延遲容忍網(wǎng)絡(luò)信息傳輸性能分析與優(yōu)化方法研究.pdf

1、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）通過(guò)節(jié)點(diǎn)間自組織的方式組網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)通信，具有組網(wǎng)靈活、部署迅速及分布式控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，極大地拓展了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。但傳統(tǒng) MANET中的信息傳輸往往需要事先建立信息源到目的節(jié)點(diǎn)之間的可靠的通信鏈路。事實(shí)上，由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)稀疏、環(huán)境干擾及信號(hào)衰減等因素的影響，穩(wěn)定的連通路徑往往難以得到保障，這極大地限制了MANET的應(yīng)用。為此，研究人員提出了延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的概念

2、，它通過(guò)存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的信息傳輸模式來(lái)克服網(wǎng)絡(luò)分割的問(wèn)題，進(jìn)一步擴(kuò)展了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的使用范圍。因此，受到了空前的研究和關(guān)注。信息傳輸技術(shù)作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基本支撐，具有重要研究?jī)r(jià)值。在存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸模式中，節(jié)點(diǎn)往往不維護(hù)到其它節(jié)點(diǎn)的路由表，而是把信息暫時(shí)存儲(chǔ)在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)上，且隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)以尋求合適的機(jī)會(huì)進(jìn)行發(fā)送。顯然，該模式受到多種因素的制約（節(jié)點(diǎn)行為，運(yùn)動(dòng)規(guī)律等），從而使得延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸面臨多種挑戰(zhàn)。本文結(jié)合國(guó)際上目前最

3、新研究成果，基于隨機(jī)過(guò)程及最優(yōu)控制的相關(guān)理論，探討了延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)男阅芊治雠c優(yōu)化控制問(wèn)題。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、盘岢隽撕饬抗?jié)點(diǎn)自私行為及興趣變化對(duì)傳輸性能影響的理論模型。存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸模式密切依賴(lài)與節(jié)點(diǎn)行為。例如，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)得到信息后，由于自私行為而不愿意發(fā)送信息到其它節(jié)點(diǎn)，則傳輸性能會(huì)受到極大影響。而節(jié)點(diǎn)自私行為與節(jié)點(diǎn)社會(huì)關(guān)系緊密相關(guān)。已有文獻(xiàn)往往按照社會(huì)關(guān)系把節(jié)點(diǎn)劃分為兩個(gè)社區(qū)(community)。但

4、是，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有時(shí)可能會(huì)分成多個(gè)社區(qū)。為此，本文基于微分方程組(Ordinary Differential Equations，ODE)提出了面向多社區(qū)的衡量節(jié)點(diǎn)自私行為對(duì)信息傳輸性能影響的理論分析模型。該模型首次考慮了節(jié)點(diǎn)興趣的影響。此外，一些文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)某些網(wǎng)絡(luò)中的社會(huì)關(guān)系可能利用概率進(jìn)行描述更加合適（例如，節(jié)點(diǎn)朋友數(shù)目可能服從度分布）。為此，本文進(jìn)一步提出了面向概率社會(huì)關(guān)系的衡量節(jié)點(diǎn)自私行為影響的理論分析模型。模型的精確性通過(guò)仿真實(shí)

5、驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　⑵探討了能量約束對(duì)信息傳輸性能的影響。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)往往通過(guò)產(chǎn)生一條信息的多個(gè)副本來(lái)提高傳輸效率，泛洪算法(Epidemic routing，ER)是其中最典型的例子。但在網(wǎng)絡(luò)中分布過(guò)多副本需要消耗大量能量，這對(duì)于無(wú)線應(yīng)用來(lái)說(shuō)是極大的問(wèn)題。限制信息傳輸步長(zhǎng)的L-hop limited ER算法可以有效地降低能量消耗，但同時(shí)傳輸性能也會(huì)受到影響。因此，如何確定合理的步長(zhǎng)使得降低能量消耗的同時(shí)保證傳輸性能在可接受范圍

