一种基于节点代价与业务优先级的城轨车载业务传输方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通无线通信技术领域，尤其涉及一种基于节点代价与业务优先级的城轨车载业务传输方法。

背景技术

随着我国城镇化进程的不断提升，城市人口数量和密度日益增加，交通压力也随之剧增，传统的道路交通方式已不能满足城市化发展所带来的交通需求。城市轨道交通因其安全环保、速度高、运量大等特点已经成为目前解决我国尤其是大中型城市严重交通拥挤问题的重要手段。随着云计算、大数据、物联网和区块链等新型信息技术与城轨交通业务的深度融合，城市轨道交通系统将实现大范围、全方位和高效率的运行控制与管理，使其进一步向协同化、网联化与智能化方向发展。

传统的城市轨道交通无线网络是一种有固定基础设施的网络，这种网络通过中心节点来传输信息，中心节点之间通过电缆或光纤进行互联，各个终端直接和中心节点通信,这种网络结构依赖于基站进行通信，当基站受到干扰或者破坏时，会对网络的通信造成影响。当前，基于车车通信的列车自主运行系统(Train Autonomous CircumambulateSystem,TACS)成为了下一代城市轨道交通的重要发展方向，不同于传统的以地面设备为核心的控车方式，TACS以智能车载控制器为核心，将实现列车自主安全运行控制，进一步提升运营效率和可靠性，同时也对车车、车地等无线通信网络提出了高实时、高带宽、高可靠的通信需求。TACS中的车载设备占据非常重要的地位，其承载了多种通信数据业务，如列车运行、安全监控、列车维护等，这些实时运行控制信息需要及时传送至其它列车与轨旁系统，以满足路网对轨道列车实时状态的监测与控制，因此如何保障车载业务设备的通信需求就显得尤为重要。

近年来，自组织网络作为一种新型的网络通信技术迅速发展，它是一种去中心式的网络，在车联网、卫星通信等领域均已有广泛应用，其中一个典型应用场景就是星链计划。自组网支持设备的动态加入与删除，具备容灾与自愈功能，支持自适应选择最优通信路径，这些功能均符合下一代城轨无线通信网络需求，因此可以利用自组织网络来克服传统城轨通信系统存在的问题。此外，由于自组网的去中心式特点，可以很好地支持网络动态分簇管理，从而提高网络的健壮性与可扩展性。

目前，现有技术中的基于列车车载自组网的分簇策略包括：针对经典分簇协议LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，低功耗自适应集簇分层型协议)的不足，在簇头选举阶段与数据传输阶段做出了改进，使其时延与能耗更低；还有方案提出了一种在无线传感网(Wireless Sensor Network,WSN)下基于双簇头的非均匀分簇算法，通过主副簇头的分工协作有效延长了网络生存时间，改善了网络“热区”问题。还有方案针对车载自组网(Vehicular Ad-hoc Network,VANET)下拓扑动态变化的特点，提出了一种分布式分簇路由机制，达到了提高消息传输效率与降低时延的效果；还有方案在车联网场景下提出了一种基于簇稳定的分簇方法，可以克服车辆移动带来的拓扑变化，使分簇更稳定；Luo等将车辆的位置信息考虑在内，将地理位置划分为网格进行分簇。以上研究大部分基于固定的WSN网络或者移动车辆间的VANET网络，而目前在城轨领域的研究较少，还有方案基于WSN网络提出了一种用于最大化高速铁路网络生存时间的分簇算法，但是主要关注了网络的能耗，而没有关注网络的通信时延与可靠性；还有方案在城轨场景下同样基于WSN网络提出了链状分簇算法，但是仅用于车内关键设备的监测，没有用于改善车载业务的通信效果；还有方案在地铁车厢内试验了多种分簇组网方案以寻找通信可靠性最高的方案，但是其并没有针对时延开展研究。

