交替活跃模式的部分连接网络路由分析教学内容.docx

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摘要

Adhoe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 hoe网络可分为完全连接网络和部分连接网络。现有的Ad hoe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 交替地处于体日鼢活跃工作模式，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“存储一等待一转发”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

I

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空营活跃模式的部分连接网络髂由研究- 摘要

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笑系路由协议。该协 议在可容忍豹延迟时嬲内将数摆包沿着缎关系规定鲍方向转发，能够显著降{篷路由失效 的概率并提高包递交率，从而逡用于其肖较高休眠程度的嬲络。通过引入基予组序列的 异步转发过稷。缩短了逐跳等德拜重闻，降低了端至《端延迟。在一个巍多秘无线驳入式终 端缀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 楣必应用，实现了控镥8信号的W靠传输。
(3)设计了组美系路由协议的优化机制 以交替潞跃模式的部分连接网络模型为基础，本文对组关系路出协议进裙了改进优
纯。提出了多永位线数据包拼搂算法，该算法和掰路由选撵过程中酌等待时间片段对缓 存数据包进彳亍优化处理，显著降低了碎片包的数擞和传输功耗；给出了合理等待时间片 段豹估计方演移基予预溺摸受酌包谲凌箨法，路淑漭议的镪递交率街至§有效摄商：提出 了鼹于簇内相位同步和簇间相饿差分的生动体眠调度算法，该算法在不降低节能效果的 毒荸援下，绣缝了转发路径中平均等待次数稆等褥辩闻，降鬣了路由稳议懿平蠲端至l端延 迟。

关键词：Adhoe网络；部分连接网络；交替活跃横式：网络模型；路由协议

Ⅱ

Abstract

Ad hoe networks carl be set up dynamically in places where no networking infrastructure is availableand will be widely used in the future．According to the connectivity ofthe network in realistic scenarios,ad hoe networks call be classified in two groups：partially connected networks and fully connected networks．Most of耐毗培ad hoe routing techniques are designed for fully connected networks,and will fail in partially conneePod networks．Research of routing for partially connected networks focuses oll communication in the cases where a
fully connected path betwe∞soorca and desdna6∞may notes exist This research is
importantforadhocnetworkstobedeployedoverawide rangeofapplicationclasses．
In many seenarlos such as monitoring ofcoal mine or farmland,nodes seldom move and may switch from sleeping to wakin8 mode aitematdy to minimize power consumption． Sleeping of nodes may break the eonnnctivily of networks．The networks then fall into cat键pry of partially connected networks,and are named partially connected networks in altemately acdve mode．Most ofthe pr纠ious work is for partially connected mobile networks, whileworkforpartiallyconnectednetworksin alternately activemodeisscare．e．
This thesis focuses intenslvdy on the analytical model，protocol designs and opfmizatiou schemes for partially connected networks in alternately active mode．An anaiyfical network model for such networks is proposed．Numerical analysis is conducted on the relationship among sleep parameters,performance of routing protocols and enogy consumption．On t11e basis of network model，a new routing protocol is designed to achieve reliable routing in
networks with hi曲sleeplwake ratio．Based on the result of nnmefical analysis,several
improved schemes such as packet processing,packet scheduling and sleep scheduling ale in甘oduced to the protoc01．Simulation and theoretical analysis validate the designs．The major achievements 0fⅡle thesis are described as following： (1)Proposinganetworkmodelforpartially connectednetworksinalternatelyactivemode
删s thesis deduces the formula of packd delivery ratio in the progress of multihop
“store-wait-forward"in partially connected networks in alternately active mode．Numerical analysis is conducted Oll the relationship among network parameters,power consBinptiou and performance ofrouting protocols such as packet delivery ratio and delay．A method for setting
ofthe parametersisin删uced．As anindependenttoolkit,this analyticalmodel canbe applied
to research ou optimization of routing protocol and deployment of networks to reduce the
w谢tng load of sjmulation．A theoretical criterion for applicability of routing protocol is
providedintheprocessofadhoenetworksinpowersavingmode．

