鐵路數字移動通信網絡擁塞負載均衡控制方法

謝育國

鐵路數字移動通信網絡擁塞負載均衡控制方法

謝育國

中國鐵建電氣化局集團有限公司, 北京 100043

鐵路數字移動通信網絡在進行通信傳輸時，通信路徑選擇受到消息路由決策限制，容易造成網絡擁塞。為此，本文分析了GSM-R鐵路綜合專用數字移動通信網絡的調度通信、調度命令傳遞、列車控制信息傳遞等功能，引入BCBCA算法，實現通信網絡負載均衡控制。通過介數值變化對消息路由進行動態改變，優化源路由選擇協議；根據網絡演化圖獲得最短時延可用的備選路徑，綜合多屬性計算各條備選路徑選擇概率，完成消息路由決策優化，實現網絡擁塞負載的均衡控制。實驗結果表明，所提方法可有效防止出現網絡擁塞現象，負載均衡控制效果良好。

鐵路; 移動通信; 網絡擁塞; 均衡控制

在鐵路信息化不斷發展下，很多鐵路通信網絡實現了集中式整合，并體現出了高效率管理和低成本投資的優越性。然而由于鐵路單位整體覆蓋地域比較廣，且員工數量比較多，導致對鐵路移動通信網絡和服務器提出的要求越來越高，特別是鐵路信息系統訪問流量及數據流量不斷增大，致使單一服務器設備難以負擔高強度計算與業務處理需求[1,2]。由此通過負載均衡控制技術實現服務器吞吐量的高效提升，并強化服務器信息數據處理性能，成為了解決上述問題的可靠途徑。盡管越來越多智能算法用于移動通信網絡負載路由中，但是在求解多約束優化問題過程中還是有很多不足，需要新智能法對網絡路由進行優化，實現網絡負載均衡。

為此，提出基于BCBCA的鐵路數字移動通信網絡擁塞負載均衡控制方法，實現通信網絡負載均衡，力求為鐵路通信網進一步優化提供可靠支撐。

1 GSM-R鐵路綜合專用數字移動通信網絡

當前，我國的GSM-R通信網絡能夠實現下列業務：語音和數據業務，其中包含點對點的呼叫業務、點對點緊急呼叫業務、廣播呼叫業務、組呼叫業務、鐵路緊急呼叫業務和多方通話業務等；調度業務，其中包含增強多優先級和強拆功能業務及語音組呼；鐵路特定業務，其中包含功能選址和調車作業等業務。該通信網絡是專門為鐵路所設計的，其要功能主要有：(1)調度通信：其中包含列車調度、貨運調度和應急通信等。(2)車次號傳輸和列車停穩信息傳遞：該功能對鐵路運輸管控以及行車安全等方面均有著非常重大的意義，其能夠依據GSM-R電路交換技術中數據采集傳輸進行數據傳輸[3]。(3)調度命令傳遞：該功能能夠實現調度員向司機下達命令，其為行車安全最為重要的保障。(4)列車尾部裝置相關信息傳遞：把列車而尾部風壓數據傳輸至GSM-R通信系統，能夠便于解決列車尾部風壓數據的傳輸問題。(5)調車機車信號及監控信息傳遞：該功能能夠實現調車機車信號以及監控信息的傳輸，還能夠實現地面設備與多臺車載設備之間信息數據的傳輸，同時將數據存儲到有關數據庫中。(6)列車控制信息傳遞：通過GSM-R通信實現車地之間的雙向無線傳輸[4]，并為兩者雙向安全數據傳遞提供通道。(7)區間移動公務的通信：該功能是鐵路通信系統基站，能夠適應惡劣環境及無人值守要求，且在緊急條件下，相關工作人員還能夠呼叫司機，和司機之間建立通話。(8)應急指揮通話與數據業務：該功能是在發生緊急情況時，建立起語音和圖像等通信系統。

2 擁塞負載均衡控制

2.1 被選路徑集合生成

假設單一基于該屬性通過經典最短路徑算法獲取最短延遲路徑實現信息數據轉發，可能會有部分活躍節點處在多條最短路徑。由此，經過此類節點的流量會變得很多，節點消耗速度也會變得更快，以此成為傳輸瓶頸，同時使預先路由決策變得失效。經綜合考慮，在BCBCA算法中，節點先基于預先得到的確定性連接構建對應網絡演化圖，再以路徑到達目標位置時間為測度，利用改進UFJs獲取備選路徑。和多部分現有算法基于時延或者距離等計算獲得的候選路徑有差別，此處計算同時記錄任意時刻和任意節點對之間的前條最短路徑組成備選路徑集合J={1,2,…,J}，接著在備選路徑集合中根據一定概率確定最終路徑。

