一种轨道交通多运行线车地无线通信网络组网方法及系统

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种轨道交通多运行线车地无线通信网络组网方法及系统。


背景技术：

2.随着我国轨道交通的蓬勃发展，轨道交通在城市居民日常出行方式中的比重也随之增高，而大量轨道交通线路的开通与运营也极大地促进了车地无线通信技术的发展。随着城市轨道交通运营智能化升级、全自动无人驾驶技术的广泛应用，海量数据运行数据和信息迫切需要通过引入先进的无线通信方式实现更高效快速传输。2019年，工信部颁发5g商用牌照，我国正式开启5g商用元年，近年来5g在垂直行业得到了广泛应用。因而，将5g通信技术应用于城市轨道交通中存在巨大的前景与潜力。
3.在5g通信系统中，分布单元（distributed unit, du）和集中单元（centralized unit, cu）是多对一的物理连接关系，即：单个cu和连接到多个du，而一个du仅能连接到一个cu。在城市轨道交通运行场中，列车在跨越不同小区时会产生越区切换进而需要将通信资源由当前小区迁徙至下一小区，采用这种多对一的拓扑连接方式一定程度上增加了资源迁徙的代价和负担，限制了车地无线通信的可靠性和有效性。
4.当今，已有部分学者探讨了cu与du间的不同拓扑连接关系，但是均未考虑在城市轨道交通场景下的应用，其次现有工作仅考虑了单条运行线条件下的资源迁徙代价最小化，并未综合考虑多条运行线，尤其是多条运行线间存在交叉情况下的资源迁徙最小化。因而本发明主要研究一种新型轨道交通多运行线车地无线通信网络组网方法，以期降低多条运行线通信资源迁徙的总代价来提高城市轨道交通车地无线通信的可靠性和有效性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有工作仅考虑了单条运行线条件下的资源迁徙代价最小化，并未综合考虑多条运行线，尤其是多条运行线间存在交叉情况下的资源迁徙最小化的缺陷。
6.为了实现上述目的，本发明提出了一种轨道交通多运行线车地无线通信网络组网方法，所述网络包括：若干分布单元(du)，部署在轨道交通沿线；若干集中单元(cu)，部署在远离轨道交通线路的位置，且位置固定不变；集中单元与分布式单元物理上为多对多的连接关系，列车运行时仅能与一个分布单元通信，一个分布单元在逻辑上仅能选一个集中单元进行通信；所述方法包括：步骤1：建立运行线上分布单元和集中单元的物理连接矩阵；步骤2：计算列车所在的分布单元选择不同集中单元时的选择代价；步骤3：计算列车移动经由不同分布单元，不同分布单元连接不同集中单元时，通信资源在不同集中单元间迁徙时的迁徙代价；
步骤4：根据不同运行线的运行时刻和轨迹，计算运行线交集区域内对应的集中单元，通过遍历运行线在该区域内所经由的所有集中单元，确定所有运行线周边部署的分布单元和集中单元间的最优逻辑连接关系，选择列车运行时分布单元连接的集中单元。
7.作为上述方法的一种改进，所述步骤1具体包括：
8.定义所有集中单元集合为，其中表示集中单元总数量；所有分布单元集合为，其中表示分布单元总数目。
9.对于一个集中单元c
p
，其与周边的个分布单元相连接，设定二元变量表示集中单元c
p
与分布单元dq物理上相连接，表示物理上不相连；则集中单元与分布单元间物理连接矩阵表示为：。
10.作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体包括：分布单元dq选择集中单元c
p
的选择代价计算公式为：
11.其中为集中单元c
p
的实时任务负载，为集中单元c
p
最大计算能力。
12.作为上述方法的一种改进，所述步骤3具体包括：
13.通信资源从集中单元c
p
至集中单元c的迁徙代价公式为：
14.其中，表示列车l的平均车地通信吞吐量；表示集中单元c
p
与集中单元c间的距离；表示集中单元c
p
至集中单元c间的链路容量；场景表示列车在连接到同一集中单元的分布单元覆盖范围内运行时，由同一集中单元进行通信资源处理，此时无需进行资源迁徙；场景场景场景表示集中单元c
p
与集中单元c物理上相连，场景表示集中单元c
p
与集中单元c物理上不相连。
15.列车经由分布单元dq选择集中单元c
p
并移动至集中单元c的迁徙代价为： 。
16.作为上述方法的一种改进，所述步骤4具体包括：根据不同运行线的运行时刻和轨迹，求得运行线交集区域内对应的分布单元，具体的，对于列车运行线l，其经过若干分布单元区域，对应的分布单元序列标签记为，其中表示列车l运行轨迹中所经过的集中单元数目，每个集中单元所连接的分布单元标签可通过查找连接矩阵得到；设列车运动至分布单元dq区域内，通过计算出分布单元dq对应的物理相连的集中单元标签，设可选择的集中单元
