铁路数字移动通信网络拥塞负载均衡控制方法

谢育国

铁路数字移动通信网络拥塞负载均衡控制方法

谢育国

中国铁建电气化局集团有限公司, 北京 100043

铁路数字移动通信网络在进行通信传输时，通信路径选择受到消息路由决策限制，容易造成网络拥塞。为此，本文分析了GSM-R铁路综合专用数字移动通信网络的调度通信、调度命令传递、列车控制信息传递等功能，引入BCBCA算法，实现通信网络负载均衡控制。通过介数值变化对消息路由进行动态改变，优化源路由选择协议；根据网络演化图获得最短时延可用的备选路径，综合多属性计算各条备选路径选择概率，完成消息路由决策优化，实现网络拥塞负载的均衡控制。实验结果表明，所提方法可有效防止出现网络拥塞现象，负载均衡控制效果良好。

铁路; 移动通信; 网络拥塞; 均衡控制

在铁路信息化不断发展下，很多铁路通信网络实现了集中式整合，并体现出了高效率管理和低成本投资的优越性。然而由于铁路单位整体覆盖地域比较广，且员工数量比较多，导致对铁路移动通信网络和服务器提出的要求越来越高，特别是铁路信息系统访问流量及数据流量不断增大，致使单一服务器设备难以负担高强度计算与业务处理需求[1,2]。由此通过负载均衡控制技术实现服务器吞吐量的高效提升，并强化服务器信息数据处理性能，成为了解决上述问题的可靠途径。尽管越来越多智能算法用于移动通信网络负载路由中，但是在求解多约束优化问题过程中还是有很多不足，需要新智能法对网络路由进行优化，实现网络负载均衡。

为此，提出基于BCBCA的铁路数字移动通信网络拥塞负载均衡控制方法，实现通信网络负载均衡，力求为铁路通信网进一步优化提供可靠支撑。

1 GSM-R铁路综合专用数字移动通信网络

当前，我国的GSM-R通信网络能够实现下列业务：语音和数据业务，其中包含点对点的呼叫业务、点对点紧急呼叫业务、广播呼叫业务、组呼叫业务、铁路紧急呼叫业务和多方通话业务等；调度业务，其中包含增强多优先级和强拆功能业务及语音组呼；铁路特定业务，其中包含功能选址和调车作业等业务。该通信网络是专门为铁路所设计的，其要功能主要有：(1)调度通信：其中包含列车调度、货运调度和应急通信等。(2)车次号传输和列车停稳信息传递：该功能对铁路运输管控以及行车安全等方面均有着非常重大的意义，其能够依据GSM-R电路交换技术中数据采集传输进行数据传输[3]。(3)调度命令传递：该功能能够实现调度员向司机下达命令，其为行车安全最为重要的保障。(4)列车尾部装置相关信息传递：把列车而尾部风压数据传输至GSM-R通信系统，能够便于解决列车尾部风压数据的传输问题。(5)调车机车信号及监控信息传递：该功能能够实现调车机车信号以及监控信息的传输，还能够实现地面设备与多台车载设备之间信息数据的传输，同时将数据存储到有关数据库中。(6)列车控制信息传递：通过GSM-R通信实现车地之间的双向无线传输[4]，并为两者双向安全数据传递提供通道。(7)区间移动公务的通信：该功能是铁路通信系统基站，能够适应恶劣环境及无人值守要求，且在紧急条件下，相关工作人员还能够呼叫司机，和司机之间建立通话。(8)应急指挥通话与数据业务：该功能是在发生紧急情况时，建立起语音和图像等通信系统。

