認(rèn)識(shí)無線電及其關(guān)鍵技術(shù)

1、專業(yè)講座（一）認(rèn)知無線電及其關(guān)鍵技術(shù),重慶大學(xué)通信工程學(xué)院馮文江Email: fengwj@cqu.edu.cn,認(rèn)知無線電概念（Concept of Cognitive Radio）,背景隨著無線通信業(yè)務(wù)的快速增長，頻譜需求和資源有限之間的矛盾越來越突出——“頻譜危機(jī)”解決途徑之一：尋求更高效的傳輸方式（MIMO、高階調(diào)制、AMC等）——提高頻譜效率頻譜使用政策：授權(quán)（固定）、很少ISM（Industry Scien

2、ce Medicine）頻譜浪費(fèi)嚴(yán)重：3GHz以下頻段，平均利用率不到10％解決途徑之二：認(rèn)知無線電技術(shù)——提高頻譜利用率,認(rèn)知無線電概念（Concept of Cognitive Radio）,2007年至今，圍繞認(rèn)知無線電的研究如火如荼學(xué)術(shù)界：找到了無線通信技術(shù)新的發(fā)展方向和熱點(diǎn)研究內(nèi)容監(jiān)管部門：調(diào)整了頻譜使用規(guī)則，引導(dǎo)其商用標(biāo)準(zhǔn)化組織：紛紛制定和發(fā)布新的通信標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)界：找到了新的、巨大的、潛在的商機(jī)運(yùn)營商：用較少的

3、投入提供通信服務(wù)，獲得更大的收益,認(rèn)知無線電定義（Definition of Cognitive Radio）,認(rèn)知無線電： CR是一種智能的頻譜共享技術(shù)，依靠人工智能的支持，感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)的改變系統(tǒng)工作參數(shù)（頻點(diǎn)、功率、調(diào)制、編碼），動(dòng)態(tài)的檢測和有效的利用空閑頻譜。 理論上允許在時(shí)域、頻域和空域上進(jìn)行多維的頻譜復(fù)用和共享。,認(rèn)知無線電定義（Definition of Co

4、gnitive Radio）,美國FCC認(rèn)為： CR是一種通過與通信環(huán)境交互獲取無線電背景知識(shí)，繼而調(diào)整傳輸參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)臒o線電設(shè)備，主體是SDR（software defined radio），但認(rèn)知無線電設(shè)備不一定必須具有軟件或現(xiàn)場可編程能力。FCC關(guān)注認(rèn)知無線電如何提高頻譜利用率——認(rèn)知終端Rieser教授認(rèn)為： CR采用基于遺傳算法的生物啟發(fā)認(rèn)知模型對傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)的物理層和媒體接入控制層（PH

5、Y+MAC）的演進(jìn)過程建?！J(rèn)知引擎,認(rèn)知無線電定義（Definition of Cognitive Radio）,Haykin教授認(rèn)為： CR是一個(gè)智能無線通信系統(tǒng)，它能夠感知外界環(huán)境，并利用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實(shí)時(shí)改變傳輸參數(shù)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性的變化——信號(hào)處理IEEE認(rèn)為： CR是能感知外部環(huán)境的智能無線通信技術(shù)，能從環(huán)境中學(xué)習(xí)，并根據(jù)環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調(diào)整其內(nèi)部狀態(tài)，以獲

6、得預(yù)期目的，其認(rèn)知功能可以采用人工智能或簡單控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)——智能控制,認(rèn)知無線電基本原理(Principle of CR),,,通過分析外部環(huán)境提供的激勵(lì)認(rèn)識(shí)通信任務(wù)的內(nèi)容；通過接收和發(fā)送內(nèi)容的分析選擇解決方式一種目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的框架結(jié)構(gòu)觀察-思考-行動(dòng)：循環(huán)感知模型,,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)定義（Definition of CRN）,,,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)（cognitive radio network, CRN）：基于認(rèn)知無線電技術(shù)構(gòu)建的無線

