【摘要】：智能手機(jī)對(duì)當(dāng)今人類(lèi)生活的改變已經(jīng)成為眾所周知的事實(shí),智能手機(jī)的功能也不僅僅局限于通訊,他們的功能變得越來(lái)越強(qiáng)大,特別是智能手機(jī)上的多種傳感器,例如重力傳感器、加速度傳感器、磁力儀、GPS,甚至是話筒和攝像頭都已經(jīng)成為普通用戶(hù)感知能力的重要來(lái)源。當(dāng)有普通用戶(hù)手持智能設(shè)備,利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為通信媒介,執(zhí)行特定的感知任務(wù)時(shí),這便組成了一個(gè)移動(dòng)群智感知網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)群智感知具有任務(wù)驅(qū)動(dòng)性、移動(dòng)性、可擴(kuò)展性、部署簡(jiǎn)單和感知信息時(shí)空相關(guān)性等優(yōu)點(diǎn),這使得移動(dòng)群智感知網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)新型的感知數(shù)據(jù)收集和計(jì)算方式,廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)管、個(gè)人醫(yī)療保健、智能城市和智能制造等多個(gè)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。在移動(dòng)群智感知中涉及到不同于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:1、感知任務(wù)對(duì)智能設(shè)備所有者的招募和激勵(lì)機(jī)制;2、感知數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸機(jī)制;3、智能設(shè)備所有者的隱私保護(hù)機(jī)制等。針對(duì)上述移動(dòng)群智感知網(wǎng)絡(luò)中面臨的主要問(wèn)題,本文針對(duì)移動(dòng)群智感知中的感知數(shù)據(jù)收集,感知任務(wù)處理和參與者隱私這三方面展開(kāi)研究,基于相關(guān)的經(jīng)濟(jì)學(xué)理論提出了改進(jìn)算法和模型,并進(jìn)行了模擬仿真,本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括以下三個(gè)方面:(1)提出了基于能量收割作為獎(jiǎng)勵(lì)的感知任務(wù)處理激勵(lì)機(jī)制;由于移動(dòng)群智感知中的感知設(shè)備所有者是自私的,他們的自私來(lái)源于移動(dòng)設(shè)備的能量、數(shù)據(jù)流量和處理能力都有限的特點(diǎn)。為了解決上述問(wèn)題,我們將移動(dòng)邊緣計(jì)算中的計(jì)算任務(wù)分流技術(shù)(compuation offloading)引入移動(dòng)群智感知中,給感知任務(wù)的執(zhí)行提供了兩種解決方案:本地執(zhí)行和上傳至云端執(zhí)行,從而緩解了移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算壓力。不同于傳統(tǒng)框架利用金錢(qián)或道德作為獎(jiǎng)勵(lì)方式,本工作結(jié)合了最新的能量收割技術(shù)(energy harvesting),將能量作為對(duì)執(zhí)行感知任務(wù)設(shè)備的獎(jiǎng)勵(lì),這相當(dāng)于對(duì)移動(dòng)設(shè)備消耗的能量進(jìn)行了直接地補(bǔ)償和激勵(lì)。利用斯塔克博弈對(duì)感知任務(wù)的發(fā)布者和移動(dòng)設(shè)備(感知任務(wù)的參與者)進(jìn)行建模,任務(wù)發(fā)布者和參與者天然的形成了一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者的市場(chǎng)環(huán)境。任務(wù)發(fā)布者希望能夠在預(yù)算一定的前提下,通過(guò)招募參與者獲得更高質(zhì)量的感知數(shù)據(jù)和結(jié)果,同時(shí)能夠使參與者通過(guò)提供感知數(shù)據(jù)贏得獎(jiǎng)勵(lì)從而獲得更多的收益。通過(guò)理論分析和模擬仿真證明,由于能量收割技術(shù)和計(jì)算資源上傳技術(shù)的加入,本工作提出的方法有效的提高了移動(dòng)群智感知的生命周期和感知結(jié)果的質(zhì)量。(2)提出了基于感知覆蓋范圍的能量與數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸機(jī)制;在移動(dòng)群智感知框架中,感知結(jié)果的精確與否取決于是否有足夠的參與者對(duì)感知任務(wù)的目標(biāo)感知區(qū)域進(jìn)行有效覆蓋。有效覆蓋是指在一定目標(biāo)感知區(qū)域內(nèi)有足夠數(shù)量的參與者對(duì)該區(qū)域進(jìn)行感知,并將感知數(shù)據(jù)上傳。然而,由于移動(dòng)設(shè)備的電量有限,或是上傳數(shù)據(jù)的目的地過(guò)遠(yuǎn)等原因,使得在目標(biāo)感知區(qū)域內(nèi)的潛在參與者無(wú)法全部成為真正的感知任務(wù)參與者,參與者數(shù)量不足這個(gè)事實(shí)使得感知結(jié)果的精確程度無(wú)法有效提高。為了激勵(lì)更多的潛在參與者成為參與者,本文首先采用了移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量收割并將能量帶到目標(biāo)區(qū)域組成感知簇進(jìn)行收集數(shù)據(jù),第二采用了感知簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量協(xié)作和感知簇外能量收割兩種機(jī)制協(xié)助潛在參與者對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳,在此基礎(chǔ)上提出了數(shù)據(jù)和能量協(xié)同傳輸策略,很大程度的幫助了距離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的潛在參與者上傳感知數(shù)據(jù),增加了參與者數(shù)量,最后擴(kuò)大了有效感知覆蓋范圍。通過(guò)模擬仿真,本文提出的數(shù)據(jù)和能量協(xié)同傳輸策略可以同時(shí)提高感知覆蓋范圍和感知結(jié)果質(zhì)量。(3)提出了基于用戶(hù)隱私保障的獎(jiǎng)勵(lì)分配機(jī)制。在移動(dòng)群智感知中,普通用戶(hù)作為參與者提供感知數(shù)據(jù)。但是他們的移動(dòng)設(shè)備上保存著很多個(gè)人信息,例如通話信息、銀行轉(zhuǎn)賬信息、地理位置信息等。隱私信息的潛在風(fēng)險(xiǎn)給參與者的利益帶來(lái)了損害。這些隱私信息導(dǎo)致移動(dòng)群智感知場(chǎng)景中面臨著多重安全上的挑戰(zhàn),其中包括:不可信的任務(wù)發(fā)起者,不可信的任務(wù)參與者和不可信的獎(jiǎng)勵(lì)分配機(jī)制。一個(gè)不可信的任務(wù)發(fā)起者會(huì)發(fā)起一個(gè)虛假任務(wù)以竊取參與者的隱私信息,一個(gè)不可信的任務(wù)參與者會(huì)提供虛假感知數(shù)據(jù)以獲得獎(jiǎng)勵(lì),一個(gè)不可信的獎(jiǎng)勵(lì)分配機(jī)制可以隨著參與者地理位置變化而導(dǎo)致獎(jiǎng)勵(lì)分配失效。同時(shí)移動(dòng)群智感知場(chǎng)景普遍是集中式的和任務(wù)驅(qū)動(dòng)的,這給框架的設(shè)計(jì)、部署和參與者之間的通信造成了較大的開(kāi)銷(xiāo)。為了解決上述問(wèn)題,我們提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的移動(dòng)群智感知框架,利用區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化和安全特性為移動(dòng)群智感知增加新的特性。同時(shí)我們將參與者細(xì)化成兩種類(lèi)型,并為不同參與者提出了不同的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制,設(shè)計(jì)了三段式的斯塔克博弈模型,分別提高了參與者的效用和系統(tǒng)的效用。模擬仿真工作分為兩個(gè)部分,首先對(duì)基于區(qū)塊鏈的移動(dòng)群智感知框架性能進(jìn)行分析;然后對(duì)三段式斯塔克博弈算法性能進(jìn)行分析。仿真驗(yàn)證了該框架和算法均有較好的性能,同時(shí)解決了移動(dòng)群智感知中的安全風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述,本文主要對(duì)移動(dòng)群智感知中的數(shù)據(jù)傳輸,任務(wù)處理和隱私保障問(wèn)題展開(kāi)了相關(guān)研究,在傳統(tǒng)的移動(dòng)群智感知集中式解決方案的基礎(chǔ)上,提出了新的分布式框架和解決方案。通過(guò)對(duì)感知任務(wù)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)與能量開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行分析,提出了不同感知任務(wù)處理的方法。本文的研究工作根據(jù)移動(dòng)群智感知的特點(diǎn),結(jié)合了時(shí)下先進(jìn)的能量收割、計(jì)算資源上傳和區(qū)塊鏈等多種技術(shù),提高了移動(dòng)群智感知的性能。此外,通過(guò)不同的任務(wù)處理機(jī)制和獎(jiǎng)勵(lì)分配機(jī)制,給予了感知參與者多種參與方式的選擇。對(duì)移動(dòng)群智感知在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中提供了一定的參考意義。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN919.1;TP212.9
【圖文】：

