QoS-Aware网络虚拟化资源分配在一个集成的火车地面通信系统

文摘

城市轨道交通在城市化进程中发挥着越来越重要的作用。Communications-Based的列车控制(CBTC)系统、乘客信息系统(π)和闭路电视(CCTV)是城市轨道交通的关键应用程序以确保其正常运行。在现有的城市轨道交通系统中,不同的应用程序部署独立的火车地面通信系统。当火车反复地面通信系统构建,有限的无线频谱会被浪费,维护工作将会变得复杂。在本文中,我们设计一个基于网络虚拟化集成训练地面通信系统,在城市轨道交通中的所有应用程序可以共享相同的物理基础设施。为了更好地满足服务质量(QoS)需求的每个应用程序,提出了一种基于QoS保证虚拟资源分配算法,基站负载均衡和应用程序公平。此外,随着分布式凸优化的最新成就,我们利用一种新颖的分布式优化方法基于交替方向法乘数(小组ADMM)来解决虚拟资源分配问题。大量的仿真结果表明,设计综合训练的QoS地面通信系统使用该算法可以明显改善。

1。介绍

随着城市扩张,城市人口激增,传统的道路交通设施不能满足现代社会的需求。大力发展城市轨道交通系统、提高轨道交通的速度和能力已成为理想的世界各地。研究城市轨道交通已成为研究焦点在世界各地的工程师和研究人员。

火车地面通讯是一个关键技术,确保城市轨道交通的正常运行1]。大部分的城市轨道交通应用程序,比如Communications-Based的列车控制(CBTC)系统(2),乘客信息系统(π),闭路电视(CCTV),需要地面通信系统训练。CBTC在现有的城市轨道交通系统,π,央视采用无线局域网使用授权频谱作为列车地面通信技术(3]。车地通信系统的建设和管理工作为每个应用程序在现有的城市轨道交通系统是独立的。这是一个巨大的浪费有限的无线频谱和其他社会资源和建立新的通信基础设施投资为每个应用程序。维护这些设施也将成为一个很大的负担。为了确保城市轨道交通安全的操作,将所有这些通信系统集成到整个城市轨道交通系统是非常可取的。

车地通信系统的主要机遇和挑战进行了总结(4]。大量的研究人员研究了城市轨道交通列车地面通信有关的问题。文献[5)旨在提供一个全面的教程,以及调查的最先进的CBTC和无线电通信的作用。总结用于现代的通信技术发展的铁路信号、最佳实践在CBTC无线网络的设计,和措施,优化其可用性进行了讨论。在[6),一个MIMO-assisted切换(MAHO)计划为CBTC系统提出了减少传输和切换延迟。在[7),冗余的马尔可夫模型和nonredundant CBTC列车地面通信系统结构建立了分析系统的可靠性和可用性。的影响不同的系统冗余和可用性之间的关系的CBTC列车地面通信系统和列车的速度进行了讨论。信道建模在CBTC列车地面系统深入研究[8,9]。结合人工智能(AI)决策和学习算法为基础,Amanna et al。10]目前railroad-specific认知无线电(rail-CR)和软件定义无线电(SDR)。基于周期性信号质量变化,作者的11)提出一个调度和资源分配机制,最大化传输速率基于LTE火车地面通信系统。车地通信系统的切换问题,无缝切换方案基于双层和dual-link系统架构提出了(12减少通信中断时间。在我们以前的工作,跨层切换的设计已经被广泛的研究(13基于无线局域网的CBTC列车地面通信系统。

上述作品研究城市轨道交通列车地面通信系统性能,分析轨道交通环境对系统性能的影响。然而,大多数的作品只关注独立的应用程序。很少有研究考虑所有火车地面应用程序。我们之前工作测试基于LTE的综合训练地面通信系统性能(14- - - - - -16]。我们还研究了切换设计在现有综合训练地面通信系统(3]。然而,不当的问题系统无线频谱分配很大程度上忽略了这些作品。

在本文中,我们设计一个基于网络虚拟化集成训练地面通信系统对于城市轨道交通系统。与各种应用程序,设计系统从现有的系统可以更新。这种设计不仅可以降低建设和运营成本,还提高了频谱利用率。为了更好地满足QoS需求的应用程序在使用无线网络设计系统的虚拟化技术(17),提出了一种基于QoS保证虚拟资源分配算法,基站(BS)负载均衡和应用程序公平。与此同时,我们定义了一个QoS满意度水平(QoSL)参数来反映应用程序满意度。最后的优化目标是确保应用程序的可靠性和CBTC QoS满意度最大化的所有应用程序。

此外,随着分布式凸优化的进一步发展,我们开发一个分布式无线虚拟资源分配算法基于交替方向法乘数(小组ADMM) [18)来解决虚拟资源分配问题。仿真结果表明,设计综合训练的QoS地面通信系统可以显著改善方法。

剩下的纸是组织如下。节2,综合训练地面通信系统架构介绍。部分3描述了系统模型和问题公式化。虚拟资源分配问题转换和使用小组ADMM讨论了部分解决方案4和5,分别。仿真结果给出了部分6。最后,给出的结论是在部分7。