6、內(nèi)非常重要，這需要精確的能夠衡量步長(zhǎng)與性能關(guān)系的理論模型。為了克服該問(wèn)題，本文首先提出了L-hop limited ER算法的理論分析模型。進(jìn)一步，考慮到L-hop limited ER算法能量消耗不均衡的問(wèn)題，提出了節(jié)點(diǎn)最大發(fā)送次數(shù)受限的L-count limited ER算法及相應(yīng)的理論分析模型，該算法通過(guò)限制發(fā)送次數(shù)可以有效緩解能量消耗不均衡的問(wèn)題。此外，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同的能量消耗下，L-count limited ER算法具

7、有更好的信息傳輸性能。之后，本文把L-count limited ER算法擴(kuò)展到了節(jié)點(diǎn)能量分布異構(gòu)的情形，即不同節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)送次數(shù)L可能不同的情形，并提出了相應(yīng)的理論分析模型。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，本文證明了上述模型的精確性。
　　⑶提出了多片段信息傳輸性能分析模型。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只有在運(yùn)動(dòng)到彼此的通信范圍內(nèi)（即相遇）才能相互交換信息?？紤]到相遇持續(xù)時(shí)間及通信帶寬的限制，每次相遇所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有限。為此，一條信息往往被劃分為多個(gè)片

8、段分別進(jìn)行傳輸。本文首次提出了片段間的順序調(diào)度策略，在此基礎(chǔ)上提出了精確的傳輸性能評(píng)估模型。仿真實(shí)驗(yàn)證明了模型的精確性。數(shù)值結(jié)果說(shuō)明當(dāng)信息較大時(shí)基于順序調(diào)度策略的傳輸性能很差，這說(shuō)明了設(shè)計(jì)更加合理的調(diào)度策略的必要性。
　　⑷探討了信息傳輸過(guò)程的最優(yōu)控制問(wèn)題。能量約束及節(jié)點(diǎn)自私行為都會(huì)對(duì)信息傳輸性能帶來(lái)極大影響。因此，在特定的約束條件下，如何最大化信息傳輸效率非常重要。首先研究了有限能量約束下，節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送與探測(cè)策略，且利用龐特里

9、亞金極大值定理來(lái)解決該優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)一步證明了最優(yōu)發(fā)送和探測(cè)策略均服從閾值形式。之后，探討了自私節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)激勵(lì)機(jī)制。由于自私性的影響，信息源為了激勵(lì)節(jié)點(diǎn)合作，往往需要支付一定的報(bào)酬，而該報(bào)酬可能隨時(shí)間不斷變化。本文探討了總報(bào)酬一定的條件下，節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)激勵(lì)措施。同樣利用龐特里亞金極大值定理來(lái)解決該優(yōu)化問(wèn)題，且證明當(dāng)自私節(jié)點(diǎn)所要求報(bào)酬滿(mǎn)足某些條件時(shí)（非負(fù)，非遞減），最優(yōu)策略服從閾值形式。
　?、商接懥藙?dòng)態(tài)信息的最優(yōu)管理策略。存儲(chǔ)-攜帶-

10、轉(zhuǎn)發(fā)的信息傳輸模式需要中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的合作。為了提高效率，往往部署多個(gè)副本到中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)上。目前，諸如天氣預(yù)報(bào)、路況等動(dòng)態(tài)信息在現(xiàn)實(shí)生活中普遍存在。對(duì)于動(dòng)態(tài)信息，往往版本越新，用處越大(用效用值Utility來(lái)描述)。因此，如何保持其新鮮度，從而使得副本的總效用值最大是十分重要的研究?jī)?nèi)容。本文首先提出了攜帶信息節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)丟棄策略(Destination-control)。在該策略中，信息源始終發(fā)送最新版本到其它節(jié)點(diǎn)，為了限制副本數(shù)量，攜帶信息的節(jié)

11、點(diǎn)主動(dòng)丟棄一部分老的信息。對(duì)應(yīng)地以往針對(duì)信息源的控制方法稱(chēng)為信息源控制策略(Source-control)。通過(guò)理論分析，本文分別得出了上述兩種策略的最優(yōu)策略，且證明了最優(yōu)策略均服從閾值形式。仿真結(jié)果證明了模型的精確性。數(shù)值結(jié)果表明，本文提出的Destination-control策略具有更好的性能。接著，本文研究了面向隨機(jī)更新信息的最優(yōu)Destination-control策略。由于信息產(chǎn)生的不確定性，除信息源之外的其它節(jié)點(diǎn)很難知道當(dāng)