基于交換式以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)實時通信技術(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，機車車輛的控制和診斷技術(shù)越來越先進，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。進一步提高交換式以太網(wǎng)的實時性，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WTB+

2、MVB網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)的時延上限規(guī)定分別作為低標(biāo)準(zhǔn)時延約束條件和高標(biāo)準(zhǔn)時延約束條件，以此考察在交換式以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)幀的最大端到端時延和平均端到端時延能否滿足網(wǎng)絡(luò)的實時性需求。
　　本文從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計、交換機隊列調(diào)度算法和終端設(shè)備訪問方式這三個影響交換式以太網(wǎng)實時性的主要因素出發(fā)，分別討論了提高實時性的通信技術(shù)和實時性評價方法，主要研究成果包括以下幾個方面:
　　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、時延和及時可靠性。首先按照IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，設(shè)計了具有冗余結(jié)構(gòu)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。然后提出了基于邊擴張的二元決策圖方法分析網(wǎng)絡(luò)的及時可靠性，通過理論分析和仿真實驗，驗證了給出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂休^高的及時可靠度。最后證實了網(wǎng)絡(luò)的最大端到端時延滿足本文所述的低標(biāo)準(zhǔn)時延約束條件，通過理論分析和仿真實驗，給出了滿足高標(biāo)準(zhǔn)時延約束條件的實時性改進方法。
　　2、研究了基于相對時延的終端設(shè)備到交換機的優(yōu)化分配。首先提出了基于相對時延方差

4、的終端設(shè)備到交換機分配的目標(biāo)函數(shù)，通過理論分析和仿真實驗，驗證了該目標(biāo)函數(shù)能有效降低設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸時延。然后從擴展搜索域的角度出發(fā)，提出了基于混合交叉的遺傳算法，進一步優(yōu)化設(shè)備分配，經(jīng)驗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、提出了交換機的兩級調(diào)度算法。首先在采用IEEE802.1P標(biāo)準(zhǔn)將三種列車數(shù)據(jù)（實時周期數(shù)據(jù)、實時非周期數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)）分成三個優(yōu)先級隊列的基礎(chǔ)上，提出了兩級隊列調(diào)度算法:一級優(yōu)先級

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

6、的帶寬分配策略。首先研究了基于數(shù)據(jù)類型的時分復(fù)用模型，提出了改進的Dijkstra算法設(shè)計周期數(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通信阻塞的情況，并通過仿真證實了該算法相較于RM算法能得到更小的實時周期時段的交付時間。然后研究了基于節(jié)點時分多址接入的訪問控制方式，建立了基于RTNET以太網(wǎng)協(xié)議棧的測試網(wǎng)段，通過多項測試驗證了基于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)時延，同時總結(jié)了該方法的局限性和時