動(dòng)態(tài)控制下城市軌道交通通信資源分配

摘 要：城市軌道交通系統(tǒng)通信速度對保障列車運(yùn)行安全十分重要，但是日益復(fù)雜的通信系統(tǒng)對列車通信系統(tǒng)的功能、穩(wěn)定性和效率的要求更高。本文探索了利用LET-U非授權(quán)頻段傳輸業(yè)務(wù)的城市軌道交通通信系統(tǒng)，使用HQL（λ）算法進(jìn)行通信資源的動(dòng)態(tài)分配，在模擬仿真環(huán)境中，系統(tǒng)能夠保持22.3Mbit/s以上的傳輸速率，滿意度始終高于0.8，可以較好地滿足用戶需求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)控制；城市軌道交通；通信系統(tǒng)；資源分配

中圖分類號：U 285" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的快速建設(shè)和發(fā)展，列車內(nèi)部的通信系統(tǒng)類型相應(yīng)增加，包括控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)等，會占據(jù)大量通信系統(tǒng)資源，需要通信系統(tǒng)功能更完善，并能有效進(jìn)行通信資源分配，滿足對城市軌道列車高效、穩(wěn)定和多功能通信的需求。因此需要使用AI技術(shù)并結(jié)合通信場景進(jìn)行分析，合理分配通信資源，并在通信業(yè)務(wù)復(fù)雜的情況下快速完成資源分配方式調(diào)節(jié)。本文在現(xiàn)有的CBTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入T2T通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于啟發(fā)函數(shù)的通信資源動(dòng)態(tài)分配策略，并對系統(tǒng)進(jìn)行建模，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整體性能。

1 LTE-U城市軌道交通通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市軌道交通的通信需求日益增加，為了提升通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶寬，降低系統(tǒng)延遲和提升傳輸速度，本文引入LTE-U通信系統(tǒng)。利用LET-U通信系統(tǒng)的非授權(quán)頻段傳輸城市軌道交通業(yè)務(wù)，提升系統(tǒng)的傳輸速度。

1.1 LTE-U工作原理

LET-U城市軌道交通通信架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)利用非授權(quán)頻段的帶寬完成城市軌道交通通信系統(tǒng)的傳輸業(yè)務(wù)。非授權(quán)頻段能夠提供5.8GHz的帶寬，可高效完成指令、信息傳輸，授權(quán)頻段則繼續(xù)傳輸安全性較高的控制指令。該分配方式可以安全性加數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸抂1]。授權(quán)頻段承載安全性較高的CBTC業(yè)務(wù)、控制面信令的傳輸，MME和HSS利用S6a接口完成用戶位置信息、用戶簽約信息儲存，承載終端利用Uu接口與非授權(quán)頻段基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，PIS業(yè)務(wù)和IMS業(yè)務(wù)利用非授權(quán)頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 城市軌道交通LET-U系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線傳輸信道是無線通信數(shù)據(jù)傳輸媒介，需要保證信道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、傳輸?shù)姆€(wěn)定性和傳輸效率[2]。由于城市軌道交通通信系統(tǒng)所處的環(huán)境比較復(fù)雜，因此系統(tǒng)在傳輸過程中具有明顯的波動(dòng)性。在城市軌道交通通信系統(tǒng)中，CBTC業(yè)務(wù)、IMS業(yè)務(wù)和PIS業(yè)務(wù)都需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸，但是現(xiàn)有車載通信系統(tǒng)的功能比較單一，不能滿足車載通信需求[3]。而使用LTE-U系統(tǒng)能夠整合授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段，在非授權(quán)頻段上傳輸PIS、IMS等對延遲要求相對較低、對安全要求相對寬松的業(yè)務(wù)，有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，降低CBTC這類安全要求較高業(yè)務(wù)的延遲。這種不同端口對應(yīng)承載不同業(yè)務(wù)的工作模式可以保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?，并保障列車安全運(yùn)營。

1.2.1 業(yè)務(wù)QoS需求

1.2.1.1 CBTC業(yè)務(wù)

利用CBTC系統(tǒng)，列車能夠在沒有站旁檢測設(shè)備的情況下精確定位，系統(tǒng)業(yè)務(wù)利用無線通信網(wǎng)絡(luò)完成傳輸，連續(xù)傳遞列車的行駛信息。由于該業(yè)務(wù)直接影響列車狀態(tài)監(jiān)控，因此對傳輸系統(tǒng)安全性要求較高，在傳輸系統(tǒng)中具有最高的業(yè)務(wù)優(yōu)先級，需要保證延時(shí)在150 ms以內(nèi)，丟包率控制在1%[4]。

