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Red cognitiva

En las redes de comunicación , la red cognitiva (CN) es un nuevo tipo de red de datos que utiliza tecnología de vanguardia de varias áreas de investigación (es decir, aprendizaj...

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En las redes de comunicación , la red cognitiva (CN) es un nuevo tipo de red de datos que utiliza tecnología de vanguardia de varias áreas de investigación (es decir, aprendizaje automático , representación del conocimiento , redes informáticas , gestión de redes ) para resolver algunos problemas a los que se enfrentan las redes actuales. La red cognitiva se diferencia de la radio cognitiva (CR) ya que abarca todas las capas del modelo OSI (no solo las capas 1 y 2 como en el caso de CR [ 1 ] ).

Historia

La primera definición de red cognitiva la proporcionó Theo Kanter en su investigación doctoral en el KTH, el Real Instituto de Tecnología de Estocolmo, incluyendo una presentación en junio de 1998 donde describió la red cognitiva como una red con memoria. Theo fue alumno de Chip Maguire, quien también asesoraba a Joe Mitola, el creador de la radio cognitiva. Mitola se centró en la cognición en los nodos, mientras que Kanter se centró en la cognición en la red. La tesis de licenciatura de Mitola , publicada en agosto de 1999, incluye la siguiente cita: «Con el tiempo, la red potenciada por el lenguaje de representación del conocimiento por radio (RKRL) puede aprender a distinguir una característica del entorno natural que no coincide con los modelos. Podría comunicar los errores a una red cognitiva». Esta es la primera publicación del concepto de red cognitiva, ya que Kanter publicó un poco más tarde.

El desafío de redes autónomas de IBM de 2001 impulsó la introducción de un ciclo cognitivo en las redes. La radio cognitiva, las redes cognitivas de Kanter y las redes autónomas de IBM proporcionaron la base para la evolución paralela de las redes inalámbricas cognitivas y otras redes cognitivas. En 2004, Petri Mahonen, actualmente en la RWTH, Aachen, y miembro del comité doctoral de Mitola organizó el primer taller internacional sobre redes inalámbricas cognitivas en Dagstuhl, Alemania. Además, los programas E2R y E3 de la UE desarrollaron la teoría de redes cognitivas bajo la rúbrica de auto* - redes autoorganizadas, redes autoconscientes, etc. Uno de los intentos de definir el concepto de red cognitiva fue realizado en 2005 por Thomas et al. [ 2 ] y se basa en una idea anterior del Plano del Conocimiento descrita por Clark et al. en 2003. [ 3 ] BS Manoj et al. En 2008 se propuso un Sistema de Red de Conocimiento Cognitivo Completo. [ 4 ] Desde entonces, han surgido varias actividades de investigación en el área. Un estudio [ 5 ] y un libro editado [ 6 ] revelan algunos de estos esfuerzos.

El plano del conocimiento es "un sistema omnipresente dentro de la red que construye y mantiene modelos de alto nivel de lo que se supone que debe hacer la red, con el fin de proporcionar servicios y asesoramiento a otros elementos de la red". [ 3 ]

El concepto de red cognitiva a gran escala fue desarrollado aún más en 2008 por Song, [ 7 ] donde dicho Plan de Conocimiento se define claramente para redes inalámbricas a gran escala como el conocimiento sobre la disponibilidad del espectro radioeléctrico y las estaciones inalámbricas.

Definición

Thomas et al. [ 2 ] definen la CN como una red con un proceso cognitivo capaz de percibir las condiciones actuales de la red, planificar, decidir, actuar en función de dichas condiciones y aprender de las consecuencias de sus acciones, todo ello mientras persigue objetivos de extremo a extremo. Este bucle, el bucle cognitivo, detecta el entorno, planifica acciones según la información de los sensores y las políticas de la red, decide qué escenario se ajusta mejor a su propósito de extremo a extremo mediante un motor de razonamiento y, finalmente, actúa sobre el escenario elegido, como se explicó en la sección anterior. El sistema aprende del pasado (situaciones, planes, decisiones, acciones) y utiliza este conocimiento para mejorar las decisiones futuras.

Esta definición de CN no menciona explícitamente el conocimiento de la red; solo describe el bucle cognitivo y añade objetivos de extremo a extremo que la distinguirían de CR o de las llamadas capas cognitivas. Esta definición de CN parece incompleta, ya que carece de conocimiento, un componente importante de un sistema cognitivo, como se analiza en [ 5 ] , [ 6 ] , [ 7 ] , [ 8 ] y [ 9 ] .

Balamuralidhar y Prasad [ 8 ] ofrecen una perspectiva interesante sobre el papel de la representación del conocimiento ontológico: “La naturaleza persistente de esta ontología permite la proactividad y la robustez ante los 'eventos ignorables', mientras que la naturaleza unitaria permite adaptaciones de extremo a extremo”.