2 拥塞负载均衡控制

2.1 被选路径集合生成

假设单一基于该属性通过经典最短路径算法获取最短延迟路径实现信息数据转发，可能会有部分活跃节点处在多条最短路径。由此，经过此类节点的流量会变得很多，节点消耗速度也会变得更快，以此成为传输瓶颈，同时使预先路由决策变得失效。经综合考虑，在BCBCA算法中，节点先基于预先得到的确定性连接构建对应网络演化图，再以路径到达目标位置时间为测度，利用改进UFJs获取备选路径。和多部分现有算法基于时延或者距离等计算获得的候选路径有差别，此处计算同时记录任意时刻和任意节点对之间的前条最短路径组成备选路径集合J={1,2,…,J}，接着在备选路径集合中根据一定概率确定最终路径。

2.2 选择最终路由

以防止依据传统最短路径计算法获取的路径过度集中在部分活跃节点导致局部拥塞现象发生，利用统一时间段内各条消息实际转发路径信息描述通信网络负载情况。在此，定义某节点介数是所有消息实际转发路径集中通过该节点的路径总量，同时将此当作路由决策中的第二属性。一条路径中所有节点介数最大值即为该路径介数。通常情况下，一定时间段内，节点介数越大，则其资源消耗殆尽的概率就越大，对应地，通过该节点路径出现拥塞的可能性就越大。由此，路由选择过程中，应该在保证相对短延迟条件下极可能选择介数比较小的节点组成消息转发路径。

以得到相对精准的节点介数有关信息为目的，通信网络中各个节点都维持了一个节点介数表，此时节点基于各个消息实际选取的转发路径，对各个节点介数值进行统计。新消息源路由产生或者节点相遇均会使有关节点介数值更新。假设c代表节点N介数值，那么N·c代表节点N介数表内节点N介数值。如果节点N生成新消息，同时确定转发路径j={N,N,…,N}，则N会把本地计数表内j历经的全部节点介数值+1。以使节点介数值可以表征网络全局负载情况为目的，节点应基于其他节点路径选择更新自身介数表。但在铁路数字移动通信网络中直接得到所有节点路径信息不是很现实，由此，通过节点之间接触将介数表相互交换，同时将各个节点介数值更新成相遇节点介数表内对应节点介数相加值。综上，假设N、N相遇，那么任意节点N介数值更新计算式为：

在路由决策过程中，引入概率性路径选择机制，融合路径到达时间与节点介数，根据不同概率在多条备用路径中确定实际消息转发路径，以此把通信网络流量调度至多条路径上，不仅能够保障有相对短的交付延迟，还能够实现网络拥塞负载均衡控制。总而言之，当出现新消息，基于网络演化图对源节点至目的地节点的条相应备选路径进行计算，再基于路径到达时间与路径中节点最大介数值判断各条路径被选中的概率，同时从中概率性地确定实际转发路径。假设c代表目前路径j介数采样值，|j|代表路径j到达时间。那么任意备选路径j被选中可能性p计算式为：

网络演化图已知条件下，式（2）中|j|为一个确定值，由此各条路径被选中的概率变化主要决定因素是c。实际操作过程中，节点介数值整体变化情况和消息生成频率、节点相遇频率存在比较大的关联性。但是节点介数值变化量相对小的情况下，对于路径选中可能性影响不是十分显著，由此以避免无效重复计算，并减少节点计算产生的开销为目的，定义更新周期T实现本地介数表内各个节点介数值采样，通过目前介数采样值对各备选路径选中可能性进行重新计算，同时实现最终路径确定。在每次采样之后，介数表内各节点介数值会初始化成1，同时重新进行统计。

3 结果与分析

为验证基于BCBCA的铁路数字移动通信网络拥塞负载均衡控制方法有效性，利用在测试车辆上装置分组域QoS测试装备，并在核心网机房装置分组域QoS测试服务器，目的是与车载QoS终端相互配合实现GPRS信息传输各项QoS指标检验，将1个FE接口和GPRS网络连接，对调度命令和车次号传输的组网及应用模式进行模拟。测试过程和结果如下。

