基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)性能仿真研究

裴子秀 譚獻海

(西南交通大學信息科學與技術(shù)學院 四川成都 610031)

隨著客運專線和高速鐵路的不斷發(fā)展，列車通信網(wǎng)絡(luò)的應用需求不斷提高，出現(xiàn)了一些新型應用服務需求，例如視頻監(jiān)控、旅客信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)診斷等，使得列車通信網(wǎng)絡(luò)的通信量急劇增加［1］。傳統(tǒng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在進行小流量數(shù)據(jù)(如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等)傳輸方面實時性和確定性高，但是在傳輸內(nèi)容增多時，帶寬將成為其瓶頸。然而，以太網(wǎng)作為一種應用最普遍的標準網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有高的通信速率，可以滿足對帶寬的更高要求，同時還具有價格低廉、容易擴展、通用性強等優(yōu)點。因此組建采用以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)非常有實際價值。但是，由于列車本身運行環(huán)境的復雜性和以太網(wǎng)自身不確定性的缺點阻礙了以太網(wǎng)在列車通信網(wǎng)絡(luò)中的應用。因此，如何在現(xiàn)有以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上能進一步對實時性加以改進使其以滿足列車通信網(wǎng)絡(luò)的需求，是將其應用在列車通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵點和難點。從目前的研究成果看，改進以太網(wǎng)實時性主要有2類方法:硬件實時方法和軟件實時方法［2］。本文采取軟件的改進方法給出了基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其性能仿真方案，并借助OPNET仿真軟件構(gòu)建以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)模型，通過多種參數(shù)配置對網(wǎng)絡(luò)性能進行分析。

1 基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)性能仿真方案

1.1 列車通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

本文以CRH2型動車組為例。CRH2型動車組列車采用4M4T進行編組，其中1號、4號、5號、8號為拖車(T)車廂，2號、3號、6號、7號為動車(M)車廂，編組方式為T－M－M－T［3］。車輛信息控制中央裝置(簡稱中央裝置)位于兩端頭車(1號、8號)，由傳送部和監(jiān)視器部構(gòu)成。信息控制終端裝置(簡稱終端裝置)在每節(jié)車廂中均設(shè)置有一臺。整個CRH2列車通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上層為列車級網(wǎng)絡(luò)，下層為車輛級網(wǎng)絡(luò)。為了研究整個列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的列車級網(wǎng)絡(luò)性能，本文按照車載設(shè)備的分布情況，將兩端頭車各抽象成4個站點即終端裝置站點、監(jiān)視器部站點、中央裝置站點I系、中央裝置站點II系。其中，中央裝置站點I系和II系采用冗余備份技術(shù)，當中央I系站點故障時，中央II系站點會主動接管中央I系站點的工作，從而更好地保證了列車網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。其余6節(jié)車廂各抽象成1個終端裝置站點。通過交換機將這14個站點分別連接在同一根總線上進行通信。整個CRH2列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。對拓撲內(nèi)的計算機按圖示進行編號，其中，計算機1和計算機8上裝載有司控臺的數(shù)據(jù)源仿真;計算機2、計算機3、計算機6、計算機7除了裝載有普通的車載設(shè)備之外，還裝載有牽引設(shè)備的實物，作為牽引車廂，負責收發(fā)牽引數(shù)據(jù)報文信息。計算機7作為列車長還裝載有信息顯示器，同時7車還可以發(fā)布廣播顯示信息。

圖1 Ⅱ型車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of train II network control system

