基于SVM智能預(yù)測的車地多網(wǎng)融合無線通信系統(tǒng)方案的研究與設(shè)計

白 軒，廖志斌，付 嵩

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所， 北京 100081）

當(dāng)前城市軌道交通系統(tǒng)中車地?zé)o線通信通常采用LTE-M或者WLAN技術(shù)制式[1]，但無論采用何種制式，由于無線空口環(huán)境的特殊性，無線干擾潛在風(fēng)險較大[2]。如表1所示，1.8 GHz LTE-M網(wǎng)絡(luò)存在著運營商的鄰頻干擾風(fēng)險，2.4 GHz/5.8 GHz WLAN網(wǎng)絡(luò)由于采用公共頻段存在著同頻干擾風(fēng)險。無線干擾有可能導(dǎo)致車地通信的中斷，從而影響運營效率。

表1 運營商工作頻點統(tǒng)計表

國內(nèi)外對于提高車地?zé)o線通信質(zhì)量的方式都有較深的研究，文獻(xiàn)[3]提出調(diào)整天線的極化方向、方向角，采用波導(dǎo)管，增加糾錯編碼的方式提升抗干擾性能從而提高車地?zé)o線通信質(zhì)量；文獻(xiàn)[4]針對WLAN技術(shù)制式提出通過簡化IEEE802.11功能（NRS）的方式提升車地通信的性能；文獻(xiàn)[5]針對LTE-M制式提出基于短序列灰色預(yù)測模型的雙設(shè)備越區(qū)切換算法消除同頻干擾、多徑效應(yīng)以及陰影衰落對接收信號強度值的影響提高車地?zé)o線質(zhì)量。然而少有文獻(xiàn)采用多網(wǎng)融合提升車地?zé)o線通信質(zhì)量，本文提出了一種車地多網(wǎng)融合無線通信系統(tǒng)方案，采用多種車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)融合使用的方式實現(xiàn)車地通信，進(jìn)一步提高車地?zé)o線通信的穩(wěn)定性以及故障應(yīng)對能力。

1 方案設(shè)計

1.1 多網(wǎng)融合無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車地多網(wǎng)融合無線通信系統(tǒng)方案融合使用LTE-M網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車地通信。多網(wǎng)融合無線通信方案的組網(wǎng)主要包括地面通信設(shè)備、車載無線通信單元以及LTE-M、WLAN無線通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

地面通信設(shè)備中地面監(jiān)測服務(wù)器同時接入LTE-M網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)，同車載無線通信單元共同實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的監(jiān)測。車載無線通信單元包括LTE/WLAN通信單元和處理單元，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入與選擇，完成車地?zé)o線通信。

1.2 多網(wǎng)融合無線通信系統(tǒng)工作機制

LTE-M網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)為寬帶網(wǎng)絡(luò)，均能夠滿足城市軌道交通車地?zé)o線通信的需要，因此車地多網(wǎng)融合無線通信工作機制原則為LTE-M和WLAN網(wǎng)絡(luò)擇優(yōu)使用。車載無線通信單元周期性檢測LTE-M網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量，選擇質(zhì)量更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸。

該方案的核心問題為網(wǎng)絡(luò)選擇問題，本文將利用分類預(yù)測的思想解決此問題。將車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)中多個參數(shù)作為特征點，使用支持向量機（SVM，Support Vector Machine）作為分類預(yù)測模型，提出基于SVM的網(wǎng)絡(luò)選擇算法，實現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)選擇。

2 基于SVM智能預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)選擇算法研究

車載無線通信單元根據(jù)與地面監(jiān)測服務(wù)器之間監(jiān)測信息計算出LTE-M和WLAN兩種網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延、丟包率，同時獲取網(wǎng)絡(luò)的接收信號強度、信噪比等指標(biāo)，用這些指標(biāo)作為車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)選擇的參數(shù)[6]。本文將最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)選擇抽象成一個二分類的問題，利用上述參數(shù)作為特征進(jìn)行分類判斷。

2.1 SVM原理

用數(shù)學(xué)的語言可以把分類問題描述如下。

給定訓(xùn)練集：

其中，xi∈ R ； yi={1, –1} ；i=1, …, l； xi是特征向量[7]，其分量是從物體中提取的特征或?qū)傩?；yi是相應(yīng)的類別標(biāo)記（1和-1分別表示正類和負(fù)類）。據(jù)此尋找Rn空間上的一個實值函數(shù)g(x)，以便使用決策函數(shù)：