1.2.1.2 IMS業(yè)務(wù)

IMS業(yè)務(wù)主要包括車廂內(nèi)部的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，能夠提供車廂、駕駛室的視頻監(jiān)控畫面。該業(yè)務(wù)對延遲的要求較低，需要保證數(shù)據(jù)包的延遲在500 ms以內(nèi)，并且對清晰度有較高要求，因此對帶寬要求較高。

1.2.1.3 PIS業(yè)務(wù)

PIS業(yè)務(wù)的內(nèi)容是將地面乘客的信息由通信網(wǎng)絡(luò)圖像傳遞給車廂，方式一般為組播，如果列車處于異常狀況，就會給乘客發(fā)送緊急通知[5]。

結(jié)合上文分析，CBTC業(yè)務(wù)對傳輸安全性的要求最高，IMS業(yè)務(wù)和PIS業(yè)務(wù)需要較高的帶寬。因此使用LET-U系統(tǒng)傳輸上行IMS業(yè)務(wù)和下行PIS業(yè)務(wù)。

1.2 非授權(quán)頻段車地通信共存場景

城市軌道交通系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能會經(jīng)過隧道等復(fù)雜的環(huán)境，當(dāng)經(jīng)過人口稀少的地區(qū)時(shí)，由于有線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相對落后，可能會使用較多非授權(quán)公共頻段設(shè)備，導(dǎo)致LTE設(shè)備的帶寬被占用，壓縮了城市軌道交通通信系統(tǒng)信息傳播帶寬，不利于監(jiān)控列車，進(jìn)而影響乘車安全[6]。因此，LET-U非授權(quán)頻段和WLAN系統(tǒng)需要在1個(gè)授權(quán)頻段大基站和3個(gè)非授權(quán)頻段小基站的條件下才能共存。由于IMS業(yè)務(wù)和PIS業(yè)務(wù)對傳輸時(shí)延、傳輸速率也有比較嚴(yán)格的要求，因此使用eNodeB-S進(jìn)行輔助通信。

2 基于啟發(fā)函數(shù)和資格改進(jìn)算法的HQL（λ）車地通信資源分配

城市軌道交通設(shè)施功能增加對無線通信的容量要求更高，需要保證車地通信維持高傳輸速率和低延遲，以保障軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行安全。因此，使用LTE-U非授權(quán)頻段傳輸信號能夠擴(kuò)大城市軌道交通通信業(yè)務(wù)的傳輸帶寬。針對該系統(tǒng)和WLAN間的不同，基于啟發(fā)式算法和資格改進(jìn)算法設(shè)計(jì)HQL（λ）算法，以控制通信業(yè)務(wù)資源分配，并對通信資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存。

2.1 HQL（λ）算法

HQL（λ）算法是在Q-Learning（QL）的基礎(chǔ)上引入啟發(fā)函數(shù)和資格軌跡，以提升算法收斂速度和學(xué)習(xí)效率的算法。該算法可以根據(jù)周邊環(huán)境狀況進(jìn)行迭代，尋找收益期望最大的路徑，適用于車地?zé)o線通信中的無線通信環(huán)境、預(yù)測未知的通信質(zhì)量變化對其后通信質(zhì)量的影響，并結(jié)合預(yù)測結(jié)果分配通信資源。將QL引入資格軌跡后，所有的動(dòng)態(tài)行為E都會被儲存，并在完成動(dòng)作后進(jìn)行一次期望更新。在更新過程中，使用腳步衰減因子逐漸衰減，能夠加快學(xué)習(xí)速度，多次迭代后可以獲得最優(yōu)策略。為了避免城市軌道交通系統(tǒng)資源控制算法陷入局部最優(yōu)，結(jié)合貪婪算法使用啟發(fā)式搜索，在搜索過程中，小基站會在一定范圍內(nèi)隨機(jī)動(dòng)作，保證獲得全局最優(yōu)的結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)滿意度計(jì)算

滿意度計(jì)算可以對LET-Us系統(tǒng)和WLAN系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行定量分析，目前要求通信系統(tǒng)具有較高的傳輸速度和較低的延遲，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。當(dāng)計(jì)算滿意度時(shí)，需要綜合考慮傳輸速率和傳輸延遲，滿意度函數(shù)H如公式（1）所示。