IⅡ

交替活跃模式的部分壤楼州珞路由研究： Abst黼t

(2)Designing a group relation routing protocol for partially connected networks in alternately

ac6ve mode

Thethesisdesignsagrouprelationroutingprotocolwhichtakesgroup sequence诅s routing mettle．This protocol call route the packets to destination in the direction specified by the group sequence and achieve甄旗packet delivery ratio with low probability of forte failure．This protocol is suitable for ad hoc networks with hi曲sleep／wake ratio．An asynchronous
forwarding scheme is designed tO decrease the delay卿翻pef hop and the end-to-end dday}
A remote controlling system for electric appliance is implemented OVer the network composed

ofseveral kindsofembeddedterminals．This system car provide an accurateand reliableway
|o control the dearie appli2．nce．
O)Proposingoptimization schemesforthegroup relation routingprotocol
Based on the粕越拜融modd，the thesis develops schemes to enhance the perforate of thegroup relation routingprotocol。Analgorithmisproposedtomergepackets duringthedelay periods in the rmfing progress，This algorithm call eliminate chippy packets thus minimize
energy cc积舢pd011．An evaluation of reasonable delay period is given．A probabilisfie
model-based packet scheduling scheme is introduced tO increase the packet ddivery ratio．A cluster-based sleep scheduling algorithm is proposed tO decrease the列ay喇翻per hop and
the end-to-end delay without sacrificing the effectiveness ofenergy saving．

Keywords：Ad hoc networks,Partially connected networks．Alternately acdve mode,Network model。Routing protocol

IV

图目录

图2．1 DTN网络的多重瞄模型 ．．12
嗣2．2却idemie潞出协议的转发过程 13

圈3．1移动和交替活跃对路幽的影响 。 32

攫3．2交骜涯毁摸型豹状态转移匿 瘸3。3枣{孛发生嚣约装态转移图 翻3．4髓税事件流强 ．．

鬻3．5节点耜避进程表拳舞麓祝事捧滚围觞叠麓 图3．6部分连接方式和究全连接方式的随机攀件流图 36 躅3。7完垒连接方式路由转发过稳
豳3．8部分连接方式路幽转发过程 ，，39
鞫3．9端癸连接方残蹊蠢转发过稷獬墅

翅3+10等铸过程嚣对弱长度滓裂

黼3，II究全连接方式的两躐模塑 稻

掰3．12多服务窗蠲舍式摆飘漠簦M／M／n／n／n状态流鞠 ， 43

圈3．13究全连接多跳模型 44

堕3．14郝分述缓多跳模塑 。 ．．45
躅3。15瓤分连接方式转发滚程图 ， 45

鹜3．16落分连接露式转发鹣获态转移强 。 。

鬻3．17体眠攀豹彩嫡一．．
圈3．18雠交率AP随∥，T变化的曲面 ．5l

霉3．19名、n_酾T～定融，活跃率芦的影蛹 蹬3。20 p嚣定避，交彗凝枣嚣影嗡

IX

盘替活敝模戒的部箭连接佴9络绝蕞系路由研瓶：髓目录

闼3，21口不潲时，交臀频率影响程度的麓异 。 ¨． 。

鞠3 22节缝髑子的影响 。 ．．．+。 54
阁3+23不同的包递交攀约束T，p嗣T参歉设嚣豹对照 54

鬣3．24系统容忍延迟的影响。 ．．55

黼3．25麓蕊蠢子稻晌艨速度的约柬下酶彀能分商曲面 ．．．． s6 翻3．26网络规模的影响 。 +．56
嬲3。27调节绱眠时间肆调节潺躜对蛹豹皴累比较 ．，． 。s7 躅3．28初婚配置方案f砖t—l。◇l，800，loj鳇敏感性分摄 翻3．29葡始畿置方案{nr，一}t{lO，60，10j静敬感往分析 ，．59
瞄3．30无线节点工作捩态转换图 ．。61

