支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS技術(shù)

汶川地震、新疆“七，五”事件和玉樹(shù)地震等災(zāi)害事件的經(jīng)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足應(yīng)急環(huán)境下的通信需求。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通信環(huán)境一般是穩(wěn)定的，網(wǎng)絡(luò)的行為也需要預(yù)先設(shè)計(jì)好，不能隨環(huán)境的變化而調(diào)整，因而不適合應(yīng)急通信多變且不可預(yù)知的需要。應(yīng)急通信環(huán)境具有通信環(huán)境不可預(yù)知、現(xiàn)有傳統(tǒng)通信設(shè)施不可用、通信節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性、通信業(yè)務(wù)具有低延遲和高帶寬保障的QoS需求的特點(diǎn)。為此，本文提出支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，目的在于通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)的觀察和學(xué)習(xí)，使網(wǎng)絡(luò)智能決策并自適應(yīng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)行為，進(jìn)而達(dá)到性能優(yōu)化。

1認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(外部運(yùn)行環(huán)境和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境)變化越來(lái)越大，傳統(tǒng)的Internet結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需求，因此需要、設(shè)計(jì)新的體系結(jié)構(gòu)來(lái)滿足日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需求。David提出在Intemet的體系結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)知識(shí)平面，將認(rèn)知概念擴(kuò)展到了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，并包含于網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)協(xié)議層次。這就是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的概念。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠觀察、感知和學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)，智能決策并自適應(yīng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的配置與行為(如交換、路由、資源分配等)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的智能優(yōu)化。

“認(rèn)知”一詞來(lái)源于人工智能。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)只有具備了學(xué)習(xí)和決策能力，才能夠真正具有認(rèn)知能力，因此，智能決策是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的智能決策涉及人工智能理論、機(jī)器學(xué)習(xí)、推理機(jī)制等方面的技術(shù)。有代表性的是NicolaBaldo的模糊決策。Nicola Baldo在研究認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的接入方法時(shí)使用模糊值表示不同應(yīng)用的相關(guān)性能參數(shù)，利用模糊邏輯推理和模糊計(jì)算評(píng)估每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接人機(jī)會(huì)的服務(wù)質(zhì)量并使用模糊決策技術(shù)選擇最合適的接人機(jī)會(huì)。Alex Chia-Chun Hsu的統(tǒng)計(jì)信道分配認(rèn)知MAC協(xié)議和William C.Headley在認(rèn)知無(wú)線的自動(dòng)模式分類(lèi)中都引入了智能決策算法。但這些決策方法依據(jù)的規(guī)則和策略都是固定的，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不能夠根據(jù)環(huán)境的變化規(guī)律調(diào)整決策，不能達(dá)到真正認(rèn)知的目標(biāo)。

目前，對(duì)于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)集中在介質(zhì)訪問(wèn)控制(Mac)、路由技術(shù)和QoS等方面。其中，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS研究主要包括3類(lèi)：一類(lèi)是數(shù)據(jù)鏈路層QoS，數(shù)據(jù)鏈路層QoS結(jié)合認(rèn)知無(wú)線電能夠自適應(yīng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)所使用的頻譜的特征，采用動(dòng)態(tài)頻譜分配技術(shù)，改善網(wǎng)絡(luò)的QoS；第二類(lèi)采用跨層設(shè)計(jì)的思想，在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇時(shí)考慮數(shù)據(jù)鏈路和物理無(wú)線環(huán)境的狀態(tài)，根據(jù)底層狀態(tài)動(dòng)態(tài)選擇路由；第三類(lèi)則是從用戶角度出發(fā)提出一種保障用戶QoS水平的動(dòng)態(tài)配置方法。上述研究都是針對(duì)通用的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)而展開(kāi)的，未考慮應(yīng)急通信場(chǎng)景的特定需求(如網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不可預(yù)知、時(shí)延敏感、臨時(shí)通信等)，因此直接應(yīng)用于應(yīng)急通信場(chǎng)合有一定的局限性。

