鐵路運輸系統(tǒng)中小世界模型的研究

商君

摘要；隨著鐵路網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其抗毀性的關(guān)系進(jìn)行研究就顯得更加的重要。由于以上原因，本論文的主要話題是在路由網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建小世界模型和得到與之相關(guān)的能源效率。

在本實驗中，在NS2平臺上設(shè)置了小世界模型，并且與隨機(jī)模型對比能效，發(fā)現(xiàn)小世界模型具有更好的能效，其抗摧毀性更加優(yōu)秀。

關(guān)鍵詞：鐵路運輸系統(tǒng)；復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；小世界模型；能效

1、背景知識：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是研究復(fù)雜系統(tǒng)的一種手段，其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集中于單個節(jié)點之間的相關(guān)性，是深入理解復(fù)雜系統(tǒng)的性質(zhì)和功能的基礎(chǔ)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中有一些關(guān)鍵字：

平均最短路徑

平均最短路徑能夠很好地描述網(wǎng)絡(luò)連通性的特點。兩個節(jié)點i和j之間的距離定義為沿最短路徑連接兩個節(jié)點的邊數(shù)。平均最短路徑L定義為任意兩點之間最短路徑的平均值，可以看作

N表示網(wǎng)絡(luò)中的端口數(shù)。

聚類系數(shù)

聚類系數(shù)的特征代表了網(wǎng)絡(luò)的聚類特征。通常，有一些節(jié)點直接與節(jié)點i連接，將節(jié)點的實際邊數(shù)與可能的邊數(shù)之比定義為節(jié)點i的聚類系數(shù)，可以看作

另外，網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)c是對所有節(jié)點的平均聚類系數(shù)的計算，可以看作

N表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)。

小世界現(xiàn)象的名稱源自網(wǎng)絡(luò)，其隨著路徑長度的變化，網(wǎng)絡(luò)具有較高的聚類度，稱為小世界模型。小世界模型與其他模型不同，因為小世界模型的可加性鏈接在一個區(qū)域內(nèi)。

小世界模型可以通過連接郊區(qū)的所有節(jié)點來建立，然后連接遠(yuǎn)離所選節(jié)點的節(jié)點。圖中顯示了規(guī)則模型和隨機(jī)模型之間的差異，小世界模型的區(qū)域應(yīng)為0

NS2模擬

NS2使用TCL程序，awk是唯一的分析工具，nam被用于可視化。[2]

NS2是一個可以構(gòu)建小世界模型和隨機(jī)模型的平臺，它可以路由平臺中的所有端口，然后通過平臺獲得吞吐量和總長度。此外，NS2還可以構(gòu)建有關(guān)所有模型和輸出圖片的圖片。[3]

2、建立小世界模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包括一些采集節(jié)點、許多普通節(jié)點和一些超級節(jié)點。這些節(jié)點可以通過人工、機(jī)械、飛機(jī)分散等方式分布在監(jiān)測區(qū)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)可以由圖1看出。

小世界模型的節(jié)點分布概率p滿足0

將30個端口分為10個部分，每個部分是一個文件，其中包含5個節(jié)點的消息，消息包含節(jié)點的分布、分布的更改、節(jié)點之間的鏈接以及路由和鏈接的更改。

設(shè)置了節(jié)點分布的文件后，在不同的時間內(nèi)建立了關(guān)于改變的暫停和改變的速度的文件，只改變暫停時間和速度的值，小世界模型就可以隨著時間的推移而改變。至此，小世界模型就建立起來了。

3、結(jié)果及分析

本實驗主要在50米×50米的運動場上進(jìn)行，CBR數(shù)據(jù)大小不變，節(jié)點數(shù)為30個。

1）端到端延時分析：是指端到端延時應(yīng)用中的時間特性響應(yīng)。它包含消息傳輸過程中的所有延遲，例如發(fā)送緩沖區(qū)中的等待時間和接口中的隊列時間。數(shù)據(jù)包在傳輸過程中的延時如圖2所示。

對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的分析：吞吐量是指使用單位時間不丟失數(shù)據(jù)包的傳輸包數(shù)，吞吐量的單位是字節(jié)/秒或位/秒。吞吐量可以反映網(wǎng)絡(luò)帶寬的性能。

4、結(jié)論

從NS2平臺的結(jié)果可以很容易看出，采用小世界模型的結(jié)果比采用隨機(jī)模型的要好得多，而普通模型在各節(jié)點的時延、吞吐量和剩余能量等方面都有相似的輸出，因此小世界模型優(yōu)于隨機(jī)模型。小世界模型在能源效率方面優(yōu)于隨機(jī)模型，因此小世界模型比隨機(jī)模型具有更好的能效。

從以上結(jié)果可以看出，小世界模型既能提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率，因此應(yīng)用于鐵路運輸系統(tǒng)時，會大幅度增加鐵路運輸系統(tǒng)的抗摧毀性。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔學(xué)義，“WSN的由來以及在國外的研究和發(fā)展”，射頻世界， 2009.

[2]Hui Wang，“NETWORK SIMULATOR-VERSION2”.

[3]Li Li，“Simulation and Analysis of Wireless Routing Protocols Based on NS2.28”，2009.

（作者單位：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司）