围3，3 l不同负载下，v节能因予与功耗的关系 。 一．．62 鼹3．32节妲隧予与燕技次数躺笑系 ，， ． +． ． ． 。 ，．《}3 燃3．勰交姥鼷率对劝糕躲影响 ．。．。+．64
强3．34竞垒迸棱方式葫耗势布曲面 ¨． ， ．．+．．．65

翻3．35豁努连接方式璃耱务帮魏面 ．．，．。。65

翻4．1节点集合增强路由鲁棒性 ． ．．69

翻4。2路裰和缀关系链的对醢： ． ．．7{

图4．3组成员的变化 。 。 一。，．。．．，，，。。．，一+75 髫4。4组美鬣链生或过糕 ～ ．．， 。 ．粥 髫龟5缝关系鼹壹蛰议巾下～虢选择蔻爨豹确定 ．，79
鹜重6组关系裢覆盏静藏围 ～ 。 ．知 ．79 銎4．7基于缀焚系键麓路由过程流程雷 。 ．；．． ， 图4．8基f组荚系链的转发过程流程图 ～ ．．82 隧t 9基于缀关系链翦转发过程
图4．10路成I协议约组织结构图 。．

X

交嚣蕊蔽模武的髂势连臻辑络龉击礴巍t蓬蓑

翻4。11协议实现熬路交转发避翟状态转换图 84
爨4．12骶蹬段法镳谤Epidc∞aic终议牲憩 ，． 图4．13协议转茨j童程酌方1笱髋 86
搿4，14路囱节赢的待真禳鍪酶结秘黼 。

图4f 15仿真模型gpr route模块状态转移圜 ．

圈4，16傍真实验50蔼点魁密拓扑躅 ．。 ．+．．89

蹬4，17 GPR-写Epidemic瓴递交事仿真结果比较，场景k a=50·场景2；n=g 90
翻4．18 GPR-与Epidemic警麓逛迟耱囊结果珑羧t场景h n=50·场景2；郦 。9l

瑟5．1秘络中的毽范集理馨 ．． ．。．。。，94

图s．2多水位线数据包拼接算法流程街一 。 ． 翻5．3不同输出缀合的包掰接利用率和输出髓数麓 ．1∞
尉5．4数据包处理前后的节点平均功耗 ．．．．．103 强5。5不嗣猝黠包平均长艘对应的簸毽效果 104 翻5，6 DWA算法淀程 ～
隧5，7骰梢模鹫的拣态转移嚣 ． 蹒5+8／t=1／10，毒=11100对，不菇餐嚣延避瓣斑包递交率仿囊绻累 ．，， lll 图5．9静态调节和DWA渊节的端到端延迟仿真结果 ． 112 凰5．10静态调节和DWA调节静蒌镪率仿真络象 一 ．．112
嬲5．11有等德转发过程 强5。12冤霉待转笈过程
滗5．13蛹§l翡筵迟T蘸努京藕鼗 ．． 116

