鐵路數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載均衡控制方法

謝育國

鐵路數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載均衡控制方法

謝育國

中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司, 北京 100043

鐵路數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行通信傳輸時(shí)，通信路徑選擇受到消息路由決策限制，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。為此，本文分析了GSM-R鐵路綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度通信、調(diào)度命令傳遞、列車控制信息傳遞等功能，引入BCBCA算法，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡控制。通過介數(shù)值變化對(duì)消息路由進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變，優(yōu)化源路由選擇協(xié)議；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)演化圖獲得最短時(shí)延可用的備選路徑，綜合多屬性計(jì)算各條備選路徑選擇概率，完成消息路由決策優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載的均衡控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法可有效防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，負(fù)載均衡控制效果良好。

鐵路; 移動(dòng)通信; 網(wǎng)絡(luò)擁塞; 均衡控制

在鐵路信息化不斷發(fā)展下，很多鐵路通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了集中式整合，并體現(xiàn)出了高效率管理和低成本投資的優(yōu)越性。然而由于鐵路單位整體覆蓋地域比較廣，且員工數(shù)量比較多，導(dǎo)致對(duì)鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器提出的要求越來越高，特別是鐵路信息系統(tǒng)訪問流量及數(shù)據(jù)流量不斷增大，致使單一服務(wù)器設(shè)備難以負(fù)擔(dān)高強(qiáng)度計(jì)算與業(yè)務(wù)處理需求[1,2]。由此通過負(fù)載均衡控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器吞吐量的高效提升，并強(qiáng)化服務(wù)器信息數(shù)據(jù)處理性能，成為了解決上述問題的可靠途徑。盡管越來越多智能算法用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載路由中，但是在求解多約束優(yōu)化問題過程中還是有很多不足，需要新智能法對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。

為此，提出基于BCBCA的鐵路數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載均衡控制方法，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，力求為鐵路通信網(wǎng)進(jìn)一步優(yōu)化提供可靠支撐。

1 GSM-R鐵路綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前，我國的GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)下列業(yè)務(wù)：語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其中包含點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的呼叫業(yè)務(wù)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)緊急呼叫業(yè)務(wù)、廣播呼叫業(yè)務(wù)、組呼叫業(yè)務(wù)、鐵路緊急呼叫業(yè)務(wù)和多方通話業(yè)務(wù)等；調(diào)度業(yè)務(wù)，其中包含增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)和強(qiáng)拆功能業(yè)務(wù)及語音組呼；鐵路特定業(yè)務(wù)，其中包含功能選址和調(diào)車作業(yè)等業(yè)務(wù)。該通信網(wǎng)絡(luò)是專門為鐵路所設(shè)計(jì)的，其要功能主要有：(1)調(diào)度通信：其中包含列車調(diào)度、貨運(yùn)調(diào)度和應(yīng)急通信等。(2)車次號(hào)傳輸和列車停穩(wěn)信息傳遞：該功能對(duì)鐵路運(yùn)輸管控以及行車安全等方面均有著非常重大的意義，其能夠依據(jù)GSM-R電路交換技術(shù)中數(shù)據(jù)采集傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。(3)調(diào)度命令傳遞：該功能能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度員向司機(jī)下達(dá)命令，其為行車安全最為重要的保障。(4)列車尾部裝置相關(guān)信息傳遞：把列車而尾部風(fēng)壓數(shù)據(jù)傳輸至GSM-R通信系統(tǒng)，能夠便于解決列車尾部風(fēng)壓數(shù)據(jù)的傳輸問題。(5)調(diào)車機(jī)車信號(hào)及監(jiān)控信息傳遞：該功能能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)車機(jī)車信號(hào)以及監(jiān)控信息的傳輸，還能夠?qū)崿F(xiàn)地面設(shè)備與多臺(tái)車載設(shè)備之間信息數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到有關(guān)數(shù)據(jù)庫中。(6)列車控制信息傳遞：通過GSM-R通信實(shí)現(xiàn)車地之間的雙向無線傳輸[4]，并為兩者雙向安全數(shù)據(jù)傳遞提供通道。(7)區(qū)間移動(dòng)公務(wù)的通信：該功能是鐵路通信系統(tǒng)基站，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境及無人值守要求，且在緊急條件下，相關(guān)工作人員還能夠呼叫司機(jī)，和司機(jī)之間建立通話。(8)應(yīng)急指揮通話與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：該功能是在發(fā)生緊急情況時(shí)，建立起語音和圖像等通信系統(tǒng)。

