1、2008 年 11 月 Journal on Communications November 2008第 29 卷第 11 期 通 信 学 报 Vol.29 No.11DTN 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
2、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 ch
3、aracteristic 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 r
4、ecovery 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
5、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。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
6、。 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 tole
7、rant networks） 。 这 种 网 络 结 构 通 常 延 迟 比 较 大 、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 Talen
8、t 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)第 11 期 李云等：DTN 中链路中断特性的分析 233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 。
9、 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
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、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、R B，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)se()2),12,3/nTtRn 在上述例子中，为方便起见，假设 RB=2RA。对于更一般的情形，R A、R B 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 ，
15、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。234 通 信 学 报 第 29 卷图 2 2 个节点同步运行A、B 节点间第 n 接触开始时刻为 ，接s()NTt触结束时刻为 ，则e()Tt(2)s1
16、1,23nRe()tn2) 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。12,1,imi s()ax(),2nimTt i(3)e2,i 图 3 当 B 节点的苏醒开始时刻在 A 节点的苏醒时段内时2112imiimiAB若 且 ,1,23,n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s1()1,23niTtm(4)e24i 若节点 A 的周期小于节点 B 的周期时，同样可得当 时，n=1,2,3,12imiBi=1,2,3,s1()nTtm=1,2,3, (5)e2i(,)iAB21122imiimiBA
17、BAB若 且 时 ，,3ns1()niTt,34(6) e2m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，t 1 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，B 2m为节点第 m 次开始休眠时刻，t 2 为 B 节点保持苏醒时间段。， ， ，1iAR所 以 ， 1Ait2BmR。2Bmt3 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
18、=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
19、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。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 1 RB=7s 时每次接触的时间k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Ts 0 9 21 28 36 45 49 56 63 72 84 91 99 108 112 119 126 135 147 154Te 4 11 23 32 39 46 50 59 67 74 86 95 102 109 113 122 130 137 149 158TeTs 4 2 2 4 3 1 1
20、 3 4 2 2 4 3 1 1 3 4 2 2 4第 11 期 李云等：DTN 中链路中断特性的分析 235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
21、 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：1 FALL K. A delay-tolerant network architecture for c
22、hallenged internetsA. Proceedings of ACM SIGCOMM03C.2003.27-35.2 JAIN S, FALL K, PATRA R. Routing in a delay tolerant networkJ. ACM SIGCOMM, 2004, 34(8-9): 145-158.表 2 RB=5s 时每次接触的时间k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Ts 0 10 18 20 27 30 36 40 45 55 63 65 72 75 81 85 90 100 108 111Te
23、 4 14 19 23 19 32 39 41 49 59 64 68 74 77 84 86 94 104 109 113TeTs 4 4 1 3 2 2 3 1 4 4 1 3 2 2 3 1 4 4 1 3236 通 信 学 报 第 29 卷3 LEGUAY 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,
24、 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. http:/, 2007.XUE J F, LU H M, SHI L. Research overview of routing technologies in th
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