上述现有技术的基于列车车载自组网的分簇策略的缺点包括：目前的轨道交通无线通信网络是一种有固定中心节点的网络，各个终端设备均直接与中心节点通信，典型的应用有WLAN，LTE-M等。在这种网络架构下，中心节点为车地无线通信网络的中枢，轨旁设备与列车的通信均要经过中心节点转发，相邻的中心节点通过核心网交换数据。因此，当中心节点受到干扰或破坏时，车地间的信息传输将无法正常进行，进而造成列车紧急制动、晚点、停运等问题，危及列车运行安全，无法满足下一代城轨通信网络需求。此外，中心节点的存在也会导致轨旁设备、核心网的部署与维护成本增大。

发明内容

本发明提供了一种基于节点代价与业务优先级的城轨车载业务传输方法，以保证列车运行中车地的低时延、高可靠通信。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于节点代价与业务优先级的城轨车载业务传输方法，包括：

将城轨车载业务按照对时延的要求进行优先级划分，按照基于代价函数的簇头选举算法从城轨车载自组网中的各个簇中选出簇头节点；

所述簇头节点对到达簇头处业务的优先级进行区分，按照基于业务优先级的低时延排队策略对不同优先级的业务进行优化传输。

优选地，所述的将城轨车载业务按照对时延的要求进行优先级划分，包括：将城轨车载业务节点按照业务对时延与可靠性的要求从高到低分为三类：严格安全类业务、次安全类业务和非安全类业务。

优选地，所述的按照基于代价函数的簇头选举算法从城轨车载自组网中的各个簇中选出簇头节点，包括：

将城轨车载自组网中簇成员节点到本节车厢汇聚节点的距离和簇成员节点到本簇的中心节点的距离两种距离因素按一定的代价因子进行组合，计算出每个簇成员节点的代价值，具有最小代价值的节点成为簇头；

簇成员节点的代价值C(i)的计算方法如下式所示：

其中(x

网络运行一个周期T后，判断当前的loss_rate是否低于c

优选地，所述的簇头节点对到达簇头处业务的优先级进行区分，按照基于业务优先级的低时延排队策略对不同优先级的业务进行优化传输，包括：

设置在基于业务优先级的低时延排队策略中按照业务优先级从高到低车载业务依次为：严格安全类业务、次安全类业务与非安全类业务，当某一优先级的业务到达收端路由器时，会等待当前正在处理的业务以及比自身优先级高的业务服务完成后，才获得服务；

对排队系统的基本参数进行定义：

1)到达率λ：指单位时间内平均到达排队系统的数据包数量；

2)服务速率μ：指单位时间内一个路由器能够处理完成的数据包数量，则排队强度ρ＝λ/μ，令L

当考虑业务优先级时，优先级为i的业务的平均排队时间W

1)到达时正在接收服务的业务的剩余服务时间；

2)已在队列中的比自身优先级高的业务的等待时间；

3)在等待过程中新到比自身优先级高的业务的等待时间；

W

在采用优先级调度时，优先级为i的业务的端到端时延为：

T

其中W

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明利用划分业务优先级与分簇自组网的方式，一方面可以保证列车运行中车地的低时延、高可靠通信，提高列车的运行安全与运营效率，满足下一代城轨通信网络需求；另一方面，无需地面基础设施，可以简化通信组网架构，减少运营和维护的成本。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种车厢内网络架构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种车地网络架构；

图3为本发明实施例提供的一种业务节点与簇头节点的分簇过程。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

自组网作为一种无中心的网络，支持车地、轨旁设备与轨旁设备之间直接通信，大大降低了通过中心节点转发所需要的时延，并且由于轨旁基础设施的精简，如LTE(LongTerm Evolution，长期演进))基站，通信网络的设备部署与维护成本也得到了降低。此外，自组网中的节点地位相同，不同节点之间可以相互辅助完成数据传输，这使得网络的抗毁性较强。

