列车控制与服务网络流量分类与监管

摘要

经过几十年的发展，我国在高速铁路建设领域取得了举世瞩目的成就，高速列车技术领跑世界，“和谐号”和“复兴号”已经成为快速、舒适的代名词，无论是长途还是短途出行，越来越多的人选择乘坐高铁。传统列车通信网络只能保证列车控制业务的可靠传输，不能为旅客提供稳定、可靠的上网服务，但是在移动通信技术高度发达的今天，如果乘车期间无法保证旅客对网络的有效访问，那么将严重影响旅客的乘车体验，甚至造成极大的经济损失。随着5G网络的普及，车地大容量通信不再是限制列车通信网络发展的瓶颈，因此旅客服务业务和列车控制业务一体化传输已经成为解决上述问题的最佳方案。要实现列车控制业务和旅客服务业务一体化传输，需要解决的关键问题是如何构建一套完整的网络流量管理体系，在保证列车关键控制业务优先传输的基础上，最大化利用列车空闲带宽资源，为旅客提供更好的上网服务。　　本文以国家科技支撑计划课题“列车控制与服务网络(TCSN)关键技术及系统研制”为背景，研究TCSN流量分类、监管、调度和仿真等关键技术问题，给出了针对TCSN流量管理的完整解决方案。　　首先，通过分析CRH2列车控制业务应用场景和报文产生机理，建立列车控制业务流量模型；将国外公开数据和实验室抓包数据进行整合、分类，构建了旅客服务流量数据集TP-Traffic；在对TP-Traffic中旅客服务业务流量特性的分析之后，发现其报文到达间隔服从重尾分布，为建立旅客服务业务流量模型提供了重要理论支撑。　　其次，根据TCSN流量特性和传输服务质量需求，制订了针对TCSN业务的服务等级协议(SLA)和流量监管协议(TCA)；对两级令牌分配算法进行改进，设计出针对TCSN流量监管的三级令牌分配算法。　　再次，通过整合流量产生、流量识别、流量分类、流量监管、队列管理、流量调度和参数统计七大功能模块，给出TCSN从流量产生到调度出队的完整解决方案，编程实现了基于离散事件的TCSN仿真系统。　　最后，针对不同带宽资源、并发旅客数量、类处理方案、时延优先级、包丢弃优先级、监管算法、调度算法等应用场景进行仿真实验，通过对实验结果的分析验证了TCSN流量管理方案的有效性和实用性，并给出了不同应用场景下各个模块的最佳参数配置方案。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 课题的背景与意义

1.1.1 课题的研究背景

1.1.2 课题的研究意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 列车通信网络发展现状分析

1.2.2 列车通信网络关键技术研究现状分析

1.2.3 列车通信网络仿真研究现状分析

1.2.4 现有研究工作存在的问题或不足

1.3 论文的研究目标和主要研究工作

1.3.1 论文的研究目标

1.3.2 论文的主要研究工作

1.4 论文的组织结构

第 2 章 TCSN 流量特性分析、建模与分类

2.1 TCSN概述

2.1.1 TCSN简介

2.1.2 TCSN控制业务

2.1.3 TCSN旅客服务业务

2.2 TCSN列车控制业务流量特性分析与建模

2.3 TCSN旅客服务业务流量特性分析与建模

2.3.1 TCSN旅客服务流量数据来源与预处理

2.3.2 流量特性分析数学基础

2.3.3 TCSN旅客服务流量特性分析与建模

2.3.4 TCSN旅客服务流量特性与流量模型总结

2.4 TCSN流量分类与标记

2.4.1 TCSN流量分类

2.4.2 TCSN流量标记

2.5 本章小结

第 3 章 TCSN 流量监管

3.1 TCSN流量监管需求分析与总体方案设计

3.1.1 TCSN流量监管需求分析

3.1.2 已有的TCSN流量监管算法

3.1.3 新型TCSN流量监管算法设计

3.2 TCSN流量定量分析

3.2.1 数据准备

3.2.2 分析方法

3.2.3 TCSN流量定量分析结果

3.3 TCSN传输服务质量需求分析与SLA/TCA制订

3.3.1 TCSN列车控制业务QoS需求分析

3.3.2 TCSN旅客服务业务QoS需求分析

3.3.3 SLA制订

3.3.4 TCA制订

3.4 TCSN流量监管算法详细设计

3.4.1 TCSN流量监管总体方案设计

3.4.2 一级令牌产生模块设计

3.4.3 二级令牌重分配模块设计

3.4.4 三级令牌再分配模块设计

3.5 TCSN流量监管算法仿真分析

3.5.1 仿真实验方案及实验参数设置

3.5.2 仿真实验结果分析

3.6 本章小结

第 4 章基于离散事件的TCSN 性能仿真

4.1 TCSN仿真系统总体架构和功能模块设计

4.1.1 TCSN仿真系统总体架构设计

4.1.2 TCSN仿真系统功能模块设计

4.1.3 统计的性能参数

4.2 基于离散事件的TCSN仿真系统设计思路

4.3 TCSN仿真程序详细设计与实现

4.3.1 仿真时钟管理模块详细设计与实现

4.3.2 主控模块详细设计与实现

4.3.3 流量监管模块详细设计与实现

4.3.4 入队管理模块详细设计与实现

4.3.5 流量调度模块详细设计与实现

4.4 仿真流量产生

4.5 基于仿真的TCSN系统性能分析

4.5.1 不同网络带宽下的并发用户数分析

4.5.2 不同类处理方案下的系统性能仿真分析

4.5.3 不同监管算法下的系统性能仿真分析

4.5.4 不同调度算法下的系统性能仿真分析

4.6 根据仿真结果给出的TCSN使用建议

4.7 本章小结

总结与展望

总结

展望

致谢

参考文献

在读期间的科研工作及论文发表情况