推斷任一輸入x對應(yīng)的輸出y。

如圖2所示，SVM模型[8]重點是尋找最優(yōu)的分類超平面，使得圖中兩條虛線之間的間隔最大且錯誤率最小[9]。對于非線性情況，則通過引入合適的變換以及核函數(shù)來解決。通過上述核函數(shù)的引入，最終得到的決策函數(shù)形式如下：

其中，αi*、b*為參數(shù)，K為核函數(shù)。

SVM具有錯誤率低，計算開銷小，速度快的優(yōu)勢，而且SVM本質(zhì)上就是二分類器，因此本文將采用SVM作為LTE-M和WLAN間網(wǎng)絡(luò)選擇的算法基礎(chǔ)。

圖2 線性可分支持向量機

2.2 基于SVM智能預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)選擇算法

基于SVM智能預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)選擇綜合考慮LTE-M和WLAN網(wǎng)絡(luò)的無線信號質(zhì)量以及數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量，以無線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量作為研究目標(biāo)，將LTE-M和WLAN網(wǎng)絡(luò)的多種信號質(zhì)量參數(shù)以及鏈路質(zhì)量參數(shù)與無線鏈路數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量建立聯(lián)系。通過模型計算，運用多特征的分類預(yù)測方法，實現(xiàn)車地?zé)o線通信最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的選擇。其主要流程如下：

（1）訓(xùn)練集創(chuàng)建。從實際運行的線路中獲取無線信號質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)以及無線鏈路質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)。無線信號質(zhì)量參數(shù)包括接收信號強度、信噪比，無線鏈路質(zhì)量參數(shù)包括丟包率、傳輸時延、傳輸速率。根據(jù)在廣州地鐵7號線以及重慶地鐵10號線兩條線路的長期測試統(tǒng)計，其中，廣州7號線車地?zé)o線通信采用WLAN網(wǎng)絡(luò)，重慶10號線采用LTE-M網(wǎng)絡(luò)，對照信號系統(tǒng)運行對數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕疽笊筛髯跃W(wǎng)絡(luò)屬性集合，根據(jù)起點融合的方式合并兩個網(wǎng)絡(luò)的屬性集合，再通過人工審核對集合中每個點進(jìn)行最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)劃分，生成訓(xùn)練集。

（2）參數(shù)歸一化。不同參數(shù)的物理意義不同，參考的尺度不同，因此需要歸一化處理。由于不同網(wǎng)絡(luò)的基本要求不同，同一種特征參數(shù)也需要進(jìn)行歸一化處理，如LTE-M和WLAN網(wǎng)絡(luò)的無線覆蓋方案存在區(qū)別，因此兩者的接收信號強度最低值與最高值存在區(qū)別。本文中的歸一算法采用如下公式：

其中， vi是歸一化之后的參數(shù)值，v為參數(shù)原始值，vmax為參數(shù)最大值，vmin為參數(shù)最小值。

（3）構(gòu)建SVM分類器。根據(jù)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)，選取SVM參數(shù)以及核函數(shù)，并最終得出決策函數(shù)[10]。選取部分樣本作為測試集，測試當(dāng)前SVM分類器的準(zhǔn)確率，召回率以及F1值。通過不斷調(diào)整參數(shù)，進(jìn)而調(diào)整決策函數(shù)，最終根據(jù)分類器的準(zhǔn)確率、召回率以及F1值確定最優(yōu)參數(shù)，并構(gòu)建最優(yōu)分類器[11]。

基于SVM智能預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)選擇算法流程如圖3所示。

圖3 基于SVM最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)選擇方案流程圖

通過上述流程構(gòu)建分類模型完成之后，列車實時采集無線信號質(zhì)量參數(shù)以及無線鏈路質(zhì)量參數(shù)，進(jìn)行歸一化處理之后，輸入SVM分類模型，最終根據(jù)分類的結(jié)果選擇對應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。然后周期性判斷最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前使用的無線網(wǎng)絡(luò)是否相同，如果不相同則啟動切換流程，如果相同則進(jìn)行下一個周期的判斷。

3 仿真及測試分析

3.1 基于SVM智能預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)選擇算法仿真

為驗證方案有效性，本文使用在真實線路中采集的無線信號質(zhì)量數(shù)據(jù)和無線鏈路質(zhì)量數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，如表2所示。

其中，R表示信號強度，單位是dBm；SNR表示信噪比；D表示傳輸時延，單位是ms；L表示丟包率，單位是%；RT表示傳輸速率，單位是Mbps。C表示訓(xùn)練集的分類標(biāo)識，+1標(biāo)識分類為LTE-M，-1標(biāo)識分類為WLAN，其歸一化表示如表3所示。