7、通信網(wǎng)絡(luò)CRN的用戶節(jié)點(diǎn)和接入點(diǎn)在物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層都具有認(rèn)知功能：認(rèn)知能力+學(xué)習(xí)能力+重構(gòu)能力CRN能感知網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)存狀態(tài)，根據(jù)端到端目標(biāo)，利用學(xué)習(xí)機(jī)制實(shí)時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置，利用感知到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息形成規(guī)劃、決策和行動(dòng)CRN是一種能夠感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并據(jù)此進(jìn)行規(guī)劃、調(diào)整和采取適當(dāng)行動(dòng)的網(wǎng)絡(luò),,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(Network Architecture of CRN),認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：三要素（網(wǎng)絡(luò)組件、頻譜

8、異質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)）網(wǎng)絡(luò)組件：主用戶網(wǎng)絡(luò)+認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò),,,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) （Network Architecture of CRN）,,,頻譜異質(zhì)：認(rèn)知用戶通過頻譜共享接入主用戶網(wǎng)絡(luò)擁有的部分授權(quán)頻段（干擾容忍、干擾避免）和免授權(quán)頻段，其操作類型分為授權(quán)頻段操作和免授權(quán)頻段操作 網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)：認(rèn)知用戶接入網(wǎng)絡(luò)有兩種方式認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)接入：利用可用授權(quán)頻段或免授權(quán)頻段，接入歸屬認(rèn)知基站主用戶網(wǎng)絡(luò)接入：利用可用授權(quán)頻段或免授權(quán)頻段，接

9、入覆蓋區(qū)域內(nèi)的主用戶基站（需要協(xié)議支持、提供漫游服務(wù)）,,關(guān)鍵技術(shù)之一：頻譜感知（Spectrum Sensing）,頻譜感知：包括頻譜檢測、頻譜分析和頻譜判決，是認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)頻譜共享、頻譜管理的前提感知：周期性檢測主用戶占用頻譜的狀態(tài)和特點(diǎn)，獲得“頻譜空穴”，并伺機(jī)接入空閑頻譜頻譜感知方法,,能量檢測法（Energy Detection）,非相干檢測，直接對時(shí)域信號(hào)采樣求模、平方運(yùn)算獲得檢測統(tǒng)計(jì)量在AWGN信道環(huán)境中，檢

10、測概率和虛警概率分別為： 和 是完整和不完整Gamma函數(shù)， 是普遍Marcum Q函數(shù)在Rayleigh衰落信道環(huán)境中，檢測概率為：,,能量檢測法（Energy Detection）,能量檢測法無需信號(hào)的先驗(yàn)信息，實(shí)現(xiàn)簡單，但判決門限難以準(zhǔn)確選擇門限值很大程度上受到未知噪聲電平的影響，因此在低信噪比環(huán)境的檢測性能較低。,,,,,循環(huán)平穩(wěn)檢測法（Cyclostationary Dete

11、ction）,利用通信信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性實(shí)施頻譜感知自相關(guān)函數(shù)為傅里葉級(jí)數(shù)展開循環(huán)相關(guān)系數(shù)循環(huán)功率譜,,循環(huán)平穩(wěn)檢測法 （Cyclostationary Detection）,檢測統(tǒng)計(jì)量 在循環(huán)頻率 處，假設(shè)檢驗(yàn),,,,,循環(huán)平穩(wěn)檢測法 （Cyclostationary Detection）,循環(huán)功率譜的性質(zhì)信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特征離散分布在循環(huán)頻率軸上，即在循環(huán)頻率處循環(huán)功率

12、譜會(huì)出現(xiàn)譜峰，而噪聲信號(hào)不具有循環(huán)平穩(wěn)性。通信信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性具有優(yōu)良的抗噪性能循環(huán)功率譜還包含了調(diào)制信號(hào)的相關(guān)信息：載波頻率、信號(hào)帶寬、鍵控速率以及信號(hào)幅度和相位等功率譜相同而調(diào)制類型不同的通信信號(hào)具有不同的循環(huán)功率譜，可用于信號(hào)辨識(shí)和調(diào)制模式識(shí)別,,,,,自適應(yīng)雙門限頻譜檢測法（Adaptive Double-threshold Spectrum Sensing）,基本思想：對接收信號(hào)實(shí)施雙門限能量檢測，若統(tǒng)計(jì)量大于上門限，