2體系結(jié)構(gòu)與模型

Sutton、Nolan、Mahonen和Thomas都在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與模型方面進(jìn)行了研究。其中，Sutton和Nolan重點(diǎn)研究認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中具有可配置能力的平臺(tái)框架，提出一種基于元素的節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可由異構(gòu)的軟件或硬件元素來(lái)組建，用XML配置文檔來(lái)定義和描述節(jié)點(diǎn)。體系結(jié)構(gòu)中未考慮如何支持分布式推理、集體決策和分布式學(xué)習(xí)。Mahonen提出一個(gè)基于可配置網(wǎng)絡(luò)的支持優(yōu)化決策的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)框架以及分布式推理算法IGA。Thomas提出的認(rèn)知框架是一個(gè)比較完整的框架結(jié)構(gòu)，包括3層：端到端的用戶目標(biāo)、認(rèn)知過(guò)程、具備軟件自適應(yīng)能力，但是也存在一些不足之處。首先，認(rèn)知過(guò)程的具體邏輯結(jié)構(gòu)(即認(rèn)知過(guò)程中推理、學(xué)習(xí)、決策3者之間的關(guān)系)沒(méi)有明確給出；其次，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)概念與目前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概念之間的關(guān)系在Thomas的框架中也未明確說(shuō)明；最后，Thomas框架中將NetworkAPI定義為認(rèn)知過(guò)程與軟件自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的接口，這種定義方式使得認(rèn)知過(guò)程與低層自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的耦合過(guò)于緊密，靈活性和可擴(kuò)充性差。

Sutton、Nolan、Mahonen和Thomas研究的認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)都沒(méi)有具體針對(duì)應(yīng)急通信，然而應(yīng)急通信的需求越來(lái)越明確，為此我們提出了支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與模型，主要研究應(yīng)急通信系統(tǒng)建模、應(yīng)急通信業(yè)務(wù)定義與描述、支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。

2.1 QoS需求描述

將應(yīng)急通信定義為具有“時(shí)間關(guān)鍵”特征的通信。“時(shí)間關(guān)鍵”的概念源于軍用戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、定位目標(biāo)、直到攻擊目標(biāo)的時(shí)間限制要素。時(shí)間關(guān)鍵通信是根據(jù)突發(fā)事件的等級(jí)，制訂從通信節(jié)點(diǎn)提出發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求開(kāi)始，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)路由、交換和匯聚處理，通過(guò)各種無(wú)線接人網(wǎng)關(guān)，直至信息到達(dá)指定的目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間限制。時(shí)間關(guān)鍵通信以QoS指標(biāo)為基礎(chǔ)、以電信ATM標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于業(yè)務(wù)種類(lèi)的定義方法為參考來(lái)定義應(yīng)急通信業(yè)務(wù)，同時(shí)，考慮可擴(kuò)充性和通用性需求，適應(yīng)應(yīng)急通信業(yè)務(wù)需求的描述，并采用XML語(yǔ)言來(lái)描述業(yè)務(wù)。

2.2網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)

由于傳統(tǒng)應(yīng)急通信高成本、單點(diǎn)通信的局限性，將傳統(tǒng)應(yīng)急通信的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展為網(wǎng)。應(yīng)急通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1將傳統(tǒng)應(yīng)急通信節(jié)點(diǎn)(海事衛(wèi)星、VSAT衛(wèi)星地面站和移動(dòng)站等)作為無(wú)線網(wǎng)關(guān)使用。在異常事件發(fā)生區(qū)域以無(wú)線Ad hoe網(wǎng)絡(luò)(可以是WLAN，無(wú)線Mesh或無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò))作為基本物理承載網(wǎng)，救援人員通過(guò)無(wú)線Ad hoe網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系、接受命令和采集災(zāi)害區(qū)域信息，進(jìn)而提高信息采集精度、擴(kuò)展應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，達(dá)到提高應(yīng)急通信系統(tǒng)性?xún)r(jià)比的目標(biāo)。多個(gè)異構(gòu)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)邏輯上共同組成了一個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以看成是一個(gè)通信域，多個(gè)域之間通過(guò)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)將其融合為一個(gè)邏輯上的認(rèn)知系統(tǒng)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠認(rèn)知周?chē)鷱?fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(主要是無(wú)線、移動(dòng)環(huán)境)，自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的行為(路由、無(wú)線頻率分配等)。保證應(yīng)急通信業(yè)務(wù)所需要的“時(shí)間關(guān)鍵”特性的服務(wù)質(zhì)量。