圈5，14体眠相位麓较大盼情况 。 ．．． ．． ．．119

图5。15体眠相位麓较，j、盼诲隧 ，，119

图5．16相位周步时的平均端gⅡ端延迟 ， 120

辫5。17差癸掘貔鞠多缀流水线豹辩穿过程

姑

空曾活跃掇式的嚣分连接网络组关蒜路由橱f究： 图目录

图5．18差分相位差设鼹为1，(H’∥)的平均端到端j《迟 墅5。19簇内疑糍继，簇痰差分摆袋妁转发过程 ，
蟹5．∞簇内调带羲基延迟分蠢函数 ．．123

舀5，21分簇调节对琵遮的改善效粜 。 ，．125

避

表县豢

表3．{毒惑不弱敝素瓣逶舔爨穹孳号表 3l

袭3．2交替活跃模式鹣终参数袭

表3．3∥、n和T～定，活跃率A变饱参数表 ．．49

褒3．4 A、n和T～定，瓣跃攀乒变诧参数表

滚3，5 p露定蛙，交螯鞭鬻参数表
袭3．6三兰元组(nt^}元素的变化组台袭 58

表3．7秃线传感器节点功耗参数表

袭3．8 802．11无线蹲书功耗参数表 60

裘3．9袋蚤模型荚键参数裘

凌4．I梵静落努建接隧终璐蠹貉议垂喜跑较．．．． 。

褒5．1输入包，输出包的参数表 102

表5．2主动谴度耧旋劝谭腱的体醌调整辖法对照襄 118

袭5．3不同调节方法的延避比较表 ．，． ．¨． ．123

声 明

我声明本论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：多。砑、 日期：2。。降堂_E1引。a

论文版权使用授权书

本人授权中国科学院计算技术研究所可以保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和电子文档，允许本论文被查阅和借阅，可以将本 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编本论文。
(保密论文在解密后适用本授权书。)
储铭：势娠刷磁名细飙砌佴郧旧

第一章引言

1．1本课题的研究意义

相对于传统有基础设施的无线网络而言，Ad hoe网络是一种无中心结构的通信网， 能够在无需基础设施的环境下动态组网，可应用于战场、救灾、会议、野外科考等许多 场合，受到了学术界的广泛关注．在很多网络实际部署和应用中，Adhoe网络需要在有 限的电池供给条件下长期工作，节能问题显得尤为重要．休眠是一种有效的节能措施， 可以显著地延长网络寿命．RFC2501在关于路由协议性能评价的论述中指出Ad hoe路 由协议要考虑节点休眠的影响IMA]。
在某些强调节能的应用场景中，节点通常交替地处于休眠／活跃工作模式，且休眠， 活跃比率较高，这时节点的休11民会破坏网络的连通性，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。目前大多数Ad hoe路由协议(如 DSR[DJ0t]、AODV[CP991等)都是针对完全连接网络设计的．它们在部分连接网络中 性能较低，甚至无法运行ITS05]。而现有的部分连接网络路由协议大多都没有考虑节点 的休眠，对交替活跃模式的部分连接网络并不适用。本文致力于设计适合交替活跃模式 的部分连接网络的路由协议，该协议可以在获得显著节能效果的条件下提供可靠的通信
功能。本研究对于土壤监测、气象监测等能量受限制的Ad hoe网络应用具有实用意义．

目前，在部分连接网络路由协议性能分析方面，关于路由协议性能与休眠参数相关 性的理论分析十分缺乏，这给判定路由协议的适用性和评价路由协议的性能带来困难。 本文建立了交替活跃模式的部分连接网络模型，通过理论计算得NT路由协议性能和休 眠参数的定量关系，为实际Ad hoe网络组网时路由协议的适用条件提供了理论评判依 据，同时也为协议的设计提供了验证手段，具有重要的理论研究价值。

1．1．1研究的必要性

交替活跃模式的部分连接网络路由研究的必要性主要表现在以下三个方面： 1．交替活跃模式的部分连接网络在很多应用中存在，需要适合的路由协议支持 通常很多实际应用中的Ad hoe网络是资源受限制的网络，节点往往需要交替地处于
体眠状态以节省功耗，交替活跃模式的部分连接嘲络在土壤监测．气象监测、海洋监测 等应用领域都可能存在，解决这类网络的路由问题具有现实意义。

