發(fā)布時間：2020-07-30 14:56

【摘要】：智能手機對當今人類生活的改變已經(jīng)成為眾所周知的事實,智能手機的功能也不僅僅局限于通訊,他們的功能變得越來越強大,特別是智能手機上的多種傳感器,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)成為普通用戶感知能力的重要來源。當有普通用戶手持智能設備,利用移動網(wǎng)絡作為通信媒介,執(zhí)行特定的感知任務時,這便組成了一個移動群智感知網(wǎng)絡。移動群智感知具有任務驅(qū)動性、移動性、可擴展性、部署簡單和感知信息時空相關性等優(yōu)點,這使得移動群智感知網(wǎng)絡作為一個新型的感知數(shù)據(jù)收集和計算方式,廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)管、個人醫(yī)療保健、智能城市和智能制造等多個現(xiàn)實場景中。在移動群智感知中涉及到不同于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的幾個關鍵問題:1、感知任務對智能設備所有者的招募和激勵機制;2、感知數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡中的傳輸機制;3、智能設備所有者的隱私保護機制等。針對上述移動群智感知網(wǎng)絡中面臨的主要問題,本文針對移動群智感知中的感知數(shù)據(jù)收集,感知任務處理和參與者隱私這三方面展開研究,基于相關的經(jīng)濟學理論提出了改進算法和模型,并進行了模擬仿真,本文的創(chuàng)新點主要包括以下三個方面:(1)提出了基于能量收割作為獎勵的感知任務處理激勵機制;由于移動群智感知中的感知設備所有者是自私的,他們的自私來源于移動設備的能量、數(shù)據(jù)流量和處理能力都有限的特點。為了解決上述問題,我們將移動邊緣計算中的計算任務分流技術(compuation offloading)引入移動群智感知中,給感知任務的執(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,從而緩解了移動設備的計算壓力。不同于傳統(tǒng)框架利用金錢或道德作為獎勵方式,本工作結(jié)合了最新的能量收割技術(energy harvesting),將能量作為對執(zhí)行感知任務設備的獎勵,這相當于對移動設備消耗的能量進行了直接地補償和激勵。利用斯塔克博弈對感知任務的發(fā)布者和移動設備(感知任務的參與者)進行建模,任務發(fā)布者和參與者天然的形成了一個領導者和跟隨者的市場環(huán)境。任務發(fā)布者希望能夠在預算一定的前提下,通過招募參與者獲得更高質(zhì)量的感知數(shù)據(jù)和結(jié)果,同時能夠使參與者通過提供感知數(shù)據(jù)贏得獎勵從而獲得更多的收益。通過理論分析和模擬仿真證明,由于能量收割技術和計算資源上傳技術的加入,本工作提出的方法有效的提高了移動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)同傳輸機制;在移動群智感知框架中,感知結(jié)果的精確與否取決于是否有足夠的參與者對感知任務的目標感知區(qū)域進行有效覆蓋。有效覆蓋是指在一定目標感知區(qū)域內(nèi)有足夠數(shù)量的參與者對該區(qū)域進行感知,并將感知數(shù)據(jù)上傳。然而,由于移動設備的電量有限,或是上傳數(shù)據(jù)的目的地過遠等原因,使得在目標感知區(qū)域內(nèi)的潛在參與者無法全部成為真正的感知任務參與者,參與者數(shù)量不足這個事實使得感知結(jié)果的精確程度無法有效提高。為了激勵更多的潛在參與者成為參與者,本文首先采用了移動匯聚節(jié)點進行能量收割并將能量帶到目標區(qū)域組成感知簇進行收集數(shù)據(jù),第二采用了感知簇內(nèi)節(jié)點能量協(xié)作和感知簇外能量收割兩種機制協(xié)助潛在參與者對感知數(shù)據(jù)進行上傳,在此基礎上提出了數(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)點較遠的潛在參與者上傳感知數(shù)據(jù),增加了參與者數(shù)量,最后擴大了有效感知覆蓋范圍。通過模擬仿真,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)提出了基于用戶隱私保障的獎勵分配機制。在移動群智感知中,普通用戶作為參與者提供感知數(shù)據(jù)。但是他們的移動設備上保存著很多個人信息,例如通話信息、銀行轉(zhuǎn)賬信息、地理位置信息等。隱私信息的潛在風險給參與者的利益帶來了損害。這些隱私信息導致移動群智感知場景中面臨著多重安全上的挑戰(zhàn),其中包括:不可信的任務發(fā)起者,不可信的任務參與者和不可信的獎勵分配機制。一個不可信的任務發(fā)起者會發(fā)起一個虛假任務以竊取參與者的隱私信息,一個不可信的任務參與者會提供虛假感知數(shù)據(jù)以獲得獎勵,一個不可信的獎勵分配機制可以隨著參與者地理位置變化而導致獎勵分配失效。同時移動群智感知場景普遍是集中式的和任務驅(qū)動的,這給框架的設計、部署和參與者之間的通信造成了較大的開銷。為了解決上述問題,我們提出了基于區(qū)塊鏈技術的移動群智感知框架,利用區(qū)塊鏈技術的去中心化和安全特性為移動群智感知增加新的特性。同時我們將參與者細化成兩種類型,并為不同參與者提出了不同的獎勵機制,設計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部分,首先對基于區(qū)塊鏈的移動群智感知框架性能進行分析;然后對三段式斯塔克博弈算法性能進行分析。仿真驗證了該框架和算法均有較好的性能,同時解決了移動群智感知中的安全風險。綜上所述,本文主要對移動群智感知中的數(shù)據(jù)傳輸,任務處理和隱私保障問題展開了相關研究,在傳統(tǒng)的移動群智感知集中式解決方案的基礎上,提出了新的分布式框架和解決方案。通過對感知任務的時間開銷與能量開銷進行分析,提出了不同感知任務處理的方法。本文的研究工作根據(jù)移動群智感知的特點,結(jié)合了時下先進的能量收割、計算資源上傳和區(qū)塊鏈等多種技術,提高了移動群智感知的性能。此外,通過不同的任務處理機制和獎勵分配機制,給予了感知參與者多種參與方式的選擇。對移動群智感知在現(xiàn)實應用場景中提供了一定的參考意義。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：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群智感知的基本概念，其面臨的主要研究挑戰(zhàn)，其次簡要概述了本文的主要研究內(nèi)容和貢獻，最后總結(jié)了全文的結(jié)構(gòu)，為下文做了鋪墊。

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

圖 3.3.1 斯塔克博弈過程一階段--SRG任務發(fā)布者作為領導首先開始制定并向跟隨者為分配給參與者的獎勵之和，我們將其定義號，當 時， 為真，意味著當參與。在上式中 表示云端執(zhí)行參與者獲得的獎獎勵。同時獎勵滿足 ，其中 為常量目標是最小化開銷，故我們有優(yōu)化問題

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本文編號：2775700