2。设计综合训练地面通信系统体系结构

在本节中,我们首先介绍了QoS要求不同的应用程序在火车地面通信,然后现在的基本结构设计综合训练地面通信系统。接下来,我们研究每个虚拟化特征如何进行物理BS。最后,我们描述了使用网络虚拟化的设计系统。

2.1。应用在城市轨道交通系统

如今,在城市轨道交通系统中主要有三个应用程序。他们是基于通信的列车控制(CBTC)系统,闭路电视(CCTV),和乘客信息系统(π)。

如图1,在CBTC系统中,连续的地面之间的双向无线通信基站(BS)和每个车载应用站是用来代替传统的基于轨道电路的列车控制系统。火车会训练前的状态和其他障碍区控制器(佐)。它将计算制动曲线,停在一个适当的位置。理论上,两列火车之间的距离只有几米,如果火车都可以得到的实时位置前火车和火车都有相同的速度和制动功能。

然而,正如解释(19),当火车后面没有得到的实时位置前面列车由于列车地面通信延迟,它将触发制动停止在进入危险区域。这个过程将对CBTC系统性能有显著的负面影响。因此,最重要的QoS测量火车地面通信系统传输延迟。典型值所需的传输延迟和其他建议在CBTC系统QoS措施见表1。

在城市轨道交通系统中,另外两个重要的应用是π和闭路电视。采取先进的通信和多媒体技术的优势,多样化的多媒体信息,如天气预报、列车到达时间,广告将提供通过π乘客在列车和车站。中央电视台是一个至关重要的添加剂,保证列车安全运行。通过使用中央电视台,城市轨道控制中心可以监视火车车厢,站,和其他重要区域通过不断训练视频传输。π和闭路电视应用,吞吐量和延迟抖动性能的直接测量,因为高质量的视频需要更高的吞吐量和更少的延迟抖动。

传输数据率的建议值和其他建议QoS措施在π和央视见表1。我们得到这个表通过咨询在中国几个城市轨道运营公司。表中的数据1不是绝对的性能要求标准。事实上,城市轨道运营企业(特别是企业在不同的城市)有不同的通信QoS要求火车地面应用程序。这个表的性能需求是通过综合各种数据从不同的公司。我们需要指出,该优化算法在我们的设计综合训练地面通信系统不依赖于数据在表1。一旦我们得到更权威的性能参数要求,他们可以用在我们的优化模型,可以获得更精确的仿真结果。

车地通信系统的建设和管理工作为每个应用程序在现有的城市轨道交通系统是独立的。这是一个巨大的浪费有限的无线频谱和其他社会资源和建立新的通信基础设施投资为每个应用程序。最近,工程师们试图设计一个系统,它结合了所有应用程序。系统体系结构如图2。为了提高CBTC系统的可靠性,使用两个独立的地面基础设施。有两个CBTC应用站在火车上,安装在它的鼻子和尾巴,和它们连接到不同的地面基础设施。两个独立的地面基础设施分配常数谱训练。π和闭路电视应用电台只连接一个地面基础设施和共享与CBTC系统的无线频谱。

上述系统的一个缺点是不当的频谱资源分配方案。设计系统使用两个独立的地面基础设施保证了CBTC系统的可靠性。然而,城市轨道交通系统的频谱分配是有限的,和所有的频道所使用的不同的应用程序共享相同的频谱。渠道不同的应用程序所需要的动态变化,分配常数渠道不同的应用程序会浪费有限的频谱资源。

为了更好地满足不同应用程序的QoS要求,我们设计一个综合训练地面通信系统为城市轨道交通系统使用无线网络虚拟化技术,将在接下来的部分。

2.2。建筑设计综合训练的地面通信系统

设计系统架构图所示3。不同于现有的系统,在我们设计的系统,可以连接两个基础设施π和闭路电视应用程序站以及两个CBTC应用程序。

提出了综合训练地面通信系统体系结构如图4。一段铁路,它假定只有一个实体基础设施提供者(PiP),它提供了三种不同的网络服务火车站与三个不同的应用程序。根据一般的无线网络虚拟化定义,该建议的体系结构可以分为两个独立的层:控制和管理层(CML)和虚拟化层(重要)。

CML是资源管理的主要责任。CML的主要功能是实现了几个虚拟网络控制器和一个系统管理程序。每一个虚拟网络都有自己的网络控制器,负责调度应用程序,确定他们的QoS要求,通知管理程序。hypervisor可以灵活分配虚拟资源虚拟网络在不同的情况下根据反馈信息(传输能量,例如,可用频谱)和不同的QoS要求。整个网络有一个管理程序。通过使用无线网络虚拟化,每个应用程序站可以通过相同的pip值和不同的频谱资源。