中国科学靛博士学位论交——交营话跃模式的部分连接眦咯路由研究

针对交替活跃模式的部分连接网络的特点，设计适用的路由协议可以提高具有休眠
模式的Ad hoc网络的数据通信能力，更好地满足应用对网络功耗和性能的要求。 2．实际的Ad hoc网络应用需要定量的网络模型分析 通过对交替活跃模式的部分连接网络模型的分析，设计者可以根据网络的休眠时间、
活跃时间、休眠节点数量等体眠参数对路由协议性能和功耗等指标进行估计，判断其对 应用需求的适用性。另外，不同的休眠参数产生的影响存在较大差异，依据模型分析的 结果可以对网络部署的候选方案进行比较和改进。
目前缺少针对交替话跃模式的部分连接网络的网络模型分析工作，在网络模型建立、 路由过程模拟、路由协议性能分析、网络参数求解、网络参数对比等方面的研究工作十 分必要．
3．强调节能的Adhoc网络应用需要合理的休眠调度机制 处于休眠状态的节点功耗极低，本文所述的交替活跃模式是一种让节点交替地处于
休眠／活跃状态的工作方式。具有显著的节能效果．但是节点的盲目休眠会造成延迟时间 和包递交率等路由协议性能指标的恶化，自适应的休眠调度显得尤为重要。
通过对交替活跃模式的部分连接网络路由进行研究，人们可以在路由协议性能和功 耗之间做出合理折衷，可以在达到路由协议性能和功耗要求的前提下，确定合理的休眠 参数，并设计可行的休眠调度机制。这些研究成果将有助于交替活跃模式的节能优势的 体现。

1．t．2研究面临的挑战

由于开展研究的假设前提不同，目前大部分完全连接网络路由研究成果无法直接应 用于部分连接网络路由研究中。部分连接网络路由研究刚刚起步，现有研究也主要是针 对移动Ad hoc网络的，针对交替活跃模式的部分连接网络的路由研究极少。面对实际应 用的需求，在交替活跃模式的部分连接网络路由研究中还存在诸多的理论和技术问题亟 待解决，突出表现在以下几个方面：
L目前缺少对交替活跃模式的部分连接网络路由协议性能的理论分析，难以对其适

用性进行较为精确的评价

对路由协议性能的理论分析可以为路由协议在应用环境中的适用性提供明确的判定 依据。目前缺少对交替活跃模式的部分连接网络路由协议性能的理论分析，这给协议设 计的可行性分析以及性能的评价带来了困难．现有的理论分析主要针对完全连接网络。 大多通过分析网络的连通性对协议的性能进行估计[DT04，NS03等】。然而部分连接网
络的连通性较差，连通性不能正确反映协议的性能。而且部分连接网络路由协议同完全

2

第一牵{涛 连接瓣络爨盘蛰议骞显善差躐，瑾论分挥嚣诗雾方法＆蠢缀夫苓麓。铮霹完全j奎接嬲络
的理论分析不适用r部分连接网络。而现有的部分连接网络路由协议性能的理论分析主 要疆究繁焱戆咎动梭霹性能熬影嫡，没毒考瘩警蠡彝眠豹羯题，其分辑方法苓适建予交 酱活跃模式的部分连接网络。节点体眠的周期、交替频率、休眠比恻、休眠节点数量等 参鼗蠡会对郏努连接鼹络路囊协议矬辘产生影响。对交磐活跃摸式熬部努述接嬲终鼷出 协议性能的理论分析难度较大。
2。瑰蠢躲部分连接网终蹿出协议建交替溪跃罄￡式匏螂分连接掰缮中蒡累逶用 在很多交替活静∈模式的部分连接网络应用场景中(如土壤监测、气象监测等)’通常
节点不需要移动或者无法移动。现有的部分连接弼绍路鞋l协议大多是针对移动的都分连 接两络设计的，没有考虑节．彘休眠造成的影响。协议往谯依赖节点的移动酞沟通瞬瞎的 各个连通分支，或{辑4用移动过程q』的统计信息(如相遇次数等)作为路径选择的依据。 在上述节点较少移动的应焉场景中。路由选择和转发都会受翻影响。这些基于移动性的 路由协议不能很好地适用于带点移动较少的交替活跃模式的部分遴接网络。
3．交替活跃穰式的部癸连接网络路由协议设计需要糟心优纯帮完善 在交祷活跃模式的部分涟接网络路由协议的设计过檬中还存在若干技术问题需要解
决。爨舞，垂手诲议采尾异步黪转笈过程，鼗摇笆会在申蠲节点豢巢，存潞效率帮传输 澈率受到制约，对数据包进行处理是必要的；数据包在中间节点的等待时间的长短也对 端至g蒜莛逡帮包递交率产生影确，等簿瓣霹过筑霹#￡造戒进多熬叠毽，辩翔过长霹麓产 生额外的延迟，协议需要对等待时间进行估算；由于节点的交替活跃特性，协议对节点 状态鉴弱蠡孽漳曩会静戮袋误裁发，疆诤包调瘦规若|霹班掇意数据彀转发熬霹靠幢；节点 的休眠参数对数据包的转发延迟有直接影响，设计自适威的休眠调度机镕4，可以根据对 功耗殴及游议性能豹要求，逡撵逶当麴体褒参数。交巷旗跃模式熬帮分连接弼络路盎骆 议要真正走向实用化，这些都是亟待解决的问题，路由协议的设’计需要一个不断完善和 改进的过楗。