En [ 5 ], CN se considera una red de comunicación aumentada por un plano de conocimiento que puede extenderse verticalmente sobre capas (utilizando un diseño entre capas) y/o horizontalmente a través de tecnologías y nodos (cubriendo un entorno heterogéneo). El plano de conocimiento necesita al menos dos elementos: (1) una representación del conocimiento relevante sobre el alcance (dispositivo, red homogénea, red heterogénea , etc.); (2) un bucle de cognición que utiliza técnicas de inteligencia artificial dentro de sus estados (técnicas de aprendizaje, técnicas de toma de decisiones, etc.).

Además, en [ 7 ] y [ 9 ] se propuso una arquitectura de red multicapa detallada para las CN, donde la CN se interpreta como una red que puede utilizar tanto el espectro radioeléctrico como los recursos de las estaciones inalámbricas de forma oportunista, basándose en el conocimiento de la disponibilidad de dichos recursos. Dado que la CR se ha desarrollado como un transceptor de radio que puede utilizar los canales del espectro de forma oportunista ( acceso dinámico al espectro ), la CN es, por lo tanto, una red que puede organizar las CR de forma oportunista.

Arquitectura de red

La arquitectura de red de capas cruzadas de CN en [ 9 ] también se denomina Interconexión Inalámbrica Integrada (EWI), en contraposición a la pila de protocolos de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) . La arquitectura CN se basa en una nueva definición de enlace inalámbrico. Los nuevos enlaces inalámbricos abstractos se redefinen como cooperaciones mutuas arbitrarias entre un conjunto de nodos inalámbricos vecinos (de proximidad). En comparación, las redes inalámbricas tradicionales se basan en "enlaces cableados virtuales" punto a punto con un par predeterminado de nodos inalámbricos y un espectro asignado.

Esta arquitectura de red también tiene los siguientes tres principios principales:

  • Abstracción de enlace funcional : Basándose en la definición de enlace inalámbrico abstracto, los módulos de enlace inalámbrico se implementan en nodos inalámbricos individuales, que pueden establecer diferentes tipos de enlaces inalámbricos abstractos. De acuerdo con las abstracciones funcionales, las categorías de módulos de enlace inalámbrico pueden incluir: difusión, unidifusión , multidifusión y agregación de datos , entre otras. Por lo tanto, la funcionalidad de red puede integrarse en el diseño de los módulos de enlace inalámbrico. Esto también da como resultado dos capas jerárquicas como base arquitectónica: la capa del sistema y la capa de enlace inalámbrico. La capa inferior de enlace inalámbrico proporciona una biblioteca de módulos de enlace inalámbrico a la capa superior del sistema; la capa del sistema organiza los módulos de enlace inalámbrico para lograr una programación de aplicaciones eficaz.
  • Enlaces inalámbricos oportunistas : En la implementación del concepto de red inalámbrica cognitiva, tanto el espectro ocupado como los nodos participantes de un enlace inalámbrico abstracto se determinan de forma oportunista por su disponibilidad instantánea. Este principio rige el diseño de los módulos de enlace inalámbrico en la capa de enlace inalámbrico. El rendimiento del sistema puede mejorar con una mayor escala de red, ya que una mayor densidad de red introduce una diversidad adicional en la formación oportunista de cualquier enlace inalámbrico abstracto. [ 10 ]
  • Desacoplamiento global de QoS : La calidad de servicio (QoS) global de la aplicación o red se desacopla en requisitos locales de cooperación entre nodos inalámbricos vecinos, es decir, QoS del enlace inalámbrico. Más específicamente, al desacoplar la QoS global a nivel de aplicación, se permite que la capa del sistema organice mejor los módulos de enlace inalámbrico proporcionados por dicha capa. Por ejemplo, al desacoplar la QoS global a nivel de red, como el rendimiento, el retardo de extremo a extremo y la fluctuación del retardo, el diseño del módulo de enlace inalámbrico puede cumplir con los requisitos de QoS global. En función de los módulos de enlace inalámbrico proporcionados, la complejidad en los nodos individuales puede ser independiente de la escala de la red.

Los módulos de enlace inalámbrico proporcionan a los diseñadores de sistemas abstracciones de red abiertas y reutilizables, donde los módulos pueden actualizarse individualmente o se pueden agregar nuevos módulos a la capa de enlace inalámbrico. La alta modularidad y flexibilidad pueden ser esenciales para el desarrollo de middleware o aplicaciones.

EWI es también una arquitectura de estilo organizativo, donde la capa del sistema organiza los módulos de enlace inalámbrico (en la capa de enlace inalámbrico); y los módulos de enlace inalámbrico pares pueden intercambiar información de gestión de módulos rellenando las cabeceras de los paquetes con las unidades de información de la capa del sistema.