1.2 基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)不確定性問題解決辦法

針對以太網(wǎng)作為列車通信網(wǎng)絡(luò)存在的不確定性和實時性問題，本文采用以下解決方案。(1)采用快速以太網(wǎng)加大網(wǎng)絡(luò)帶寬。目前以太網(wǎng)的速率已經(jīng)從早期的10 Mb/s發(fā)展到了1 Gb/s。實際應用表明，當網(wǎng)絡(luò)負載在30%以下時，快速以太網(wǎng)發(fā)生碰撞的可能性極小;當負載在10%以下時，碰撞幾乎不會發(fā)生。在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負載的減輕。(2)重新設(shè)計數(shù)據(jù)幀格式。在幀結(jié)構(gòu)方面，可以設(shè)置一個字段來代表該幀的優(yōu)先級，將列車系統(tǒng)的控制類數(shù)據(jù)優(yōu)先級設(shè)置為高，其他的對實時性要求不高的數(shù)據(jù)優(yōu)先級設(shè)置低一些。例如使用優(yōu)先級的辦法可以減少幀的排隊時延:這種設(shè)置優(yōu)先級的方法可以用來提高數(shù)據(jù)的實時性以達到列車通信網(wǎng)絡(luò)對實時性數(shù)據(jù)的要求。(3)設(shè)置多級隊列，通過采用比例公平隊列調(diào)度算法控制包的發(fā)送，以滿足實時性數(shù)據(jù)對時延的要求。(4)通過設(shè)置不同節(jié)點的幀的發(fā)送時間來實現(xiàn)信道的分時應用，減少數(shù)據(jù)包的碰撞來提高網(wǎng)絡(luò)幀傳輸?shù)膶崟r性，以達到列車通信網(wǎng)絡(luò)對實時性數(shù)據(jù)的要求。

2 列車通信網(wǎng)絡(luò)仿真

網(wǎng)絡(luò)仿真是一種通過數(shù)學建模和統(tǒng)計分析方法來模擬網(wǎng)絡(luò)行為，從而獲取特定的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)仿真過程中只要仿真模型足夠接近真實，仿真的結(jié)果就可以和理論分析得到的結(jié)論近似一致，同時網(wǎng)絡(luò)仿真還可以降低風險投資。目前對列車網(wǎng)絡(luò)進行仿真的主要方法是純軟件仿真和半實物仿真。國內(nèi)純軟件仿真使用較多的仿真工具是NS2和OPNET。OPNET是通過執(zhí)行離散事件仿真來分析各類模擬系統(tǒng)的行為和性能，通常采用網(wǎng)絡(luò)級、節(jié)點級、進程級3層建模機制，其中最底層為進程模型。另外，由于OPNET擁有比NS2更加友好的圖形用戶界面，故本文采用OPNET作為仿真建模工具。

2.1 列車通信網(wǎng)絡(luò)流量模型的建立

列車通信網(wǎng)絡(luò)流量模型的建立在網(wǎng)絡(luò)仿真中占有重要的位置，模型的好壞將直接影響仿真結(jié)果的可靠性。到目前為止，一般的列車通信網(wǎng)絡(luò)仿真研究都很少基于實際的業(yè)務流量來進行，這樣研究出來的結(jié)果就可能和實際有所偏差。考慮到這個因素，本文嚴格以CRH2型動車組實際運行過程中產(chǎn)生的流量為基礎(chǔ)來建立列車通信網(wǎng)絡(luò)流量模型。分析可知，列車業(yè)務流量應包括控制業(yè)務流量和旅客信息服務流量兩部分。選擇哪種流量建模方式用于建立流量模型取決于仿真研究的目的。本次仿真主要是對列車網(wǎng)絡(luò)的控制數(shù)據(jù)業(yè)務進行分析，查看該數(shù)據(jù)傳輸時延是否滿足列車網(wǎng)絡(luò)對控制數(shù)據(jù)時延的要求。