本文采用召回率、準(zhǔn)確率以及F1值對SVM分類進(jìn)行評價，使用Matlab進(jìn)行所選SVM算法的仿真，分別用訓(xùn)練樣本集以及另外采集的測試數(shù)據(jù)集進(jìn)行

表2 SVM訓(xùn)練集原始數(shù)據(jù)表

表3 SVM訓(xùn)練集歸一化數(shù)據(jù)表

測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 SVM分類測試結(jié)果圖

測試結(jié)果顯示， 訓(xùn)練樣本集和測試數(shù)據(jù)集都具有較高的分類準(zhǔn)確率和分類召回率，訓(xùn)練樣本集和測試數(shù)據(jù)集的分類效果差距較小，說明SVM分類模型在車地多網(wǎng)融合無線通信網(wǎng)絡(luò)選擇中具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，適用于城市軌道交通中無線網(wǎng)絡(luò)選擇。

3.2 多網(wǎng)融合車地通信的仿真與分析

本文實現(xiàn)了基于SVM智能預(yù)測的車地多網(wǎng)融合無線通信系統(tǒng)，重點完成系統(tǒng)中車載無線通信單元設(shè)備，該設(shè)備包括LTE/WLAN通信單元和處理單元，同時設(shè)置監(jiān)測終端監(jiān)測以記錄數(shù)據(jù)傳輸情況。在實驗室搭建了仿真環(huán)境，其中，地面監(jiān)測服務(wù)器分別接入LTE-M和WLAN網(wǎng)絡(luò)。將LTE-M信號和WLAN信號分別通過饋線送到信道仿真單元輸入接口，輸出接口通過饋線連接至車載無線通信單元。通過對信道仿真單元的控制實現(xiàn)LTE-M和WLAN信號的強度變化，同時使用干擾源制造噪聲和干擾完成故障注入。仿真環(huán)境具體如圖5所示。

圖5 多網(wǎng)融合車地通信仿真環(huán)境示意圖

為驗證方案可行性以及算法有效性，本文在仿真環(huán)境中通過故障注入的方式，利用干擾源產(chǎn)生無線干擾，降低無線網(wǎng)絡(luò)性能，模擬無線網(wǎng)絡(luò)故障環(huán)境，根據(jù)現(xiàn)場實際測試數(shù)據(jù)確定場景及相關(guān)參數(shù)如下：場景1模擬從WLAN網(wǎng)絡(luò)切換到LTE-M網(wǎng)絡(luò)的情況，WLAN網(wǎng)絡(luò)使用2.4 GHz頻段的1信道，中心頻點為2.412 GHz，故障注入前信號強度為-68 dBm，信噪比為28.7，干擾信號強度為-70 dBm；場景2模擬從LTE-M網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)的情況，LTE-M網(wǎng)絡(luò)采用1.8 GHz頻段，帶寬為5 MHz，故障注入前信號強度為-78 dBm，信噪比為27.5，干擾信號強度為-70 dBm。其數(shù)據(jù)傳輸仿真結(jié)果如圖6和7所示。

圖7 場景2數(shù)據(jù)傳輸仿真結(jié)果圖

圖6和圖7分別展示了兩種場景下的數(shù)據(jù)傳輸仿真結(jié)果，圖中縱軸標(biāo)識數(shù)據(jù)的傳輸時延，橫軸為時間，時延突然為零的點表示該包數(shù)據(jù)丟失。圖中曲線分別表示LTE-M和WLAN數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸時延。通過仿真結(jié)果可以看出，一旦當(dāng)前使用的無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，車地多網(wǎng)融合無線通信系統(tǒng)能夠迅速切換到另一個性能優(yōu)越的無線網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果表明，本文提出的基于SVM智能預(yù)測的車地多網(wǎng)融合無線通信系統(tǒng)方案，能夠在當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時使用另一網(wǎng)絡(luò)來保持車地?zé)o線數(shù)據(jù)的傳輸，該方案具備可行性和有效性。

4 結(jié)束語

為提高城市軌道交通系統(tǒng)中車地?zé)o線通信質(zhì)量，本文提出了一種車地多網(wǎng)融合無線通信系統(tǒng)方案，融合使用LTE-M和WLAN無線網(wǎng)絡(luò)完成車地?zé)o線通信。為解決多網(wǎng)融合中網(wǎng)絡(luò)選擇問題，提出了基于SVM智能預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)選擇算法，并通過搭建模擬仿真環(huán)境驗證了整體方案的有效性和可行性。下一步還需研究提高網(wǎng)絡(luò)選擇算法的效率，并提升整體方案的實用性。