网络虚拟化在城轨车地通信综合承载系统中的应用研究

摘要

现如今，轨道交通已成为城市公共交通的命脉，在城市运行中发挥着越来越重要的作用。在当前形势下，中央到地方各级政府对城市轨道交通运营安全方面投入更多的关注，并且也成为研究人员和学者关注的重点。
　　其中，车地无线通信是城市轨道交通安全运营的重要组成部分，承载了基于通信的列车运行控制系统、列车运行状态监测系统、轨道交通乘客信息系统和车辆视频监控系统等系统的业务数据。但是，这些系统采用各自独立的车地通信系统建网，这会造成各系统对无线频谱资源激烈的争抢，同时重复的投资和建设通信基础设施，带来许多困难维护这些基础设施。为保证城市轨道交通运营安全，迫切需要整合车地无线通信生产业务综合承载需求，建立基于城市轨道交通车地通信综合承载系统。有研究表明，长期演进技术(Long Term Evolution，LTE)适合综合承载，但是需要对线路进行完全改造，这将带来更大的改造成本。除此之外，LTE各业务没有有效的隔离，对资源的竞争非常大，难以保障各业务的服务质量（Quality of Service，QoS）需求，因此本文提出将网络虚拟化技术应用于城市轨道车地通信综合承载系统，在不改变现有线路通信设备的前提下还能有效隔离各业务传输，保障QoS需求。
　　论文的主要研究内容如下:
　　(1)为城市轨道交通设计了一个集成的车地通信系统，这个系统应用无线网络虚拟化技术，将城市轨道交通不同子系统的业务数据用一套通信网络传输。实现一张网络同时承载多种业务的要求，降低建设和运维成本，提高频谱等资源利用率，并且可以支持多种无线接入技术如WLAN和LTE。
　　(2)为了满足本文设计的基于无线网络虚拟化技术的车地无线通信综合承载系统中通信中各业务的QoS需求，提出了一种基于负载均衡、公平性和QoS保障的无线虚拟资源分配算法。同时，定义了一个QoS满意度等级(QoS Level，QoSL)，这将不同用户的QoS需求转换成不同的速率要求，从另一个方面反映用户的满意度。最终的优化目标是以公平性驱动的优化函数并兼顾各小区的负载情况，来保证整个网络不同用户的QoS需求。
　　(3)此外，随着分布式凸优化的进一步发展，本文基于交替方向乘子法(Alternating Direction Method Of Multipliers，ADMM)开发一个有效的分布式方法解决无线虚拟资源分配方案。仿真结果表明，所设计的车地通信综合承载系统中各业务QoS要求可以被有效地改善。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 城轨车地通信技术的发展

1．3 国内外研究现状

1．3．1 城市轨道车地通信业务系统研究现状

1．3．2 网络虚拟化在通信系统中的研究现状

1．4 选题的目的和意义

1．5 论文主要内容和结构安排

2 城轨车地通信业务QoS需求分析及系统QoS保障机制

2．1 城轨车地通信业务QoS需求分析

2．1．1 CBTC车地无线通信需求

2．1．2 列车运行状态监测车地无线通信需求

2．1．3 IMS车地无线通信需求

2．1．4 PIS车地无线通信需求

2．1．5 车地无线承载业务QoS汇总

2．2 城轨车地通信系统QoS保障机制

2．2．1 WLAN的QoS机制分析

2．2．2 LTE的QoS机制分析

2．2．3 总结分析

2．3 本章小结

3 城轨车地通信综合承载系统架构设计

3．1 无线网络虚拟化引入车地通信综合承载系统的原因

3．2．1 无线网络虚拟化的产生

3．2．2 无线网络虚拟化的定义

3．2．3 无线网络虚拟化的模型

3．2．4 无线网络虚拟化技术要求

3．3 基于无线网络虚拟化的车地通信综合承载系统架构设计

3．3．1 应用无线网络虚拟化技术在地面基站

3．3．2 车地通信综合承载系统基本架构设计

3．4 本章小结

4 城轨车地通信综合承载系统虚拟资源管理建模和优化

4．1 车地通信综合承载系统基本模型

4．1．1 列车移动模型

4．1．2 传输速率模型

4．1．3 无线网络虚拟化模型

4．1．4 传统列车接入基站模型

4．2 基于负载均衡、公平性和QoS保障的资源分配优化算法

4．2．1 资源分配模型的建立

4．2．2 资源分配模型的转换

4．2．3 资源分配模型的求解

4．3 本章小结

5 仿真验证和结果分析

5．1 仿真模型设计

5．2 仿真性能分析指标

5．3 仿真参数及仿真流程

5．4 仿真结果及分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集