交替活跃模式的部分连接网络路由研究

摘要

Ad hoc网络(自组织网络)能够在缺少基础设施的环境下动态组网，同其它有基础设施网络相比具有明显优势，应用前景广阔。依据实际部署环境中网络拓扑的连通性，Ad hoc网络可分为完全连接网络和部分连接网络。现有的Ad hoc路由协议大多数是针对完全连接网络的，在部分连接网络中效率较低。部分连接网络路由研究致力于解决在端到端的完全连接路径不存在的情况下如何完成通信的问题，该研究对于扩展Ad hoc网络的应用范围具有重要意义。 在某些Ad hoc网络应用场景中(如土壤监测、煤矿监测等)，节点较少移动，通常交替地处于休眠／活跃工作模式，以节省功耗。节点休眠会打破网络的连通性，从而使之成为部分连接网络，本文称这种网络为交替活跃模式的部分连接网络。现有的部分连接网络路由协议大多针对移动的部分连接网络，而针对交替活跃模式的部分连接网络的路由协议研究十分缺乏。 本文以交替活跃模式的部分连接网络路由协议为研究对象，在网络模型理论分析、路由协议设计和优化等方面进行了深入研究。建立了交替活跃模式的部分连接网络模型，定量分析了节点休眠参数对路由协议的性能和功耗的影响，从而为交替活跃模式的部分连接网络路由协议设计和评价奠定了基础；基于网络模型，提出了一种交替活跃模式的部分连接网络路由协议，该协议能够在具有较高休眠程度的网络中提供可靠路由功能；基于网络模型计算结果，在包处理、包调度和休眠调度等方面对路由协议进行了优化。通过仿真实验、理论分析等方法验证了研究结果的有效性。 本文的主要贡献和创新性体现在以下三个方面： (1)建立了交替活跃模式的部分连接网络模型 利用交替活跃模型模拟了节点的休眠过程，建立了交替活跃模式的部分连接网络模型，推导出了交替活跃模式的部分连接网络中多跳“存储—等待—转发”路由方式的包递交率函数，为路由协议的设计和性能评价提供理论依据。分析了主要的网络参数与包递交率、端到端延迟、节点功耗的相互关系，并给出了满足网络应用需求的参数调节方法。该网络模型可以作为独立的计算工具，被运用到路由协议的优化以及网络参数配置等方面，显著降低了仿真实验的工作负荷，为具有休眠模式的Ad hoc网络的部署提供了有效的理论依据。 (2)提出了一种针对交替活跃模式的部分连接网络的路由协议：组关系路由协议 提出了以组序列为度量的路由选择机制，在此基础上设计了组关系路由协议。该协议在可容忍的延迟时问内将数据包沿着组关系规定的方向转发，能够显著降低路由失效的概率并提高包递交率，从而适用于具有较高休眠程度的网络。通过引入基于组序列的异步转发过程，缩短了逐跳等待时间，降低了端到端延迟。在一个由多种无线嵌入式终端组成的部分连接网络环境中，实现了本文提出的路由协议，并加载了远程家电控制等相关应用，实现了控制信号的可靠传输。 (3)设计了组关系路由协议的优化机制 以交替活跃模式的部分连接网络模型为基础，本文对组关系路由协议进行了改进优化。提出了多水位线数据包拼接算法，该算法利用路由选择过程中的等待时间片段对缓存数据包进行优化处理，显著降低了碎片包的数量和传输功耗；给出了合理等待时间片段的估计方法和基于预测模型的包调度算法，路由协议的包递交率得到有效提高；提出了基于簇内相位同步和簇间相位差分的主动休眠调度算法，该算法在不降低节能效果的前提下，缩短了转发路径中平均等待次数和等待时间，降低了路由协议的平均端到端延迟。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录、表目录

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第一章引言

第二章部分连接网络路由研究

第三章交替活跃模式的部分连接网络模型分析

第四章组关系路由协议的设计

第五章组关系路由协议的优化机制

第六章结束语

参考文献

致谢

作者简历