延遲容忍網(wǎng)絡信息傳輸性能分析與優(yōu)化方法研究.pdf

1、移動自組織網(wǎng)絡（Mobile Ad Hoc Network，MANET）通過節(jié)點間自組織的方式組網(wǎng)即可實現(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，極大地拓展了無線網(wǎng)絡的應用范圍。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)點之間的可靠的通信鏈路。事實上，由于節(jié)點移動、網(wǎng)絡稀疏、環(huán)境干擾及信號衰減等因素的影響，穩(wěn)定的連通路徑往往難以得到保障，這極大地限制了MANET的應用。為此，研究人員提出了延遲容忍網(wǎng)絡的概念

2、，它通過存儲-攜帶-轉發(fā)的信息傳輸模式來克服網(wǎng)絡分割的問題，進一步擴展了無線網(wǎng)絡的使用范圍。因此，受到了空前的研究和關注。信息傳輸技術作為無線網(wǎng)絡應用的基本支撐，具有重要研究價值。在存儲-攜帶-轉發(fā)的傳輸模式中，節(jié)點往往不維護到其它節(jié)點的路由表，而是把信息暫時存儲在當前節(jié)點上，且隨著節(jié)點移動以尋求合適的機會進行發(fā)送。顯然，該模式受到多種因素的制約（節(jié)點行為，運動規(guī)律等），從而使得延遲容忍網(wǎng)絡中的信息傳輸面臨多種挑戰(zhàn)。本文結合國際上目前最

3、新研究成果，基于隨機過程及最優(yōu)控制的相關理論，探討了延遲容忍網(wǎng)絡中信息傳輸?shù)男阅芊治雠c優(yōu)化控制問題。本研究主要內容包括：
　?、盘岢隽撕饬抗?jié)點自私行為及興趣變化對傳輸性能影響的理論模型。存儲-攜帶-轉發(fā)的傳輸模式密切依賴與節(jié)點行為。例如，當一個節(jié)點得到信息后，由于自私行為而不愿意發(fā)送信息到其它節(jié)點，則傳輸性能會受到極大影響。而節(jié)點自私行為與節(jié)點社會關系緊密相關。已有文獻往往按照社會關系把節(jié)點劃分為兩個社區(qū)(community)。但

4、是，網(wǎng)絡中的節(jié)點有時可能會分成多個社區(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)點自私行為對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)點興趣的影響。此外，一些文獻發(fā)現(xiàn)某些網(wǎng)絡中的社會關系可能利用概率進行描述更加合適（例如，節(jié)點朋友數(shù)目可能服從度分布）。為此，本文進一步提出了面向概率社會關系的衡量節(jié)點自私行為影響的理論分析模型。模型的精確性通過仿真實

5、驗進行了驗證。
　　⑵探討了能量約束對信息傳輸性能的影響。延遲容忍網(wǎng)絡往往通過產生一條信息的多個副本來提高傳輸效率，泛洪算法(Epidemic routing，ER)是其中最典型的例子。但在網(wǎng)絡中分布過多副本需要消耗大量能量，這對于無線應用來說是極大的問題。限制信息傳輸步長的L-hop limited ER算法可以有效地降低能量消耗，但同時傳輸性能也會受到影響。因此，如何確定合理的步長使得降低能量消耗的同時保證傳輸性能在可接受范圍

6、內非常重要，這需要精確的能夠衡量步長與性能關系的理論模型。為了克服該問題，本文首先提出了L-hop limited ER算法的理論分析模型。進一步，考慮到L-hop limited ER算法能量消耗不均衡的問題，提出了節(jié)點最大發(fā)送次數(shù)受限的L-count limited ER算法及相應的理論分析模型，該算法通過限制發(fā)送次數(shù)可以有效緩解能量消耗不均衡的問題。此外，通過對比發(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算法擴展到了節(jié)點能量分布異構的情形，即不同節(jié)點的最大發(fā)送次數(shù)L可能不同的情形，并提出了相應的理論分析模型。通過仿真實驗，本文證明了上述模型的精確性。
　?、翘岢隽硕嗥涡畔鬏斝阅芊治瞿Ｐ汀Ｑ舆t容忍網(wǎng)絡中的節(jié)點只有在運動到彼此的通信范圍內（即相遇）才能相互交換信息。考慮到相遇持續(xù)時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片

8、段分別進行傳輸。本文首次提出了片段間的順序調度策略，在此基礎上提出了精確的傳輸性能評估模型。仿真實驗證明了模型的精確性。數(shù)值結果說明當信息較大時基于順序調度策略的傳輸性能很差，這說明了設計更加合理的調度策略的必要性。
　?、忍接懥诵畔鬏斶^程的最優(yōu)控制問題。能量約束及節(jié)點自私行為都會對信息傳輸性能帶來極大影響。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)點的最優(yōu)發(fā)送與探測策略，且利用龐特里

9、亞金極大值定理來解決該優(yōu)化問題，進一步證明了最優(yōu)發(fā)送和探測策略均服從閾值形式。之后，探討了自私節(jié)點的最優(yōu)激勵機制。由于自私性的影響，信息源為了激勵節(jié)點合作，往往需要支付一定的報酬，而該報酬可能隨時間不斷變化。本文探討了總報酬一定的條件下，節(jié)點的最優(yōu)激勵措施。同樣利用龐特里亞金極大值定理來解決該優(yōu)化問題，且證明當自私節(jié)點所要求報酬滿足某些條件時（非負，非遞減），最優(yōu)策略服從閾值形式。
　　⑸探討了動態(tài)信息的最優(yōu)管理策略。存儲-攜帶-

10、轉發(fā)的信息傳輸模式需要中轉節(jié)點的合作。為了提高效率，往往部署多個副本到中轉節(jié)點上。目前，諸如天氣預報、路況等動態(tài)信息在現(xiàn)實生活中普遍存在。對于動態(tài)信息，往往版本越新，用處越大(用效用值Utility來描述)。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內容。本文首先提出了攜帶信息節(jié)點的最優(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，為了限制副本數(shù)量，攜帶信息的節(jié)

11、點主動丟棄一部分老的信息。對應地以往針對信息源的控制方法稱為信息源控制策略(Source-control)。通過理論分析，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。仿真結果證明了模型的精確性。數(shù)值結果表明，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更新信息的最優(yōu)Destination-control策略。由于信息產生的不確定性，除信息源之外的其它節(jié)點很難知道當