Se propusieron cinco tipos de módulos de enlace inalámbrico, que incluyen difusión, unidifusión punto a punto, multidifusión, unidifusión a destino y agregación de datos, respectivamente. Se pueden agregar otros tipos de módulos arbitrarios, estableciendo otros tipos de enlaces inalámbricos abstractos sin limitación. Por ejemplo, el módulo de difusión simplemente distribuye paquetes de datos a los nodos circundantes. El módulo de unidifusión punto a punto puede entregar paquetes de datos desde el origen al destino a través de múltiples saltos inalámbricos. El módulo de multidifusión envía paquetes de datos a múltiples destinos, en comparación con la unidifusión punto a punto. El módulo de unidifusión a destino puede ser especialmente útil en redes de sensores inalámbricos , que utilizan capacidades superiores de los recolectores de datos (o sumideros), para lograr una mejor entrega de datos. El módulo de agregación de datos recopila y agrega de forma oportunista los datos relacionados con el contexto de un conjunto de nodos inalámbricos cercanos.

En la interfaz entre la capa del sistema y la capa de enlace inalámbrico se definen dos puntos de acceso al servicio (SAP): WL_SAP (Wireless Link SAP) y WLME_SAP (Wireless Link Management Entity SAP). WL_SAP se utiliza para el plano de datos , mientras que WLME_SAP se utiliza para el plano de gestión. La capa del sistema utiliza los SAP para controlar la calidad de servicio (QoS) de los módulos de enlace inalámbrico.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Mitola 2000 .
  2. 1 2 Thomas 2005 .
  3. 1 2 Clark 2003 .
  4. ↑ Manoj, B.; Rao, Ramesh; Zorzi, Michele (2008). "Cog Net : Un sistema de red de conocimiento cognitivo completo". IEEE Wireless Communications . 15 (6): 81– 88. Bibcode : 2008IWC....15f..81M . doi : 10.1109/MWC.2008.4749751 . S2CID 1511248 . 
  5. 1 2 3 Fortuna, Carolina; Mohorcic, Mihael (2009). "Tendencias en el desarrollo de redes de comunicación: redes cognitivas". Computer Networks . 53 (9): 1354– 1376. doi : 10.1016/j.comnet.2009.01.002 .
  6. 1 2 Q. Mahmoud, "Redes cognitivas: Hacia redes autoconscientes" , John Wiley and Sons, 2007, ISBN 978-0-470-06196-1.
  7. 1 2 3 Song, Liang (2008). "Redes cognitivas: estandarización de los sistemas inalámbricos a gran escala". 5.ª Conferencia IEEE de Comunicaciones y Redes para el Consumidor de 2008. págs. 988–992 . doi : 10.1109/ccnc08.2007.227 . ISBN  978-1-4244-1457-4. S2CID 7189054 . 
  8. 1 2 Balamuralidhar, P.; Prasad, Ramjee (2008). "Una arquitectura orientada al contexto para nodos de radio cognitiva". Comunicaciones personales inalámbricas . 45 (3): 423– 434. doi : 10.1007/s11277-008-9480-7 . S2CID 6637432 . 
  9. 1 2 3 Song, Liang; D. Hatzinakos (2009). "Redes cognitivas de sistemas inalámbricos a gran escala" . Revista Internacional de Redes de Comunicación y Sistemas Distribuidos . 2 (4): 452– 475. doi : 10.1504/IJCNDS.2009.026558 .
  10. ↑ Kotobi, Khashayar; Mainwaring, Philip; Tucker, Conrad; Bilén, Sven (2015). "Mejora del rendimiento de datos mediante radio cognitiva basada en minería de datos" . Electronics . 4 (2): 221– 238. doi : 10.3390/electronics4020221 .

Fuentes

  • Kanter, Theo (2001), "Comunicación móvil personal adaptativa, arquitectura de servicios y protocolos." , Trita-It. Avh. (Tesis doctoral), Kista, Suecia: KTH Royal Institute of Technology , ISSN 1403-5286 
  • Clark, David D.; Partridge, Craig; Ramming, J. Christopher; Wroclawski, John T. (2003), "Un plano de conocimiento para Internet", Actas de la Conferencia de 2003 sobre Aplicaciones, Tecnologías, Arquitecturas y Protocolos para Comunicaciones Informáticas - SIGCOMM '03 , pág.  3, doi : 10.1145/863955.863957 , ISBN 1581137354, S2CID 207627798 
  • Mitola, Joseph (2000), "Cognitive Radio – An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio" , Trita-It. Avh. (Tesis doctoral), Kista, Suecia: KTH Royal Institute of Technology , ISSN 1403-5286 
  • Thomas, RW; Dasilva, LA; MacKenzie, AB (2005), "Redes cognitivas", Primer Simposio Internacional IEEE sobre Nuevas Fronteras en Redes de Acceso Dinámico al Espectro, 2005. DySPAN 2005 , págs. 352–360 , doi : 10.1109/DYSPAN.2005.1542652 , ISBN  1-4244-0013-9
  • Manoj, B.; Rao, Ramesh; Zorzi, Michele (2008), "CogNet: Un sistema de red de conocimiento cognitivo completo", IEEE Wireless Communications , 15 (6): 81– 88, Bibcode : 2008IWC....15f..81M , doi : 10.1109/MWC.2008.4749751 , S2CID 1511248 
  • Comité Técnico de Redes Cognitivas del IEEE