标签为，而分布单元dq且仅能选择一个集中单元，假定最终选择的集中单元为c
p
，记选择变量为 ，且有约束条件，则列车运行线l整条线路上对应的总迁徙代价为：
17.约束条件为：
[0018][0019]
其中，表示列车选择的分布单元为d，选择的集中单元为c时的选择变量；表示列车运行线从分布单元dq移动至分布单元d时，对应的通信资源从集中单元c
p
迁徙至集中单元c所产生的迁徙代价；约束条件表示列车在分布单元dq和分布单元d区域内仅能选择一个集中单元进行通信。
[0020]
针对列车运行线l，采用floyd-washall算法计算最优“集中单元-分布单元”逻辑连接关系：构建集中单元与分布单元间的拓扑连接关系图，根据选择代价计算公式和迁徙代价公式计算边的权重，在应用floyd-washall算法时，拓扑连接关系图中两个节点i和j之间的距离计算公式如下：
[0021]
其中，k表示节点i和j之间的所有可能节点。
[0022]
针对运行线l和交集中的集中单元集合，其中表示运行线l和交集中的集中单元的总数目，依次遍历集中单元集合中的所有元素，在遍历过程中，假设运行线l选择了集中单元c
p
，即元素，需更新该集中单元对应的；其中，表示运行线l上分布单元选择集中单元的选择代价。
[0023]
针对运行线，按照floyd-washall算法计算出其最优的“集中单元-分布单元”逻辑连接关系，遍历中所有元素，计算得出每个元素所对应的所有运行线迁徙总代价，通过对比个总迁徙代价，选出总迁徙代价最小的集中单元即为最优的集中单元。
[0024]
本发明还提供一种轨道交通多运行线车地无线通信网络组网系统，所述网络包括：若干分布单元，部署在轨道交通沿线；若干集中单元，部署在远离轨道交通线路的位置，且位置固定不变；集中单元与分布式单元物理上为多对多的连接关系，列车运行时仅能与一个分布单元通信，一个分布单元在逻辑上仅能选一个集中单元进行通信。
[0025]
所述系统包括：连接矩阵模块，用于建立运行线上分布单元和集中单元的物理连接矩阵；
计算选择代价模块，用于计算列车所在的分布单元选择不同集中单元时的选择代价；计算迁徙代价模块，用于计算列车移动经由不同分布单元，不同分布单元连接不同集中单元时，通信资源在不同集中单元间迁徙时的迁徙代价；组网模块，用于根据不同运行线的运行时刻和轨迹，计算运行线交集区域内对应的集中单元，通过遍历运行线在该区域内所经由的所有集中单元，确定所有运行线周边部署的分布单元和集中单元间的最优逻辑连接关系，选择列车运行时分布单元连接的集中单元。
[0026]
作为上述系统的一种改进，所述连接矩阵模块工作过程包括：定义所有集中单元集合为，其中表示集中单元总数量；所有分布单元集合为，其中表示分布单元总数目。
[0027]
对于一个集中单元c
p
，其与周边的个分布单元相连接，设定二元变量表示集中单元c
p
与分布单元dq物理上相连接，表示物理上不相连；则集中单元与分布单元间物理连接矩阵表示为：。
[0028]
作为上述系统的一种改进，所述计算选择代价模块工作过程包括：分布单元dq选择集中单元c
p
的选择代价计算公式为：
[0029]
其中为集中单元c
p
的实时任务负载，为集中单元c
p
最大计算能力。
[0030]
作为上述系统的一种改进，所述计算迁徙代价模块工作过程包括：通信资源从集中单元c
p
至集中单元c的迁徙代价公式为：
[0031]
其中，表示列车l的平均车地通信吞吐量；表示集中单元c
p
与集中单元c间的距离；表示集中单元c
p
至集中单元c间的链路容量；场景表示列车在连接到同一集中单元的分布单元覆盖范围内运行时，由同一集中单元进行通信资源处理，此时无需进行资源迁徙；场景场景场景表示集中单元c
p
与集中单元c物理上相连，场景表示集中单元c
p
与集中单元c物理上不相连。
[0032]
列车经由分布单元dq选择集中单元c
p
并移动至集中单元c的迁徙代价为： 。
[0033]
作为上述系统的一种改进，所述组网模块工作过程包括：
[0034]
根据不同运行线的运行时刻和轨迹，求得运行线交集区域内对应的分布单元，具体的，对于列车运行线l，其经过若干分布单元区域，对应的分布单元序列标签记为，其中表示列车l运行轨迹中所经过的集中单元数目，每个集中单元所连接的分布单元标签通过查找连接矩阵得到；设列车运动至分布单元dq区域内，通过计算出分布单元dq对应的物理相连的集中单元标签，设可选择的集中单元标签为，而分布单元dq且仅能选择一个集中单元，假定最终选择的集中单元为c