13、判決為“存在”；若統(tǒng)計(jì)量小于下門限，判決為“不存在”，若統(tǒng)計(jì)量位于上下門限之間，再進(jìn)行循環(huán)平穩(wěn)特征檢測判決門限Th用期望檢測概率回推，引入一個(gè)不可靠區(qū)范圍調(diào)整因子k，上門限為k×Th，下門限為Th/k，k依據(jù)實(shí)際檢測概率自適應(yīng)步進(jìn)調(diào)整,,,,,匹配濾波器檢測（Matched Filter Detection）,通過匹配濾波使接收信噪比最大，需要已知信號(hào)先驗(yàn)知識(shí)，如調(diào)制方式、脈沖形狀、時(shí)序、封裝格式等，利用先驗(yàn)知識(shí)與待檢測信

14、號(hào)在時(shí)域和頻域同步并解調(diào)。優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快，檢測概率高，但需要已知每種主用戶類型，資源占用大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高。,,,,,,協(xié)同檢測法（Cooperative Detection）,聯(lián)合分布于不同空間位置的多個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)單獨(dú)執(zhí)行本地檢測，然后利用融合處理算法處理，能提高檢測性能，避免隱藏終端分布式協(xié)同檢測：參與協(xié)同的各節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行獨(dú)立檢測，然后將檢測結(jié)果廣播發(fā)送，收到檢測結(jié)果的節(jié)點(diǎn)以某種方式合并，再分析和判決獲得最后結(jié)果集中式協(xié)同檢測：參與

15、協(xié)同的各節(jié)點(diǎn)完成獨(dú)立檢測后，將檢測結(jié)果發(fā)送給中心處理節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)以某種方式合并，再分析和判決獲得最終結(jié)果,,,,,融合準(zhǔn)則（Fusion Criterion）,“與”融合準(zhǔn)則：所有協(xié)同節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為信號(hào)存在時(shí)，融合判決輸出結(jié)果為“存在”，否則為“不存在”“或”融合準(zhǔn)則：只要有任意一個(gè)協(xié)同節(jié)點(diǎn)認(rèn)為信號(hào)存在，融合判決輸出結(jié)果就為“存在”，否則為“不存在”“K”秩融合準(zhǔn)則：當(dāng)N個(gè)協(xié)同節(jié)點(diǎn)中有大于K個(gè)節(jié)點(diǎn)判斷信號(hào)存在時(shí)，融合判決輸出結(jié)果為

16、“存在” ，否則為“不存在”,,,,,加權(quán)協(xié)同檢測法（Weighted Cooperative Detection）,基于噪聲估計(jì)的加權(quán)協(xié)同檢測法，權(quán)重設(shè)置為：基于“或”融合準(zhǔn)則的虛警概率和檢測概率為：基于雙門限的加權(quán)協(xié)同檢測法，距離因子和權(quán)重因子：,,,,,,,干擾溫度模型（Interference Temperature Model）,干擾溫度用于量化和管理無線環(huán)境中的干擾源，干擾溫度限規(guī)定了在某頻帶和特定地理位置滿足接

17、收者需求的最差場合的無線傳輸環(huán)境特征。,,,,,,關(guān)鍵技術(shù)之二：認(rèn)知引擎（Cognitive Engine）,認(rèn)知引擎通過感知模塊獲得環(huán)境信息，基于用戶服務(wù)需求和頻譜規(guī)則指導(dǎo)物理層重構(gòu)和高層優(yōu)化，并在優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上形成學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)新業(yè)務(wù)優(yōu)化。認(rèn)知引擎實(shí)現(xiàn)認(rèn)知循環(huán)中的感知、學(xué)習(xí)和決策任務(wù) ，支持3種功能：基于多目標(biāo)的端到端QoS優(yōu)化功能、跨層優(yōu)化功能、基于過去經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)功能,認(rèn)知環(huán)模型和認(rèn)知引擎的關(guān)系（Cognitive Cyc