2.3網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是建立在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之上的邏輯網(wǎng)絡(luò)(即軟件定義的網(wǎng)絡(luò))，其底層依附于各種異構(gòu)的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(如Intemet、以太網(wǎng)、GSM、WLAN等)，這些傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各自具備不同的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。基于應(yīng)急通信的實(shí)際場(chǎng)景限制，我們將在各種異構(gòu)的Ad hoe網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行研究，這在一定程度上可降低問(wèn)題的復(fù)雜性。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)如圖2所示。可從認(rèn)知用戶、認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)3個(gè)視角層次來(lái)描述認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。將認(rèn)知功能的邏輯結(jié)構(gòu)細(xì)化為推理、學(xué)習(xí)、決策3個(gè)功能實(shí)體，引入兩個(gè)邏輯功能實(shí)體傳感器和執(zhí)行器，用執(zhí)行器和傳感器來(lái)表示認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)與底層可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的接口。整個(gè)體系結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)反饋控制環(huán)：

(1)反饋控制環(huán)1

用戶應(yīng)用與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)之間的反饋控制：應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)提出QoS需求－>認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)推理與決策－>網(wǎng)絡(luò)反饋對(duì)該應(yīng)用QoS是否支持－>應(yīng)用調(diào)整QoS需求。

(2)反饋控制環(huán)2

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的反饋控制：認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)測(cè)量物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境QoS數(shù)據(jù)－>QoS決策－>網(wǎng)絡(luò)行為自適應(yīng)。

2.4物理網(wǎng)絡(luò)與QoS邏輯功能間的映射

執(zhí)行器和傳感器合并為一個(gè)認(rèn)知代理，部署在應(yīng)急通信系統(tǒng)中能夠采集QoS相關(guān)信息或?qū)嵤㏎oS控制的節(jié)點(diǎn)和設(shè)備上。認(rèn)知控制點(diǎn)負(fù)責(zé)進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理和決策，認(rèn)知控制點(diǎn)屬于邏輯功能實(shí)體，物理上可以部署在應(yīng)急通信系統(tǒng)的任何節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，也可以單獨(dú)增加硬件節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。認(rèn)知控制點(diǎn)之間構(gòu)成了一個(gè)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)認(rèn)知代理采集上的應(yīng)急通信的QoS信息進(jìn)行推理決策，控制認(rèn)知代理的行為，實(shí)現(xiàn)基于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的QoS控制。

3 QoS控制和優(yōu)化策略

目前關(guān)于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的QoS控制的研究尚處于起步階段，特別是針對(duì)應(yīng)急通信這種環(huán)境變化快速、不可預(yù)知且需要支持實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)、交互式業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)需求的應(yīng)用場(chǎng)景，研究實(shí)用可靠的QoS保障機(jī)制和策略尤為重要。我們從認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS控制問(wèn)題建模、智能頻譜分配策略和優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的跨層路由算法設(shè)計(jì)3個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)研究。

3.1 QoS控制過(guò)程

基于對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模型的研究，采用控制論中反饋控制環(huán)的思想對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS控制過(guò)程和機(jī)制進(jìn)行建模。從圖2的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)可知，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS控制的核心是一個(gè)學(xué)習(xí)一決策的過(guò)程，各種認(rèn)知學(xué)習(xí)模型都可以用一個(gè)統(tǒng)一的反饋環(huán)進(jìn)行描述。基于Col John Boyd提出的OODA環(huán)來(lái)描述認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS反饋控制過(guò)程，設(shè)計(jì)一個(gè)包括4個(gè)功能組件的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS循環(huán)控制過(guò)程：時(shí)間關(guān)鍵的QoS相關(guān)指標(biāo)測(cè)量、確定OoS調(diào)整目標(biāo)、QoS決策、網(wǎng)絡(luò)行為自適應(yīng)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS反饋控制如圖3所示。

在圖3所示認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS反饋控制過(guò)程的基礎(chǔ)上，為了增加認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)決策的智能，在認(rèn)知過(guò)程中不斷豐富認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的決策隨環(huán)境的變化而不斷地學(xué)習(xí)和優(yōu)化，為此，在QoS反饋控制過(guò)程中引入機(jī)器學(xué)習(xí)功能。基于學(xué)習(xí)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS決策流程如圖4所示。

3.2頻譜與時(shí)隙分配策略

以支持軟件無(wú)線電技術(shù)的節(jié)點(diǎn)作為基本的數(shù)據(jù)鏈路層環(huán)境，考慮異構(gòu)用戶存在情況下的動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)。無(wú)線信道滿足如下假設(shè)條件：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相同的頻譜分配；每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相同的頻譜分配概率(即系統(tǒng)所有的可用頻譜在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以是有效的)；節(jié)點(diǎn)支持無(wú)線信道上的一發(fā)多收；同一頻率可以再進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。動(dòng)態(tài)信道分配策略分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是異構(gòu)用戶的動(dòng)態(tài)頻譜分配；第二個(gè)階段是同一頻率下的不同優(yōu)先級(jí)QoS保證的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配。

