无线智能自组织网络关键技术及应用

　　专家简介

　　任勇，男，1963年5月出生，博士，教授，博士生导师，现担任清华大学电子工程系复杂工程系统实验室(CESL)主任，清华大学天津高端院-海洋信息与智能装备研究所所长，中国人工智能学会智能系统工程专业委员会副理事长，中国人工智能学会-智能产品与产业工作委员会副主任，IEEE高级会员。1980.9-1994.12，在哈尔滨工业大学通信专业、雷达专业学习，师从张乃通院士、刘永坦院士，期间1987.7-1990.8留校任教，1995.1-1997.4，清华大学电机系博士后，电力系统通信与控制，合作导师韩英铎院士。1997.5年在清华大学电子系工作至今，2003年创建复杂工程系统实验室(CESL)，担任主任至今。

　　任勇教授主要从事复杂系统科学理论与网络化信息系统相关基础研究和工程应用，曾主持国家自然科学基金、大企业基金、863、973、军口、国际合作、企业合作等科研项目共计50余项，发表学术论文200余篇，其中SCI检索130余篇，累计引用2230余次，他引1731次，出版专著3部，申请发明专利60余项。获省部级科技进步一等奖1项、二等奖2项、三等奖1项，清华大学优秀教学成果一等奖1项、二等奖1项，清华大学科技成果转化效益显著奖2项。

　　任勇教授是复杂网络领域的知名学者，多年来一直从事复杂网络领域的研究工作，在复杂计算机网络行为、机理与控制方法研究方面取得了突出成绩，其中部分实用化技术已申请专利。

　　目前，以蜂窝网为主体的公网在基础设施建设、信息服务等方面都趋于成熟，然而，针对城市特种行业和应用的专用网络发展欠缺，其业务又无法在公网LTE技术体制上承载，急需在技术和体制源头创新。任勇教授和他的研究团队一起，在长达9年的时间内，围绕无线智能自组织网络关键技术及难题展开研究，通过持续不断的探索攻关，取得了系列创新成果。在无线智能自组织网络拓扑控制、传输调度与信道分配、协作分集技术等方面取得创新成果，为提高自组织网络传输性能奠定了关键理论和技术基础;研制开发的智能自组织网络节点等硬件设备、小型城镇气象预报与自助信息服务系统等平台均达到或超过目前国际主流气象信息服务系统，并得到积极的社会推广和应用，创造了可观的经济效益和社会效益。

　　项目简介

　　以蜂窝网为主体的公网在基础设施、信息服务等方面都趋于成熟。然而，针对城市特种行业和应用的专用网络(如气象环境网、建筑监测网、车联网等)发展欠缺，其业务又无法在公网LTE技术体制上承载，急需在技术和体制上源头创新。与公网以固定基站形成固定蜂窝形态的组网方式不同，专网以无固定中心节点、无固定拓扑的自组织方式组网，构建无线智能自组织网络满足智慧城市发展的重大需求，目前尚属空白。

　　发展无线智能自组织网络技术面临不规则组网核心难题：①节点运动且能量差异大，拓扑难以维持;②网络无中心节点统一分配传输资源，干扰严重;③节点通信能力受限，难以对抗复杂恶劣通信环境。本项目依托国家自然基金、科技部国际合作项目等支持，开展了无线网络拓扑控制、传输调度、协作分集等关键技术研究，创建了无线智能自组织网络技术体制，成功研制了自组织网络节点设备、移动网关、协议栈及软件开发套件SDK等，开发了小型城镇气象预报与自助信息服务系统(简称气象服务系统)、城市建筑监测系统及汽车胎压监测网络等，成体系实现突破。主要技术发明点如下：

　　1.针对无线自组织网络拓扑难以维持的难题，发明了基于区域容错性的中心式和完全局部式拓扑控制方法，解决了节点失效导致网络分割、无法正常通信的难题，使相同容错能力条件下网络平均传输半径降低30%，拓扑鲁棒性大幅提升。

　　2.针对无线自组织网络无中心式管理、干扰严重问题，发明了基于空间分割的传输调度方法，建立了多干扰源的干扰模型及完全物理干扰模型，使用地图染色思想，实现无冲突传输的信道分配，网络吞吐量比传统方法提高40%。

　　3.针对网络节点通信能力弱难以部署复杂多天线对抗衰落的难题，发明了自组织网络选择协作方法和多跳分集方法，设计了兼顾公平性及最优性能的中继节点选择协作机制，使多跳场景下网络平均能耗比基于能量等传统协作方法降低50%。

　　本项目提出的无线智能自组织网络拓扑控制、资源调度、协作分集新方法与传统技术相比，使网络传输性能显著提升;研发的气象服务系统实现小范围区域短时临近天气预报及决策信息在部署区域的实时覆盖，信息刷新周期分钟级(中国气象局与芬兰气象研究所预报网络为小时级)，时效性满足服务需求。

　　本项目研制的系统及设备已用于多领域智慧城市应用：提出的协作分集技术已应用于部队和地方网络系统使用的网络传输设备;自主研发的自组织网络节点设备在北京奥运主场馆“鸟巢”钢结构施工中首次实现大规模复杂建筑温度和应力全程监测，保障其顺利完工;自主研发的气象服务系统被黑龙江环境科学院应用于智慧城市城域传感运营网建设，使空气质量及区域气象预报准确率分别提高15%和10%;自主研发的汽车胎压监测网络应用于一汽大众主流汽车产品，稳定可靠，带来可观经济效益，推广应用前景广阔。

　　实验室简介

　　清华大学复杂工程系统实验室（CESL, Complex Engineered Systems Lab），第二个词体现了应用驱动，研究对象是网络——自然（无人）、社会（有人）、人造系统，目前主要是网络化复杂信息系统及其群体智能，研究其行为、机理、控制、评价中的科学、技术与工程问题，对应于信息的获取（感知）、传输、学习、推理、决策、反馈。

　　CESL实验室自2003年成立以来，主持承担自然基金、大企业基金、863、973、军口、国际合作、产业化合作等项目50余项，近年来发表论文200余篇，其中SCI检索130余篇，出版专著3部，申请并公开发明专利60余项。获省部级一等奖1项、二等奖3项、三等奖1项，获清华大学教学成果一等奖1项、二等奖1项，科技成果转化效益显著奖2项。

　　团队的骨干成员有姜春晓、王剑、杜军、王景璟等。姜春晓是中国科协青年人才托举工程入选者，王剑曾获吴文俊科学技术奖一等奖，杜军曾获得博士生国家奖学金、清华大学优秀博士论文一等奖（每届每系仅1人），王景璟曾获博士生国家奖学金、IEEE绿色通信与计算技术委员会最佳期刊论文奖。