1．2本论文的创新性和定要工作概述

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，在网络模型分析、路出 协议设计、辫议优化等方面展开研究，研究残卷主要体现在以下姐个方面：
(1)建立了交替活跃模式的部分连接阿络模型 在交替活跃模式的部分遗接网络巾，体眠会对路由协议的性熊产生影响。建立网络
楱型是定嫠评价路断防议性蘸静重要手段。本文f滞交替活跃模型模拟节点的休眠过程，

3

中国科学院博士学位论史——交管活跃模式的部分连接网络路由研究

建立了交替活跃模式的部分连接网络模型，定量地分析了数据包的路由转发过程．推导 出了交替活跃模式的部分连接网络中多跳“存储一等待一转发”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。本文分析了体眠率、活跃率，休眠的 交替频率、路径长度等参数与包递交率，端到端延迟、节点平均功耗的相互关系。给出 了参数的敏感性分析，比较了参数对路由协议的性能和网络功耗影响程度，为采用休眠 模式的Ad hoe网络的休眠调度提供依据。对于给定的采用休眠模式的Ad hoe网络。可 以估计路由协议的性能，评估设计方案的优劣；当给定网络的应用需求时，可以通过该 模型计算得到参数的可行解，指导网络参数配置和调节．
(2)提出了适用于交替活跃模式的部分连接网络的组关系路由协议 本文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。
以组序列描述的路由比传统的以节点序列描述的路由更稳定，该协议能够显著降低路由 失效的概率，适应节点交替休眠造成的拓扑动态性。该协议在可容忍的延迟时间内将数 据包沿着组关系规定的方向转发，提高了包递交率．由于采用了基于组序列的异步转发 过程，该协议显著地缩短了逐跳等待时间，端到端延迟得到了有效控制。本文作者在一 个由多种无线嵌入式终端组成的交替活跃模式的部分连接网络中实现了该协议，并加载 了远程家电控制等应用，控制信号的传输具有较高的可靠性．
(3)设计了组关系路由协议的优化机制 本文以交替活跃模式的部分连接网络模型为基础，设计了组关系路由协议的改进机
制。在。存储一等待～转发”路由方式中，中问节点会缓存大量的碎片包，这会造成额 外的传输功耗，本文提出了多水位线数据包拼接算法，该算法显著降低了碎片包数量， 优化了数据包长度，有效降低了网络的功耗；针对等待时间片段长度对端到端延迟和丢 包率的影响，给出了合理时长的估计方法和基于预测模型的包调度算法，提高了路由协
议的性能；针对节点休眠偌跃时间表对节能效果和路由协议性能的双向调节作用，给出
了满足延迟要求的休眠时问表的调节方法；提出了基于簇内相位同步和簇问相位差分的 主动休眠调度算法，该算法能够在不降低节能效果的前提下，缩短了转发路径中的平均 等待次数和等待时间，降低了路由协议的平均端到端延迟。

