面向?yàn)?zāi)難營(yíng)救場(chǎng)景的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究.pdf

1、近些年，世界各地自然災(zāi)害頻發(fā)，給社會(huì)的經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。通常情況下，嚴(yán)重的地震、泥石流、颶風(fēng)等災(zāi)害會(huì)對(duì)基礎(chǔ)通信設(shè)施造成徹底毀壞，使得災(zāi)后營(yíng)救工作無(wú)法順利展開。如何在災(zāi)難營(yíng)救場(chǎng)景下進(jìn)行通信是值得研究的重要問題。傳統(tǒng)的基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要在同一時(shí)刻存在端到端的路徑，并且需要鏈路穩(wěn)定。然而，在災(zāi)難營(yíng)救等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于通信環(huán)境惡劣，鏈路的頻繁中斷導(dǎo)致端到端的路徑不一定存在，使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（如Ad hoc網(wǎng)絡(luò)）協(xié)議無(wú)法正常工作，從而無(wú)法

2、進(jìn)行組網(wǎng)通信。像災(zāi)難營(yíng)救場(chǎng)景這類具有鏈路頻繁中斷、通信延時(shí)大等特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)被稱為延遲容忍網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)采用“存儲(chǔ)攜帶轉(zhuǎn)發(fā)”的方式進(jìn)行信息的傳遞，同時(shí)可以采用稱之為擺渡節(jié)點(diǎn)的外界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輔助路由。擺渡節(jié)點(diǎn)是一類比常規(guī)節(jié)點(diǎn)具有更少資源限制（能量、存儲(chǔ)空間等）的可控移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)主動(dòng)式的移動(dòng)同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，可以大大提高延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的消息傳遞率并降低消息傳輸延遲。在災(zāi)難營(yíng)救場(chǎng)景下，為了盡量降低消息延遲，可以采用攜帶通信設(shè)備的無(wú)人機(jī)作為消息擺渡節(jié)

3、點(diǎn)在災(zāi)區(qū)上空飛行，與同樣攜帶通信設(shè)備的搜救人員進(jìn)行通信，并將信息運(yùn)送到指揮部等地點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴移動(dòng)模型用來(lái)模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性，是基于模擬的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)問題。通過(guò)使用不同的移動(dòng)模型，研究者可以很容易的評(píng)測(cè)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)的性能，如路由、拓?fù)涞?。雖然研究者已經(jīng)提出了大量的移動(dòng)模型，但是很少有移動(dòng)模型能很好的描述災(zāi)難營(yíng)救場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)。文章首先分析了災(zāi)難營(yíng)救場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)特性，

4、重點(diǎn)關(guān)注了營(yíng)救小組和運(yùn)輸小組兩類節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模式，提出了帶有基準(zhǔn)點(diǎn)的隨機(jī)路點(diǎn)模型（RWPBP）來(lái)對(duì)該場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)特性進(jìn)行建模。該模型通過(guò)可以配置的參數(shù)來(lái)建模不同類型節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模式，可以很容易的描述災(zāi)難移動(dòng)場(chǎng)景下的我們關(guān)注的兩類節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模式，并且在特殊的參數(shù)場(chǎng)景下，可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的隨機(jī)路點(diǎn)移動(dòng)模型。⑵在使用移動(dòng)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估的時(shí)候，在初始階段的模擬結(jié)果和后期的模擬結(jié)果截然不同。這是由于移動(dòng)模型中的節(jié)點(diǎn)在模擬開始時(shí)的速度和空間位置

5、分布同模擬的初始設(shè)置有關(guān)；在運(yùn)行一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，速度和空間位置的分布會(huì)達(dá)到一個(gè)與初始設(shè)置無(wú)關(guān)的穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)的分布被稱之為穩(wěn)態(tài)分布。穩(wěn)態(tài)分布是移動(dòng)模型研究中的重要研究方向，不僅能更好的理解模擬結(jié)果產(chǎn)生的原因，而且在穩(wěn)態(tài)分布下進(jìn)行模擬，可以使得模擬的結(jié)果更加精確。我們從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)了RWPBP模型在一維空間下的節(jié)點(diǎn)速度和空間的穩(wěn)態(tài)分布，給出了穩(wěn)態(tài)分布的精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并給出了保持穩(wěn)態(tài)分布的初始化方法，使得該模型在模擬開始的階段就能一直

6、保持穩(wěn)態(tài)分布，從而避免了在模擬開始階段需要丟棄初始觀察序列的問題，提高了模擬的效率。⑶在災(zāi)難營(yíng)救場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)間通常并不需要進(jìn)行通信，然而節(jié)點(diǎn)需要同指揮部進(jìn)行通信來(lái)匯報(bào)營(yíng)救的信息等，進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度安排。在以往采用了擺渡節(jié)點(diǎn)的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)研究中，擺渡節(jié)點(diǎn)的路線通常被設(shè)計(jì)為一個(gè)簡(jiǎn)單圓的形式，但在我們研究的場(chǎng)景中，將擺渡節(jié)點(diǎn)的訪問路線設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單圓的形式并不能保證取得最小的消息平均加權(quán)延遲，所以我們提出了設(shè)計(jì)可以包含多個(gè)簡(jiǎn)單圓的封閉游走的擺渡節(jié)點(diǎn)

7、路線來(lái)降低消息平均加權(quán)延遲。我們對(duì)該問題進(jìn)行了抽象建模，證明了該問題是NP難問題，給出了該問題的整數(shù)線性規(guī)劃形式，并提出多種快速啟發(fā)式的解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同傳統(tǒng)簡(jiǎn)單圓路線相比，封閉游走路線可以有效的降低平均加權(quán)延遲。⑷在實(shí)際的災(zāi)難營(yíng)救場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)（營(yíng)救人員）可能稀疏的分布在很大的區(qū)域內(nèi)。而作為擺渡節(jié)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)續(xù)航能力有限，有可能無(wú)法一次訪問所有的節(jié)點(diǎn)，甚至不能按照封閉游走的路線進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的訪問來(lái)降低平均加權(quán)延遲，無(wú)人機(jī)在訪問部分節(jié)點(diǎn)