸取過去的經驗來對實際的情況進行實時響應，過去的經驗包括對死區、干擾和使用模式等的了解。這樣，CR有可能賦予無線電設備根據頻帶可用性、位置和過去的經驗來自主確定採用哪個頻帶的功能。隨著許多CR相關研究的展開，對CR技術存在多種不同的認識。最典型的一類是圍繞Mitola博士提出的基於機器學習和模式推理的認知循環模型來展開研究，他們強調軟體定義無線電（Software Defined Radio，SDR）是CR實現的理想平台。
針對CR研究中存在的多種描述，美國FCC提出了CR的一個相當簡化的版本。他們在FCC-03322中建議任何具有自適應頻譜意識的無線電都應該被稱為認知無線電CR。FCC更確切地把CR定義為基於與操作環境的交互能動態改變其發射機參數的無線電，其具有環境感知和傳輸參數自我修改的功能。CR是一種新型無線電，它能夠在寬頻帶上可靠地感知頻譜環境，探測合法的授權用戶（主用戶）的出現，能自適應地佔用即時可用的本地頻譜，同時在整個通信過程中不給主用戶帶來有害干擾。無線電環境中的無線信道和干擾是隨時間變化的，這就暗示CR將具有較高的靈活性。目前，CR的應用大多是基於FCC的觀點，因此也稱CR為頻譜捷變無線電、機會頻譜接入無線電等。
當前，在頻譜政策管理部門的帶動下，一些標准化組織採用了CR技術，並先後制定了一系列標准以推動該技術在多種應用場景下的發展。例如，IEEE802.22工作組對基於CR的無線區域網路WLAN的空中介面標准正在制定中，目標是將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶的空閑頻道有效的利用起來；IEEE802.16工作組正在著手制定h版本標准，致力於改進如策略、MAC增強等機制以確保基於WiMAX的免授權系統之間、與授權系統之間的共存。此外，ITU也在努力尋找類似CR的頻譜共享技術。目前，受CR的潛力及其在無線電領域公認的「下下一件大事情」的激勵，國內不少院校和學者也已經開始了這方面的研究，如西安電子科技大學已經開展的2005年度「863」有關CR技術的研究。
認知無線電又被稱為智能無線電，它以靈活、智能、可重配置為顯著特徵，通過感知外界環境，並使用人工智慧技術從環境中學習，有目的地實時改變某些操作參數（比如傳輸功率、載波頻率和調制技術等），使其內部狀態適應接收到的無線信號的統計變化，從而實現任何時間、任何地點的高可靠通信以及對異構網路環境有限的無線頻譜資源進行高效地利用。認知無線電的核心思想就是通過頻譜感知（Spectrum Sensing）和系統的智能學習能力，實現動態頻譜分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和頻譜共享（Spectrum Sharing）。
認知無線電中，次級用戶動態的搜索頻譜空穴進行通信，這種技術稱為動態頻譜接入。在主用戶佔用某個授權頻段時，次級用戶必須從該頻段退出，去搜索其它空閑頻段完成自己的通信。

Ⅳ 認知無線電的應用

UWB技術產生於20世紀60年代，當時主要應用於脈沖雷達（ImpulseRadar），美國軍方利用其進行安全通信中的精確定位和成像。至20世紀90年代之前，UWB主要應用於軍事領域，之後UWB技術開始應用於民用領域。UWB由於具有傳輸速率高、系統容量大、抵抗多徑能力強、功耗低、成本低等優點，被認為是下一代無線通信的革命性技術，而且是未來多媒體寬頻無線通信中最具潛力的技術。
認知無線電採用頻譜感知技術，能夠感知周圍頻譜環境的特性，通過動態頻譜感知來探測「頻譜空洞」，合理地、機會性地利用臨時可用的頻段，潛在地提高頻譜的利用率。與此同時，認知無線電技術還支持根據感知結果動態地、自適應地改變系統的傳輸參數，以保證高優先順序的授權主用戶對頻段的優先使用，改善頻譜共享，與其他系統更好地共存。 無線Mesh網路是近幾年出現的具有一種無線多跳（Multi-hop）的網路結構。在Mesh網路中，每個節點可以和一個或者多個對等節點直接通信；同時也能模擬路由器的功能，從鄰近節點接收消息並進行中繼轉發。這樣，Mesh網路通過鄰近節點之間的低功率傳輸取代了遠距離節點間的大功率傳輸，實現了低成本的隨時隨地接入。網路中所有節點之間是相互協作的，如果Mesh網路中的一條鏈路失效了，網路可以通過替代鏈路將信息路由到目的地，優化了頻譜的使用。
認知無線電和無線Mesh網路結合，正是在增大網路密度和提高服務吞吐量的發展趨勢下提出來的，適用於可能有嚴重的線路爭用情況的人口稠密城市的無線寬頻接入。認知Mesh網路通過中繼方式可以有效地擴展網路覆蓋范圍，當一個無線Mesh網的骨幹網路是由認知接入點和固定中繼點組成時，無線Mesh網的覆蓋范圍能夠大大增加。尤其是在受限於視距傳輸的微波頻段，認知Mesh網路將有利於在微波頻段實現頻譜的開放接入。 一般的多跳Ad-hoc網路在發送數據包時會預先確定通信路由。認知無線電技術能夠實時地收集信息並且自動選擇波形，並向各方通知尚未使用的頻率信息，適用於具有不可提前預測的頻譜使用模式的應用場景。因此，當認知無線電技術應用於低功耗多跳Ad-hoc網路，能夠滿足分布式認知用戶之間的通信需求。
由於認知無線電系統可根據周圍環境的變化動態地進行頻率的選擇，而頻率的改變通常需要路由協議等進行相應調整，因此，基於認知無線電技術的Ad-hoc網路需要新的支持分布式頻率共享的MAC協議和路由協議。

Ⅳ 認知無線網路與認知無線電網路是不是一回事

無線網路和無線電網路都是通過無線傳播，但頻段、頻率等參數不同。