基于交换式以太网的列车通信网络实时通信技术研究

摘要

随着轨道交通技术向便捷化、舒适化、智能化方向发展，机车车辆的控制和诊断技术越来越先进，列车控制数据越来越多，目前常用的列车通信网络难以满足持续增长的大信息量的数据传输需求。
　　交换式以太网的传输速率高，成本低，且基本解决了传统以太网的不确定性问题，因此成为未来列车通信网络的主要解决方案之一。进一步提高交换式以太网的实时性，是将其应用于列车通信网络的关键技术问题，本文基于此开展研究。
　　本文将IEC61375标准对WTB+MVB网络和以太网列车通信网络的时延上限规定分别作为低标准时延约束条件和高标准时延约束条件，以此考察在交换式以太网中，数据帧的最大端到端时延和平均端到端时延能否满足网络的实时性需求。
　　本文从拓扑结构设计、交换机队列调度算法和终端设备访问方式这三个影响交换式以太网实时性的主要因素出发，分别讨论了提高实时性的通信技术和实时性评价方法，主要研究成果包括以下几个方面:
　　1、定量分析了基于交换式以太网的列车通信网络的最大端到端时延和及时可靠性。首先按照IEC61375标准的规定，设计了具有冗余结构的列车通信网络拓扑。然后提出了基于边扩张的二元决策图方法分析网络的及时可靠性，通过理论分析和仿真实验，验证了给出的网络拓扑具有较高的及时可靠度。最后证实了网络的最大端到端时延满足本文所述的低标准时延约束条件，通过理论分析和仿真实验，给出了满足高标准时延约束条件的实时性改进方法。
　　2、研究了基于相对时延的终端设备到交换机的优化分配。首先提出了基于相对时延方差的终端设备到交换机分配的目标函数，通过理论分析和仿真实验，验证了该目标函数能有效降低设备的数据传输时延。然后从扩展搜索域的角度出发，提出了基于混合交叉的遗传算法，进一步优化设备分配，经验证该算法能加快收敛速度，提高最优适应度值和平均适应度值。
　　3、提出了交换机的两级调度算法。首先在采用IEEE802.1P标准将三种列车数据（实时周期数据、实时非周期数据和非实时数据）分成三个优先级队列的基础上，提出了两级队列调度算法:一级优先级-时间片调度算法解决了不同队列的调度顺序问题，二级最小截止期调度算法解决了实时队列里的截止期较小数据的优先调度问题。两级调度算法既保证了实时数据的发送不会受到非实时数据的阻碍，又兼顾了实时周期数据和实时非周期数据的发送，同时能保证具有较小截止期的实时周期数据得到优先发送。然后在两级调度算法的基础上，提出采用G/D/1排队论进行平均端到端时延分析，验证了网络的平均端到端时延满足高标准时延约束条件。
　　4、研究了两种基于时分复用技术的带宽分配策略。首先研究了基于数据类型的时分复用模型，提出了改进的Dijkstra算法设计周期数据调度表，该算法考虑了链路资源受限和防止交换机通信阻塞的情况，并通过仿真证实了该算法相较于RM算法能得到更小的实时周期时段的交付时间。然后研究了基于节点时分多址接入的访问控制方式，建立了基于RTNET以太网协议栈的测试网段，通过多项测试验证了基于TDMA的带宽分配策略相较于以太网+TCP/IP协议栈能降低网络时延，同时总结了该方法的局限性和时间片划分原则。
　　5、搭建了基于交换式以太网的列车网络控制实验平台。通过网络中的列车电子控制系统和PIS-CCTV集成控制系统这两个主要节点，对不同网络负载下的车辆级和列车级通信进行了端到端时延测试，给出了不同实时性约束条件下的网络占用率。
　　最后在对全文研究内容总结和思考的基础上，提出了需要进一步研究的问题。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 工业以太网在车载通信中的应用现状

