基于交換式以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信技術(shù)研究.pdf

1、隨著軌道交通技術(shù)向便捷化、舒適化、智能化方向發(fā)展，機(jī)車車輛的控制和診斷技術(shù)越來越先進(jìn)，列車控制數(shù)據(jù)越來越多，目前常用的列車通信網(wǎng)絡(luò)難以滿足持續(xù)增長(zhǎng)的大信息量的數(shù)據(jù)傳輸需求。
　　交換式以太網(wǎng)的傳輸速率高，成本低，且基本解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的不確定性問題，因此成為未來列車通信網(wǎng)絡(luò)的主要解決方案之一。進(jìn)一步提高交換式以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，是將其應(yīng)用于列車通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)問題，本文基于此開展研究。
　　本文將IEC61375標(biāo)準(zhǔn)對(duì)WTB+

2、MVB網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延上限規(guī)定分別作為低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延約束條件和高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延約束條件，以此考察在交換式以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)幀的最大端到端時(shí)延和平均端到端時(shí)延能否滿足網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性需求。
　　本文從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、交換機(jī)隊(duì)列調(diào)度算法和終端設(shè)備訪問方式這三個(gè)影響交換式以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的主要因素出發(fā)，分別討論了提高實(shí)時(shí)性的通信技術(shù)和實(shí)時(shí)性評(píng)價(jià)方法，主要研究成果包括以下幾個(gè)方面:
　　1、定量分析了基于交換式以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)的最大端到端

3、時(shí)延和及時(shí)可靠性。首先按照IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，設(shè)計(jì)了具有冗余結(jié)構(gòu)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。然后提出了基于邊擴(kuò)張的二元決策圖方法分析網(wǎng)絡(luò)的及時(shí)可靠性，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了給出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂休^高的及時(shí)可靠度。最后證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)的最大端到端時(shí)延滿足本文所述的低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延約束條件，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，給出了滿足高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延約束條件的實(shí)時(shí)性改進(jìn)方法。
　　2、研究了基于相對(duì)時(shí)延的終端設(shè)備到交換機(jī)的優(yōu)化分配。首先提出了基于相對(duì)時(shí)延方差

4、的終端設(shè)備到交換機(jī)分配的目標(biāo)函數(shù)，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該目標(biāo)函數(shù)能有效降低設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。然后從擴(kuò)展搜索域的角度出發(fā)，提出了基于混合交叉的遺傳算法，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備分配，經(jīng)驗(yàn)證該算法能加快收斂速度，提高最優(yōu)適應(yīng)度值和平均適應(yīng)度值。
　　3、提出了交換機(jī)的兩級(jí)調(diào)度算法。首先在采用IEEE802.1P標(biāo)準(zhǔn)將三種列車數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)周期數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）分成三個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的基礎(chǔ)上，提出了兩級(jí)隊(duì)列調(diào)度算法:一級(jí)優(yōu)先級(jí)

5、-時(shí)間片調(diào)度算法解決了不同隊(duì)列的調(diào)度順序問題，二級(jí)最小截止期調(diào)度算法解決了實(shí)時(shí)隊(duì)列里的截止期較小數(shù)據(jù)的優(yōu)先調(diào)度問題。兩級(jí)調(diào)度算法既保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送不會(huì)受到非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的阻礙，又兼顧了實(shí)時(shí)周期數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)的發(fā)送，同時(shí)能保證具有較小截止期的實(shí)時(shí)周期數(shù)據(jù)得到優(yōu)先發(fā)送。然后在兩級(jí)調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，提出采用G/D/1排隊(duì)論進(jìn)行平均端到端時(shí)延分析，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)的平均端到端時(shí)延滿足高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延約束條件。
　　4、研究了兩種基于時(shí)分復(fù)用技術(shù)

6、的帶寬分配策略。首先研究了基于數(shù)據(jù)類型的時(shí)分復(fù)用模型，提出了改進(jìn)的Dijkstra算法設(shè)計(jì)周期數(shù)據(jù)調(diào)度表，該算法考慮了鏈路資源受限和防止交換機(jī)通信阻塞的情況，并通過仿真證實(shí)了該算法相較于RM算法能得到更小的實(shí)時(shí)周期時(shí)段的交付時(shí)間。然后研究了基于節(jié)點(diǎn)時(shí)分多址接入的訪問控制方式，建立了基于RTNET以太網(wǎng)協(xié)議棧的測(cè)試網(wǎng)段，通過多項(xiàng)測(cè)試驗(yàn)證了基于TDMA的帶寬分配策略相較于以太網(wǎng)+TCP/IP協(xié)議棧能降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，同時(shí)總結(jié)了該方法的局限性和時(shí)