動(dòng)態(tài)頻譜分配算法，首要考慮在不同發(fā)射頻譜之間的切換的代價(jià)。換言之，在一次通信過(guò)程中，沿途所涉及的全部節(jié)點(diǎn)的頻率切換之和最小的頻譜分配方案就是最高效的分配方案。鑒于上述分析，以“最少切換”思想的頻譜選擇算法，選擇目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間被盡量多連續(xù)節(jié)點(diǎn)共享的頻率。

頻譜選定后，需要為不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)分配不同的通信時(shí)隙。“時(shí)間關(guān)鍵”特征的應(yīng)急通信系統(tǒng)對(duì)時(shí)延有嚴(yán)格的限制，在時(shí)延敏感的大前提下，不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求是不同的。在應(yīng)急通信場(chǎng)景下，按業(yè)務(wù)的重要程度設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)，因此優(yōu)先級(jí)越高的業(yè)務(wù)越需要確保其所需要的Oos。因此，在不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的時(shí)隙分配時(shí)，采用“高優(yōu)先級(jí)確保”的時(shí)隙分配策略，首先滿足高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)對(duì)信道帶寬的需求。只有高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的Qos需求全部滿足后，再考慮低優(yōu)先級(jí)的，這樣的策略與應(yīng)急通信的特殊通信需求(首先滿足重要信息的傳輸，公平性不是必需考慮的因素)是一致的。

3.3跨層路由算法設(shè)計(jì)

支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是疊加在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)上的，由于Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)急通信的“時(shí)間關(guān)鍵”特性，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的Q0s路由問(wèn)題重點(diǎn)在研究如何利用有限的帶寬資源快速有效地建立最優(yōu)鏈路。由于Adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由性能受無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的影響很大，而認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是在跨層設(shè)計(jì)的思想下發(fā)展而來(lái)的，因此將無(wú)線鏈路相關(guān)的參數(shù)(如信道信噪比、信道發(fā)射功率等)作為選擇路由算法的約束條件。

由于應(yīng)急通信對(duì)節(jié)點(diǎn)的健壯性要求高，節(jié)點(diǎn)在協(xié)作通信的同時(shí)，還需要有“自我保護(hù)意識(shí)”，即節(jié)點(diǎn)是“自私”的。換言之，應(yīng)急通信系統(tǒng)不希望出現(xiàn)某些節(jié)點(diǎn)為了轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的信息而耗盡自身的能量，造成通信覆蓋上的盲點(diǎn)。博弈論考慮游戲中的個(gè)體的預(yù)測(cè)行為和實(shí)際行為，并研究他們行為的優(yōu)化策略。基于博弈理論分析認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的Qos路由，將節(jié)點(diǎn)的路由轉(zhuǎn)發(fā)問(wèn)題建立博弈模型。其中：節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)博弈者；根據(jù)不同業(yè)務(wù)QOS需求的不同，利用模糊邏輯定義節(jié)點(diǎn)的路由轉(zhuǎn)發(fā)行為，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信是有貢獻(xiàn)的，因此需要給予獎(jiǎng)勵(lì)。但是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包需要消耗節(jié)點(diǎn)的電源能量，對(duì)節(jié)點(diǎn)自身的健壯性不利，因此需要懲罰。另外，節(jié)點(diǎn)周?chē)従愚D(zhuǎn)發(fā)包對(duì)節(jié)點(diǎn)本身也有利，需要獎(jiǎng)勵(lì)。按照上述思路可建立認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)Oos路由的博弈模型。

3.4 在線分布式學(xué)習(xí)算法

在機(jī)器學(xué)習(xí)的范疇中，根據(jù)學(xué)習(xí)的反饋類(lèi)型不同，學(xué)習(xí)技術(shù)可以分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)三大類(lèi)。考慮到監(jiān)督式學(xué)習(xí)和非監(jiān)督學(xué)習(xí)都需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而應(yīng)急通信環(huán)境往往是不可預(yù)知的，因此很難事先準(zhǔn)備大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)。而強(qiáng)化學(xué)習(xí)不需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)，僅依靠簡(jiǎn)單的試錯(cuò)來(lái)學(xué)習(xí)得到最優(yōu)行為策略，這非常符合應(yīng)急通信場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)資源和能力有限且需要在線學(xué)習(xí)能力的情況。因此，應(yīng)采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的在線學(xué)習(xí)。

