DTN中链路中断特性的分析.doc

第11期李云等：DTN中链路中断特性的分析235DTN中链路中断特性的分析李云，王晓英，刘占军，周亚辉(重庆邮电大学 无线信息网络研究中心，重庆400065)摘 要：容迟网络中链路特性是影响网络性能的一个因素，而有些引起链路中断的因素有确知的和不可确知的，针对DTN网络中确定性事件影响链路中断的统计特性问题进行了分析，采用寻找两节点苏醒时间的交集即为两节点间可通信时间的方法，得到了无线链路的连接性特性随时间变化的规律。关键词：容迟网络；链路中断；统计特性；确定性事件中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2008)11-0232-05Analysis of link interruption characteristics in the DTNLI Yun, WANG Xiao-ying, LIU Zhan-jun, ZHOU Ya-hui(Research Center for Wireless Information Networks, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)Abstract: The characteristic of wireless link in the DTN has an important influence on the performance of networks. The deterministic and opportunistic events can lead to the link interruption in the DTN. The connection of wireless links was analyzed when deterministic interruption events exist. By finding common recovery time of two-node, the rules was gotten that connectivity characteristic of the wireless networks with changes over time.Key words: delay tolerant networks; deterministic events; link interruption; statistical characteristics1 引言尽管人们在无线互联网络技术方向已取得了较多的研究成果，但是已有无线互联网络的研究成果大多基于一个基本的假设：假设在通信双方之间存在或可以建立可靠的端到端的路径，而这一假设在无线互联网中并不总是成立的。在无线互联网中，由于受自然干扰和人为因素以及节点移动等影响，节点之间的无线链路会中断而不能保证一直存在，这就可能导致端到端的路径并不存在，从而建立在该假设上的传统的组网方式不能适用。收稿日期：2008-06-11；修回日期：2008-10-10基金项目：国家自然科学基金资助项目(60702055)；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET070914）；重庆市教育委员会基金资助项目（KJ070521）；重庆市科学技术委员会基金资助项目（CSTC2006BB237）Foundation Items: The National Natural Science foundation of China (60702055); The New Century Excellent Talent Program of Education Ministry of China (NCET070914); The Board of Education Foundation of Chongqing in China (KJ070521); The Committee on Science and Technology Foundation of Chongqing in China (CSTC2006BB237)而这种网络在现实生活中普遍存在的，航天探测领域的航天通信、星际网络、战地互联网络等都有以下特性1：延迟大，数据传输率低，传输不对称；端到端的间断很频繁；排队时间较传统网络要长很多。由于环境因素或者能量耗尽，端系统生存期有限；在能量不足的情况下，周期性地搜集数据，并以某速率发送；节点的内存和处理能力有限。这些导致传统的网络不容易提供服务，为了实现这些网络的互联，研究者们提出了在端到端连接和节点资源都受限时的一种网络体系结构和应用接口，称为延迟容忍网络，简称容迟网络2（DTN, delay tolerant networks）。这种网络结构通常延迟比较大、网络拓扑频繁发生变化，导致现有的网络协议在这类网络中性能很差。但是由于这类网络具有广泛的应用和不可替代的作用，因此受到人们的广泛关注。目前针对DTN的研究主要集中在网络结构、路由机制、可靠性等方面。在连续连接的无线互联网络中，链路的连接性是跟时间无关的。