認知ネットワーク

通信ネットワークにおいて、コグニティブネットワーク（CN）は、機械学習、知識表現、コンピュータネットワーク、ネットワーク管理など、いくつかの研究分野の最先端技術を活用して、現在のネットワークが直面しているいくつかの問題を解決する新しいタイプのデータネットワークです。コグニティブネットワークは、OSIモデルのすべてのレイヤー（CR ^[1]のようにレイヤー1とレイヤー2だけではない）をカバーする点でコグニティブ無線（CR）とは異なります。

歴史

認知ネットワークの最初の定義は、ストックホルムの王立工科大学 KTH での博士研究で Theo Kanter によって提供されました。この研究には、1998 年 6 月の認知ネットワークを記憶を持つネットワークとして発表したことも含まれています。Theo は Chip Maguire の学生で、認知無線の考案者である Joe Mitola の指導も受けていました。Mitola はノードの認知に重点を置き、Kanter はネットワークの認知に重点を置きました。1999 年 8 月に発表された Mitola の学位論文には、次の引用が含まれています。「時間の経過とともに、[無線知識表現言語] RKRL 強化ネットワークは、モデルと一致しない自然環境の特徴を区別できるようになります。認知ネットワークにエラーを宣言できます。」これは認知ネットワークの概念の最も古い発表であり、Kanter は少し後に発表しました。

2001 年の IBM の自律ネットワークチャレンジは、ネットワークへの認知サイクルの導入を促しました。認知無線、カンターの認知ネットワーク、IBM の自律ネットワークは、認知無線ネットワークと他の認知ネットワークの並行進化の基盤を提供しました。2004 年には、現在アーヘン工科大学に在籍し、ミトラの博士課程委員会のメンバーでもあるペトリマホネンが、ドイツのダグシュトゥールで認知無線ネットワークに関する初の国際ワークショップを開催しました。さらに、EU の E2R および E3 プログラムは、自己* (自己組織化ネットワーク、自己認識ネットワークなど) という名称で認知ネットワーク理論を開発しました。認知ネットワークの概念を定義する試みの 1 つは、2005 年に Thomasらによって行われ、 ^{[2]これは、2003 年に Clark}らによって説明された知識平面の古いアイデアに基づいています。^[3 ] 2008年に認知完全知識ネットワークシステムを提案しました。^[4]それ以来、この分野でいくつかの研究活動が行われてきました。調査^[5]と編集された本^[6]は、これらの取り組みのいくつかを明らかにしています。

ナレッジプレーンとは、「ネットワーク内の他の要素にサービスやアドバイスを提供するために、ネットワークが何をすべきかという高レベルのモデルを構築し維持する、ネットワーク内の普及したシステム」です。^[3]

大規模認知ネットワークの概念は2008年にSongによってさらに発展し、^[7]では、大規模な無線ネットワークのための知識計画が、無線スペクトルと無線局の可用性に関する知識として明確に定義されています。

意味

Thomasら ^[2]は、 CN を、現在のネットワーク状態を認識し、計画、決定、それらの状態に基づいて行動し、その行動の結果から学習し、エンドツーエンドの目標に従うことができる認知プロセスを備えたネットワークと定義しています。このループ、つまり認知ループは、環境を感知し、センサーとネットワークポリシーからの入力に従って行動を計画し、推論エンジンを使用してエンドツーエンドの目的に最も適したシナリオを決定し、最後に前のセクションで説明したように、選択されたシナリオに基づいて行動します。システムは過去 (状況、計画、決定、行動) から学習し、この知識を使用して将来の決定を改善します。

このCNの定義では、ネットワークの知識については明示的に言及されていません。認知ループについてのみ説明し、CRやいわゆる認知層と区別するエンドツーエンドの目標を追加しています。このCNの定義は、^[5]^[6]^[7]^[8]および^{[9]で議論されているように、認知システムの重要な要素である知識が欠けているため、不完全であると思われます。}

BalamuralidharとPrasad ^[8]は、オントロジー知識表現の役割について興味深い見解を示しています。「このオントロジーの永続的な性質により、「無視できるイベント」に対する積極性と堅牢性が可能になり、単一性によりエンドツーエンドの適応が可能になります。」

^[5]では、CNは、レイヤーを垂直にまたがる（クロスレイヤー設計を利用）か、またはテクノロジーとノードを水平にまたがる（異種環境をカバー）ことができる知識プレーンによって拡張された通信ネットワークと見なされています。知識プレーンには、少なくとも2つの要素が必要です：（1）スコープ（デバイス、同種ネットワーク、異種ネットワークなど）に関する関連知識の表現、（2）状態内で人工知能技術を使用する認知ループ（学習技術、意思決定技術など）。

さらに、^[7]と^[9]では、CNの詳細なクロスレイヤーネットワークアーキテクチャが提案されており、CNは、そのようなリソースの可用性に関する知識に基づいて、無線スペクトルと無線ステーションリソースの両方を機会に応じて利用できるネットワークとして解釈されています。CRはスペクトルチャネルを機会に応じて利用できる無線トランシーバーとして開発されているため（動的スペクトルアクセス）、CNはCRを機会に応じて編成できるネットワークです。

