移动机会网络中高效路由算法研究

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随着无线通信技术的飞速发展和便携式移动智能设备(如智能手机、平板电脑等)的快速普及,基于移动智能设备的移动机会网络(Mobile Opportunistic Networks,MONs)已经得到了迅速的推广和应用。在传统的蜂窝网络通信模式中,移动智能设备必须依靠基站或Wi-Fi接入点等固定通信基础设施进行通信。然而,在通信基础设施遭到破坏或者发生网络拥塞时,传统通信模式将会被中断。此时,我们可以利用移动机会网络组网技术,通过移动智能设备自身的蓝牙或Wi-Fi等无线通信接口,建立移动机会网络实现更加自主便捷的网络通信。移动机会网络通信可以不依赖于任何固定通信基础设施的支持,利用节点之间移动所产生的相遇机会,采用“存储-携带-转发”的通信模式,实现节点与节点之间的短距离多跳无线通信。因此,移动机会网络可以被广泛地应用于移动车联网通信、偏远地区通信、突发性灾难救援通信以及移动社交网络通信等诸多重要的领域,也可以在海量数据环境下有效地缓解通讯基础设施所面临的数据传输压力和网络拥塞等问题。然而,由于移动机会网络中节点的高度随机移动性,导致了网络拓扑结构的易变性以及从消息源节点到目的节点通信链路的不确定性,这些特征使得传统的TCP/IP通信协议不再适用于移动机会网络。因此,如何设计出面向移动机会网络的高效路由算法成为移动机会网络研究领域中迫切需要解决的问题之一。同时,设计面向移动机会网络的高效路由算法面临着诸多挑战。首先,发送和接收消息时需要消耗一定的能量,移动节点自身的能量(例如设备的电池电量)往往非常有限,过度地转发消息会严重消耗节点的能量,甚至导致节点能量耗尽进而影响整个网络的寿命。其次,无线信道质量会随时发生变化,当节点发送某一消息时,其提前确定好的下一跳中继节点很可能无法正常接收到消息,进而需要对该消息进行重传,这进一步延长了消息传输时延,增加了节点的能量消耗,缩短了整个网络的生存期。再次,由于节点的高度随机移动性和网络拓扑结构的时变性,导致一个节点在不同时刻可能会遇到不同的邻居节点,也可能在某些时间处于孤立的状态。因此,选择合适的中继节点以及消息转发时刻在移动机会网络通信中显得尤为重要,这进一步增加了设计高效路由算法的难度。然而,在当前大多数路由算法中,未对上述因素进行全面综合的考虑。为了应对上述挑战,本文分别提出了三种不同的路由算法,来提高移动机会网络的传输性能,主要工作如下:(1)一种可控多副本路由算法。该算法综合考虑了节点的能量消耗、中继节点与消息目的节点间的相遇概率、消息的时效性和网络中消息的副本数,来实现高效消息路由传输。此外,还提出了一种单支扩散策略以实现动态控制网络中消息副本数的目标,在实现较高投递率的基础上,避免了消息副本过度扩散的问题。实验结果表明,同等条件下,与现有路由算法相比,我们所提出的路由算法能延长网络寿命,同时能达到较高的投递率和较低的开销率。(2)一种能量有效的概率路由算法。该算法考虑了节点能量的公平性以及节点的移动性和无线信道质量的不确定性。首先,通过探索节点的移动性规律以及节点间的相遇概率来决定消息转发的最佳时间。其次,通过维护节点间的能量公平性,延长了网络的整体寿命。再次,通过考虑无线信道的动态变化性,减少了消息的重传次数。此外,针对每个消息,采用了一种消息转发权限转移策略,避免了单个节点负载过重的现象。实验结果表明,在一定范围内,所提算法在投递率和开销率方面优于所比较的路由算法。(3)一种基于社会感知和概率预测的路由算法。该算法结合了节点的相遇概率和社会感知的特性,并采用了多副本策略。首先,我们将网络建模成一些具有重叠的区域,然后我们考虑了节点的移动规律以及节点间的社会关系,提出了两种与区域相关的中心度来实现消息的跨区域传输。此外,在消息转发阶段,我们采用了一种按概率分配消息副本策略,该策略为与目的节点相遇概率高的节点分配更多的消息副本,从而提高了消息被成功投递的概率。仿真实验结果表明,与现有路由算法相比,该算法显著地提高了消息的投递率,降低了网络的开销率。
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