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延迟容忍网中数据传输关键技术研究

作　者: 刘亚志
导　师: 马建
学　校: 北京邮电大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 延迟容忍网络路由协议数据分发算法消息传输延迟分析路边单元部署策略
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

延迟容忍网络(Delay Tolerant Networks, DTN)是由人或车辆携带的智能短距离无线通信设备构成的特殊移动自组网络。延迟容忍网络中节点分布稀疏、移动频繁,导致网络节点被分割为多个孤立的连通区域,源节点与目的节点之间可能不存在一条端到端的路径。网络中节点的移动使得节点与其它节点相遇而形成通信机会,数据随着节点移动并在移动节点之间转发,实现数据传输。目前,延迟容忍网络的研究主要集中在路由策略,数据分发,性能分析和混合网络技术等方面。研究的目标集中在提高网络中数据传输的成功率,降低数据传输延迟和网络负载,同时减小数据传输造成的节点能量消耗等。由于移动设备一般由人或车辆携带,因此移动设备的移动具有社会属性,延迟容忍网络中的节点间基于短距离无线通信技术传输数据,因此在设计路由方法的过程中综合考虑节点的社会属性和位置属性能够提高路由算法的效率；通过兴趣消息与内容消息的匹配分发消息容易造成内容消息的冗余传输,兴趣消息的融合合并能够有效提高网络的数据分发性能：网络性能分析是设计高效数据传输算法的必要条件,尤其在车载延迟容忍网络中,消息的传输延迟关乎车辆行驶安全,分析车辆的延迟容忍网络中消息的传输延迟意义重大；在车载延迟容忍网络中,通过部署路边通信单元提高网络性能是公认可行的增强网络性能的手段,但路边设施的部署策略与网络性能之间的内在关系尚需深入研究。基于上述延迟容忍网络研究中依然存在的问题,本文围绕延迟容忍网络中的路由技术、数据分发技术、消息传输延迟分析和路边设施部署四个方面进行了深入研究,得出了如下的研究成果：1.提出了一种延迟容忍网络中社区场所感知的路由方法(Venue AwareRouting, VAR)。基于节点移动的社会属性,建立了基于离散马尔可夫链的节点移动模型,分别引入了场所间转移时间矩阵和场所内停留时间矩阵使模型更加精确。当选择下一跳节点时,VAR不仅考虑节点间的相遇概率,同时也考虑节点在未来的相遇时间,从而达到降低消息传输延迟的目的。由于每条消息都被赋予了一定的生存时间,考虑节点相遇时间也提高了算法的传输成功率。为延迟容忍网络设计了两个多拷贝消息路由策略,分别利用了消息的按比例分发策略和二元分发策略。2.为了在延迟容忍网络中实现高效健壮的消息分发,提出了一种延迟容忍网络中基于内容相遇概率的消息分发算法(Content Encounter Probability based Message Dissemination, CEPMD)。CEPMD使用请求谓词描述消息订阅者的兴趣内容,并在网络中分发请求谓词消息。每个请求谓词消息被赋予一个ep值,表示此谓词消息的携带节点与内容订阅节点的相遇概率。消息的转发过程中,内容消息的下一跳节点需要携带与内容消息匹配的请求谓词并具有更高的ep值。因此,内容消息能够沿着请求谓词及其ep值在订阅者周围构成的谓词梯度场向内容订阅者逐跳转发。通过合并相同内容的请求谓词,CEPMD降低了内容消息传输的网络负载。3.车载延迟容忍网络中的消息传输延迟的大小影响着网络中相关应用的设计和部署。基于双向道路模型,对车载延迟容忍网络中消息的传输距离和道路中车辆节点的密度与消息传输延迟之间的关系进行深入的分析与研究。使用多重泊松点过程的合并对双向车流进行建模。基于次可加遍历定理,从理论上证明了双向车流的延迟容忍网络中消息的传输延迟与消息传输距离为线性关系。进一步的,分析了传输延迟与传输距离的线性关系系数的上届与道路中的车辆密度呈指数多项式关系。4.提出了一种面向文件下载的车载延迟容忍中的路边设施(RoadsideUnit, RSU)部署策略。首先,建立了车辆与RSU之间的相遇规律模型,分析了能够保证文件下载成功率与下载延迟的车辆与RSU相遇的最优时间间隔分布。然后,将地图抽象为加权无向图,并基于加权无向图中边的深度优先遍历算法,设计了面向文件下载的车载延迟容忍网络中RSU部署策略。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-21