但在间断连接的无线互联网络中，选择路径时不仅需要考虑空间问题3，同时还需要考虑时间问题，即要考虑在什么时候通过哪些节点和链路。因此网络的链路特性对路由的优化起着重要作用，如果能较好地得到DTN中的链路特性，则会为建立较好的路由机制提供有力的依据和保障4。但是目前并没有专门针对链路特性的研究，因此研究DTN网络中的链路特性具有较高的理论意义和实际价值。在一些无线网络中，引起链路中断的事件是确知的。比如在星际通信网络中，行星和卫星的运动是引起网络间断的主要原因，而这些都是具有一定规律的，也就是说在星际通信网络中网络的间断是可以确知的。本文分析了确定性事件引起链路中断的统计特性。从节点同步和节点不同步2种情况出发，分析了2种情况下链路连接性特性随时间变化的规律。在MATLAB中分析了节点通信的链路特性，证明了本文提出的链路特性推导公式的有效性。2 确定事件引起的链路中断的分析引起无线链路间断的原因是多方面的，主要有：障碍的阻挡和电磁干扰；节点的移动；为了达到某些目的，人为导致无线链路间断，如在传感器网络中，为了减小能量消耗，人为调度传感器节点处于周期性的休眠状态，这可能导致网络出现分区和节点之间连接中断；在某些场合，比如星际互联网，通信节点之间根本无法建立连续的无线链路。在研究过程中，研究人员将这些事件分为2类，即确定性事件和随机事件5。前者如周期性休眠，后者如节点的移动、随机的干扰等。确定性连接事先知道网络未来的运动和连接机会，也就是整个网络的拓扑结构，可以预测什么时候能做资料的传送，接收端在哪个时间点可以收到。像是星球、卫星间资料的传送，运输都有固定的时间；或是像是透过火车等交通运输工具都可以算是可预定性的路由。文章主要分析了确定事件引起的链路中断特性。2.1 确定性事件对链路中断的影响对于确定性事件，无线链路的连接特性可表示为时间的确定性函数。如对于节点周期休眠引起的链路中断，表征连接特性随时间变化规律的“接触”的起始时刻Ts(t)和结束时间Te(t)将是t的周期性函数。假设如图1所示，相邻两节点A、B均采用周期性休眠策略6以减小能量消耗。A、B的周期为分别为RA、RB，且RB=2RA，在一个周期中，A、B处于苏醒和睡眠状态的时间占各自的周期的1/2，则很容易得到A和B之间第n次“接触”（或称通信机会）的开始时间和结束时间。图1 相邻节点A、B的周期性休眠 (1)在上述例子中，为方便起见，假设RB=2RA。对于更一般的情形，RA、RB为任意值，要得到表征链路间断特性的Ts(t)和Te(t)的表达式。即找A节点和B节点苏醒时段的交集，这些交集就是A、B节点可以通信的持续时间。具体方法是：首先确定A节点的所有苏醒时段，然后用B节点的每一个苏醒时段去判断其与A节点的某个苏醒时段是否有交集，如果有，则表示两节点相接触，开始通信。如果没有，则说明两个节点不通信。确定了A、B节点的公共时间段后，就可以确定接触开始时刻Ts(t)和结束时刻Te(t)。具体推导过程如下：1) 当节点间是同步时，如图2所示。图2 2个节点同步运行A、B节点间第n接触开始时刻为，接触结束时刻为，则 (2)2) A、B不同步时 节点A的周期大于节点B的周期时若如图3所示。 (3)图3 当B节点的苏醒开始时刻在A节点的苏醒时段内时如图4所示。图4 B节点的苏醒时刻在A节点的睡眠时间内，但结束时刻在A节点的苏醒时(4) 若节点A的周期小于节点B的周期时，同样可得当时，n=1,2,3, i=1,2,3, m=1,2,3,(5) (6) 式中A1i为A节点第i次开始苏醒时刻，A2i为节点第i次开始休眠时刻，t1为A节点保持苏醒时间段。B1m为B节点第m次开始苏醒时刻，B2m为节点第m次开始休眠时刻，t2为B节点保持苏醒时间段。，。3 仿真利用MATLAB仿真工具对提出的链路特性公式进行验证。仿真环境设置如下：节点数目为2，即A、B节点，接触次数k，k的取值范围是1到20。分别设2组参数来验证：节点A的周期为RA=9s，每次苏醒的持续时间为tA=5s。节点B的周期RB=7s，每次苏醒的持续时间为tB=4s。节点A的周期为RA=9s，每次苏醒的持续时间为tA=5s。节点B的周期RB=5s，每次苏醒的持续时间为tB=4s。则得出2组参数下，2个节点每次通信的开始时刻和结束时刻，以及每次通信的持续时间表。表1显示了第1组参数中，A、B节点每次通信的开始时刻Ts和结束时刻Te。表2显示了第2组参数中A、B节点每次通信的开始时间和结束时间。表1和表2中仿真出的数据与由链路特性推导公式得出的理论值是吻合的，验证了本文推导出来的链路特性公式是可行的。表1RB=7s时每次接触的时间k1234567891011121314151617181920Ts092128364549566372849199108112119126135147154Te41123323946505967748695102109113122130137149158Te-Ts42243113422431134224图5、图6分别显示了在2组参数下，A、B节点在20次通信里，每一次通信的持续时间。