H=（1-δ）HW+δHl " （1）

式中：HW為WLAN系統(tǒng)的滿意度；Hl為LET-U的滿意度；δ為非授權(quán)頻段的業(yè)務(wù)比例。

當(dāng)評價(jià)滿意度時(shí)，需要考慮傳輸延時(shí)影響因素。在WLAN運(yùn)行過程中，只有在信道空閑情況下才能接入，為了減少LTE與WLAN間的沖突，根據(jù)LET-U小基站使用ABS空白子幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使用排隊(duì)理論進(jìn)行空間異構(gòu)建模。將WLAN和LTE-U系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸視為MG/1隊(duì)列，數(shù)據(jù)包速率分布服從泊松分布，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包服務(wù)時(shí)間獨(dú)立，節(jié)點(diǎn)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)Mi的服務(wù)時(shí)間如公式（2）所示。

Mi=Mi，v+Mi，o " "（2）

式中：Mi，o為數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)的信道占用時(shí)間；Mi，v為數(shù)據(jù)包在信道內(nèi)的平均等待時(shí)間。

2.2.1 LTE-U系統(tǒng)滿意度

PIS業(yè)務(wù)使用LET-U系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕问綖榻M播，LTE-U系統(tǒng)滿意度分析主要看該系統(tǒng)的最差通信質(zhì)量。為了能夠在緊急情況下及時(shí)上傳IMS業(yè)務(wù)，需要控制數(shù)據(jù)包的時(shí)延，避免影響車輛運(yùn)行安全。因此，LTE-U系統(tǒng)的滿意度為傳輸速率滿意度和傳輸時(shí)延滿意度的和，滿意度函數(shù)Hl如公式（3）所示。

Hl=（1-Δt）（HLT+HLD） " （3）

式中：HLT為傳輸速率滿意度；HLD為傳輸時(shí)延滿意度；Δt為子區(qū)間運(yùn)行時(shí)間比例。

列車切換的總時(shí)間為49.5 ms。傳輸速度滿意度HLT如公式（4）所示。

（4）

式中：T1為非抽全頻段的傳輸速率；Tl0為最低傳輸速率。

傳輸時(shí)延滿意度HLD如公式（5）所示。

（5）

2.2.2 WLAN系統(tǒng)滿意度

為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，目前城市軌道交通WLAN系統(tǒng)使用了CSMA/CA技術(shù)，先進(jìn)行信道狀態(tài)分析，確定信道處于空閑狀態(tài)后再發(fā)送信息。如果發(fā)現(xiàn)信道分布幀間沒有數(shù)據(jù)傳輸，計(jì)時(shí)器就開始計(jì)時(shí)。其用戶滿意度HW如公式（6）所示。

HW=HWT+HWD " " （6）

式中：HWT為速率傳輸滿意度；HWD為時(shí)延滿意度。

其中，HWT如公式（7）所示。

（7）

式中：Tw為實(shí)時(shí)傳輸速率；Tw0為最小傳輸速率。

HWD如公式（8）所示。

（8）

2.3 非授權(quán)頻段的資源分配模型

HQL（λ）算法可以使用系統(tǒng)狀態(tài)S、動(dòng)作空間D和獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)R構(gòu)建三元組并進(jìn)行分析，其中狀態(tài)和動(dòng)作構(gòu)建函數(shù)Q（s，a）代表從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的積累，并根據(jù)Q（s，a）選取收益期望最大的動(dòng)作。對于LTE-U和WLAN構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，LTE-U小基站和無線通信環(huán)境會不斷交互，并根據(jù)狀態(tài)調(diào)整ABS子幀結(jié)構(gòu)，基于滿意度確定最佳動(dòng)作策略。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，非授權(quán)頻段需要優(yōu)先考慮LTE系統(tǒng)的業(yè)務(wù)，由于非授權(quán)頻段上無線通信環(huán)境復(fù)雜多變，因此使用SINR變化情況對環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行表征。隨著列車逐漸遠(yuǎn)離基站，SINR梯度為負(fù)，說明信號環(huán)境正在變差；隨著列車和基站越來越近，SINR為正，說明無線通信質(zhì)量正在上升。