CRH2型動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有傳輸控制指令、實時監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)(故障信息、狀態(tài)信息)、收集跟蹤數(shù)據(jù)(故障前后設(shè)備內(nèi)的運行記錄)3大類功能。通過對列車網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)特性的分析，本文把列車通信數(shù)據(jù)劃分為2類，第一類是周期性數(shù)據(jù)，主要是對列車設(shè)備進行監(jiān)控的狀態(tài)數(shù)據(jù);第二類是隨機數(shù)據(jù)，主要是列車控制命令和旅客服務信息。周期性數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定和變化量小的特點，隨機數(shù)據(jù)具有不確定性，一般數(shù)據(jù)量較小。數(shù)據(jù)流量的特性一般由數(shù)據(jù)包的到達時間間隔、數(shù)據(jù)包的大小2個主要參數(shù)決定。

周期性數(shù)據(jù)是列車通信網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)之一。該數(shù)據(jù)大小可以事先確定。在建立周期性數(shù)據(jù)的數(shù)學模型時，需要確定以下參數(shù):Li(數(shù)據(jù)長度)、Ti(報文產(chǎn)生的時間間隔)、Ci(網(wǎng)絡(luò)傳送時延)、Di(數(shù)據(jù)端到端時延)。其中i代表任意節(jié)點，那么周期性數(shù)據(jù)P表示為:

隨機數(shù)據(jù)是由外部事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)，其主要特征是數(shù)據(jù)報文會在任何時間段內(nèi)以概率P出現(xiàn)，與前段時間是否有報文發(fā)送無關(guān)。由數(shù)學統(tǒng)計知識可知，該數(shù)據(jù)類型符合泊松分布(Poisson)過程，那么數(shù)據(jù)報文到達時間間隔服從指數(shù)分布。

在OPNET中一共提供了23種分布函數(shù)，Packet Interarrival Time和Packet Size等屬性都可以服從多種分布［4］。參照CRH2型車實際運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并以中央裝置站點為例，建立節(jié)點數(shù)據(jù)流量模型。中央裝置站點主要產(chǎn)生兩類數(shù)據(jù)，一類是查詢報文，一類是控制指令。查詢報文是中央裝置站點定期向各終端裝置站點發(fā)送，以收集實時監(jiān)控所需的信息，這樣就能實時監(jiān)控列車運行狀態(tài)?？刂浦噶钍侵钢醒胙b置站點模擬司控臺操作，發(fā)送一系列列車運行所需的控制指令，比如升降弓、VCB斷合、恒速、牽引級位、制動級位等，這些指令數(shù)據(jù)一般都是隨機產(chǎn)生的，可以設(shè)置包的到達時間間隔服從指數(shù)分布。表1給出了中央裝置節(jié)點9的數(shù)據(jù)流量建模參數(shù)。

表1 數(shù)據(jù)流量建模參數(shù)Table 1 The modeling parameters of Data flow

旅客信息服務流量主要指由旅客訪問Internet網(wǎng)所產(chǎn)生的一些網(wǎng)頁數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。通常旅客信息服務流量主要包括 Email，F(xiàn)TP，Http，Video Conferencing這幾種業(yè)務所產(chǎn)生的流量。目前OPNET本身已經(jīng)定義了這些業(yè)務，每種業(yè)務均可由用戶定義相關(guān)參數(shù)。由于本文重點仿真列車網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)流量，所以對旅客服務信息不作詳細介紹。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型的建立

整個CRH2列車通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用2層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——列車級網(wǎng)絡(luò)和車輛級網(wǎng)絡(luò)。列車級網(wǎng)絡(luò)是采用光纖雙環(huán)網(wǎng)將各個中央裝置和終端裝置連接起來，作為連接各編組車輛的通信網(wǎng)絡(luò)，同時還控制列車的運行;車輛級網(wǎng)絡(luò)作為連接車廂內(nèi)各車載設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)。本文的研究對象是列車通信網(wǎng)絡(luò)的列車級網(wǎng)絡(luò)，該通信網(wǎng)絡(luò)可以抽象成許多節(jié)點在一條以太網(wǎng)總線上進行通信的模型。其中每節(jié)車廂內(nèi)的所有通信設(shè)備看做一個整體，作為一個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點。通過配置節(jié)點的業(yè)務來模擬列車車廂內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，車廂之間的通信則是通過總線型以太網(wǎng)模擬的列車總線來實現(xiàn)。