2 擁塞負(fù)載均衡控制

2.1 被選路徑集合生成

假設(shè)單一基于該屬性通過經(jīng)典最短路徑算法獲取最短延遲路徑實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可能會(huì)有部分活躍節(jié)點(diǎn)處在多條最短路徑。由此，經(jīng)過此類節(jié)點(diǎn)的流量會(huì)變得很多，節(jié)點(diǎn)消耗速度也會(huì)變得更快，以此成為傳輸瓶頸，同時(shí)使預(yù)先路由決策變得失效。經(jīng)綜合考慮，在BCBCA算法中，節(jié)點(diǎn)先基于預(yù)先得到的確定性連接構(gòu)建對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)演化圖，再以路徑到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)間為測(cè)度，利用改進(jìn)UFJs獲取備選路徑。和多部分現(xiàn)有算法基于時(shí)延或者距離等計(jì)算獲得的候選路徑有差別，此處計(jì)算同時(shí)記錄任意時(shí)刻和任意節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的前條最短路徑組成備選路徑集合J={1,2,…,J}，接著在備選路徑集合中根據(jù)一定概率確定最終路徑。

2.2 選擇最終路由

以防止依據(jù)傳統(tǒng)最短路徑計(jì)算法獲取的路徑過度集中在部分活躍節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致局部擁塞現(xiàn)象發(fā)生，利用統(tǒng)一時(shí)間段內(nèi)各條消息實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)路徑信息描述通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況。在此，定義某節(jié)點(diǎn)介數(shù)是所有消息實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)路徑集中通過該節(jié)點(diǎn)的路徑總量，同時(shí)將此當(dāng)作路由決策中的第二屬性。一條路徑中所有節(jié)點(diǎn)介數(shù)最大值即為該路徑介數(shù)。通常情況下，一定時(shí)間段內(nèi)，節(jié)點(diǎn)介數(shù)越大，則其資源消耗殆盡的概率就越大，對(duì)應(yīng)地，通過該節(jié)點(diǎn)路徑出現(xiàn)擁塞的可能性就越大。由此，路由選擇過程中，應(yīng)該在保證相對(duì)短延遲條件下極可能選擇介數(shù)比較小的節(jié)點(diǎn)組成消息轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

以得到相對(duì)精準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)介數(shù)有關(guān)信息為目的，通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)都維持了一個(gè)節(jié)點(diǎn)介數(shù)表，此時(shí)節(jié)點(diǎn)基于各個(gè)消息實(shí)際選取的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)介數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。新消息源路由產(chǎn)生或者節(jié)點(diǎn)相遇均會(huì)使有關(guān)節(jié)點(diǎn)介數(shù)值更新。假設(shè)c代表節(jié)點(diǎn)N介數(shù)值，那么N·c代表節(jié)點(diǎn)N介數(shù)表內(nèi)節(jié)點(diǎn)N介數(shù)值。如果節(jié)點(diǎn)N生成新消息，同時(shí)確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑j={N,N,…,N}，則N會(huì)把本地計(jì)數(shù)表內(nèi)j歷經(jīng)的全部節(jié)點(diǎn)介數(shù)值+1。以使節(jié)點(diǎn)介數(shù)值可以表征網(wǎng)絡(luò)全局負(fù)載情況為目的，節(jié)點(diǎn)應(yīng)基于其他節(jié)點(diǎn)路徑選擇更新自身介數(shù)表。但在鐵路數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中直接得到所有節(jié)點(diǎn)路徑信息不是很現(xiàn)實(shí)，由此，通過節(jié)點(diǎn)之間接觸將介數(shù)表相互交換，同時(shí)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)介數(shù)值更新成相遇節(jié)點(diǎn)介數(shù)表內(nèi)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)介數(shù)相加值。綜上，假設(shè)N、N相遇，那么任意節(jié)點(diǎn)N介數(shù)值更新計(jì)算式為：