18、le vs Cognitive Engine）,認(rèn)知環(huán)模型分為內(nèi)部循環(huán)和外部循環(huán)外部循環(huán)完成系統(tǒng)重構(gòu)和自適應(yīng)功能；內(nèi)部循環(huán)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能，將歷史決策結(jié)果作為先驗(yàn)信息，得出經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)外部循環(huán)過程認(rèn)知引擎實(shí)現(xiàn)內(nèi)部循環(huán)，即分析、計(jì)劃、學(xué)習(xí)和決策階段。,認(rèn)知引擎的地位（Standing of CE）,用戶域反映用戶的應(yīng)用與服務(wù)需求，如傳輸速率、誤碼率無線域反映收發(fā)節(jié)點(diǎn)的地理環(huán)境和信道條件等政策域負(fù)責(zé)資源分配方式和市場準(zhǔn)入政策等,,,VT

19、-CWT認(rèn)知引擎（美國弗吉尼亞工學(xué)院無線通信中心）,無線信道遺傳算法模塊：實(shí)現(xiàn)無線信道和射頻環(huán)境的數(shù)學(xué)建模認(rèn)知系統(tǒng)監(jiān)控模塊：負(fù)責(zé)檢測通信狀況，決定系統(tǒng)是否需要重構(gòu)，并執(zhí)行學(xué)習(xí)推理算法，為WSGA提供初始參數(shù)無線系統(tǒng)遺傳算法模塊： 執(zhí)行多目標(biāo)遺傳算法，獲得優(yōu)化方案無線電設(shè)備除射頻及轉(zhuǎn)換電路外，信道估計(jì)器為WCGA提供信道統(tǒng)計(jì)信息基帶處理器實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)參數(shù)配置。,,DoD-LTS認(rèn)知引擎（美國國防部通信科學(xué)實(shí)驗(yàn)室）,Ch

20、arles認(rèn)為CR就是增加了CE的軟件無線電，CE與SDR之間用應(yīng)用程序接口（API）關(guān)聯(lián)知識(shí)庫存儲(chǔ)“外部”信息（噪聲功率、信噪比）、“內(nèi)部”信息（調(diào)制方式、編碼方式）和運(yùn)行規(guī)則決策功能由推理引擎和學(xué)習(xí)引擎實(shí)現(xiàn)推理引擎：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)從知識(shí)庫中提取行動(dòng)方案；學(xué)習(xí)引擎：從經(jīng)驗(yàn)中獲取知識(shí)，提供新的解決方案,,基于人工智能的認(rèn)知引擎（CE based on AI）,用戶界面提供用戶需求信息交互；無線電平臺(tái)具有重構(gòu)能力；感知設(shè)備發(fā)現(xiàn)頻譜

21、空穴，并將感知信息送到知識(shí)庫；知識(shí)庫存儲(chǔ)信道環(huán)境信息和無線信道規(guī)則；推理器執(zhí)行學(xué)習(xí)推理算法，搜索類似案例，完成系統(tǒng)參數(shù)初定；優(yōu)化器利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法完成參數(shù)優(yōu)化，并兼顧政策引擎規(guī)定，將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于無線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)重構(gòu)。透明松耦合靈活可擴(kuò)展高效,認(rèn)知引擎中的人工智能技術(shù)（Artificial Intelligences in CE）,進(jìn)化算法：一種模擬自然界生物進(jìn)化過程的群體導(dǎo)向隨機(jī)搜索方法，由于其并行優(yōu)化處理能力和對復(fù)

22、雜問題的快速適應(yīng)能力，用于解決動(dòng)態(tài)環(huán)境下認(rèn)知無線電工作參數(shù)的優(yōu)化案例推理：一種基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行推理的人工智能技術(shù)，強(qiáng)調(diào)在解決新問題時(shí)，借鑒過去積累的經(jīng)驗(yàn)。在認(rèn)知無線電中，案例推理作為優(yōu)化算法的前置模塊，將認(rèn)知引擎以前的優(yōu)化方案存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)遇到新問題時(shí)按照一定的搜索方法檢索出相近案例，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行下一步優(yōu)化,認(rèn)知引擎中的人工智能技術(shù) （Artificial Intelligences in CE）,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：用來模擬人腦神