p
，记选择变量为，且有约束条件，则列车运行线l整条线路上对应的总迁徙代价为：
[0035]
约束条件为：
[0036][0037]
其中，表示列车选择分布单元为d，选择集中单元为c时的选择变量； 表示列车运行线从分布单元dq移动至分布单元d时，对应的通信资源从集中单元c
p
到集中单元c所产生的迁徙代价；上述两个约束条件表示列车在分布单元dq和分布单元d区域内仅能选择一个集中单元进行通信。
[0038]
针对列车运行线l，采用floyd-washall算法计算最优“集中单元-分布单元”逻辑连接关系：构建集中单元与分布单元间的拓扑连接关系图，根据选择代价计算公式和迁徙代价公式计算边的权重，在应用floyd-washall算法时，拓扑连接关系图中两个节点i和j之间的距离计算公式如下：
[0039]
其中，k表示节点i和j之间的所有可能节点。
[0040]
针对运行线l和交集中的集中单元集合，其中表示运行线l和交集中的集中单元的总数目，依次遍历集中单元集合中的所有元素，在遍历过程中，假设运行线l选择了集中单元c
p
，即元素，需更新该集中单元对应的；其中，表示运行线l上分布单元选择集中单元的选择代价。
[0041]
针对运行线，按照floyd-washall算法计算出其最优的“集中单元-分布单元”逻辑连接关系，遍历中所有元素，计算得出每个元素所对应的所有运行线迁徙总代价，通过对比个总迁徙代价，选出总迁徙代价最小的集中单元即为最优的集中单元。
[0042]
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可
在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的方法。
[0043]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上述任一项所述的方法。
[0044]
与现有技术相比，本发明的优势在于：1、通过将cu与du拓扑链接关系拓展为多对多，并定义通信资源迁徙代价的多种因素，包括：任务负载、吞吐量、链路距离和容量，并基于floyd-warshall算法来求得多运行线下最佳的cu-du逻辑选择关系，进而使得所有运行线的通信资源迁徙代价最低。
[0045]
2、相比于传统的方法，该方法充分考虑了多运行线存在交集情况下的通信资源迁徙方案，具有更高的普适性。
附图说明
[0046]
图1为一种轨道交通多运行线车地无线通信网络组网方法原理图；
[0047]
图2为一种轨道交通多运行线车地无线通信网络组网方法流程图。
具体实施方式
[0048]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0049]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0050]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0051]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。
[0052]
如图1、2所示，本发明提供一种轨道交通多运行线车地无线通信网络组网方法，该方法包括：
[0053]
分布单元（distributed unit, du）和有源天线单元（active antenna unit, aau）部署在轨道交通沿线，集中单元（centralized unit, cu）部署在远离轨道交通线路的位置，且位置固定不变；集中单元与分布式单元物理上为多对多的连接关系，列车运行时仅能与一个du通信，而du在逻辑上仅能选一个cu进行通信。
[0054]
aau、cu、du均为5g通信系统中的单元，du和aau部署在列车轨道沿线上，cu部署在远离轨道沿线位置处，并且两者位置是已知的，cu与du之间是多对多的连接关系，即单个du可以与多个cu进行通信；列车在任意位置处仅与单个du进行无线通信，du与附近若干cu物
理相连，而在逻辑上仅能与选择其中的一个cu进行通信；
[0055]
所有cu集合为，其中表示cu总数量，所有du集合为，其中表示du总数目，列车运行线总数目为；将cu与du抽象为图论中的点，两者之间的连线抽象为边，根据cu-du的物理连接关系构建无向图，其中节点结合由两部分组成，分别是cu点集合和du点集合，边集合由cu-du间的链路边集合与cu-cu间的链路边集合构成；对于c