在路由決策過程中，引入概率性路徑選擇機(jī)制，融合路徑到達(dá)時(shí)間與節(jié)點(diǎn)介數(shù)，根據(jù)不同概率在多條備用路徑中確定實(shí)際消息轉(zhuǎn)發(fā)路徑，以此把通信網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度至多條路徑上，不僅能夠保障有相對(duì)短的交付延遲，還能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載均衡控制。總而言之，當(dāng)出現(xiàn)新消息，基于網(wǎng)絡(luò)演化圖對(duì)源節(jié)點(diǎn)至目的地節(jié)點(diǎn)的條相應(yīng)備選路徑進(jìn)行計(jì)算，再基于路徑到達(dá)時(shí)間與路徑中節(jié)點(diǎn)最大介數(shù)值判斷各條路徑被選中的概率，同時(shí)從中概率性地確定實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)路徑。假設(shè)c代表目前路徑j介數(shù)采樣值，|j|代表路徑j到達(dá)時(shí)間。那么任意備選路徑j被選中可能性p計(jì)算式為：

網(wǎng)絡(luò)演化圖已知條件下，式（2）中|j|為一個(gè)確定值，由此各條路徑被選中的概率變化主要決定因素是c。實(shí)際操作過程中，節(jié)點(diǎn)介數(shù)值整體變化情況和消息生成頻率、節(jié)點(diǎn)相遇頻率存在比較大的關(guān)聯(lián)性。但是節(jié)點(diǎn)介數(shù)值變化量相對(duì)小的情況下，對(duì)于路徑選中可能性影響不是十分顯著，由此以避免無效重復(fù)計(jì)算，并減少節(jié)點(diǎn)計(jì)算產(chǎn)生的開銷為目的，定義更新周期T實(shí)現(xiàn)本地介數(shù)表內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)介數(shù)值采樣，通過目前介數(shù)采樣值對(duì)各備選路徑選中可能性進(jìn)行重新計(jì)算，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最終路徑確定。在每次采樣之后，介數(shù)表內(nèi)各節(jié)點(diǎn)介數(shù)值會(huì)初始化成1，同時(shí)重新進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于BCBCA的鐵路數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載均衡控制方法有效性，利用在測(cè)試車輛上裝置分組域QoS測(cè)試裝備，并在核心網(wǎng)機(jī)房裝置分組域QoS測(cè)試服務(wù)器，目的是與車載QoS終端相互配合實(shí)現(xiàn)GPRS信息傳輸各項(xiàng)QoS指標(biāo)檢驗(yàn)，將1個(gè)FE接口和GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，對(duì)調(diào)度命令和車次號(hào)傳輸?shù)慕M網(wǎng)及應(yīng)用模式進(jìn)行模擬。測(cè)試過程和結(jié)果如下。

3.1 介數(shù)采樣周期

改變節(jié)點(diǎn)介數(shù)的采樣周期，以此觀察T對(duì)消息到達(dá)率產(chǎn)生的影響，進(jìn)而為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡控制T合理值的確定提供依據(jù)。

圖1為介數(shù)采樣周期對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)消息到達(dá)率影響。

圖 1 介數(shù)采樣周期對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)消息到達(dá)率影響

由圖1可知，采樣周期對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)消息到達(dá)率產(chǎn)生的影響不是十分顯著，但是隨著T不斷增大，到達(dá)率呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，由此，在保障方法性能及開銷的綜合考慮下，將T定義為180 s。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布

實(shí)驗(yàn)過程中，為保證實(shí)驗(yàn)客觀性，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)隨機(jī)選取消息經(jīng)過的10個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)負(fù)載分布情況見圖2。對(duì)比了OpenFlow控制方法、粒子群優(yōu)化控制方法以及BCBCA控制方法的負(fù)載功率情況。

