认知网络在应急通信环境下的应用

陈佳

摘 要：认知网络是计算机网络领域和宽带通信领域研究的热点，被认为是提高网络整体性能及端到端系统性能，简化网络管理，解决网络自律性的新途径，是下一代网络发展的必然趋势。本文着重介绍了认知网络在几种应急通信环境下的应用。

关键词：认知网络；应急通信；环境感知；智能决策；网络重置

1 前言

认知网络（cognitive network，CN）是近几年比较热门的研究领域，在学术界也有人将认知网络称为自律网络（self-aware network），无论是认知网络还是自律网络，它的目标都是从根本上改变网络和系统管理的设计理念，将主动管理和主动感知应用到网络和系统管理中去，以此来应对网络特别是无线网络日益增加的复杂性、异质性和可靠性要求。

2 认知网络和认知网络理论体系

2005年，美国弗吉尼亚理工大学的W.Thomas在总结前人研究的基础上，提出了较为准确的认知网络定义：认知网络具有感知当前内外环境变化和网络状态的能力，根据认知网络的整体目标及端到端目标，通过适当的学习机制，利用感知的环境信息和网络状态信息，实时动态地调整网络配置，达到智能地适应环境变化并能指导未来自主决策的目的。

认知网络是从人的心理学认知特性出发，以系统工程方法论、信息处理和人工智能为基础，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置的具体目标；网络重构的实施使得网络能够动态地适应环境。

3 认知网络在应急通信环境下的应用

3.1 城市突发事件

场景：火灾和大型交通事故

救援人员：公安、消防、医疗

问题：各个救援机构到达现场后只有迅速、准确地了解现场情况才能够成功处理突发事件，这时每个救援机构往往都会部署自己的应急无线通信网络，由于供应急通信使用的频谱资源有限，这些机构将竞争使用这些稀缺的无线资源，从而造成严重的通信干扰，进而妨碍救援行动。

处理：改造升级各机构的应急无线通信网络，使其具备认知能力，以便协调多个机构应急通信网络的行动，准确、及时地传递各种应急信息。各部门应急人员携带的认知无线电台通过自适应频谱感知来检测和收集活动的无线电台的位置和发射频率信息，并通过动态频谱接入（DSA）来优化使用频谱资源，从而提高频谱利用率。并可在一定程度上避免各救援机构之间的通信干扰。另外，认知应急通信系统能够随网络环境的变化自适应调节，以保证不同用户和应用按照其重要程度使用网络资源，并确保重要业务的服务质量。

3.2 自然灾害救援

环境：地震灾区

人员：救援、医疗人员

问题：当大型自然灾害发生后，事发区域的网络通信基础设施会遭受严重损毁，且呼往震区的通信业务量会在短时间内剧增，很容易造成现有通信网络的拥塞，甚至瘫痪。这使得地震灾区的大量灾情信息不能及时向外传递，外部指挥机构和救援人员也无法及时有效地开展救援工作

处理：认知处理引擎对实时收集的网络状态信息进行分析，基于掉话率、通话时延等性能指标以及基站退服和光缆中断等告警信息来判断地震灾害的破坏程度，然后通过限制呼入灾区的呼叫量和调节网络设备的参数来确保应急通信指挥的顺畅进行。另外，可根据功能职责的不同将应急通信网络划分为不同的应急救援簇，如警察、消防员和医护人员簇等。在抢险过程中，每个簇协作完成特定的任务。采用网络分簇方法具有众多优势，即有效的数据聚集、短的通信范围、减少冲突和竞争、降低路由开销和便于网络同步等。其中一个簇与指挥网络相连，指挥网络可以连接到外部网络。各簇之间的通信通常需要借助于指挥网络，可以使用各种无线技术。

3.3 森林火情监控

环境：林场

问题：需要实时监控

处理：在重要的林场部署具有认知能力的无线传感网来预警和监视火情。具有认知能力的无线传感网（C-WSN）由传感器节点、中间转发节点和汇聚节点组成。由于每个节点都具有频谱感知和信道选择的认知能力，传感器节点可以选择空闲信道将感知信息发送给转发节点，转发节点同时利用其他空闲信道继续进行转发，直到到达汇集节点，提高了空闲信道的利用率。采用多频多跳的组网方式可以利用认知无线电技术进行高效的频谱分配，从而降低相邻节点无线传输的相互干扰，增强数据传输的并发性，解决传统无线传感器网络對信道利用率不高的问题。另外，考虑这种传感网络规模较大且节点数量较多，适合采用分簇网络结构，簇头节点负责感知簇内传感节点的位置、发射功率和工作频率，并于邻近簇头交互信息，从而有效地管理和协调传感节点的行动，提升网络整体性能。

目前，对具有认知能力的应急通信网络研究刚刚起步，还存在很多有待解决的问题。必须从现实需求出发，充分挖掘包括认知无线电、认知网络、无线自组网、协同通信等新兴优势技术的潜能，建立动态资源感知接入空间与地面结合、有线与无线结合、固定与机动结合的自适应立体应急通信系统，最大限度地发挥应急通信为社会服务的效能。

[参考文献]

[1]王金龙，吴启辉，龚玉萍，等.认知无线网络[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]赵绍，李岳梦.认知网络在未来移动通信网络中的应用——汶川地震后的思考[J].现代电信科技，2008，38（9）：61-64.