認知網絡在應急通信環境下的應用

陳佳

摘 要：認知網絡是計算機網絡領域和寬帶通信領域研究的熱點，被認為是提高網絡整體性能及端到端系統性能，簡化網絡管理，解決網絡自律性的新途徑，是下一代網絡發展的必然趨勢。本文著重介紹了認知網絡在幾種應急通信環境下的應用。

關鍵詞：認知網絡；應急通信；環境感知；智能決策；網絡重置

1 前言

認知網絡（cognitive network，CN）是近幾年比較熱門的研究領域，在學術界也有人將認知網絡稱為自律網絡（self-aware network），無論是認知網絡還是自律網絡，它的目標都是從根本上改變網絡和系統管理的設計理念，將主動管理和主動感知應用到網絡和系統管理中去，以此來應對網絡特別是無線網絡日益增加的復雜性、異質性和可靠性要求。

2 認知網絡和認知網絡理論體系

2005年，美國弗吉尼亞理工大學的W.Thomas在總結前人研究的基礎上，提出了較為準確的認知網絡定義：認知網絡具有感知當前內外環境變化和網絡狀態的能力，根據認知網絡的整體目標及端到端目標，通過適當的學習機制，利用感知的環境信息和網絡狀態信息，實時動態地調整網絡配置，達到智能地適應環境變化并能指導未來自主決策的目的。

認知網絡是從人的心理學認知特性出發，以系統工程方法論、信息處理和人工智能為基礎，圍繞認知將環境感知、數據挖掘、智能決策與網絡動態配置緊密結合在一起。在認知網絡理論體系中，環境感知、數據挖掘、智能決策與網絡動態配置存在緊密的內在邏輯性。其中，環境感知包括對無線環境和網絡環境的感知。幾者間的關系可描述為：環境感知為數據挖掘提供基礎；數據挖掘為智能決策提供依據；智能決策確定了網絡重置的具體目標；網絡重構的實施使得網絡能夠動態地適應環境。

3 認知網絡在應急通信環境下的應用

3.1 城市突發事件

場景：火災和大型交通事故

救援人員：公安、消防、醫療

問題：各個救援機構到達現場后只有迅速、準確地了解現場情況才能夠成功處理突發事件，這時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。

處理：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。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。

3.2 自然災害救援

環境：地震災區

人員：救援、醫療人員

問題：當大型自然災害發生后，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

處理：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。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。

3.3 森林火情監控

環境：林場

問題：需要實時監控

處理：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。

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。

[參考文獻]

[1]王金龍，吳啟輝，龔玉萍，等.認知無線網絡[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]趙紹，李岳夢.認知網絡在未來移動通信網絡中的應用——汶川地震后的思考[J].現代電信科技，2008，38（9）：61-64.