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机会网络数据转发与缓存调度研究

作 者: 唐丽均
导 师: 柴毅
学 校: 重庆大学
专 业: 控制理论与控制工程
关键词: 机会网络 数据转发 消息摆渡 路径设计 缓存调度
分类号: TN929.5
类 型: 博士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


处理器速度、移动通信和电池寿命的的快速发展促使计算机完成了从完全连接到完全移动的演变,在最极端的情况下,所有节点都是移动的,只有利用可获得的机会:传统的通信基础设施和中间节点的移动性,才能实现节点间的数据通信,这就是机会网络。同时,大量低成本、具备短距离无线通信能力的智能设备的出现,让机会网络在一些极端通信环境中有着巨大的应用潜力。机会网络中的数据通信主要有以下特点:①由于节点的移动导致网络拓扑动态变化,节点对之间不能建立端到端的通信路径,从而引起数据通信的低速率和高时延;②数据成功传输主要依靠节点移动带来的相遇机会,因而根据节点相遇机会制定的数据转发策略成为影响数据传输性能的重要技术;③网络资源有限,对节点缓存空间的需求矛盾较为突出,由于大量数据没有得到及时转发而长时间滞留在网络中,过度消耗节点的缓存资源,因此对缓存容量的利用率要求更为严格。在机会网络中转发数据面临的挑战性问题为:节点移动的不可预知性和网络资源的有限。因此在网络资源有限的情况下,有效的数据转发策略、缓存调度管理是保证数据成功传输的两个关键问题。围绕这两个关键问题,本文主要开展了以下几个方面的研究工作:首先,本文提出了一种基于效用的代表转发策略,该策略根据节点中心度、节点间的关联度和相似度计算出综合效用值,用来表征节点间未来的相遇概率,携带消息的当前节点依据效用值选择最佳的相遇节点作为代表来转发消息,仿真结果表明该算法能更准确地为消息选择下一跳携带节点,提高了网络的消息投递成功率。其次,针对节点静止的机会网络中存在的网络分割现象,提出了静态多摆渡路径设计方案。该方案引入了局部摆渡(Local Ferry)和全局摆渡(Global Ferry)两种移动实体负责不同地区范围内数据通信,为不能直接通信的静止节点之间提供消息转发。并且通过控制局部摆渡和全局摆渡的移动轨迹,实现在线同步协作转发消息,以提高分裂机会网络的消息投递成功率,降低消息投递时延。然后,针对移动机会网络中存在的网络分割现象,提出了局部摆渡节点的动态路径设计算法。该算法在满足节点丢弃消息最小化的条件下,采用流量感知启发式算法为局部摆渡节点计算出最优移动路径,引入固定的中继节点完成局部摆渡和全局摆渡节点之间的异步协作通信,仿真结果表明该算法提高了分裂机会网络的数据传输性能。最后,针对机会网络的间断连接性导致节点间通信时间有限,节点不能将缓存中的消息在一次相遇机会中全部转发,提出了基于接触频率的缓存调度算法。该算法通过计算相遇节点与消息的目标节点之间的历史接触频率,以此确定当前节点缓存中消息的调度优先级,同时结合基于消息副本的丢弃策略,提高了节点缓存空间和链路通信带宽的利用率,消息的转发效率也因此提高。综上所述,本文在机会网络数据转发策略和缓存调度管理方面做了大量的分析研究,针对现有策略的不足,提出了以上几种数据转发和缓存调度管理策略。仿真验证表明,本文提出的相关算法在消息投递成功率、传输时延和网络资源开销等方面能明显改善机会网络的传输性能。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
1 绪论  11-29
  1.1 研究背景和意义  11-13
  1.2 机会网络概述  13-17
    1.2.1 机会网络的概念  13-14
    1.2.2 机会网络的构成及其特点  14-16
    1.2.3 机会网络的应用  16-17
  1.3 国内外研究现状  17-25
    1.3.1 数据转发机制  17-22
    1.3.2 节点移动模型  22-24
    1.3.3 缓存调度与管理  24-25
  1.4 本文的主要研究工作及贡献  25-26
  1.5 本论文章节内容安排  26-29
2 基于效用的代表转发策略  29-49
  2.1 典型的机会网络转发策略  29-30
  2.2 基于效用的代表转发策略  30-37
    2.2.1 建立效用模型  30-34
    2.2.2 基于效用的代表转发算法  34-37
  2.3 算法仿真与性能分析  37-47
    2.3.1 仿真场景设计  37-38
    2.3.2 性能参数比较  38-39
    2.3.3 仿真结果分析  39-47
  2.4 本章小结  47-49
3 静态多摆渡路径设计  49-71
  3.1 摆渡节点概述  49-52
    3.1.1 摆渡节点的特性  50-51
    3.1.2 摆渡节点的应用  51-52
  3.2 摆渡节点路径设计  52-59
    3.2.1 单摆渡路径设计  52-55
    3.2.2 多摆渡路径设计  55-59
  3.3 静态多摆渡路径设计  59-70
    3.3.1 GFS 网络模型  60-61
    3.3.2 GFS 摆渡路径设计  61-64
    3.3.3 GFS 仿真评估与性能分析  64-70
  3.4 本章小结  70-71
4 动态多摆渡路径设计  71-87
  4.1 GF-NRA 应用场景及网络模型  71-74
    4.1.1 网络场景  71-72
    4.1.2 NRA 网络模型  72
    4.1.3 GF-NRA 网络模型  72-74
  4.2 GF-NRA 摆渡路径设计  74-78
    4.2.1 GF 移动路径设计  74
    4.2.2 LF 的动态移动路径设计  74-78
  4.3 GF-NRA 多摆渡转发过程  78-79
    4.3.1 普通节点的操作  78
    4.3.2 LF 的操作  78
    4.3.3 GF 的操作  78
    4.3.4 RN 的操作  78
    4.3.5 LF 动态路径计算  78-79
  4.4 仿真结果分析  79-85
    4.4.1 节点密度对网络性能的影响  80-82
    4.4.2 LF 数量对网络性能的影响  82-83
    4.4.3 网络流量负载对网络性能的影响  83-85
  4.5 本章小结  85-87
5 机会网络缓存调度策略研究  87-107
  5.1 机会网络现有的缓存管理策略  87-90
    5.1.1 基于本地知识的策略  87-89
    5.1.2 基于网络知识的策略  89-90
  5.2 基于接触频率的缓存调度策略  90-93
    5.2.1 ACF 定义  91
    5.2.2 SA-ACF 算法实现  91-93
  5.3 SA-ACF/DP-C 缓存管理策略  93-95
    5.3.1 拥塞检测  94
    5.3.2 拥塞避免  94-95
  5.4 仿真实验及结果分析  95-104
    5.4.1 仿真参数配置及评价性能指标  95-96
    5.4.2 仿真结果分析  96-104
  5.5 本章小结  104-107
6 总结与展望  107-109
  6.1 论文总结  107-108
  6.2 工作展望  108-109
致谢  109-111
参考文献  111-121
附录  121
  A. 作者在攻读博士学位期间发表的主要论文  121
  B. 作者在攻读博士学位期间参加的主要科研项目  121

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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