姓名：刘晨松
学号：20011210113
【嵌牛导读】目前深度学习的飞速发展，这是一个对于网络的概述，包含了认知网络的发展过程和现在处于的阶段。
【嵌牛鼻子】认知网络的发展
【嵌牛正文】认知无线电的发展历程与现状
一、认知无线电出现原因
随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的无线通信理论与技术，如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽然能提高频谱效率，但仍受限于Shannon理论。为了能够有效解决频谱资源利用不均匀的问题，认知无线电技术应运而生。
二、认知无线电的发展历程
认知无线电的概念是由Joseph Mitola博士在1999年提出的，他认为认知无线电可以使SDR从预置程序的盲目执行者转变为无线电领域的智能代理，并在论文中描述了认知无线电如何通过无线电知识表示语言（RKRL）来提高个人无线业务的灵活性。2004年Rieser指出认知无线电不一定必须有SDR支撑，他提出基于遗传算法的生物启发认知模型更适用于可快速部署的灾难通信系统。该认知模型可以对无线电系统的物理层和MAC层进行演进建模，主要由无线信道遗传算法（WCGA）、无线通信遗传算法（WSGA）、无线电认知系统（CSM）三部分组成。2003年5月，FCC召开了无线电研讨会，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。并且对从频谱管理的角度出发对认知无线网进行了官方定义，认为认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射参数的无线电设备。针对频谱利用率低的现状，FCC提出采用认知无线电技术实现“开放频谱系统”，对于合法的授权用户具有高的优先权接入频谱，而具有认知无线电功能的非授权用户，可在对授权用户不造成干扰的情况下机会接入可用频谱。 认知无线电的标准化 IEEE于2004年11月正式成立IEEE802.22工作组，这是世界范围内的基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。为了进一步研究认知无线电，IEEE于2005年成立了IEEE1900标准组，进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容进行研究。
三、认知无线电的概念
认知无线电是一种通过与其运行环境交互而改变其发射参数从而提高频谱利用率的新的智能技术，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，认知无线电就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。具体特点有以下三点：
对环境的感知能力：此特点是CR技术成立的前提，只有在环境感知和检测的基础上，才能使用频谱资源。频谱感知的主要功能是监测一定范围的频段，检测频谱空洞。
对环境变化的学习能力、自适应性：此特点体现CR技术的智能性，在遇到主用户信号时，能尽快主动退避，在频谱空洞间自如的切换。
通信质量的高可靠性：要求系统能够实现任何时间任何地点的高度可靠通信，能够准确地判定主用户信号出现的时间、地点、频段等信息，及时调整自身参数，提高通信质量。
系统功能模块的可重构性：CR设备可根据频谱环境动态编程，也可通过硬件设计，支持不同的收发技术。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。
四、认知无线电的原理
1、认知无线电主要原理
认知无线电原理如图1所示,由图可看出,CR设备对周围环境感知、探测、分析，这种探测和感知是全方位的，应对地形、气象等综合信息也有所了解。由此图也可得出，CR是高智能设备，应包含一个智能收发器。有了足够的人工智能，它就能吸取过去的经验对实际情况进行响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。它的学习能力是使它从概念走向应用的真正原因。
图1 认知无线电原理图
当CR用户发现频谱空洞，使用已授权用户的频谱资源时，必须保证它的通信不会影响到已授权用户的通信，一旦该频段被主用户使用，CR有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，改变发射频率或调制方案，避免对主用户的干扰。
2、频谱检测技术
频谱检测是在复杂的环境中监测出CR可以使用的频谱空隙，下图2是实际中的操作图：
图2 实际频谱检测图
上图中，左边部分是对所处环境的处理，掌握环境的各种信息是正确判决频谱信息的前提，如何从复杂环境中提取有用的信息，需要科研人员综合各种技术。
对环境的处理主要考虑CR设备的无缝接入、安全性、隐私性、数据学习能力、跟踪能力、数据动态管理、定位、感知等。下面主要介绍无缝接入。 无缝接入保证了动态环境中CR的精确性，实现它主要有两种方法：基于波形的方法和基于环境感知的方法。前一种在定位系统和波形转换器中装有标准波形，需要的时候随时调用。欧洲的SPACE项目利用了此方法，该模型由定位系统、波形器、算法选择器、传感器等组成。第二种方法是感知信道环境的参数，据此选择正确的算法。在未知环境中，基于RSS的定位分析算法已被广泛采用，此算法综合分析了CR设备的定位参数和在信道环境中设备的损失参数，经传感器输出信号保证无缝接入。后一种方法比前一种方法的复杂度低，CR被认为应具有两种方法。
目前频谱检测研究较多的方法有：匹配滤波器法、能量检测法、循环平衡特定检测法等。 匹配滤波器法：若CR用户已预先得知主用户信号的各种信息，在加性高斯噪声信道中，此法能得到最佳的效果，它能使接收信号的信噪比最大化。它的缺点是CR需要主用户的信息，适用于对主用户信息比较了解的频谱环境中，如大家已熟悉的超高频电视频段中。