2.2 選擇最終路由

以防止依據傳統最短路徑計算法獲取的路徑過度集中在部分活躍節點導致局部擁塞現象發生，利用統一時間段內各條消息實際轉發路徑信息描述通信網絡負載情況。在此，定義某節點介數是所有消息實際轉發路徑集中通過該節點的路徑總量，同時將此當作路由決策中的第二屬性。一條路徑中所有節點介數最大值即為該路徑介數。通常情況下，一定時間段內，節點介數越大，則其資源消耗殆盡的概率就越大，對應地，通過該節點路徑出現擁塞的可能性就越大。由此，路由選擇過程中，應該在保證相對短延遲條件下極可能選擇介數比較小的節點組成消息轉發路徑。

以得到相對精準的節點介數有關信息為目的，通信網絡中各個節點都維持了一個節點介數表，此時節點基于各個消息實際選取的轉發路徑，對各個節點介數值進行統計。新消息源路由產生或者節點相遇均會使有關節點介數值更新。假設c代表節點N介數值，那么N·c代表節點N介數表內節點N介數值。如果節點N生成新消息，同時確定轉發路徑j={N,N,…,N}，則N會把本地計數表內j歷經的全部節點介數值+1。以使節點介數值可以表征網絡全局負載情況為目的，節點應基于其他節點路徑選擇更新自身介數表。但在鐵路數字移動通信網絡中直接得到所有節點路徑信息不是很現實，由此，通過節點之間接觸將介數表相互交換，同時將各個節點介數值更新成相遇節點介數表內對應節點介數相加值。綜上，假設N、N相遇，那么任意節點N介數值更新計算式為：

在路由決策過程中，引入概率性路徑選擇機制，融合路徑到達時間與節點介數，根據不同概率在多條備用路徑中確定實際消息轉發路徑，以此把通信網絡流量調度至多條路徑上，不僅能夠保障有相對短的交付延遲，還能夠實現網絡擁塞負載均衡控制?？偠灾敵霈F新消息，基于網絡演化圖對源節點至目的地節點的條相應備選路徑進行計算，再基于路徑到達時間與路徑中節點最大介數值判斷各條路徑被選中的概率，同時從中概率性地確定實際轉發路徑。假設c代表目前路徑j介數采樣值，|j|代表路徑j到達時間。那么任意備選路徑j被選中可能性p計算式為：

網絡演化圖已知條件下，式（2）中|j|為一個確定值，由此各條路徑被選中的概率變化主要決定因素是c。實際操作過程中，節點介數值整體變化情況和消息生成頻率、節點相遇頻率存在比較大的關聯性。但是節點介數值變化量相對小的情況下，對于路徑選中可能性影響不是十分顯著，由此以避免無效重復計算，并減少節點計算產生的開銷為目的，定義更新周期T實現本地介數表內各個節點介數值采樣，通過目前介數采樣值對各備選路徑選中可能性進行重新計算，同時實現最終路徑確定。在每次采樣之后，介數表內各節點介數值會初始化成1，同時重新進行統計。

3 結果與分析

為驗證基于BCBCA的鐵路數字移動通信網絡擁塞負載均衡控制方法有效性，利用在測試車輛上裝置分組域QoS測試裝備，并在核心網機房裝置分組域QoS測試服務器，目的是與車載QoS終端相互配合實現GPRS信息傳輸各項QoS指標檢驗，將1個FE接口和GPRS網絡連接，對調度命令和車次號傳輸的組網及應用模式進行模擬。測試過程和結果如下。

3.1 介數采樣周期

改變節點介數的采樣周期，以此觀察T對消息到達率產生的影響，進而為網絡負載均衡控制T合理值的確定提供依據。

圖1為介數采樣周期對通信網絡消息到達率影響。

圖 1 介數采樣周期對通信網絡消息到達率影響

由圖1可知，采樣周期對通信網絡消息到達率產生的影響不是十分顯著，但是隨著T不斷增大，到達率呈現出下降趨勢，由此，在保障方法性能及開銷的綜合考慮下，將T定義為180 s。

3.2 通信網絡負載分布

實驗過程中，為保證實驗客觀性，在實驗時間內隨機選取消息經過的10個轉發節點負載分布情況見圖2。對比了OpenFlow控制方法、粒子群優化控制方法以及BCBCA控制方法的負載功率情況。