圖2 列車通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Train communication network topology

將節(jié)點模型用鏈路模型按照總線型拓撲結(jié)構(gòu)連接起來就能形成完整的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)CRH2型列車編組規(guī)定經(jīng)過抽象簡化處理后設(shè)計出的基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)模型拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示:模型總線上共設(shè)置了14個節(jié)點，其中節(jié)點Tnode_1～Tnode_14代表8節(jié)列車車廂及車廂設(shè)備(包括中央的冗余設(shè)備)，Tnode_1～Tnode_8節(jié)點除了產(chǎn)生列車控制流量外，還模擬旅客信息服務流量。

網(wǎng)絡(luò)模型由節(jié)點模型組成，而節(jié)點模型則由大量的進程模塊組成。進程模型通過有限狀態(tài)機來支持協(xié)議、算法等。以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制層采用CSMA/CD協(xié)議，OPNET已經(jīng)對MAC層協(xié)議進行了建模，各狀態(tài)通過VC++代碼實現(xiàn)狀態(tài)的變化［5］。為了仿真的真實性，本次仿真的數(shù)據(jù)流量嚴格采用CRH2列車的實際業(yè)務流量。利用OPNET提供的擴展機制，本文在OPNET自帶的進程模型simple_source基礎(chǔ)上創(chuàng)建新的進程模型 simple_source_readIntervalFile來產(chǎn)生列車網(wǎng)絡(luò)的控制業(yè)務數(shù)據(jù)流量。以中央裝置站點9為例，列車通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型如圖3所示。

圖3 節(jié)點模型Fig.3 Node model

從圖3可以看出節(jié)點內(nèi)部共創(chuàng)建了4個進程模塊，1個隊列模塊和1對總線收發(fā)信機。從上至下各模塊的作用如下:數(shù)據(jù)源進程模型(src_kindofdata)代表高層用戶，主要用來產(chǎn)生需要傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù);處理模塊(sink)也代表高層用戶，主要負責接收從mac進程處理過的報文;接口進程模型(eth_mac_intf)是應用層與數(shù)據(jù)鏈路層的接口，它從數(shù)據(jù)源得到數(shù)據(jù)報文，并賦予一個有效的目的地址，然后發(fā)送到mac模塊，同時也從mac模塊接收報文并發(fā)送到高層的sink模塊;MAC進程模型是中央裝置節(jié)點模型中最主要的進程模型，負責管理報文的發(fā)送和接收，這些任務可以分解為3個基本功能:對流出的報文封裝成以太幀并放入到發(fā)送隊列中排隊、對流入的報文解封裝并向上層發(fā)送、管理正在進行的發(fā)送(沖突管理);沖突檢測進程模型(defer)負責獨立的檢測鏈路的情況，使mac模塊能通過進程讀取來確定傳輸是否被允許;總線收信機(bus_rx0)、發(fā)信機(bus_tx0)則共同模擬了用戶終端裝置節(jié)點的物理層，用于實現(xiàn)收發(fā)包。

3 列車通信網(wǎng)絡(luò)性能仿真結(jié)果分析

將列車運行過程中產(chǎn)生的控制業(yè)務數(shù)據(jù)流量導入OPNET進行以太網(wǎng)性能仿真，研究100 M以太網(wǎng)作為列車通信網(wǎng)絡(luò)時業(yè)務數(shù)據(jù)時延、丟包率等指標。另外還對以太網(wǎng)的極限性能進行了分析。

3.1 實際CRH2流量下的網(wǎng)絡(luò)性能分析

創(chuàng)建100M_flow場景，仿真時間設(shè)置:5 min。運行仿真，觀察列車運行過程中典型控制業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸時延、節(jié)點的丟包率等性能指標，如圖4所示。

