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拯救无线网络
——记第三研究所物联网技术研发中心副主任刘云淮博士
本刊记者 鲁长国
无线通信设备的广泛普及催生了移动互联网的井喷式发展,随之无线网络的需求日益旺盛.而与此同时,由信号弱导致的连接困难、频繁掉线、通讯缓慢等故障,也对未来无线网络的发展提出了严峻挑战.
国家“万人计划”青年拔尖人才、优秀青年科学基金项目的获得者、第三研究所物联网技术研发中心副主任刘云淮博士认为,这些故障的“罪魁祸首”正是无线自组织网络中的“弱连接”.
多项原创成果入选“万人计划”
早在香港科技大学读博期间,刘云淮就开始了弱连接条件下无线自组织网络架构和节点协同技术研究,迄今已逾十年.
众所周知,若无线通信弱,网络节点间连接特性则会发生改变,针对这一现状,刘云淮从概率式网络模型出发,通过探寻无线网络中的基本机理,设计出一系列拓扑控制方法,包括针对S i n k节点到其他节点通讯模式的C o n r e a p算法,以及针对节点间通讯模式的Brasp算法,得到欧美同行很高评价.美国佐治亚理工大学计算机工程系教授、可靠通信实验室主任Raheem Beyah认为“概率型网络模型更真实的反映无线通讯中的链路行为”,加拿大Alberta大学计算机科学系教授Mike MacGregor表示“概率型网络模型能更好的反映网络行为,为节点最优分布奠定了理论基础”.
基于概率型网络模型,刘云淮针对传统网络信息感知模型进行了大胆改革.在无线传感器网络中,传统感知模型为圆盘结构,存在确定半径,圆盘内的信息可以通过感知节点获取,但圆盘外的信息则无法感知,因此无法反映真实的传感器行为.反复实验下,刘云淮带领团队提出了基于链路的概率型感知模型,可以把链路性、概率性和多感知融合性这三个现实传感器的独特特性反映出来,并把误差缩小在百分之十以内.
网络是信息交换的载体.它的“四通八达”与否,直接影响着信息传输程度.
那么,清除一切网络传输中的障碍,是否就一定能够确保信息通畅呢？
针对这一问题,刘云淮认为恰恰相反,“少量干扰行为是激发网络传输性能的关键”.
利用干扰回避、干扰消除和干扰对齐等管理技术,他原创提出基于干扰的副信道通信模式,增加一些携带一定控制信息的干扰信号,制造可以最终被消除掉的主动干扰,在传输过程中反倒可以提高网络“活力”,增加网络传输量,提高传输效率,从而提高网络整体性能.
刘云淮并未满足于此,基于此模式,他充分扩展了数学中Quorom理论的成果,设计实现了高效低功耗的分布式节点协同机制,减少了传统中传输失败和网络丢包现象.从网络节点间的感知精度出发,在实验过程中,提出了频谱感知节点传感器网络,设计并实现了协同边界定界算法,大幅度提高了网络传输中精确信息的获取量.
真实的无线网络系统,要在一系列核心技术的支持下才能正常运转.在多径反射效应下的节点测距方法上,刘云淮开创了无线网络领域研究的先河.他以频率为突破口,通过相同节点在不同频率下的信号强度测量,经过数学模拟,采用傅里叶变换的方式求解,可以获得更精确的距离.同时,在网络热点的判断问题上,刘云淮首次提出了非密度的、基于移动性的网络热点分布模型,设计实现了移动节点的热点感知方法,为今后的数据挖掘和信息获取提供了有力支撑.并针对网络传输丢包的问题,设计了新的多信道分配算法,以均匀分布节点缓冲区,加大了网络传输速度.
凭借在弱连接条件下无线网络关键问题上的诸多创新性成果,刘云淮迄今为止已经在本领域最权威的国际期刊《IEEE Journal on Selected Areas inCommunications》《IEEE Transactions onMobile Computing》《IEEE Transactionson Parallel and Distributed Systems》以及著名国际学术会议如ACM Mobicom,A C M S e n s y s,A C M S I G K D D,I E E EINFOCOM,IEEE ICDCS等发表论文.并且在2008年获得I E E E I C D C S最佳论文奖,是638篇论文中唯一获奖论文.
在国际计算机网络研究领域,较高的科研天分与勤勉的科研态度让刘云淮很快声名鹊起,并在2015年成为国家“万人计划”青年拔尖人才中的一员.
关系国计民生
荣获“优秀青年科学基金”
科研,是为人类发展服务.刘云淮深谙此理.
近年来,以智能手机为代表的移动通讯设备加快了网络感知趋势的发展.以个人为中心,从海量数据中获取高精准信息的群智感知和群智计算开始成为目前移动网络的研究热点.
历经五年学习,2000年刘云淮于清华大学毕业后,即前往惠普做了一名工程师.两年一线工程师的经历,让他养成了一种与市场同步的科研理念,也敏锐地意识到无线网络的研发命脉.随后,他来到香港科技大学再次深造,开始在实验室里反复印证自己脑海中的系列想法,迅速打开了无线网络架构及节点协同技术领域的“大门”.
近十年弱连接条件下无线自组织网络架构和节点协同关键技术研究工作,让刘云淮积累了大量实战经验.来到第三研究所物联网中心之后,顺应社会发展,为深入拓展这一研究,他开始把眼光瞄向移动群智感知网络层面.由他申请的项目课题,已经获得国家自然科学基金“优秀青年科学基金”支持.
传统由基站提供服务的有组织无线网络,单一节点间的链接能力较弱,在弱连接广泛存在的情况下,通信传输日渐艰难.因此,基于特定传感器的无线传感器网络越来越不适应信息大爆炸的现代社会,变革已经成必然.
正所谓一花独放不是春,百花齐放春满园.社会的快速发展,正要求群策群力.
群智感知的概念即发源于此,其关键是利用大量无意识协作,低干扰和低负担的非专业感知源来获取信息,具有广泛的应用性,国际社会纷纷迈开了群智感知网络研究的脚步.但很快发现,群智感知网络研究过程中,面临着网络差异性大、数据量大、数据质量低劣、数据异常等诸多难题.
基于此,刘云淮从移动群智感知网络的新特性出发,加入人类行为元素,探索弱连接下群智感知网络架构和拓扑控制方法,建立无意识协作的通信增强机制,创新恰当的节点协同技术,以实现可靠通信,以促进群智感知网络的大规模应用发展.此项课题的研究,将从宏观上满足大数据时代的发展需求,促进数据挖掘技术的快速进步,有利于信息安全及共享网络社会的长远发展.同时,在微观上也利于个人隐私信息的保护.
在忙于科研的同时,刘云淮同样耗费巨大精力加强团队建设,他始终认为依靠团队的力量,科研之路才能越发顺畅.如今,他早已建设了一支由博士副研究员、助理研究员、硕士研究助理及实习研究生在内的高中低相结合的优秀研究团队,各自发挥所长,在无线通信技术、低能耗节点调度以及拓扑控制等多方面都取得了引人瞩目的成绩.
今天,网络成为人类不可或缺的通信渠道,快速地改变着人类生活.同样,改变即意味着要跨越传统桎梏,我们寄希望于像刘云淮这样怀有持续科研热情的青年学者,让我们一步步走进更高层次的现代信息社会.
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