“拯救”無線網絡

魯長國

無線通信設備的廣泛普及催生了移動互聯網的井噴式發展，隨之無線網絡的需求日益旺盛。而與此同時，由信號弱導致的連接困難、頻繁掉線、通訊緩慢等故障，也對未來無線網絡的發展提出了嚴峻挑戰。

國家“萬人計劃”青年拔尖人才、優秀青年科學基金項目的獲得者、公安部第三研究所物聯網技術研發中心副主任劉云淮博士認為，這些故障的“罪魁禍首”正是無線自組織網絡中的“弱連接”。

多項原創成果

入選“萬人計劃”

早在香港科技大學讀博期間，劉云淮就開始了弱連接條件下無線自組織網絡架構和節點協同技術研究，迄今已逾十年。

眾所周知，若無線通信弱，網絡節點間連接特性則會發生改變，針對這一現狀，劉云淮從概率式網絡模型出發，通過探尋無線網絡中的基本機理，設計出一系列拓撲控制方法，包括針對Sink節點到其他節點通訊模式的Conreap算法，以及針對節點間通訊模式的Brasp算法，得到歐美同行很高評價。美國佐治亞理工大學計算機工程系教授、可靠通信實驗室主任Raheem Beyah認為“概率型網絡模型更真實的反映無線通訊中的鏈路行為”，加拿大Alberta大學計算機科學系教授Mike MacGregor表示“概率型網絡模型能更好的反映網絡行為，為節點最優分布奠定了理論基礎”。

基于概率型網絡模型，劉云淮針對傳統網絡信息感知模型進行了大膽改革。在無線傳感器網絡中，傳統感知模型為圓盤結構，存在確定半徑，圓盤內的信息可以通過感知節點獲取，但圓盤外的信息則無法感知，因此無法反映真實的傳感器行為。反復實驗下，劉云淮帶領團隊提出了基于鏈路的概率型感知模型，可以把鏈路性、概率性和多感知融合性這三個現實傳感器的獨特特性反映出來，并把誤差縮小在百分之十以內。

網絡是信息交換的載體。它的“四通八達”與否，直接影響著信息傳輸程度。

那么，清除一切網絡傳輸中的障礙，是否就一定能夠確保信息通暢呢？

針對這一問題，劉云淮認為恰恰相反，“少量干擾行為是激發網絡傳輸性能的關鍵”。

利用干擾回避、干擾消除和干擾對齊等管理技術，他原創提出基于干擾的副信道通信模式，增加一些攜帶一定控制信息的干擾信號，制造可以最終被消除掉的主動干擾，在傳輸過程中反倒可以提高網絡“活力”，增加網絡傳輸量，提高傳輸效率，從而提高網絡整體性能。

劉云淮并未滿足于此，基于此模式，他充分擴展了數學中Quorom理論的成果，設計實現了高效低功耗的分布式節點協同機制，減少了傳統中傳輸失敗和網絡丟包現象。從網絡節點間的感知精度出發，在實驗過程中，提出了頻譜感知節點傳感器網絡，設計并實現了協同邊界定界算法，大幅度提高了網絡傳輸中精確信息的獲取量。

真實的無線網絡系統，要在一系列核心技術的支持下才能正常運轉。在多徑反射效應下的節點測距方法上，劉云淮開創了無線網絡領域研究的先河。他以頻率為突破口，通過相同節點在不同頻率下的信號強度測量，經過數學模擬，采用傅里葉變換的方式求解，可以獲得更精確的距離。同時，在網絡熱點的判斷問題上，劉云淮首次提出了非密度的、基于移動性的網絡熱點分布模型，設計實現了移動節點的熱點感知方法，為今后的數據挖掘和信息獲取提供了有力支撐。并針對網絡傳輸丟包的問題，設計了新的多信道分配算法，以均勻分布節點緩沖區，加大了網絡傳輸速度。

憑借在弱連接條件下無線網絡關鍵問題上的諸多創新性成果，劉云淮迄今為止已經在本領域最權威的國際期刊《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》《IEEE Transactions on Mobile Computing》《IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems》以及著名國際學術會議如ACM Mobicom，ACM Sensys，ACM SIGKDD，IEEE INFOCOM，IEEE ICDCS等發表論文。并且在2008年獲得IEEE ICDCS最佳論文獎，是638篇論文中唯一獲獎論文。

在國際計算機網絡研究領域，較高的科研天分與勤勉的科研態度讓劉云淮很快聲名鵲起，并在2015年成為國家“萬人計劃”青年拔尖人才中的一員。

關系國計民生

榮獲“優秀青年科學基金”

科研，是為人類發展服務。劉云淮深諳此理。

近年來，以智能手機為代表的移動通訊設備加快了網絡感知趨勢的發展。以個人為中心，從海量數據中獲取高精準信息的群智感知和群智計算開始成為目前移動網絡的研究熱點。

歷經五年學習，2000年劉云淮于清華大學畢業后，即前往惠普做了一名工程師。兩年一線工程師的經歷，讓他養成了一種與市場同步的科研理念，也敏銳地意識到無線網絡的研發命脈。隨后，他來到香港科技大學再次深造，開始在實驗室里反復印證自己腦海中的系列想法，迅速打開了無線網絡架構及節點協同技術領域的“大門”。

近十年弱連接條件下無線自組織網絡架構和節點協同關鍵技術研究工作，讓劉云淮積累了大量實戰經驗。來到公安部第三研究所物聯網中心之后，順應社會發展，為深入拓展這一研究，他開始把眼光瞄向移動群智感知網絡層面。由他申請的項目課題，已經獲得國家自然科學基金“優秀青年科學基金”支持。

傳統由基站提供服務的有組織無線網絡，單一節點間的鏈接能力較弱，在弱連接廣泛存在的情況下，通信傳輸日漸艱難。因此，基于特定傳感器的無線傳感器網絡越來越不適應信息大爆炸的現代社會，變革已經成必然。

正所謂一花獨放不是春，百花齊放春滿園。社會的快速發展，正要求群策群力。

群智感知的概念即發源于此，其關鍵是利用大量無意識協作，低干擾和低負擔的非專業感知源來獲取信息，具有廣泛的應用性，國際社會紛紛邁開了群智感知網絡研究的腳步。但很快發現，群智感知網絡研究過程中，面臨著網絡差異性大、數據量大、數據質量低劣、數據異常等諸多難題。

基于此，劉云淮從移動群智感知網絡的新特性出發，加入人類行為元素，探索弱連接下群智感知網絡架構和拓撲控制方法，建立無意識協作的通信增強機制，創新恰當的節點協同技術，以實現可靠通信，以促進群智感知網絡的大規模應用發展。此項課題的研究，將從宏觀上滿足大數據時代的發展需求，促進數據挖掘技術的快速進步，有利于信息安全及共享網絡社會的長遠發展。同時，在微觀上也利于個人隱私信息的保護。

在忙于科研的同時，劉云淮同樣耗費巨大精力加強團隊建設，他始終認為依靠團隊的力量，科研之路才能越發順暢。如今，他早已建設了一支由博士副研究員、助理研究員、碩士研究助理及實習研究生在內的高中低相結合的優秀研究團隊，各自發揮所長，在無線通信技術、低能耗節點調度以及拓撲控制等多方面都取得了引人矚目的成績。

今天，網絡成為人類不可或缺的通信渠道，快速地改變著人類生活。同樣，改變即意味著要跨越傳統桎梏，我們寄希望于像劉云淮這樣懷有持續科研熱情的青年學者，讓我們一步步走進更高層次的現代信息社會。