基于多传输机制的无线网络分布式计算

As the main driving forces for the fifth generation mobile communications (5G), mobile Internet and the Internet of Things (IoT) are affecting and changing our daily lives. Wireless networks, which have been involved with the standards of IEEE 802.11 and IEEE 802.15, are the important technical supports for the two classes of networks. Meanwhile, as an end-to-end ecosystem, 5G draws a higher demand for link quality and broadcast service. Therefore, this project has important significance in both theoretical foundations and practical considerations. We will investigate distributed computing based on multi-transmission-mechanisms, which utilize advanced transmission mechanisms under various interference models to design more efficient and more practical algorithms. The transmission mechanisms under our consideration include carrier sensing, multi-packet reception, full-duplex, muti-channel, interference cancellation, and so on. Based on these mechanisms, we will mainly study three fundamental problems, namely broadcast, scheduling, and data aggregation. Broadcast involves unicast, multi-cast, multi-unicast, covergent cast, etc; scheduling refers to link scheduling and node scheduling (MAC protocol design); and data aggregation is to be investigated based on broadcast and scheduling. The overall goal of this project is to enhance the throughput and capacity of the networks.

移动互联网和物联网(IoT)作为第5代移动通信（5G）研究的主要驱动力正在影响和改变着我们的生活方式，而IEEE 802.11 和IEEE 802.15系列标准所涉及的无线网络正是这两类网络的重要技术支撑，同时，5G作为一个端到端的生态系统，对链路质量和广播服务提出了更高的要求。因此，本项目研究基于多传输机制的无线网络分布式计算，在不同的干扰模型下，利用目前先进的无线传输机制，设计高效实用的分布式算法，具有重要的理论意义和应用价值。这些传输机制包括载波监听机制、多包接收机制、全双工机制、多信道机制、干扰消除机制等。在这些机制的基础上主要研究无线网络中的三个基础性问题，即广播问题、调度问题和数据聚合问题。在广播问题中涉及单播问题、组播问题、多单播问题、汇播问题等；在调度问题中涉及链路调度和节点调度（MAC协议设计）问题；并在此基础上研究数据聚合问题；总体目标是提高无线网络的吞吐量和容量。

5G作为一个端到端的生态系统，对链路质量和广播服务提出了更高的要求，涉及到的内容主要包括虚拟骨干网构造、Spanner构造、覆盖问题、广播问题、链路调度问题、安全与隐私保护问题等。但前期对上述问题的研究并不完善，如在能量损耗、调度延迟、覆盖率、模型设计等方面均存在缺陷。本项目致力于在无线网络中对链路质量和广播服务方面存在的问题进行研究。重要结果如下：1.针对连通支配集问题，给出SINR模型下分布式连通支配集构造算法中首个渐近最优的最稳定结果。 2.针对广播问题，给出了SINR模型下一种渐近最优的稳定协议和抽象MAC在物理层中的应用问题的首个分布式算法。 3.针对spanner构造问题，分别给出了基于Yao-graph的局布构造算法和具有常数伸展因子与线性稀疏性质的构造算法。4. 针对覆盖问题，提出覆盖贡献区域的概念，利用Reuleaux三角形的性质设计算法延长网络生命周期。5. 针对链路调度问题，设计干扰局部化机制为分布式链路调度算法提供新的解决思路，并基于此分别利用显式功率分配和单调次线性功率分配设计算法解决最短链路调度问题。6.针对移动社交网络中隐私保护问题，基于k均值分簇机制设计隐私保护算法，引入消息认证码保证数据的完整性和真实性。7.针对安全和隐私保护问题，提出一种各个出租车公司间共享数据流的隐私保护机制，并采用差分隐私保护出租车公司的敏感信息。另外，对物联网边缘计算和数据汇聚的安全性问题进行系统梳理与总结，为边缘计算安全面对的挑战提出了可以深入研究的方向。到目前为止，基于本项目，已发表学术论文61篇，其中在CCF A类计算机通信领域顶级会议IEEE INFOCOM上发表3篇；分布式计算顶级会议ICDCS上发表2篇；SCI检索论文48篇；包括在在CCF A类期刊Proceedings of the IEEE上发表1篇、IEEE/ACM Transactions on Networking上发表3篇、IEEE Transactions on Information Forensics and Security上发表1篇。已申报山东省自然科学奖1项，获山东省高校优秀科研成果一等奖1项。