基于BA无标度网络的传输容量优化策略研究

摘要

当今人们的生产生活与通信网络、交通网络、电力网络等各类基础设施网络密切相关，这些网络最重要的功能是传输，包括数据、物资、电能等等。社会已经进入一个大数据、大流量时代，例如：随着信息技术的飞速发展和网络娱乐项目的日益丰富，上网用户数量不断增多，网络数据量呈爆炸式增长；随着社会经济水平的普遍提高，道路车辆数目显著增加，车流量居高不下。这些变化导致大量传输无法及时完成，从而产生网络拥塞。网络传输容量是网络在不发生拥塞的情况下，能够处理的最大流量，提高网络传输容量是缓解网络拥塞的必要手段。 随着小世界特性和无标度特性的发现，复杂网络的研究得到了快速发展，复杂网络理论成为理解和描述实际网络性质和功能的基础工具。通过分析网络上数据流的动态传输过程，使用复杂网络模型对其进行建模，提出能够有效提高网络传输容量的策略，从而减少拥塞现象的产生。目前，影响网络传输容量的因素主要有三种：网络拓扑结构、路由策略和资源分配。在本文的研究中，假设网络资源无限多且分配均匀，重点从优化网络拓扑结构和路由策略两个角度进行分析和研究，提出了两种有效的策略来提高网络传输容量。本文的主要工作如下： （1）优化网络拓扑结构，提出一种有效的删除边策略。该策略结合局部中心性和接近中心性两种中心性度量方法，同时考虑了网络的局部信息和全局信息。通过适当删除网络中一定比例负载较高的边，使得数据流绕过中心节点，选择其他负载较低的边进行传输，从而使网络中数据流分布趋于均匀，网络整体性能得以提高。仿真实验结果验证了该策略提高网络传输容量的效果，在BA无标度网络上，采用最短路径路由策略，将其与现有的三种删除边策略进行对比，实验结果表明：本文提出的删除边策略比其他三种策略提高网络传输容量的效果更好，但是平均最短路径长度并没有比其他策略更大。 （2）优化网络路由策略，提出一种基于最大介数的改进路由算法。由于最大介数与网络传输容量成反比，最大介数的最小值即为提高网络传输容量的最优值。本文通过改进最优路由策略，得到最大介数的近似最小值。该算法在每次迭代中将介数值接近最大介数的节点权重增加，使得通过中心节点的路径上的节点权重之和相对较大，但是数据流总是选择节点权重总和最小的路径进行传输，因此，使用该算法会使数据流绕开中心节点，从而降低了网络拥塞。仿真实验结果表明：该算法加快了最大介数的收敛速度，减少了收敛时间，并且不以降低网络传输容量为代价。

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