ネットワークアーキテクチャ

^[9]の CN のクロスレイヤーネットワークアーキテクチャは、オープンシステムインターコネクション(OSI) プロトコルスタックとは対照的に、組み込みワイヤレスインターコネクション (EWI) とも呼ばれます。CN アーキテクチャは、ワイヤレスリンクの新しい定義に基づいています。新しい抽象的なワイヤレスリンクは、一連の近隣 (近接) ワイヤレスノード間の任意の相互連携として再定義されます。これに対して、従来のワイヤレスネットワーキングは、事前に決定されたワイヤレスノードのペアと割り当てられたスペクトルを持つポイントツーポイントの「仮想有線リンク」に依存しています。

このネットワークアーキテクチャには、次の 3 つの主要原則もあります。

機能的リンクの抽象化: 抽象的無線リンクの定義に基づいて、無線リンクモジュールは個々の無線ノードに実装され、さまざまな種類の抽象的無線リンクを設定できます。機能的抽象化によると、無線リンクモジュールのカテゴリには、ブロードキャスト、ユニキャスト、マルチキャスト、データ集約などが含まれます。したがって、ネットワーク機能は無線リンクモジュールの設計に統合できます。これにより、システム層と無線リンク層の 2 つの階層がアーキテクチャの基礎になります。最下位の無線リンク層は、上位のシステム層に無線リンクモジュールのライブラリを提供します。システム層は、効果的なアプリケーションプログラミングを実現するために無線リンクモジュールを編成します。
オポチュニスティック無線リンク：コグニティブ無線ネットワークの概念を実現するには、抽象的な無線リンクの占有スペクトルと参加ノードの両方が、その瞬間的な可用性によってオポチュニスティックに決定されます。この原則は、無線リンク層の無線リンクモジュールの設計を決定します。ネットワーク密度が高くなると、抽象的な無線リンクのオポチュニスティックな形成にさらなる多様性が導入されるため、システムパフォーマンスはネットワーク規模が大きくなるほど向上します。^[10]
グローバル QoS 分離: グローバルアプリケーションまたはネットワーク QoS (Quality of Service) は、近隣の無線ノードにおける連携のローカル要件、つまり無線リンク QoS に分離されます。具体的には、グローバルアプリケーションレベルの QoS を分離することで、システムレイヤーは無線リンクレイヤーによって提供される無線リンクモジュールをより適切に整理できるようになります。たとえば、スループット、エンドツーエンドの遅延、遅延ジッターなどのグローバルネットワークレベルの QoS を分離することで、無線リンクモジュールの設計はグローバル QoS 要件を達成できます。提供される無線リンクモジュールに基づいて、個々のノードの複雑さはネットワーク規模に依存しません。

ワイヤレスリンクモジュールは、システム設計者に再利用可能なオープンネットワーク抽象化を提供します。モジュールを個別に更新したり、ワイヤレスリンク層に新しいモジュールを追加したりできます。高度なモジュール性と柔軟性は、ミドルウェアやアプリケーションの開発に不可欠です。

EWI も整理スタイルのアーキテクチャであり、システム層がワイヤレスリンクモジュールを整理します (ワイヤレスリンク層)。ピアワイヤレスリンクモジュールは、システム層情報ユニットにパケットヘッダーを埋め込むことで、モジュール管理情報を交換できます。

提案された無線リンクモジュールには、それぞれブロードキャスト、ピアツーピアユニキャスト、マルチキャスト、シンクへのユニキャスト、およびデータ集約の 5 種類があります。他の任意の種類のモジュールを追加して、制限なく他の種類の抽象的な無線リンクを確立することもできます。たとえば、ブロードキャストモジュールは、データパケットを周囲のノードに配布するだけです。ピアツーピアユニキャストモジュールは、複数の無線ホップを介して送信元から送信先にデータパケットを配信できます。マルチキャストモジュールは、ピアツーピアユニキャストと比較して、データパケットを複数の送信先に送信します。シンクへのユニキャストモジュールは、データコレクター (またはシンク) の高度な機能を活用して、より優れたデータ配信を実現する無線センサーネットワークで特に役立ちます。データ集約モジュールは、近接無線ノードのセットからコンテキスト関連データを適宜収集して集約します。

システム層と無線リンク層の間のインターフェイスには、それぞれ WL_SAP (無線リンク SAP) と WLME_SAP (無線リンク管理エンティティ SAP) という2 つのサービスアクセスポイント(SAP) が定義されています。WL_SAP はデータプレーンに使用され、WLME_SAP は管理プレーンに使用されます。SAP は、無線リンクモジュールの QoS を制御するためにシステム層によって使用されます。

参照

参考文献

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出典

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外部リンク

IEEE 認知ネットワーク技術委員会

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