高速列车车载系统下智能切换机制的设计及性能分析

Vehicle system of express train becomes one of the hot fields in high-speed train communication, because of several advantages, such as low cast, supporting multiple communication formats and easy to hand-off switching management. Most studies focus on the switch technology, but as a worldwide problem, it’s hard to make a breakthrough at present. Therefore, in order to satisfy the rapid development of high-speed train technology, we will explore the mechanism of existing handover management and modify the switch mode. What we will do can also reduce the communication delay effectively and achieve the purpose of improving the quality of communication. According to the theoretical study in high-speed vehicle communication environment, this project first discusses the statistical distribution law of the communication quality which is affected by the change of train speed. Basing on the optical switching technology, a new intelligent switching mechanism is designed; We will optimize the algorithm of dynamic optimization and control of intelligent switching mechanism based on train speed, for finding a efficient, convenient, economic method to improve the communication quality; Besides, the existing data queue models do not fully consider the frequent hand-off switching and the high speed mobility of the train in the high speed environment. So it is proposed to establish a vacation Markov queue model for the intelligent switching data service flow with the train speed as the key parameter in order to obtain the performance index system of the vehicle system. Finally, this project will use NS2 platform to verify the validity of the intelligent switching scheme, hoped to provide a theoretical basis for the design and development of new wireless communication system in high-speed vehicle environment.

高速列车车载方案因成本低，支持多种通信制式，越区切换管理简单等优点而成为高铁通信研究的热点领域。但作为世界性的难题，切换技术的研发目前很难取得突破。因此，为了满足飞速发展的高铁技术的需求，探讨现有的越区切换管理的机理，改进切换模式，也能同样有效降低通信时延，达到提高通信质量的目的。本课题为此首先从理论上探讨高速车载通信环境中，通信质量受列车时速变化影响的统计分布规律；基于光切换技术，设计新的智能切换机制；研究依据列车速度动态地优化和控制智能切换机制的算法，以期获得高效、可靠、经济的无线通信协议；另外，现有的数据排队模型没有充分考虑高速环境下，越区切换的频繁性及列车的高速移动性，因此又拟以列车速度为关键参数，对智能切换的数据业务流建立休假Markov排队模型，以获得系统的性能指标体系；最后通过NS2平台验证智能切换方案的有效性，为高速车载环境下，新型无线通信系统的设计和开发提供理论依据。

针对高铁环境下通信信号的不稳定和频繁切换导致通信间歇性中断的特性，为实现越区切换机制的智能化、无缝化为，本项目主要研究：1）分布式无线网络下协同HARQ机制的节能策略及性能；2）无线Ad-Hoc网络平面移动模型及网络容量；3）基于主系统行为的自适应全双工认知中继协同策略的设计与分析；4）带能量补给的无线传感器网络分簇优化算法；5）高铁两跳接入系统中数据传输机制；6）高铁环境下基于波束赋形技术的无缝双链路切换方案的设计。. 重要结果有：1）通过修正802.11传统媒介访问控制协议的基本规则提出一种基于软合并HARQ技术的协同媒介访问控制协议（SPRCSMA），该协议非常适用于远距离通信场景中；2）建立了无线Ad-Hoc网络平面移动模型及干扰分布函数，推导出了基于全双工(BFD)双向移动Ad-Hoc网络的传输容量表达式；3）设计了基于主系统行为的自适应全双工认知中继协同策略，分别给出了主系统和认知系统在独立非同分布Nakagami-m衰落信道下对应模式的中断概率和吞吐量的解析式，以及考虑主用户行为时认知系统的平均吞吐量；4）提出了一种改进型基于二进制粒子群优化的簇形成算法SOL-BPSO，为高铁环境中WSN节点能耗的均衡、网络生命周期的延长进行了理论探索；5）给出了混合车辆通信系统（VANET）中中继节点自私性的刻画模式；6）在“车载天线-轨边天线”链路中引入多天线技术，通过重构Geom/Geom/c/c消失模型对多信道数据传输机制的性能进行定量分析，得到系统损失率，平均队长，时延，吞吐量等性能指标的解析式；7）建立了一种“选择重传-自动请求重传-自适应调制编码（SR-ARQ-AMC）技术”，实现了根据信道信噪比动态地调整系统组帧速率和调制模式的目的；8）在“车载天线-车内用户”链路中，将ARQ技术引入到树形和Mesh网络广播链路，提出了四种数据广播协议(SW-HBH-CARQ, SW-HBH-oiCARQ, SW-HBH-ieCARQ, SW-oieCARQ)，以最小化Mesh广播网络的能耗；9）设计了一种新的基于波束赋形技术的无缝双链路切换机制，该机制实现了在不增加额外设备和开销的条件下提高系统切换性能的目的。