p
，其与周边的个du相连接，设定二元变量表示c
p
与dq物理上相连接，表示物理上不相连；则cu与du间物理连接矩阵可表示为：
[0056]
(1)
[0057]
列车所在的du选择不同固定cu时会产生选择代价，选择代价与cu的任务负载和处理能力有关；列车移动经由不同du，通信资源在不同cu间迁徙时会产生代价，迁徙代价与cu间链路容量、距离和平均车地通信吞吐量有关；
[0058]
列车所在的du选择不同固定cu时会产生选择代价，选择代价与cu的任务负载和处理能力有关，dq选择c
p
的选择代价计算公式为：
[0059]
(2)
[0060]
其中为c
p
的实时任务负载，为c
p
最大计算能力；
[0061]
随着列车移动，列车路经不同du和不同的cu，通信资源在不同cu间迁徙时会产生代价，迁徙代价与cu间链路容量、距离和平均车地通信吞吐量有关；设通信资源从c
p
至c
p’的边的迁徙代价为，即：边的权重，表达式为：
[0062]
(3)
[0063]
式中，表示列车l的平均车地通信吞吐量，表示c
p
与c
p’间的距离，表示c
p
至c
p’间的链路容量；场景表示列车在连接到同一cu的du覆盖范围内（即）运行时，由同一cu进行通信资源处理，无需进行资源迁徙；场景场景场景表示c
p
与c
p’物理上相连，场景表示c
p
与c
p’物理上不相连，根据公式(3)，构建边的权重系数矩阵；则列车经由dq选择c
p
并移动至c
p’的代价为。
[0064]
根据不同运行线的运行时刻和轨迹，求得运行线交集区域内对应的cu，通过遍历运行线在该区域内所经由的所有cu，并采用floyd-warshall算法来确定出所有运行线周边部署的du和cu间的最优逻辑连接关系，以降低所有运行线上的通信资源迁徙代价。
[0065]
对于列车运行线l，其经过若干du区域，对应的du序列标签记为，其中
表示列车l运行轨迹中所经过的du数目，每个du所链接的cu标签可通过查找连接矩阵可得。设列车运动至dq区域内，通过计算出对应的物理相连的cu标签，设可选择的cu标签为，而dq且仅能选择一个cu，假定最终选择的为c
p
，记选择变量为，且有约束条件，则列车运行线l整条线路上对应的总迁徙代价为：
[0066]
(4)(5)(6)
[0067]
其中表示列车运行线从dq移动至d
q’时，对应的通信资源从c
p
到c
p’所产生的迁徙代价，约束条件(5)和(6)分别表示列车在dq和d
q’区域内仅能选择一个cu进行通信；
[0068]
针对列车运行线l，采用floyd-washall算法计算最优cu-du逻辑连接关系，以降低运行线l上的通信资源迁徙总代价；具体的，构建cu与du间的拓扑连接关系图，根据公式(2-3)计算边的权重，在应用floyd-washall算法时，节点i和j之间的距离更新公式如下：
[0069]
(7)
[0070]
其中k表示节点i和j之间的所有可能节点；
[0071]
针对运行线l和交集中的cu集合，其中表示运行线l和交集中的cu的总数目，依次遍历cu集合中的所有元素，在遍历时，假设运行线l选择了c
p
，即元素，需更新该cu对应的；
[0072]
针对运行线，按照floyd-washall算法计算出其最优的du-cu逻辑连接关系，遍历中所有元素，计算得出每个元素所对应的所有运行线迁徙总代价，通过对比个总迁徙代价，选出最优的cu。
[0073]
综上所述，本发明实施例的方法，通过将cu与du拓扑链接关系拓展为多对多，定义通信资源迁徙代价的因素，并基于floyd-warshall算法来求得多运行线下最佳的cu-du逻辑选择关系，进而使得所有运行线的通信资源迁徙代价最低。相比于传统的方法，该方法充分考虑了多运行线存在交集情况下的通信资源迁徙方案，具有更高的普适性。
[0074]
本发明另一个实施例提供一种轨道交通多运行线车地无线通信网络组网系统，所述网络包括：
[0075]
若干分布单元，部署在轨道交通沿线；若干集中单元，部署在远离轨道交通线路的位置，且位置固定不变；集中单元与分布式单元物理上为多对多的连接关系，列车运行时仅能与一个分布单元通信，一个分布单元在逻辑上仅能选一个集中单元进行通信；
[0076]
所述系统包括：
[0077]
连接矩阵模块，用于建立运行线上分布单元和集中单元的物理连接矩阵；
[0078]
计算选择代价模块，用于计算列车所在的分布单元选择不同集中单元时的选择代价；
[0079]
计算迁徙代价模块，用于计算列车移动经由不同分布单元，不同分布单元连接不同集中单元时，通信资源在不同集中单元间迁徙时的迁徙代价；