表2RB=5s时每次接触的时间k1234567891011121314151617181920Ts010182027303640455563657275818590100108111Te414192319323941495964687477848694104109113Te-Ts44132231441322314413图5 RB=7s时通信持续时间图6 RB=5s时通信持续时间图7 RB=7s时通信时间图8 RB=5s时通信时间通过对2组参数下的仿真图比较，可以得到：A、B节点周期地通信，每次通信的持续时间也是周期性地变化。在相等的时间内，其他参数不变，RB越小，通信的频率就越高。2节点周期越小，苏醒时间越长，可以通信的机会就越大，是最为理想的链路状态。4 结束语文中简要地介绍了DTN 的特点，分析了DTN的连接间断统计特性，并对其进行了仿真。对MATLAB仿真数据分析，得出了链路间断随时间变化的规律。理论结合实验的分析方法可以帮助更好地了解链路的内在规律，从而预测它们的发展趋势。而这些规律，为路由的选择提供了依据。今后的工作将利用文中提出的规律设计路由，使路由可以根据链路间断连接表，选择最优化的路径，以最大可能地确保链路的连接，达到优化。参考文献：1FALL K. A delay-tolerant network architecture for challenged internetsA. Proceedings of ACM SIGCOMM03C.2003.27-35.2JAIN S, FALL K, PATRA R. Routing in a delay tolerant networkJ. ACM SIGCOMM, 2004, 34(8-9): 145-158.3LEGUAY J, FRIEDMAN T, CONAN V. Dtn routing in a mobility pattern spaceJ. ACM SIGCOMM Workshop on Delay Tolerant Networks, 2005.4侯蓉晖，史浩山，杨少军. 无线传感器网络链路统计特性研究与应用J.系统仿真学报，2007, 19(7): 1507-1511HOU R H, SHI H S, YANG S J. Research and application of wireless sensor networks link statistical characteristicsJ. Journal of System Simulation，2007,19(7):1507-1511.5薛静锋，陆慧梅，石琳. DTN路由技术研究综述EB/OL. , 2007.XUE J F, LU H M, SHI L. Research overview of routing technologies in the DTN EB/OL. http: /www. , 2007.6罗志华. 无线传感器网络MAC层协议研究D.北京邮电大学, 2006.LUO Z H. Research on MAC Protocols for Wireless Sensor NetworksD. Beijing University of Posts and Telecommunications, 2006.作者简介：李云（1974-），男，四川西充人，博士，重庆邮电大学教授、硕士生导师，主要研究方向为宽带无线接入、互联网技术。王晓英（1982-），女，山西交口人，重庆邮电大学硕士生，主要研究方向是无线信息网络。刘占军（1975-），男，河北保定人，硕士，重庆邮电大学讲师，主要研究方向为无线网络。 周亚辉（1981-），河南周口人，重庆邮电大学硕士生，主要研究方向是无线信息网络。（上接第231页）参考文献：1任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络J.软件学报,2003, 14(2): 1148-1157.REN F Y, HUANG H N, LIN C. Wireless sensor networksJ. Journal of Software, 2003,14(7):1282-1291.2王福豹,史龙,任丰原.无线传感器网络中的自身定位系统和算法J.软件学报,2005,16(5):857-868.WANG F B, SHI L, REN F Y. Self-localization systems and algorithms for wireless sensor networksJ. Journal of Software, 2005, 16(5): 857-868.3NICOLESCU D, NATH B. Ad-hoc positioning systems (APS)A. Proc of the 2001 IEEE Global Telecommunications ConfC. San Antonio, 2001.2926-2931.4NICULESCU D, NATH B. DV based positioning in ad hoc networksJ. Journal of Tele