能量检测法：能量检测法适用于不知道主用户信息的环境中，针对此方法，FCC提出了干扰温度限这一新的度量概念，干扰温度在它以下的信道就是适宜的频谱空穴。它的优点是操作简单，缺点是干扰温度限较难设定，它的门限值需视具体的环境而定。
循环平衡特定检测法：在通信中，有用信号一般受人工周期信号的调制，有潜在的周期性，而噪声没有这个特性，此方法就是利用这个特点进行检测的，比较适合于噪声环境中。它的缺点是算法复杂计算量大，检测时间相对长一些。
3、频谱管理
现阶段，将频谱划分为三个等级：第一等级——严格管理，不可干扰；第二等级——在一定程度上可被非授权用户干扰；第三等级——无限制使用。目前为止，对频谱管理的标准仍没有达到统一，一些标准化组织先后制定了一系列标准以推动该技术在多种场景下的发展。目前各种基于CR的频谱管理思想和管理规则仍在研究中。
五、认知无线电发展现状和趋势
当前，认知无线电技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注。很多著名学者和研究机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如：德国Karlsruhe大学的F.K.Jondral教授等提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校的R.W.Brodersen教授的研究组开发的COVUS系统、美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室IanF.Akyildiz教授等人提出OCRA项目、美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议、与现有无线通信系统的融合以及原型开发等领域取得了一些成果。IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会IEEE CrownCom和IEEE DySPAN交流这方面的成果，许多重要的国际学术期刊也通过将刊发关于认知无线电的专辑。目前，最引人关注的是IEEE 802.22工作组的工作，该工作组正在制定利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。
CR概念虽新，但其思想已经在无线通信的许多领域得到了应用。典型的例子有：工作于45MHz左右的无绳电话系统采用一种信道自动选择机制避免使用已占用的信道；免授权的个人通信业务（personal communication service,PCS）设备在传输数据之前预先侦听频谱的占用情况，以避免对其他免授权设备造成干扰；工作与5GHz频段的IEEE 802.11a网络，采用动态频率选择（dunamic frequency selection,DFS）和发送功率控制（transmitpower control,TPC）机制，避免与雷达信号互相干扰。此外，高速下行分组接入（high speed downlink packet access,HSDPA）、cdma2000 1x Ev/Do网络都采用一种认知调制过程，通过确认用户需要的服务，识别用户工作的最佳环境，进而设定最有效的调制方案、数据速率及发送功率等以满足用户的QoS需求。但以上这些具有基本认知能力的技术只是CR功能的极小一部分，这些技术可以按渐进的方式扩展直到实现CR承诺的全部性能。
在 CR 功能的演进过程中存在多种不同的认识。一种认识的代表是以 Mitola 为首的瑞典皇家科学院, 他们强调软件定义无线电( software defined radio, SDR) 是 CR 实现的理想平台。CR可使 SDR 从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理。这种认识CR可通过无线电知识描述语言 ( radio knowledge representation language, RKRL) 、基于模式的推理方式与网络进行智能交流, 因此其认知功能的实现主要在应用层或更高层。但这种认识缺乏相应的具有认知功能的物理层和链路层体系结构的有效支撑。还有一种认识是以 Rieser 为首的维吉尼亚技术中心提出的, 他们认为Mitola 提出的基于人工智能的认知系统受限于硬件平台的计算能力, 且不能够适应快速变化的网络。Rieser 指出 CR 不一定需要SDR 的支撑, 采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无线电系统的物理层和媒体接入控制( media access control, MAC) 子层的演进过程建模, 更适用于可快速部署的灾难通信系统。但他们仅考虑了单个 CR 引擎节点的操作, 没有涉及引擎节点在CR 网络中的行为。FCC提出的 CR 功能是以上两种认识的一个相对简化的版本。它建议任意一无线电只要能够具有自适应频谱感知功能就可称为 CR。针对频谱利用率低的现状 , FCC 提出采用CR技术实现开放频谱系统，即合法的授权用户(也称主用户)具有高的优先权接入频谱, 而具有 CR功能的非授权用户(也称次用户或认知用户) 可在对授权用户不造成干扰的情况下按“机会方式( opportunistic way) ”接入频谱。目前 CR 的应用大多是基于 FCC 的观点,因此也称 CR 为频率捷变无线电、机会频谱接入无线电等。
目前人们对CR和SDR的关系基本达成共识: SDR具有相当的灵活性, 但相比 CR 缺乏一定的智能。二者主要区别在于 CR 自适应频谱环境, SDR 自适应网络环境。CR 的 实 现 不一定需要 SDR 的支撑, 但如果借助于 SDR, 则 CR 会具有更多潜在的优势。
【嵌牛提问】在认知网络的学习中，如果将它与量子技术相结合，在哪个方面进行发展比较好？