[0080]
组网模块，用于根据不同运行线的运行时刻和轨迹，计算运行线交集区域内对应的集中单元，通过遍历运行线在该区域内所经由的所有集中单元，确定所有运行线周边部署的分布单元和集中单元间的最优逻辑连接关系，选择列车运行时分布单元连接的集中单元。
[0081]
本发明还可提供的一种计算机设备，包括：至少一个处理器、存储器、至少一个网络接口和用户接口。该设备中的各个组件通过总线系统耦合在一起。可理解，总线系统用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。
[0082]
其中，用户接口可以包括显示器、键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(track ball)、触感板或者触摸屏等。
[0083]
可以理解，本技术公开实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read-only memory，rom)、可编程只读存储器 (programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器 (dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddrsdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，drram)。本文描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0084]
在一些实施方式中，存储器存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统和应用程序。
[0085]
其中，操作系统，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序，包含各种应用程序，例如媒体播放器(media player)、浏览器(browser)等，用于实现各种应用业务。实现本公开实施例方法的程序可以包含在应用程序中。
[0086]
在本上述的实施例中，还可通过调用存储器存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序中存储的程序或指令，处理器用于：
[0087]
执行上述方法的步骤。
[0088]
上述方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理
器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array， fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行上述公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合上述公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程 存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0089]
可以理解的是，本发明描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(application specific integrated circuits，asic)、数字信号处理器(digital signal processing，dsp)、数字信号处理设备(dsp device，dspd)、可编程逻辑设备(programmable logic device，pld)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本技术所述功能的其它电子单元或其组合中。
[0090]
对于软件实现，可通过执行本发明的功能模块(例如过程、函数等) 来实现本发明技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
[0091]
本发明还可提供一种非易失性存储介质，用于存储计算机程序。当该计算机程序被处理器执行时可以实现上述方法实施例中的各个步骤。
[0092]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。