圖4 業(yè)務數(shù)據(jù)時延和各站丟包率比較Fig.4 Comparison between the operations data time delay and packet loss rate of each station

從圖4(a)可以看出制動信息、牽引信息的傳輸時延較低，均為20 μs，而且延時的波動較小?？照{(diào)等狀態(tài)數(shù)據(jù)時延波動較大，但都符合列車通信網(wǎng)絡(luò)對傳輸數(shù)據(jù)時延的要求，另外還可知最大數(shù)據(jù)傳輸時延為0.18 ms，隨著仿真時間的推進，最大時延出現(xiàn)次數(shù)約為0，這進一步驗證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，也符合列車網(wǎng)絡(luò)對穩(wěn)定性的要求。從圖4(b)可以看出，節(jié)點1、節(jié)點7、節(jié)點9的丟包率在仿真開始時不穩(wěn)定，隨著仿真的進行，丟包率均穩(wěn)定在0.01%以下。分析以太網(wǎng)協(xié)議可知，節(jié)點丟包的原因主要是由于網(wǎng)絡(luò)的沖突造成的，丟包率極小的情況下，對網(wǎng)絡(luò)性能不會造成影響。從圖4可看出，鏈路的利用率約為0.45%，說明仍有很大的帶寬可以用來傳輸旅客信息以及適應將來出現(xiàn)的新業(yè)務。

3.2 以太網(wǎng)極限性能分析

考慮在不影響列車規(guī)定的傳輸時延和丟包率的限制下，對網(wǎng)絡(luò)流量大小進行分析，從而可以得到以太網(wǎng)的極限流量。仿真的目的是觀察控制數(shù)據(jù)傳輸時延隨網(wǎng)絡(luò)到達流量的變化情況，故創(chuàng)建仿真序列(Simulation Sequence)，通過改變參數(shù) interarrival time(包的到達時間間隔)進行12次仿真，將仿真結(jié)果輸出到標量文件中。通過結(jié)果查看器(View result)，設(shè)定X軸為到達流量(單位:Mb/s)，Y軸為時延(單位:s)，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 時延隨到達流量的變化Fig.5 Time delay with the change of flow rate arrival

從圖5可以看出，當以太網(wǎng)到達流量在43 Mb/s以下時，數(shù)據(jù)傳輸時延極小，均為微秒級。隨后當?shù)綌?shù)據(jù)達流量超過43 Mb/s時，數(shù)據(jù)傳輸時延一直呈直線上升趨勢，當?shù)竭_流量為45 Mb/s左右時，數(shù)據(jù)傳輸時延達到10 ms，這就意味著該時延達到了列車網(wǎng)絡(luò)對控制數(shù)據(jù)傳輸時延的最高要求。當?shù)竭_流量為45 Mb/s時，節(jié)點丟包率均值為0.016%，仍然很低。故從時延和丟包率兩方面考慮，可得知以太網(wǎng)作為列車通信網(wǎng)絡(luò)時的極限性能約45 Mb/s。

4 結(jié)束語

以太網(wǎng)時延反映了網(wǎng)絡(luò)底層通信的性能，鏈路使用率描述了網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況［6］。仿真結(jié)果表明:100 M以太網(wǎng)作為列車網(wǎng)絡(luò)時，不管是控制數(shù)據(jù)傳輸時延還是狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸時延均達到列車通信網(wǎng)絡(luò)對時延的要求。同時通過仿真最大時延出現(xiàn)的次數(shù)證明了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。另外，列車通信網(wǎng)絡(luò)正常運行時產(chǎn)生的流量相對較少，而在不影響列車規(guī)定的傳輸時延和丟包率的限制下，以太網(wǎng)所能承載的最大流量為45 Mb/s，說明以太網(wǎng)還有足夠大的帶寬可用。因此，將以太網(wǎng)作為高速列車通信網(wǎng)絡(luò)具有充分的可行性。

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