面向随机过程的机会网络路由方法研究

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经典的计算机网络利用线路相互连接,网络拓扑结构固定。为了应对一些特殊的情况,作为无线自组织网络其中之一的移动机会网络应用而生。区别于传统计算机网络,移动机会网络的通讯方式是依靠网络中每一个终端节点的随机移动完成。源节点携带消息在一定区域内运动,当与任意邻居节点相遇的时刻,创造了短暂的通讯时机,移动机会网络路由的研究核心就是作为节点的终端相互之间的通讯机制。常规移动机会网络通讯机制研究的重心在一般体现在三个方面。第一通过观察和发现总结终端节点的运动规律,第二通过归纳终端节点的社会属性来预测其状态,第三结合运动规律和状态预测来进行机会网络通讯机制的设计,目的是提升移动机会网络路由的评价指标。但是对于终端运动自由度高的场景,网络结构变化和网络链路更新复杂多变。任意时刻网络中任意终端节点的下一时刻的状态与只与当前的状态有关,不能从过去的状态中总结规律预测未来,因此无法使用常规的方式来总结节点规律和预测节点未来状态,从而导致机会路由的评价指标降低。在终端节点运动自由化程度高的场景应用中,依赖常规方式设计的机会网络单副本、多副本和混合副本路由均不能达到预期的性能,所以需要建立适应如此场景的建模方法和研究设计与之对应的单副本、多副本和混合副本路由转发策略。考虑具备高度自由的终端在规定区域内的随机移动类似于花粉的布朗运动。对布朗运动的数学描述是维纳过程,维纳过程是一种连续的随机过程,所以维纳过程具有马尔科夫性质。本文的研究,针对应用终端高度自由的场景建模和研究设计与之相适应的机会网络路由算法,以此提高消息的投递率,降低网络的开销率和平均时延,节省终端设备的电量和节省网络资源消耗。本文的主要内容如下:第一,针对传统机会网络场景建模侧重于寻找终端运动规律、预测节点未来状态提升投递率的方法不适用终端运动高度自由化场景的问题,本文面向随机过程的特点建立了一种终端运动自由化程度高的机会网络场景建模方法。该方法是后续章节研究内容的基础。第二,针对移动机会网络中终端运动自由度高的场景下,不能使用常规的方式获得节点移动规律或者预测节点的运动轨迹,使其常规单副本机会路由投递率低、网络开销率大的问题,本文工作面向高自由运动模式中机会网络节点相遇的马尔科夫性,找出了一种机会网络中面向马尔科夫决策过程的节点消息转发状态转移规律。根据规律设计了能增加机会网络投递率的路由算法,此算法不复制消息副本所以属于机会网络单副本路由,同时还能大幅度降低平均节点中继次数从而降低开销率。之后用仿真实验验证了相关模型和理论的正确性,所提出的路由策略在模拟场景中均优于现有主流单副本算法,并在网络投递率和网络开销率方面取得了较好的平衡。第三,针对移动机会网络中终端运动自由度高的场景下,机会网络常规多副本路由策略依靠节点大量复制传递消息副本或者基于节点相遇频率预测投递概率,导致其投递率的增加的同时也大幅度增加了网络开销率的问题,本文基于节点相遇时刻马尔科夫链概率转移规律提出了一种机会网络中可控副本数量的节点转发策略,该策略算法因为在第一阶段复制有限数量的消息副本所以为机会网络多副本路由。之后用仿真实验验证了相关模型和理论的正确性。所提出的路由策略能按照设计扩散有限副本数量的消息进行多线程并发执行,同时并没有特别损耗网络资源,与其他主流多副本路由对比略有优势并且更加适合随机性强的场景。第四,针对移动机会网络中终端运动自由度高的场景下,机会网络常规混合路由算法偏重于提升网络投递率和减少网络平均时延,从而增加了网络开销率使得终端设备电量消耗增大的问题。本文综合了前面工作的基础,把机会网络单副本和多副本路由的特点有机结合在一起设计了一种混合分段转发策略,策略分为单副本阶段和多副本阶段两个阶段。之后用仿真实验验证了相关模型和理论的正确性。所提出的路由策略综合了单副本和多副本转发策略的优点,通过实验对比机会网络三个评价指标以达到适应场景的要求,最大程度规避了单副本和多副本路由的缺点。与其他优秀路由对比评测在随机性强的场景中具备特别的优势,并且减少了终端设备电量消耗。
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