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什麼是跨領域研究?細菌覓食與無線通訊 (林澤老師)

        近十數年來,無線通訊有了爆炸性的發展,相關的消費端產品如手機、無線網路等如雨後春筍般竄出,而硬體設備所乘載的軟體應用更是徹底改變了人類的生活型態。技術進步意味著硬體成本將逐年降低,感測無線網路即在這樣的情境下誕生。透過放置大量低成本、低耗能的感測器,使用者可透過無線通訊的方式,於遠端與感測器所組成的網路系統互動。此類的網路系統可應用在居家照護、災害監控,甚或交通網路之中。然而,大量的傳輸端點所構成的複雜系統在維護上有其困難之處,一旦感應器所依賴之能量來源耗竭,便無法繼續提供服務。因此,節能設計在無線感測網路的設計中是優先考量的要素。

        面對感測網路先天的限制,系統設計者除了增加各個感測器的能源供給外,亦可從訊號調變的角度著手。傳輸端波束賦形(Transmit Beamforming)是近年來在多輸入輸出(MIMO, Multipli-In Multiple-Out)無線通訊系統中開始受到重視的調變技術。透過對傳輸端天線陣列進行調變,傳輸訊號在接收端得以形成建設性干涉,進而提升訊號品質並降低傳輸端的能量消耗。然而,無線通道多處於一時變(time-varing)環境中,如何有效並即時的反映通道狀況成為了首要必須克服的難題。

        在面對此類無法透過直觀想法解決的問題時,解決問題的關鍵往往位在意想不到之處。借助其它領域的知識,研究者經常能獲一定程度的啟發。細菌覓食演算法(Bacterial Foraging Algorithm)是將大腸桿菌(E. coli bacteria)之覓食行為及相關的繁衍、變異過程系統化的描述並簡化所得的結果。透過觀察,科學家發現大腸桿菌的覓食行為相當單純。細菌在覓食過程中,會先隨機選擇一個方向,並透過鞭毛的運動向該方向前進,倘若該方向的營養濃度有所提升,則繼續朝該方向前進,反之則重新選擇方向進行移動。這看似簡單的覓食策略,實際上卻相當有效且能迅速引導大腸桿菌聚集至高營養濃度的區域。細菌覓食演算法便是基於此一簡單策略所衍生的產物─覓食行為被轉化為求解的過程,而營養濃度則被視作當前求得解的好壞程度。

        林澤教授的團隊將細菌覓食行為整合進感測網路的架構中,透過細菌覓食法快速收斂的特性大幅降低了無線感測系統達成波束賦形目標所需的時間。在引入細菌覓食行為之前,過去的系統設計皆未能達成相近的成效。該研究成果除了擴展了無線感測網路可能的應用空間外,更意味著跨領域研究的重要性。該研究團隊表示,相信在不遠的將來能將其它類似的生物行為應用於相關之無線通訊系統之中,藉此創造出有效且低耗能的傳輸機制。

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