1．3论文组织

本论文的其余部分共分为五章组织结构与章节安排如下： 第二章详细论述了部分连接网络路由、网络连通性研究现状和存在的问题，指出了
部分连接网络路由协议设计需要注意的问题，介绍了交替活跃模式的部分连接网络特征，

4

第一章引占

论述了部分连接网络路由研究所需进一步解决的问题。 第三章设计了交替活跃模式的部分连接网络模型并进行了理论分析。推导出了交替
活跃模式的部分连接网络中的包递交率计算公式，并进行了仿真验证。分析了节点休眠 参数对路由协议性能，网络功耗等的影响，并给出了应用需求约束下的参数调节方法。
第四章提出了一种适用于交替活跃模式的部分连接网络的路由协议．详细介绍了协 议的组成、路由度量、组划分、组序列生成、异步的源路由发现过程和异步转发过程等 内容．通过理论分析和仿真对该协议与Epid目nic协议进行了比较。
第五章对组关系路由协议进行了进一步的改进和优化，在包处理、包调度、休眠调

度等方面设计了相应的优化机制． 第六章总结全文，并展望下一步的研究。

第二章部分连接网络路由研究

在上一章介绍了交替活跃模式的部分连接网络特点，这类网络具有显著的节能优势， 为其设计路由协议具有重要应用价值。交替活跃模式的部分连接网络是一种部分连接网 络，目前已经有针对部分连接网络的路由协议及相关理论分析工作。本章首先对这些相 关工作进行较为详细和深入的论述。由于部分连接网络的相关研究比较有限，目前的研 究没有涉及到交替活跃模式的部分连接网络的路由问题。现有的部分连接网络路由协议 主要针对移动部分连接网络，没有考虑休眠对协议造成的影响，本章在对这些协议介绍 的基础上，分析了现有协议对交替活跃模式的部分连接网络的不适宜性．
那么是否可以设计出适合的交替活跃模式的部分连接网络的路由协议，这类协议能 够达到怎样的性能?网络模型分析是解答这些问题的有效手段．本章介绍yt觋：ff阿络模 型研究，随后针对现有路由协议和网络模型研究对交替活跃模式的部分连接网络支持不 足的现状，分析了在部分连接网络路由研究中所需的进一步工作．这些工作也是本文研 究的重点所在．本文后续章节将建立交替活跃模式的部分连接网络模型，定量分析路由 协议性能，寻求协议设计和优化的可行方法，并以此为基础设计一种新的针对交替活跃 模式的部分连接网络的路由协议。

2．1Ad hoc网络概述

大部分的无线网络技术仍然需要基础设施的支持，但在某些特殊环境或紧急情况下， 有中心的移动通信技术并不能胜任．比如，战场部署，灾难现场救助和野外科考等，人 们迫切需要一种不依赖基础设施能够快速和灵活配置的无线网络技术，Ad hoc网络就是 为满足这种特殊应用需求而产生的．
Adhoe网络的前身是分组无线网(PacketRadioNetwork)【JJ97l。早在1972年，美 国DARPA就启动了分组无线网项目PRNET，研究在战场环境下利用分组无线网进行数 据通信。DARPA于1983年启动了高存活性自适应网络项且SURAN(SurvivableAdaptive Network)[On890]，研究如何将PRNET的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。 1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统G10Mo(GloblalMobileInformationSystems) 项EI[8M96]，旨在对能够满足军事应用需要的、可快速展开的、高抗毁性的移动信息系
统进行全面深入的研究．在分组无线网不断发展的过