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 延迟容忍网络的相关应用  14-15
  1.3 延迟容忍网络的体系结构  15-16
  1.4 延迟容忍网络数据传输关键性能指标  16-17
  1.5 当前研究存在的主要问题  17-18
  1.6 本文的主要贡献  18-20
  1.7 章节安排  20-21
第二章延迟容忍网络的研究现状  21-35
  2.1 路由技术  21-28
    2.1.1 基于拷贝的路由算法  21-22
    2.1.2 基于编码的路由算法  22-23
    2.1.3 基于效用的路由算法  23-25
    2.1.4 基于节点位置和移动轨迹的路由算法  25-26
    2.1.5 基于节点社会属性的路由算法  26-28
  2.2 延迟容忍网络中的数据分发算法  28-31
    2.2.1 主动数据分发算法  28-29
    2.2.2 被动数据分发算法  29-31
  2.3 迟容忍网络中节点移动规律的研究  31-33
    2.3.1 基于Synthetic的随机移动模型  31
    2.3.2 基于Trace的移动模型  31-32
    2.3.3 基于社会理论的移动模型  32-33
  2.4 混合结构延迟容忍网络的相关研究  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章一种延迟容忍网络中社区场所感知的消息路由算法  35-55
  3.1 背景知识  35-37
  3.2 相关工作  37-38
  3.3 系统模型  38-41
    3.3.1 网络模型  38-39
    3.3.2 移动模型  39-41
  3.4 场所感知的延迟容忍网络路由算法  41-46
    3.4.1 节点相遇预测方法  42-44
    3.4.2 转发效用值  44-45
    3.4.3 算法实现  45-46
  3.5 仿真实验和结果分析  46-52
    3.5.1 实验环境  46-49
    3.5.2 仿真结果分析  49-52
  3.6 本章小结  52-55
第四章基于内容路由的延迟容忍网络中的数据分发策略  55-73
  4.1 研究背景  55-56
  4.2 方法与概念  56-59
    4.2.1 请求谓词与内容消息  56-57
    4.2.2 请求谓词的传输  57-59
  4.3 基于内容路由的数据分发算法  59-64
    4.3.1 请求谓词传输算法  59-61
    4.3.2 内容消息分发算法  61-64
  4.4 仿真实验和结果分析  64-72
    4.4.1 仿真环境  65
    4.4.2 结果分析  65-72
  4.5 本章小结  72-73
第五章双向车流的车载延迟容忍网络中消息传输延迟分析  73-89
  5.1 研究背景  73-75
  5.2 相关工作  75-76
  5.3 网络模型  76-77
  5.4 向车流中的消息传输延迟  77-86
    5.4.1 消息传输延迟的定义  78-79
    5.4.2 消息传输延迟的分析  79-85
    5.4.3 节点间转发延迟非0时的消息传输延迟  85-86
  5.5 实验验证  86-88
  5.6 本章小结  88-89
第六章面向内容下载的车载网络中路边单元部署策略研究  89-109
  6.1 研究背景  89-91
  6.2 系统模型  91-92
  6.3 最优RSU部署策略  92-103
    6.3.1 RSU部署密度  93-100
    6.3.2 RSU部署算法  100-103
  6.4 仿真分析  103-108
    6.4.1 仿真环境  103
    6.4.2 算法有效性的验证  103-105
    6.4.3 文件下载成功率  105-108
  6.5 本章小结  108-109
第七章结束语  109-113
  7.1 总结  109-111
  7.2 研究展望  111-113
参考文献  113-123
致谢  123-125
攻读学位期间发表的学术论文目录  125

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