圖 2 通信網絡負載功率對比

分析圖2可知，對于第二個節點來說，OpenFlow控制方法的通信網絡負載功率為172 kw，粒子群優化(Particle swarm optimization, PSO)控制方法的通信網絡負載功率為175 kw，BCBCA控制方法的通信網絡負載功率高達320 kw。對于第8個節點來說，OpenFlow控制方法的通信網絡負載功率為156 kw，粒子群優化控制方法的通信網絡負載功率為155 kw，BCBCA控制方法的通信網絡負載功率高達462 kw，本文方法的功率始終保持最高水平，說明BCBCA負載均衡控制效果最好，其防止了單純基于時延選取最優轉發路徑，通過節點介數值判斷網絡瓶頸潛在位置，同時基于介數值變化對消息路由進行動態改變，在節點緩存壓力相對大時，把數據流向負載比較小的節點實行疏導，利用延時性能次優路徑防止出現擁塞現象。由此，各個節點數據流量均衡性較強，能夠實現網絡數據高效利用，同時提升通信網絡吞吐量。

3.3 通信網絡負載效果

為進一步驗證鐵路數字移動通信網絡擁塞負載控制效果，采用OpenFlow、粒子群優化控制方法以及BCBCA控制方法的獲得鐵路數字移動通信網絡的信息擁塞情況，結果如圖3-4所示。

圖 3 未進行網絡擁塞負載控制

圖 4 不同方法下網絡擁塞負載均衡控制效果

圖3表示未進行網絡擁塞負載控制時擁塞率情況，圖4表示經過擁塞負載均衡控制后的擁塞率況。綜合分析圖3與圖4可知，未控制時擁塞率明顯較高，最高擁塞率已達88%。而經過擁塞控制后，擁塞率明顯下降，但是不同方法的下降情況不同。經過OpenFlow控制后，大部分時間下擁塞率下降到30%以下，但在20 s時仍超過75%。經過粒子群優化控制后，在檢測時間內擁塞率全部在30%以下，均衡控制效果較好。而經過BCBCA控制后，在檢測時間內擁塞率全部在15%以下，均衡控制效果最好。

4 結 論

鑒于鐵路數字通信網的特殊性和復雜性，提出基于BCBCA的鐵路數字移動通信網絡擁塞負載均衡控制方法。依據GSM-R鐵路綜合專用數字移動通信網，利用節點介數擁塞感知路由法實現擁塞負載均衡控制。經測試，該方法能夠高效實現網絡負載均衡，具有可行性。在GSM-R網絡不斷普及與發展下，中樞紐與并線區段會越來越多，因此產生的各種技術問題也會越來越多，下一步可針對樞紐地區GPRS網絡整體應用情況進行優化。

[1] 董宏成,鄭飛毅.基于OpenFlow的數據中心網絡負載均衡算法[J].電子技術應用,2016,42(5):120-123

[2] 宋文文.基于粒子群優化的數據中心負載均衡機制[J].南京郵電大學學報(自然科學版),2019,39(5):81-88

[3] 朱世珂,束永安.基于軟件定義網絡的分層式控制器負載均衡機制[J].計算機應用,2017,37(12):3351-3355

[4] 仇英輝,陳玲.基于普通節點負載均衡的RPL路由協議[J].傳感技術學報,2016,29(7):1077-1082

The Load Balancing Control Method for Digital Mobile Communication Network Congestion on a Railway

XIE Yu-guo

100043,

When the railway digital mobile communication network carries on the communication transmission, the communication path choice is restricted by the message route decision-making, which is easy to cause the network congestion. Therefore, this paper analyzes the dispatching communication, dispatching command transmission, train control information transmission and other functions of GSM-R railway integrated dedicated digital mobile communication network, and introduces BCBCA algorithm to realize the load balance control of communication network. Optimize the source routing protocol by dynamically changing the message routing through the change of intermediate value.According to the network evolution graph, the shortest available alternative paths are obtained, and the probability of each alternative path selection is calculated based on multi-attribute. The decision optimization of message routing is completed to realize the balanced control of network congestion load. The experimental results show that the proposed method can effectively prevent network congestion, and the load balancing control effect is good.

Railway; mobile communication; network congestion; balancing control

TN711.5

A

1000-2324(2020)03-0517-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.026

2018-12-07

2019-02-14

謝育國(1968-),男,本科,高級工程師,主要研究方向為通信技術. E-mail:xygdhj@sohu.com