自组织网络的网络架构大致可以分为两类：平面式网络与分级式网络。其中分级式网络结构又称为分簇结构，由多个簇组成，每个簇又包含了簇头节点与多个簇成员节点。在这种拓扑下，整张网络被划分为两个等级，簇头节点的集合组成了上级网络，分属于各个簇的簇成员节点组成了下级网络。上级网络负责管理下级网络的节点，并转发下级网络的数据，分级式的管理使得网络的可管理性、鲁棒性与可靠性均较强，因此可以选择分簇式自组网作为城轨交通的通信网络。

在本发明提出的方法中，列车每一节车厢均为一个自组织网络，网络中存在的设备包括：业务节点、簇头节点、汇聚节点和无线终端。本发明实施例提供的一种车厢内部网络拓扑如图1所示，列车与轨旁网络拓扑如图2所示。各设备作用与工作方式如下：

(1)业务节点

业务节点承载了车车、车地通信的不同业务。一般可分为安全类业务与非安全类业务，其中安全类业务对时延的要求较高，非安全类业务对时延的要求较低。本发明将车载业务节点按照业务对时延与可靠性的要求从高到低分为三类：严格安全类业务、次安全类业务、非安全类业务，如表1所示。为了便于对各类型业务节点的管理，将同一车厢内所有业务节点按照业务类型分为3个簇，分别为：严格安全类业务、次安全类业务和非安全类业务。

表1：业务类型划分

(2)簇头节点

簇头节点负责簇内业务节点的业务数据融合转发与簇成员的管理，通过簇头选举算法从各个簇中选出簇头节点。本发明进行簇头选举的算法为一种基于代价函数的算法，综合考虑了影响时延与丢包率的因素，使得成为簇头的节点相比于其他节点能更有效地减小端到端时延，同时保证丢包率的稳定。此外，本发明还为簇头节点设置了一种基于业务优先级的低时延排队策略，通过对到达簇头处业务优先级的区分，使高优先级业务优先发送，可以有效降低高优先级业务的时延。

(3)汇聚节点

汇聚节点位于每节车厢顶部中央，为簇头节点的上级节点，主要作用是接收簇头和其他车厢的汇聚节点发来的数据，并将数据融合后转发至无线终端。此外，汇聚节点还负责下发本车厢簇内与簇间的时间表，各节点按时间表以TDMA(Time division multipleaccess，时分多址)的方式工作，从而避免发生资源碰撞与网络拥塞的情况。汇聚节点对不同优先级的业务同样执行基于业务优先级的低时延排队策略。

(4)无线终端

无线终端位于车头和车尾，用于汇总接收车厢发来的业务数据，并将业务数据转发给轨旁系统。当车厢的汇聚节点需要向轨旁系统发送数据时，会首先判断自身与车头和车尾处无线终端的距离，选择最近的无线终端进行数据发送，从而达到降低传播时延与发送分集的效果。无线终端、簇头节点与汇聚节点对不同优先级的业务执行相同的发送策略。

下面将介绍本发明所设计的分簇算法的具体原理。该算法包含两个部分，分别是基于代价函数的簇头选举算法与基于业务优先级的低时延排队策略。

(1)基于代价函数的簇头选举算法：该算法综合考虑了距离与丢包率两种因素，其中距离又分为两种：一种是簇成员节点到本节车厢汇聚节点的距离，另一种是簇成员节点到本簇的中心节点的距离。丢包率指的是当前簇头节点担任簇头的周期T内，该簇中簇成员节点到簇头的平均丢包率。将两种距离因素按一定的代价因子进行组合，计算出每个簇成员节点的代价值，具有最小代价值的节点成为簇头。每隔固定周期T，根据丢包率因素对当前簇头进行动态调整。具体计算方法如下式所示：