23、經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，利用非線性映射和并行處理，通過不斷學(xué)習(xí)和調(diào)整，反映輸入空間與輸出空間的映射關(guān)系，在認(rèn)知無線電中用于構(gòu)建學(xué)習(xí)單元 隱馬爾科夫模型：以馬爾科夫鏈為基礎(chǔ)建立的預(yù)測模型，可根據(jù)歷史信息預(yù)測未來狀態(tài)，在認(rèn)知無線電中用于建立信道模型，指導(dǎo)信道狀態(tài)預(yù)測模糊邏輯：針對問題的不確定性，應(yīng)用模糊集合和模糊規(guī)則進(jìn)行推理，表達(dá)界限不清晰的定性知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，模擬人腦方式實(shí)行模糊綜合判斷，目前研究還不多,認(rèn)知引擎關(guān)鍵技術(shù)（Key Techn

24、ologies in CE）,知識(shí)表示技術(shù)：將知識(shí)信息表示為一種機(jī)器可以識(shí)別并處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。用于無線電描述語言的有：規(guī)范描述語言（SDL）、無線知識(shí)描述語言（RKRL）、統(tǒng)一建模語言（UML）以及可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）等學(xué)習(xí)推理技術(shù)：利用人工智能技術(shù)完成學(xué)習(xí)、分析、處理、預(yù)測、優(yōu)化等，如各種專家系統(tǒng)最優(yōu)化技術(shù)：認(rèn)知引擎需要實(shí)現(xiàn)帶多約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化，強(qiáng)調(diào)優(yōu)化精度和收斂速度，如遺傳算法、模擬退火算法等,關(guān)鍵技術(shù)之三：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（

25、Network Architecture）,,關(guān)鍵技術(shù)之四：接入控制（Access Control）,認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)接入控制特點(diǎn)：資源共享、接入沖突、接入時(shí)延、信道分配、信道切換等 接入模型：動(dòng)態(tài)排他模型、開放共享模型、分層接入模型,,動(dòng)態(tài)排他模型（Dynamic Exclusive Model）,頻譜產(chǎn)權(quán)：包括時(shí)間、空間、頻段三參數(shù)。頻譜產(chǎn)權(quán)是指在制定的時(shí)間、制定的空間使用制定頻段的權(quán)利，且信號(hào)功率不超限。頻譜產(chǎn)權(quán)策略允許授權(quán)用

26、戶自由交易或出租頻段，但要清晰定義頻譜產(chǎn)權(quán)并執(zhí)行，難度很大—頻譜第二市場。 動(dòng)態(tài)頻譜分配：利用通信業(yè)務(wù)在時(shí)域、空域上的分布不均，實(shí)現(xiàn)時(shí)間相關(guān)和空間相關(guān)的頻譜共享，以提高頻譜利用率，即在指定時(shí)間和空間把頻譜分配給某無線接入網(wǎng)，其他用戶不得使用。,,開放共享模型（Open Shared Model）,集中式：集中控制單元控制頻譜分配和接入過程，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都把自己感知到的頻譜信息匯聚到集中控制單元，由控制單元繪制出頻譜分配映射圖

27、分布式：針對無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)都參與頻譜分配和競爭，頻譜接入由節(jié)點(diǎn)自身策略決定,,,分層接入模型（Hierarchical Access Model）,干擾避免方式：機(jī)會(huì)式頻譜接入（OSA），包括頻譜機(jī)會(huì)識(shí)別、頻譜機(jī)會(huì)利用和頻譜管理政策模塊。機(jī)會(huì)識(shí)別模塊用于檢測和跟蹤在時(shí)域和空域動(dòng)態(tài)變化的頻譜機(jī)會(huì)；機(jī)會(huì)利用根據(jù)識(shí)別結(jié)果確定是否和怎樣接入；管理政策提供頻譜使用規(guī)則。 干擾受限方式：發(fā)射功率嚴(yán)格受限，保證單位頻譜上的功率低于

28、授權(quán)用戶的干擾溫度低限。,,關(guān)鍵技術(shù)之五：信道選擇（Channel Selection）,在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶對授權(quán)信道無唯一使用權(quán)，甚至無優(yōu)先使用權(quán)，這會(huì)導(dǎo)致在同一時(shí)刻可能有多個(gè)認(rèn)知用戶搶占同一空閑信道，若不能合理選擇信道，傳輸性能就會(huì)受到影響，頻譜利用率不升反降。此外，不同信道對于認(rèn)知用戶而言傳輸性能是不同的，認(rèn)知用戶更傾向于選擇對自身?xiàng)l件好的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 信道選擇是負(fù)載均衡、傳輸效率和公平性的權(quán)衡過程,,關(guān)鍵技術(shù)

