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资源受限机会网络中的数据传输建模与分析

秦爽  
【摘要】:机会网络(Opportunistic Network)是一种特殊的无线自组织网络。凭借高度灵活的组网特性,机会网络在在野外通信、应急救灾、军用通信、城市交通网络以及星际通信等领域都具有广泛的应用前景。 在机会网络中,移动节点之间的通信链路具有高度动态的特点,源节点和目的节点之间往往没有即时连通的通信链路。因此传统无线自组织网络中的基于端到端的通信机制无法直接应用到机会网络中。而在机会网络中,通常利用节点移动形成的通信机会逐跳传输信息,以"存储-携带-转发"的模式实现节点间通信。针对机会网络中特殊的传输方式,需要设计与之相适应的传输机制和算法来支持机会网络中的数据传输。而要设计出优化的数据传输机制,首先要深入的了解机会网络中的数据传输特点,这需要我们对机会网络中的数据传输进行模型化的理论分析。同时考虑到机会网络中节点利用相遇机会进行数据传输,传输带宽有限,而移动终端的能量、缓存等资源也往往是有限的。因此在本文中我们针对资源受限机会网络中的数据传输建模与分析这一问题展开研究,主要研究内容与成果可以概括如下: (1)在机会网络中,链路持续时间是决定两个节点相遇时数据传输能力的关键因素,已有的研究通常都假设机会网络中,移动节点在与别的节点相遇时能够马上发现相遇节点并建立通信链路,忽略了邻居发现机制对节点间链路持续时间的影响。针对这一问题,我们将通过理论分析得到邻居发现机制影响下,节点间通信链路持续时间的概率分布模型。利用该模型,我们将研究邻居发现机制对网络中最大理论吞吐量和节点能量消耗的影响,并在此基础上提出一种最优的邻居发现扫描周期的选择机制,让节点能够在满足一定能量消耗限制条件下,选择最优的邻居发现扫描周期以使得节点获得的传输能力。 (2)在海上通信环境中,船只的移动性和恶劣的海面状况使得海上通信链路具有高度动态的特性,这使得研究者考虑采用机会网络来保证海上通信网络中的数据传输性能。已有的研究中基本上都是通过仿真实验来研究海上机会网络的传输性能。因此,我们将对海上航道中船只形成的机会网络数据传输进行建模及理论分析,首先得到船只相遇的概率分布模型,并利用该模型分析船只到陆地基站的数据投递率。在此基础上,利用实测得到的船只航行数据,实现一个海上机会网络的仿真实验平台,并在此平台上,验证得到的理论模型的正确性。同时,通过比较机会网络传输协议与传统端到端传输协议的数据传输性能,进一步验证在海上通信环境中,采用机会网络的传输方式对网络中数据传输性能的提升。 (3)机会网络中节点间的传输带宽往往有限,许多研究者考虑采用网络编码来提高有限传输带宽的利用效率,提高网络中的数据传输性能。在已有的研究中,研究者仅仅考虑了网络中只存在一条编码数据流的情况,并没有考虑当存在多条数据流竞争有限带宽的情况。本文研究通过理论建模的方式,分析传输带宽有限的机会网络中基于随机线性网络编码(Random Linear Network Coding,RLNC)的传染病(Epidemic)传输协议的数据传输性能,在分析过程中,我们考虑了网络中存在多条编码数据流竞争有限传输带宽,因而相较于已有研究模型,我们的模型具有更好的一般性及更精确。在此基础上,我们将在多种不同的网络场景下,比较基于RLNC的传输协议与传统Epidemic传输协议的数据传输延迟,进一步验证在机会网络的数据传输过程中采用网络编码技术能有效的提高网络中的数据传输性能。 (4)在机会网络的传输过程中,每个节点常常需要存储和转发大量的数据包,这将占用节点大量的缓存并消耗大量的能量。因此在本文中,我们考虑利用概率前传机制来限制机会网络传输过程中的数据转发次数,以便以较小的数据传输负载获得较好的数据传输性能。我们对缓存受限机会网络中,基于概率前传机制下的数据传输过程进行理论化的建模分析,并利用得到的理论模型分析不同的前传概率对网络中数据传输性能的影响。 我们在本文中所取得的研究结果,可为理论分析资源受限机会网络中的数据传输性能提供有效的分析方法,并为设计具有良好性能的数据传输机制提供理论依据。


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