其中(x

(2)基于业务优先级的低时延排队策略：城轨车载通信网络的端到端时延是评价城轨通信性能的重要指标，主要分为发送时延、传播时延、排队时延和处理时延。其中发送时延和处理时延与信道容量和路由器的处理能力有关，传播时延与端到端距离有关。而排队时延除了受信道容量和路由器处理能力影响之外，还受网络拥塞程度等因素影响，在网络中业务类型较多、流量较大时，排队时延将极大影响时延敏感业务的通信性能，因此有必要基于不同业务对时延的需求研究相应的排队策略。

假设每一种业务数据包的长度相同，路由器处理能力相同，本发明利用M/G/1模型提出了一种基于业务优先级的低时延排队策略。在该排队策略中车载业务分为：严格安全类业务、次安全类业务与非安全类业务，对时延越敏感的业务优先级越高。当某一优先级的业务到达收端路由器时，会等待当前正在处理的业务以及比自身优先级高的业务服务完成后，立即获得服务，属于一种非抢占式的排队策略。

首先对排队系统的基本参数进行定义：

1)到达率λ：指单位时间内平均到达排队系统的数据包数量；

2)服务速率μ：指单位时间内一个路由器能够处理完成的数据包数量，则排队强度ρ＝λ/μ。此外，令L

当考虑业务优先级时，优先级为i的业务的平均排队时间W

1)到达时正在接收服务的业务的剩余服务时间；

2)已在队列中的比自身优先级高的业务的等待时间；

3)在等待过程中新到比自身优先级高的业务的等待时间。W

因此在采用优先级调度时，优先级为i的业务的端到端时延为：

T

其中W

下面提供一种基于节点代价与业务优先级的城轨车载自组网分簇方法实现方法，如图3所示，为基于城轨车载业务优先级的分簇路由方法中占据重要地位的业务节点与簇头节点的具体工作流程，其包括以下步骤：

步骤一：初始阶段：将网络进行初始化，同时设定一个定时器并清零，此时所有业务节点均不属于任何一个簇；

步骤二：泛洪阶段：网络中所有业务节点通过泛洪的方式广播数据包，其中包含自身的业务类型、地理位置、IP地址等信息，直到每个业务节点均知道了其他所有节点的信息为止；

步骤三：成簇阶段：业务节点根据自身业务类型，与具有相同业务类型的节点成簇，由式(1)计算自身的代价值，并在簇内广播；

步骤四：簇头选举阶段：每个簇内的节点判断自身代价值与收到其他节点的代价值，若自身代价值最小，则在簇内与簇间广播自己当选为簇头的信息，并下发本簇的时间表，簇内节点按照时间表以TDMA的方式工作；

步骤五：网络工作阶段：业务节点与簇头开始按时间表工作，将业务数据按业务节点-簇头-汇聚节点-无线终端-轨旁系统的顺序发送，同时开启计时器。在这个过程中，簇头、汇聚节点与无线终端均按照业务优先级进行转发；

步骤六：当计时器到达预定时间后，重新从簇头选举阶段向后执行。

综上所述，本发明实施例采用了分簇组网方式。汇聚节点负责管理各簇头，簇头负责管理簇内节点，簇内节点只需要维护自身与本簇其它节点之间的路由表，而不需要知道其它簇的节点信息，大大降低了网络开销。此外，当有下级节点加入或退出时，只需要对应的上级节点更新路由表，进行簇的维护即可，具备管理方便，可扩展性强的优点，这对于频繁有乘客进出的车载城轨网络来说是非常重要的。

本发明实施例采用了代价函数进行簇头选举。代价函数综合考虑了距离与丢包率来衡量每个节点成为簇头的能力，用距离因素约束时延需求，用丢包率因素约束可靠性需求。此外，网络每运行一定时间就重新选举簇头，可以及时更换不符合通信需求的簇头，保障业务数据的安全高效传输。

本发明实施例采用了基于业务优先级的排队优化方式。本发明将车载业务按照业务需求分为三类，通过排队时延算法的设计使高优先级业务始终早于低优先级业务发送，有效保证了高优先级业务的时延要求。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。