29、之五：信道選擇 （Channel Selection）,基于拍賣機(jī)制的信道選擇策略 拍賣特點(diǎn)：買賣雙方除了各自保留價(jià)格外，對他人的保留價(jià)格和買賣雙方人數(shù)、供求信息一無所知，交易過程是一個(gè)不完全信息下的非合作動(dòng)態(tài)博弈過程 該策略將主用戶作為賣方，認(rèn)知用戶作為買方，頻譜池中的空閑信道作為交易商品。 利用博弈論對認(rèn)知用戶的動(dòng)態(tài)頻譜共享建模，描述認(rèn)知用戶的行為和作用； 基于多種目標(biāo)執(zhí)行優(yōu)化處理，如頻譜利用率最大、系統(tǒng)容量最大、切換次數(shù)

30、最少、中斷概率最低等，往往是多目標(biāo)優(yōu)化問題； 基于局部或私有信息，利用非合作博弈論執(zhí)行動(dòng)態(tài)頻譜選擇。,,關(guān)鍵技術(shù)之五：信道選擇 （Channel Selection）,基于學(xué)習(xí)的信道選擇策略 認(rèn)知用戶通過學(xué)習(xí)短期內(nèi)頻譜的歷史狀態(tài)信息，結(jié)合頻譜長期歷史統(tǒng)計(jì)規(guī)律，分析自己每次接入不同信道成功傳輸?shù)母怕蕘砼袛嗄膫€(gè)信道對自己是最優(yōu)的，并對頻譜可用性做短期、中期評(píng)估預(yù)測，以此為依據(jù)選擇合適頻譜供認(rèn)知用戶接入，降低頻譜切換頻率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

31、連續(xù)性。,,關(guān)鍵技術(shù)之五：信道選擇 （Channel Selection）,基于最小系統(tǒng)時(shí)間的信道選擇策略 系統(tǒng)時(shí)間=等待時(shí)間+傳輸時(shí)間，其中等待時(shí)間與信道選擇算法有關(guān) 基于概率的系統(tǒng)時(shí)間最小化信道選擇：認(rèn)知用戶依據(jù)概率從候選信道集合中選擇接入信道，通過優(yōu)化處理尋求最佳分布概率。 基于感知的系統(tǒng)時(shí)間最小化信道選擇：認(rèn)知用戶通過感知從候選信道中尋找空閑信道，若有多條空閑信道，隨機(jī)選擇一條作為通信信道，若沒有空閑，隨機(jī)從候選信道中選

32、擇一個(gè)信道等待，直到該信道可用。,關(guān)鍵技術(shù)之五：信道選擇 （Channel Selection）,基于預(yù)測模型的信道選擇策略 通過環(huán)境感知分析主用戶活動(dòng)規(guī)律，并結(jié)合當(dāng)前頻譜感知信息預(yù)測可用信道信息，如空閑時(shí)間、頻譜穩(wěn)定度等，指導(dǎo)認(rèn)知用戶信道選擇，總是選擇持續(xù)空閑較長時(shí)間的信道，保證每次接入能占用盡量長的時(shí)間，減少切換次數(shù)。,,,關(guān)鍵技術(shù)之五：信道選擇 （Channel Selection）,基于信道異質(zhì)性的信道選擇策略 信道異質(zhì)

33、性：指同一可用信道對不同認(rèn)知用戶表現(xiàn)出不同的傳輸性能 在該策略中，認(rèn)知用戶周期性將信道信息通過控制信道傳輸至融合中心，由融合中心執(zhí)行信道選擇,關(guān)鍵技術(shù)之五：信道選擇 （Channel Selection）,自私信道選擇策略 融合中心根據(jù)收集的信道信息為認(rèn)知用戶選擇能提供最大傳輸速率的信道，信道 i 分配給用戶 j1 和 j2 能獲得的信道容量不同，即 構(gòu)造權(quán)重系數(shù)： G(x)=[0,1]表現(xiàn) x 個(gè)用戶在信道i上的實(shí)際吞吐

