CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)跨層設(shè)計(jì)研究.pdf

1、作為軌道交通系統(tǒng)的中樞和大腦，列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)控制列車(chē)運(yùn)行速度和方向，確保列車(chē)間保持安全的間隔，在保證列車(chē)行車(chē)安全的前提下提高軌道交通系統(tǒng)的效率。隨著通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)生了根本變化，逐漸由傳統(tǒng)的基于軌道電路的列車(chē)控制向基于通信的列車(chē)控制(CommunicationBased Train Control，CBTC)方向發(fā)展。
　　CBTC系統(tǒng)中的車(chē)地通信系統(tǒng)將車(chē)載和地面控制設(shè)備聯(lián)系在一起，保障列車(chē)高效、安全運(yùn)

2、行?；贗EEE802.11協(xié)議簇的WLAN，由于其在頻段開(kāi)放、安裝維護(hù)方便、標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、商用現(xiàn)成品成熟等方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛被城市軌道交通CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)所采用。然而，由于基于IEEE802.11協(xié)議簇的WLAN并不是為移動(dòng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸所設(shè)計(jì)的，其作為CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)列車(chē)離開(kāi)一個(gè)AP(Access Point)的覆蓋范圍進(jìn)入另一個(gè)AP的覆蓋時(shí)，將會(huì)有一個(gè)切換過(guò)程。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果都表明，這一切換過(guò)程可能導(dǎo)致幾百毫秒甚至幾

3、秒的通信延遲。這么長(zhǎng)的通信延遲將會(huì)影響高密度行車(chē)時(shí)CBTC的服務(wù)質(zhì)量(Qaulity ofService，QoS)。
　　本文針對(duì)基于WLAN的CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)中存在的切換異常問(wèn)題，設(shè)計(jì)了更加適合于車(chē)地通信環(huán)境的通信系統(tǒng)協(xié)議棧。通過(guò)跨層設(shè)計(jì)方法，首先映射CBTC系統(tǒng)中隨機(jī)的實(shí)際信道條件和高層的服務(wù)質(zhì)量之間的關(guān)系，用隨機(jī)控制優(yōu)化的方法計(jì)算得到車(chē)地通信系統(tǒng)中最優(yōu)的切換決策策略和通信參數(shù)自適應(yīng)策略。最優(yōu)策略?xún)?yōu)化了車(chē)地通信系統(tǒng)的性能，

4、提高了CBTC的服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)，本文將CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)的跨層設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)，通過(guò)映射乘客信息系統(tǒng)中傳輸視頻的服務(wù)質(zhì)量與底層的信道條件，隨機(jī)控制優(yōu)化得到應(yīng)用層的參數(shù)自適應(yīng)策略與切換決策策略，最終提高系統(tǒng)中視頻的傳輸質(zhì)量。
　　論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.設(shè)計(jì)了基于具有MIMO性能WLAN的CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)協(xié)議棧。利用跨層設(shè)計(jì)的方法，將系統(tǒng)中的切換決策問(wèn)題和MIMO參數(shù)自適應(yīng)問(wèn)題建模成一個(gè)半馬

5、爾科夫決策過(guò)程。CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)的信道被建模成一個(gè)有限狀態(tài)的馬爾科夫過(guò)程，其中信道的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率從實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)中獲得。
　　2.與現(xiàn)有的通信系統(tǒng)跨層設(shè)計(jì)不同的是，本文將CBTC系統(tǒng)中列車(chē)控制器的線(xiàn)性二次型成本函數(shù)(Linear Quadratic Cost Function)作為切換過(guò)程中的一個(gè)性能指標(biāo)，將優(yōu)化列車(chē)控制系統(tǒng)的性能作為通信系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。在基于具有MIMO性能WLAN的CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)中，根據(jù)列車(chē)控制的

6、優(yōu)化目標(biāo)，MIMO系統(tǒng)中分集增益和復(fù)用增益之間的折中得到了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　3.設(shè)計(jì)了基于傳輸層SCTP和IEEE802.11p的車(chē)地通信系統(tǒng)以提高CBTC車(chē)地通信的可用性和低延遲特性。利用跨層設(shè)計(jì)的思想，我們將該車(chē)地通信系統(tǒng)中的切換決策問(wèn)題建模成一個(gè)半馬爾科夫決策過(guò)程。半馬爾科夫決策過(guò)程的優(yōu)化目標(biāo)是求出最優(yōu)的切換決策策略以最小化SCTP通信延遲以及最大化SCTP的傳輸帶寬。深入的仿真表明，相比于現(xiàn)有的基于UDP與IEEE802.1

7、 lg的車(chē)地通信系統(tǒng)，我們提出的切換機(jī)制能顯著提高系統(tǒng)切換性能。仿真結(jié)果同樣表明，我們提出的基于SMDP的切換決策算法能顯著提高SCTP帶寬。
　　4.作為跨層設(shè)計(jì)方法應(yīng)用的擴(kuò)展。本文針對(duì)乘客信息系統(tǒng)(PassengerInformation System，PIS)中頻繁切換造成的對(duì)視頻傳輸質(zhì)量的影響，提出了基于IEEE802.1 lp的城市軌道交通PIS車(chē)地視頻傳輸系統(tǒng)，噴泉編碼(Fountain Code)作為該系統(tǒng)應(yīng)用層的前