圖 1.5.1 文章架構(gòu)1.6 小結(jié)首先本章主要分析了移動(dòng)群智感知的基本概念，其面臨的主要研究挑戰(zhàn)，其次簡(jiǎn)要概述了本文的主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)，最后總結(jié)了全文的結(jié)構(gòu)，為下文做了鋪墊。

移動(dòng)設(shè)備可以利用無(wú)線射頻信號(hào)中獲取能量。最新研究表明，無(wú)線能量收割可以在三至五米的范圍內(nèi)通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)對(duì)傳感器設(shè)備進(jìn)行充電，同時(shí)通過(guò)電視塔的廣播信號(hào)，在幾英里外也可以收集到幾百微瓦的能量。這些研究成果對(duì)本文提出的以能量做為獎(jiǎng)勵(lì)的移動(dòng)群智感知機(jī)制提供了保障。由于移動(dòng)群智感知在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)和部署，故利用有能量收割能力的移動(dòng)設(shè)備給移動(dòng)群智感知帶來(lái)了更多的優(yōu)勢(shì)，例如提高了自維持性（self-sustainability）、擴(kuò)大了感知覆蓋范圍和提升了感知質(zhì)量。能量收割技術(shù)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[64][65][66][67][68]中有相關(guān)研究。Wang[69]等人通過(guò)分析傳感器設(shè)備的電池電量，研究了基于信道的能量分配機(jī)制。文獻(xiàn)[70]中研究了綠色移動(dòng)邊緣計(jì)算，部署具有能量收割功能的設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能計(jì)算上傳策略。文獻(xiàn)[71][72]均在比較底層的通信網(wǎng)絡(luò)中對(duì)能量收割的機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究。本工作中，我們提出了將能量作為獎(jiǎng)勵(lì)應(yīng)用于移動(dòng)群智感知中，提高了移動(dòng)群智感知的生存周期。

圖 3.3.1 斯塔克博弈過(guò)程一階段--SRG任務(wù)發(fā)布者作為領(lǐng)導(dǎo)首先開(kāi)始制定并向跟隨者為分配給參與者的獎(jiǎng)勵(lì)之和，我們將其定義號(hào)，當(dāng) 時(shí)， 為真，意味著當(dāng)參與。在上式中 表示云端執(zhí)行參與者獲得的獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)。同時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)滿足 ，其中 為常量目標(biāo)是最小化開(kāi)銷(xiāo)，故我們有優(yōu)化問(wèn)題

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2 胡潔s

本文編號(hào)：2775700