34、率，隨x的增多而下降，表明用戶越多，競爭越激烈 此策略將具有最大傳輸速率的信道分配給新用戶，但未考慮分配策略對其它用戶產(chǎn)生的干擾；新加入用戶的傳輸性能也會(huì)受下一個(gè)要求加入用戶影響,,,關(guān)鍵技術(shù)之五：信道選擇 （Channel Selection）,合作信道選擇策略 融合中心為用戶選擇能提高系統(tǒng)吞吐量的信道，吞吐量增量等于信道分配前后吞吐量的變化,,,,,,,關(guān)鍵技術(shù)之六：認(rèn)知安全（Cognitive Safe）,認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)

35、利用資源，雖能提高頻譜利用率，但認(rèn)知用戶不加區(qū)別地對待和信任“主用戶”，面臨著嚴(yán)峻的安全威脅 模仿主用戶攻擊（Primary User Emulation, PUE）：指惡意用戶執(zhí)行頻譜感知，當(dāng)檢測到空閑頻段時(shí)發(fā)送模仿主用戶信號(hào)特征的信號(hào)，阻止認(rèn)知用戶占用該頻段，欺騙并迫使認(rèn)知用戶退出競爭此頻段，減少合法認(rèn)知用戶的可用信道資源。 自私PUE：最大化自身頻譜利益 蓄意PUE：惡意占用頻譜,,關(guān)鍵技術(shù)之六：認(rèn)知安全 （Cogniti

36、ve Safe）,蓄意干擾主用戶攻擊：攻擊者惡意干擾使認(rèn)知用戶無法判斷主用戶是否存在，誘導(dǎo)認(rèn)知用戶接入信道，對主用戶造成干擾。 攻擊頻譜管理者：在集中式認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，頻譜策略管理數(shù)據(jù)庫需要向認(rèn)知用戶發(fā)送策略信息，攻擊者通過截獲頻譜管理者發(fā)出的策略信息，阻止認(rèn)知節(jié)點(diǎn)接入頻譜策略數(shù)據(jù)庫，并向認(rèn)知節(jié)點(diǎn)注入錯(cuò)誤策略。 自私行為攻擊：攻擊者以損耗網(wǎng)絡(luò)性能為代價(jià)來提高自身性能，如自私用戶在信道協(xié)商期間通過發(fā)送錯(cuò)誤的信道空閑信息幀來欺騙其他節(jié)點(diǎn)，

37、隱瞞可用信道并獨(dú)占頻譜資源。,,關(guān)鍵技術(shù)之六：認(rèn)知安全 （Cognitive Safe）,拒絕服務(wù)攻擊：阻止合法用戶接入系統(tǒng)或使系統(tǒng)進(jìn)程延遲。攻擊者可能是惡意的，也可能是故障設(shè)備，攻擊者可采用任何措施導(dǎo)致以上功能運(yùn)行失敗。 竊聽與篡改攻擊： 竊聽：攻擊者利用竊聽技術(shù)獲得認(rèn)知用戶的重要信息與決策結(jié)果，從而發(fā)起網(wǎng)絡(luò)攻擊 篡改：攻擊者截獲認(rèn)知用戶發(fā)布的本地可用信道列表并篡改后重新發(fā)送，篡改認(rèn)知用戶對可用資源的正常使用,,關(guān)鍵技術(shù)之六

38、：認(rèn)知安全 （Cognitive Safe）,公共控制信道飽和攻擊：攻擊者通過發(fā)送大量惡意控制幀使公共控制信道飽和，阻塞頻譜資源協(xié)商和分配過程。如果控制幀缺少認(rèn)證，攻擊者也能通過偽造MAC幀或在MAC幀中插入偽造信息，中斷通信或不公平分配網(wǎng)絡(luò)資源。 通信信道飽和攻擊：攻擊者通過捕獲公共控制信道，竊取認(rèn)知用戶正在通信的通信信道信息，通過調(diào)整自身工作信道，干擾并阻塞合法認(rèn)知用戶之間的通信。,,關(guān)鍵技術(shù)之六：認(rèn)知安全 （Cognitiv