圖5所示的QoS決策系統(tǒng)包括兩部分內(nèi)容：推理機(jī)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)器。Qos決策系統(tǒng)接受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)輸入，使用推理機(jī)制根據(jù)相應(yīng)的Qos策略進(jìn)行推理，得到推理結(jié)論并輸出相應(yīng)的自適應(yīng)動(dòng)作。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在系統(tǒng)自適應(yīng)動(dòng)作的作用下，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)由當(dāng)前狀態(tài)變遷到新的狀態(tài)。系統(tǒng)學(xué)習(xí)模塊接收網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)于系統(tǒng)自適應(yīng)動(dòng)作的獎(jiǎng)賞反饋，采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)得到新的自適應(yīng)決策策略并將該策略提供給推理機(jī)制以備后續(xù)的Qos決策使用。Qos決策系統(tǒng)通過(guò)不斷地學(xué)習(xí)，可以得到Q0s決策策略，使得網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)動(dòng)作的回報(bào)累計(jì)值最大。

4應(yīng)用場(chǎng)景

隨著無(wú)線通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，如何保證應(yīng)急通信場(chǎng)景下認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)研究中迫切需要解決的問(wèn)題。

本文基于“時(shí)間關(guān)鍵”特征定義和描述應(yīng)急通信業(yè)務(wù)的Oos需求，從不同視角定義支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與模型；基于反饋控制理論研究認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的Oos控制，并設(shè)計(jì)了群體決策和在線分布式學(xué)習(xí)算法以實(shí)現(xiàn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的Oos控制。以上論述的結(jié)構(gòu)體系和Qos技術(shù)可以用于以下應(yīng)急場(chǎng)景。

(1)城市突發(fā)事件

突發(fā)事件處理是現(xiàn)代化城市管理的重要研究課題，突發(fā)時(shí)間往往發(fā)生在難以預(yù)料的場(chǎng)合和環(huán)境(如商場(chǎng)突發(fā)火災(zāi))。突發(fā)事件處理部門(mén)的人員(公安、消防、醫(yī)療)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后成功處理突發(fā)事件的前提是要迅速、準(zhǔn)確地了解現(xiàn)場(chǎng)情況。支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠在突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)快速組網(wǎng)并通信，準(zhǔn)確、及時(shí)地傳遞各種相關(guān)信息。系統(tǒng)能夠隨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)以便保證不同業(yè)務(wù)按照其所需要的服務(wù)質(zhì)量傳輸，減少由于不了解現(xiàn)場(chǎng)情況而帶來(lái)的人民生命和財(cái)產(chǎn)的損失。

(2)地震災(zāi)害救援

中國(guó)2009年的四川地震及2010年的玉樹(shù)地震都帶來(lái)了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而其對(duì)人們心靈帶來(lái)的損害更是無(wú)法彌補(bǔ)的。當(dāng)時(shí)由于地震造成傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)癱瘓，外部救援的人員無(wú)法了解地震中心的情況，只能靠個(gè)別新聞工作者帶去的少數(shù)海事衛(wèi)星電話與外界保持聯(lián)系。地震中心的受災(zāi)情況的視頻若干天后才被傳出，而且主要是靠飛機(jī)航拍的。救援人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，通過(guò)支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)快速組網(wǎng)并通信，大面積采集各種災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的信息，不僅可以為救援的調(diào)度和指揮提供一手的信息，而且能提高救援的針對(duì)性、最大限度減少災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)人員的傷亡。同時(shí)，時(shí)刻保持通信對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的救援人員來(lái)講也是一種保護(hù)，具有很大的社會(huì)效益。

5結(jié)束語(yǔ)

支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)和通信發(fā)展的必然產(chǎn)物，是信息社會(huì)發(fā)展的需要。支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS技術(shù)的研究將應(yīng)用于緊急事件處理、災(zāi)害救援等領(lǐng)域，將產(chǎn)生重要的社會(huì)效益。就目前的研究狀況來(lái)看，對(duì)支持應(yīng)急通信的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)QoS技術(shù)的研究還存在很多不足，需要業(yè)界人士的進(jìn)一步研究。