3.1 介数采样周期

改变节点介数的采样周期，以此观察T对消息到达率产生的影响，进而为网络负载均衡控制T合理值的确定提供依据。

图1为介数采样周期对通信网络消息到达率影响。

图 1 介数采样周期对通信网络消息到达率影响

由图1可知，采样周期对通信网络消息到达率产生的影响不是十分显著，但是随着T不断增大，到达率呈现出下降趋势，由此，在保障方法性能及开销的综合考虑下，将T定义为180 s。

3.2 通信网络负载分布

实验过程中，为保证实验客观性，在实验时间内随机选取消息经过的10个转发节点负载分布情况见图2。对比了OpenFlow控制方法、粒子群优化控制方法以及BCBCA控制方法的负载功率情况。

图 2 通信网络负载功率对比

分析图2可知，对于第二个节点来说，OpenFlow控制方法的通信网络负载功率为172 kw，粒子群优化(Particle swarm optimization, PSO)控制方法的通信网络负载功率为175 kw，BCBCA控制方法的通信网络负载功率高达320 kw。对于第8个节点来说，OpenFlow控制方法的通信网络负载功率为156 kw，粒子群优化控制方法的通信网络负载功率为155 kw，BCBCA控制方法的通信网络负载功率高达462 kw，本文方法的功率始终保持最高水平，说明BCBCA负载均衡控制效果最好，其防止了单纯基于时延选取最优转发路径，通过节点介数值判断网络瓶颈潜在位置，同时基于介数值变化对消息路由进行动态改变，在节点缓存压力相对大时，把数据流向负载比较小的节点实行疏导，利用延时性能次优路径防止出现拥塞现象。由此，各个节点数据流量均衡性较强，能够实现网络数据高效利用，同时提升通信网络吞吐量。

3.3 通信网络负载效果

为进一步验证铁路数字移动通信网络拥塞负载控制效果，采用OpenFlow、粒子群优化控制方法以及BCBCA控制方法的获得铁路数字移动通信网络的信息拥塞情况，结果如图3-4所示。

图 3 未进行网络拥塞负载控制

图 4 不同方法下网络拥塞负载均衡控制效果

图3表示未进行网络拥塞负载控制时拥塞率情况，图4表示经过拥塞负载均衡控制后的拥塞率况。综合分析图3与图4可知，未控制时拥塞率明显较高，最高拥塞率已达88%。而经过拥塞控制后，拥塞率明显下降，但是不同方法的下降情况不同。经过OpenFlow控制后，大部分时间下拥塞率下降到30%以下，但在20 s时仍超过75%。经过粒子群优化控制后，在检测时间内拥塞率全部在30%以下，均衡控制效果较好。而经过BCBCA控制后，在检测时间内拥塞率全部在15%以下，均衡控制效果最好。

4 结 论

鉴于铁路数字通信网的特殊性和复杂性，提出基于BCBCA的铁路数字移动通信网络拥塞负载均衡控制方法。依据GSM-R铁路综合专用数字移动通信网，利用节点介数拥塞感知路由法实现拥塞负载均衡控制。经测试，该方法能够高效实现网络负载均衡，具有可行性。在GSM-R网络不断普及与发展下，中枢纽与并线区段会越来越多，因此产生的各种技术问题也会越来越多，下一步可针对枢纽地区GPRS网络整体应用情况进行优化。

[1] 董宏成,郑飞毅.基于OpenFlow的数据中心网络负载均衡算法[J].电子技术应用,2016,42(5):120-123

[2] 宋文文.基于粒子群优化的数据中心负载均衡机制[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2019,39(5):81-88

[3] 朱世珂,束永安.基于软件定义网络的分层式控制器负载均衡机制[J].计算机应用,2017,37(12):3351-3355

[4] 仇英辉,陈玲.基于普通节点负载均衡的RPL路由协议[J].传感技术学报,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

谢育国(1968-),男,本科,高级工程师,主要研究方向为通信技术. E-mail:xygdhj@sohu.com