39、e Safe）,目標(biāo)函數(shù)攻擊：認(rèn)知無線電通過環(huán)境感知、學(xué)習(xí)，融合各種經(jīng)驗(yàn)對當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最佳配置。在參數(shù)調(diào)整過程中，攻擊者篡改某些參數(shù)，阻止認(rèn)知無線電執(zhí)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。 路由安全威脅：攻擊者破壞路由，如蟲洞攻擊、路由表溢出攻擊、拜占庭攻擊和黑洞攻擊等；在信道選擇時(shí)，攻擊者偽造路由數(shù)據(jù)包，造成信道選擇和路由選擇錯(cuò)誤，導(dǎo)致信道間干擾、吞吐量下降。 學(xué)習(xí)安全威脅：攻擊者改變/偽裝當(dāng)前條件或修改以往數(shù)據(jù)，認(rèn)知用戶無判斷標(biāo)準(zhǔn)，將篡改

40、數(shù)據(jù)當(dāng)成實(shí)際數(shù)據(jù)執(zhí)行學(xué)習(xí)推理，導(dǎo)致預(yù)測錯(cuò)誤,,關(guān)鍵技術(shù)之六：認(rèn)知安全 （Cognitive Safe）,跨層設(shè)計(jì)安全威脅：跨層設(shè)計(jì)是為了優(yōu)化層間信息交互，但同時(shí)某層的惡意操作也會(huì)傳遞到相關(guān)層，如物理層根據(jù)主用戶對信道占用狀態(tài)變化執(zhí)行信道切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，切換時(shí)延可能引起攻擊者在物理層發(fā)起攻擊，故意阻塞信道，干擾主用戶。 密鑰竊聽安全威脅：竊聽者通過偵聽無線信道竊取密文，再配備高效運(yùn)算算法和高性能計(jì)算機(jī)（如量子計(jì)算機(jī)），采用密碼分析手

41、段破獲密鑰，導(dǎo)致泄密。,,關(guān)鍵技術(shù)之六：認(rèn)知安全 （Cognitive Safe）,網(wǎng)絡(luò)安全的主要特性：保密性、完整性、可用性、可控性和可審查性 安全防范技術(shù)：防火墻、身份認(rèn)證、數(shù)字簽名、內(nèi)容檢查、加密技術(shù) 防火墻技術(shù) 利用過濾器檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送者和接收者； 依據(jù)系統(tǒng)管理員制定的規(guī)則接受或拒絕數(shù)據(jù)包、檢測數(shù)據(jù)包、查找或過濾相關(guān)數(shù)據(jù)； 在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行數(shù)據(jù)包模式檢查，判斷是否符合已知“友好”數(shù)據(jù)包的位模式。 防火墻不是萬能的

42、，但網(wǎng)絡(luò)安全沒有防火墻是萬萬不能的。,,關(guān)鍵技術(shù)之六：認(rèn)知安全 （Cognitive Safe）,身份認(rèn)證：包括身份識(shí)別與驗(yàn)證(I&A)，是網(wǎng)絡(luò)安全的重要組成，也是建立用戶審計(jì)能力的基礎(chǔ)，通過授權(quán)，杜絕非法用戶訪問。 數(shù)字簽名：消息由發(fā)送者簽名，用于驗(yàn)證消息的完整性和合法性 加密技術(shù)：加解密算法+密鑰生成機(jī)制,,,,關(guān)鍵技術(shù)之六：認(rèn)知安全 （Cognitive Safe）,基于信道特征的密鑰生成方法： 無線傳輸信道特征

43、：在信道相干時(shí)間內(nèi)信號(hào)傳輸所經(jīng)歷的衰落基本一致；利用不同頻率信道傳輸信號(hào)，信道衰落效應(yīng)彼此獨(dú)立。,,,,,關(guān)鍵技術(shù)之六：認(rèn)知安全 （Cognitive Safe）,基于RSS或RSP的密鑰生成機(jī)制 收發(fā)節(jié)點(diǎn)利用某條公共信道交互信標(biāo)信號(hào)，分別測量接收信號(hào)強(qiáng)度或相位； 將接收信號(hào)強(qiáng)度或相位分別量化； 多次交互擴(kuò)充量化值； 利用其它公共信道繼續(xù)上述過程，獲得密鑰元矩陣； 拆分密鑰元矩陣稱為若干方陣，對所有方陣執(zhí)行特征值分解； 量