3 仿真驗(yàn)證分析

3.1 仿真場景和參數(shù)配置

使用MATLAB搭建仿真場景，分析無線通信環(huán)境。列車在基站間的運(yùn)行場景如圖2所示。為了保證仿真的一般性，基站在列車軌道旁等距離分布，以非授權(quán)頻段eNodeB-S作為輔助通信，X為覆蓋間距，R為小區(qū)半徑，基站間距為2R+X，列車以v=90km/h的速度行駛。

仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬為20MHz，載波頻率為5.8GHz；WLAN用戶最低頻率為1Mbit/s，滿意頻率為4Mbit/s，WLAN基站天線高度為6m；LTE陰影衰落為8dB，LET噪聲譜密度為-174dBm，LET基站天線高度為6m，基站功率為32dBm，基站間距為300m，折扣因子為0.8。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 算法性能對比

在模擬場景下，基站間的信號強(qiáng)度是對稱變化的，因此強(qiáng)度波動(dòng)幅度也較小。傳統(tǒng)QL算法和HQL（λ）算法收斂速度對比曲線如圖3所示。QL算法在95幕收斂，而HQL（λ）算法僅50幕就完成收斂。說明HQL（λ）算法引入資格軌跡和啟發(fā)算法后，獲得了更高的學(xué)習(xí)效率和收斂速度。

3.2.2 用戶滿意度變化

對不同權(quán)重因子δ進(jìn)行滿意度變化分析，將QoS完成狀況作為滿意度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，QoSgt;1表示滿足要求，可得如圖4所示的仿真結(jié)果。傳輸速率會隨列車與基站間的距離而變化，當(dāng)列車處于集站附近時(shí)，傳輸速率較高，滿意度也較高；當(dāng)列車進(jìn)入公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時(shí)，其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸將會受到干擾，能夠使用的帶寬也相對較少，導(dǎo)致滿意度降低。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的LTE-U業(yè)務(wù)優(yōu)先度更高，因此增加權(quán)重因子可以提升用戶的滿意度。

由圖4可知，傳輸速率與列車、基站間的距離呈反比，隨著列車逐漸接近基站，傳輸速率增加，逐漸遠(yuǎn)離基站后，傳輸速率降低。但是在HQL（λ）算法的支持下，傳輸速率仍然能夠保持在22.3Mbit/s，滿意度也在0.8以上，證明系統(tǒng)能夠比較好地滿足用戶需求。

3.2.3 傳輸速率比較

在通信系統(tǒng)中，CBTC業(yè)務(wù)上、下行傳輸速率、IMS業(yè)務(wù)的上行傳輸速率均高于1Mbit/s，IMS業(yè)務(wù)上行傳輸速超過1Mbit/s。HQL（λ）算法、QL和QL（λ）的傳輸速率比較如圖5所示。HQL（λ）算法的傳輸速率更高，當(dāng)處于信道最差位置時(shí)，比QL、QL（λ）分別高出26.2%、13.1%。

4 結(jié)語

LTE-U技術(shù)與HQL（λ）算法相結(jié)合，能夠充分增加城市軌道交通通信系統(tǒng)帶寬，滿足IMS業(yè)務(wù)和PIS業(yè)務(wù)的通信需求，使WLAN系統(tǒng)負(fù)責(zé)CBTC業(yè)務(wù)，保障列車運(yùn)行的安全性。HQL（λ）算法的動(dòng)態(tài)資源分配能夠保證系統(tǒng)傳輸速度和系統(tǒng)運(yùn)行滿意度，適用于城市軌道交通通信系統(tǒng)資源分配。

參考文獻(xiàn)

[1]王朋雨.基于LTE-U城市軌道交通通信資源分配研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2023.

[2]王朋雨，米根鎖，王彥快.基于HQL（λ）的城市軌道交通車地通信資源分配研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2023，67（1）：175-181.

[3]邵穎霞.基于LTE-M和5G混合組網(wǎng)的城市軌道交通通信系統(tǒng)無線資源管理研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2021.

[4]陳垚.城市軌道交通中基于車車通信的資源分配算法研究[D].南昌：華東交通大學(xué)，2021.

[5]王曉軒.城市軌道交通CBTC無線通信系統(tǒng)可信性分析及優(yōu)化[D].北京：北京交通大學(xué)，2020.

[6]于超.城市軌道交通警用通信系統(tǒng)資源共享方案研究[J].鐵道通信信號，2013，49（10）：58-60.