【摘要】：隨著5G通信、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的快速發(fā)展,世界已經(jīng)步入了一個(gè)信息爆炸的時(shí)代,產(chǎn)生信息的源節(jié)點(diǎn)數(shù)目、單片信息的數(shù)據(jù)量都呈現(xiàn)出加速膨脹的態(tài)勢(shì)。在這樣的大數(shù)據(jù)背景下,無線傳感器網(wǎng)路(wireless sensor network,WSN)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分,必須合理且有效地應(yīng)對(duì)海量信息的嚴(yán)峻考驗(yàn)。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說,處理大數(shù)據(jù)量信息的關(guān)鍵在于增加網(wǎng)絡(luò)中信息的流動(dòng)效率。為此,我們必須深入剖析信息在網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)規(guī)律,從各個(gè)方面提高信息的流動(dòng)速度,從而提升傳感器節(jié)點(diǎn)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)感知、傳輸和處理信息的能力。在本論文中,我們重點(diǎn)關(guān)注了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)最重要的信息流動(dòng)過程,即信息傳播(informationpropagation)和信息獲取(informationacquisition)。信息傳播意指單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的信息擴(kuò)散過程,其最關(guān)鍵的性能指標(biāo)是信息傳播速度(informationpropagationspeed,IPS),這代表了網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)數(shù)據(jù)信息的能力。在拓?fù)鋭?dòng)態(tài)、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,改進(jìn)現(xiàn)有的信息傳播方式成為順應(yīng)當(dāng)下大數(shù)據(jù)技術(shù)浪潮的關(guān)鍵訴求。對(duì)于信息獲取,它表示多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到單個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)(sinknode)的信息收集過程。傳統(tǒng)的信息獲取采用的策略是收集全部信息,這必然無法面對(duì)海量信息的壓力。為了在信息獲取方面降低網(wǎng)絡(luò)能量耗損、減少數(shù)據(jù)信息冗余并增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)能力,我們有必要設(shè)計(jì)更高效、更智能的主動(dòng)信息獲取策略�；谝陨蟽蓚�(gè)方面的需求,本論文分別在信息傳播和信息獲取方面進(jìn)行了深入的探索和研究,得到的主要貢獻(xiàn)如下:1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于虛擬多天線的快速信息傳播方法從整體上把握了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信息傳播的研究脈絡(luò),對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行了串聯(lián)和總結(jié)。在此基礎(chǔ)上,創(chuàng)新地以提升網(wǎng)絡(luò)信息傳播效率為目的,結(jié)合分布式虛擬多天線技術(shù),提出了兩種快速信息傳播方法,分別是基于簇的協(xié)作型傳播機(jī)制以及基于多路信號(hào)貪婪式合并型傳播機(jī)制。對(duì)每種方法,我們都以一維網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景應(yīng)用為示例,分別提出了具體的新型信息傳播協(xié)議,并靈活運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)建模和數(shù)學(xué)抽象等手段對(duì)其進(jìn)行了量化分析,得到了相應(yīng)的信息傳播速度的閉式表達(dá),并從中進(jìn)一步提煉了包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度、節(jié)點(diǎn)傳輸距離在內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳播的作用規(guī)律。仿真結(jié)果顯示,兩種快速信息傳播算法相比于傳統(tǒng)算法均提供了明顯的性能增益。2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于元學(xué)習(xí)(metalearning)的主動(dòng)信息獲取方法針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通過信息獲取來實(shí)現(xiàn)未知場(chǎng)的估計(jì)和重建問題,提取了相應(yīng)的通信任務(wù)和計(jì)算任務(wù)模型,并通過分析兩者之間的關(guān)聯(lián)性建立了“通信”與“計(jì)算”融合的信息獲取算法框架。本文創(chuàng)新地結(jié)合了元學(xué)習(xí)以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)(reinforcement learning)等計(jì)算理論,將原通信任務(wù)中的最優(yōu)信息傳遞問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)以優(yōu)化算法本身為目標(biāo)的元學(xué)習(xí)問題。通過成功建立相應(yīng)的雙層學(xué)習(xí)機(jī)體系,設(shè)計(jì)可行的策略搜索算法,最終獲得了一種可主動(dòng)尋找有效獲取位置的自適應(yīng)信息獲取算法,從而實(shí)現(xiàn)“通信”與“計(jì)算”的聯(lián)合優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示,該算法相比于傳統(tǒng)算法明顯提高了信息獲取效率和性能,同時(shí)還具有針對(duì)動(dòng)態(tài)信息和任務(wù)變更的雙重自適應(yīng)性。
【圖文】：

圖１－１無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息傳播與信息獲取逡逑？信息獲�。ǎ椋睿妫铮颍恚幔簦椋铮铄澹幔悖瘢酰椋螅椋簦椋铮睿┻^程，表示多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到單個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的信息逡逑收集過程，如圖１．１（ｂ）所示。逡逑接下來，我們就兩個(gè)過程分別進(jìn)行闡述。逡逑１．１．１無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息傳播逡逑隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，信息傳播的速度和方式經(jīng)歷著快速的更迭。以我們熟逡逑悉的微博、推特、臉書等社交軟件為例，人們隨時(shí)隨地都能將所見、所聞、所感以文字、圖逡逑片、語(yǔ)音或影像等信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。這些信息隨即會(huì)被不斷轉(zhuǎn)發(fā)，直至擴(kuò)散至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。逡逑２００１年日本大地震發(fā)生后短短一小時(shí)內(nèi)，推特網(wǎng)站上每分鐘關(guān)于地震消息的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)多達(dá)逡逑１２００萬次，憑借著公共媒體難以比擬的速度優(yōu)勢(shì)，成功在第一時(shí)間構(gòu)筑了抗震救災(zāi)的信息逡逑生命線。逡逑當(dāng)然，信息絕不僅僅存在于上述的社交網(wǎng)絡(luò)中，它在各式各樣的網(wǎng)絡(luò)中廣泛存在。當(dāng)逡逑今業(yè)界

傳統(tǒng)的信息獲取系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點(diǎn)需要收集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的感知信息，經(jīng)逡逑過后續(xù)的加工和處理，，提取出用戶感興趣的有效信息，從而完成信息獲取的整個(gè)流程。下逡逑圖１－２列舉了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息獲取技術(shù)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。比如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逡逑方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以偵測(cè)農(nóng)作物中的害蟲、土壤酸堿度變化和施肥狀況等；在環(huán)境逡逑保護(hù)方面，它可以監(jiān)測(cè)大氣污染、氣候異象、動(dòng)物活動(dòng)等；在軍事活動(dòng)方面，它可以進(jìn)行逡逑目標(biāo)跟蹤、敵情監(jiān)控以及襲擊預(yù)警等；在交通安全方面，它更為流量控制、交通調(diào)度等方逡逑面提供了重要的數(shù)據(jù)信息參考。逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212.9;TN929.5

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本文編號(hào)：2659605