圖 2 通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載功率對(duì)比

分析圖2可知，對(duì)于第二個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，OpenFlow控制方法的通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載功率為172 kw，粒子群優(yōu)化(Particle swarm optimization, PSO)控制方法的通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載功率為175 kw，BCBCA控制方法的通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載功率高達(dá)320 kw。對(duì)于第8個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，OpenFlow控制方法的通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載功率為156 kw，粒子群優(yōu)化控制方法的通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載功率為155 kw，BCBCA控制方法的通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載功率高達(dá)462 kw，本文方法的功率始終保持最高水平，說明BCBCA負(fù)載均衡控制效果最好，其防止了單純基于時(shí)延選取最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，通過節(jié)點(diǎn)介數(shù)值判斷網(wǎng)絡(luò)瓶頸潛在位置，同時(shí)基于介數(shù)值變化對(duì)消息路由進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變，在節(jié)點(diǎn)緩存壓力相對(duì)大時(shí)，把數(shù)據(jù)流向負(fù)載比較小的節(jié)點(diǎn)實(shí)行疏導(dǎo)，利用延時(shí)性能次優(yōu)路徑防止出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象。由此，各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量均衡性較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高效利用，同時(shí)提升通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證鐵路數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載控制效果，采用OpenFlow、粒子群優(yōu)化控制方法以及BCBCA控制方法的獲得鐵路數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信息擁塞情況，結(jié)果如圖3-4所示。

圖 3 未進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載控制

圖 4 不同方法下網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載均衡控制效果

圖3表示未進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載控制時(shí)擁塞率情況，圖4表示經(jīng)過擁塞負(fù)載均衡控制后的擁塞率況。綜合分析圖3與圖4可知，未控制時(shí)擁塞率明顯較高，最高擁塞率已達(dá)88%。而經(jīng)過擁塞控制后，擁塞率明顯下降，但是不同方法的下降情況不同。經(jīng)過OpenFlow控制后，大部分時(shí)間下?lián)砣氏陆档?0%以下，但在20 s時(shí)仍超過75%。經(jīng)過粒子群優(yōu)化控制后，在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)擁塞率全部在30%以下，均衡控制效果較好。而經(jīng)過BCBCA控制后，在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)擁塞率全部在15%以下，均衡控制效果最好。

4 結(jié) 論

鑒于鐵路數(shù)字通信網(wǎng)的特殊性和復(fù)雜性，提出基于BCBCA的鐵路數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞負(fù)載均衡控制方法。依據(jù)GSM-R鐵路綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)，利用節(jié)點(diǎn)介數(shù)擁塞感知路由法實(shí)現(xiàn)擁塞負(fù)載均衡控制。經(jīng)測(cè)試，該方法能夠高效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，具有可行性。在GSM-R網(wǎng)絡(luò)不斷普及與發(fā)展下，中樞紐與并線區(qū)段會(huì)越來越多，因此產(chǎn)生的各種技術(shù)問題也會(huì)越來越多，下一步可針對(duì)樞紐地區(qū)GPRS網(wǎng)絡(luò)整體應(yīng)用情況進(jìn)行優(yōu)化。

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The Load Balancing Control Method for Digital Mobile Communication Network Congestion on a Railway

XIE Yu-guo

100043,

When the railway digital mobile communication network carries on the communication transmission, the communication path choice is restricted by the message route decision-making, which is easy to cause the network congestion. Therefore, this paper analyzes the dispatching communication, dispatching command transmission, train control information transmission and other functions of GSM-R railway integrated dedicated digital mobile communication network, and introduces BCBCA algorithm to realize the load balance control of communication network. Optimize the source routing protocol by dynamically changing the message routing through the change of intermediate value.According to the network evolution graph, the shortest available alternative paths are obtained, and the probability of each alternative path selection is calculated based on multi-attribute. The decision optimization of message routing is completed to realize the balanced control of network congestion load. The experimental results show that the proposed method can effectively prevent network congestion, and the load balancing control effect is good.

Railway; mobile communication; network congestion; balancing control

TN711.5

A

1000-2324(2020)03-0517-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.026

2018-12-07

2019-02-14

謝育國(1968-),男,本科,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù). E-mail:xygdhj@sohu.com