1．3 列车通信网络的实时性需求分析

1．3．1 列车通信网络的特点

1．3．2 数据分类与实时性需求

1．4 以太网的实时性研究现状

1．4．1 确定性和实时性问题

1．4．2 实时性评价方法

1．5 交换式以太网的实时性研究现状

1．5．1 交换式以太网的特点

1．5．2 交换式以太网的实时性问题

1．5．3 交换式以太网的实时性研究现状

1．6 论文整体结构与主要内容

2 基于交换式以太网的列车通信网络时延分析

2．1 引言

2．2 列车通信网络拓扑设计需求

2．2．1 一般列车网络控制系统的组成

2．2．2 列车通信网络拓扑设计需求总结

2．3 列车通信网络拓扑设计

2．3．1 以太网交换机的结构和工作原理

2．3．2 交换式以太网中数据帧的端到端时延构成

2．3．3 基于交换式以太网的列车通信网络拓扑设计

2．4 列车通信网络及时可靠性分析

2．4．1 及时可靠性模型

2．4．2 基于二元决策图的及时可靠性

2．4．3 及时可靠性的仿真测试与分析

2．5 列车通信网络的最大端到端时延分析

2．5．1 网络演算理论

2．5．2 FCFS调度方式下的数据帧端到端时延

2．5．3 实时数据帧的最大端到端时延计算实例

2．5．4 实时数据帧的最大端到端时延分析

2．5．5 端到端时延的仿真测试与分析

2．6 本章小结

3 基于相对时延的终端设备到交换机的优化分配

3．1 引言

3．2 终端设备到交换机的分配优化问题描述

3．2．1 遗传算法基础

3．2．2 数据流的端到端相对时延

3．2．3 列车设备到交换机的分配模型

3．2．4 设备分配约束条件

3．2．5 基于相对时延的设备分配目标函数

3．2．6 目标函数的仿真测试与分析

3．3 基于混合交叉的遗传算法

3．3．1 编码方式

3．3．2 适应度函数

3．3．3 选择算子

3．3．4 混合交叉遗传算法设计

3．4 优化结果测试与分析

3．4．1 对标准测试函数的优化结果及分析

3．4．2 对列车设备分配的适应度函数优化结果分析

3．5 本章小结

4 交换机两级调度算法研究

4．1 引言

4．2 实时调度算法研究现状

4．2．1 实时调度算法在控制网络通信中的应用

4．2．2 优先级调度方法在交换机调度中的应用

4．3 交换机两级调度算法

4．3．1 一级调度——优先级-时间片调度

4．3．2 二级调度——最小截止期优先

4．3．3 两级调度实现

4．4 采用网络演算计算实时数据帧的最大端到端时延

4．5 采用排队论计算数据的平均端到端时延

4．5．1 交换机数据的G／D／1排队模型

4．5．2 G／D／1排队模型中的交换机排队时延

4．5．3 基于G／D／1排队模型的交换机排队时延实例计算

4．6 仿真测试与分析

4．6．1 仿真配置

4．6．2 仿真分析

4．7 本章小结

5 基于时分复用的带宽分配策略研究

5．1 引言

5．2 时分复用技术

5．3 基于数据类型的带宽分配策略

5．3．1 带宽分配方式

5．3．2 实时周期数据传输的问题描述

5．3．3 改进型Dijkstra通信调度算法

5．3．4 实例计算

5．3．5 仿真分析

5．4 基于节点的带宽分配策略

5．4．1 RTNET实时以太网协议栈

5．4．2 RTNET测试环境

5．4．3 组网实验RTT测试与分析

5．5 本章小结

6 实验平台设计与测试

6．1 引言

6．2 实验平台设计

6．2．1 列车电子控制系统

6．2．2 PIS-CCTV集成控制系统

6．3 通信测试

6．3．1 基本测试

6．3．2 车辆级数据通信测试

6．3．3 列车级数据通信测试

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 全文工作总结

7．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集