重要的是负责抽象、可编程性和孤立的物理资源在一定物理基站(BS)。使用各种重要功能,PiP能够广播信标BSs各种虚拟应用程序。此外,每一个虚拟网络应该有独立控制的设置虚拟BSs。他们可以设置不同的虚拟BSs属性,如不同的安全策略,广播域和IP设置。此外,虚拟BSs可以分离不同的无线频谱。

六世还提供了CML与所需的接口控制虚拟资源(光谱、传动功率等)。六世,PiP和无线资源虚拟化和共享的各种虚拟网络。

虚拟资源分配是一个关键的问题在上面的系统。物理和无线虚拟资源应该动态地分配给CBTC,π,中央电视台根据他们的要求。如果没有精心设计的虚拟资源分配方案,正常的CBTC系统功能将不被保证。π和中央电视台的视频传输质量将会降低。这将产生重大的负面影响城市轨道交通系统。这一点上,我们将在以下部分中研究虚拟资源分配方案。

3所示。系统模型和问题公式化

在设计的系统中,我们定义基站(BS)集, 。集成系统是虚拟成多个虚拟BSs(于)为不同的服务。系统有一组于, 。对于每一个根据 , ,是一组应用于车站 ,和是应用站之一,根据 , 。在集成系统中,无线信道是一种粒度的物理无线资源管理程序。每个根据需要一定数量的子信道完成QoS要求应用程序。我们定义子通道的废话 。 是所有可用的集合物理渠道废话吗 ,考虑到法律的频谱。我们认为权力是均匀分布在每个通道。hypervisor可以准确获取信道状态信息(CSI),可用的频谱,QoS需求的应用程序。为了提高频谱资源的利用率,每个子通道可以采用不同的调制模式根据信道状态信息。

虚拟资源分配优化可以被描述为最大化系统的总应用程序满足条件的约束。严格凹,单调递增,连续可微的对数效用函数(20.)是用于确保比例公平的资源分配。的给出公式如下:Opt-U1:

在哪里 , ,和是应用程序与虚拟资源协会的奖励函数策略和和 , ,和表示建议的不同的应用程序的性能值。和任务指标。如果应用程序站分配给废话和子通道分配给用户 , , ;否则 , 。应用程序站由一个b,只和一个辅助通道没有分配到多个应用程序。传输延迟的不平等反映了一个事实CBTC的应用站不能超过其阈值要求 。

当我们定义QoS满意度水平(QoSL)的应用程序作为

优化功能可以转换如下:Opt-U2:

π和闭路电视应用程序中,我们的目标是最大化他们的数据传输吞吐量和减少抖动延迟。因此,奖励函数可以定义为这两个应用程序 或 在哪里子通道之间的可实现的数据率吗和用户 。它是一个函数的子通道可用带宽 ,的信噪比 ,和比特误码率和可以计算如下21]:

子通道时的抖动延迟吗用于用户 。

CBTC应用程序,重要的是保持快速列车和地面之间的响应时间。因此,奖励函数反映了传输延迟可以被定义为 在哪里是实现数据传输的延迟。

结合小规模衰落和大规模的衰落,我们收到了信噪比作为 在哪里发射功率,是大规模的路径损耗,随机变量是一个瑞利的意思是1当我们使用瑞利分布来描述褪色的信封,是一个高斯随机变量的方差吗的意思是0,和发射机和接收机的天线增益,分别和噪声功率。路径损耗值依赖于工作频率和传输环境。在本文中,我们使用路径损耗模型中描述(21]。

的是由建议丢包率表中给出1。这是因为,考虑到链接 ,帧错误率和被计算为 在哪里数据包长度和吗是最大的传输时间。

在本文中,我们以LTE链路层为例计算端到端传输延迟。LTE是新一代的无线通信技术,它已成为主要为下一代CBTC系统培训地面通信技术(15]。在LTE系统中,混合自动重复任务(HARQ)作为一个错误控制代码。给定一个重传时间 ,传输延迟可以计算 在哪里包传输时间取决于传输速率。

是往返时间(RTT),它是大约计算 在哪里和上行和下行数据传输延迟,是一个过程在BS和应用程序。

考虑到传输时间次重传,平均传输时间与最大重传时间可以计算为

抖动延迟被认为是在任何位置传输延迟的标准差。因此,最大重传时间 ,抖动延迟计算

4所示。问题转换

很难解决的问题基于以下的原因。首先,太多的约束使问题变得复杂。其次,由于布尔值和 ,目标函数和可行的不是凸。

根据方法(22),二进制的变量和(即可以放松。,我们假设 和 ,尽管 , )。我们定义 , 在哪里 是用来表示BS无线资源分配的比例用户 。然后这个问题获得一个等价变换如下:Opt-U3:

显然,当 ,我们有 站,这意味着应用程序是不与任何废话。文献[23]给出了凸性的证明问题(14)。

5。使用小组ADMM虚拟资源分配

通解,CVX工具可以用来解决凸项目(14)。给出最优关联指标矩阵 和最优资源配置指标矩阵 在时间 ,可以被描述为相应的分配方案

观察从上面两个公式,得到最优分配方案,集中式算法必须获得实现率所有用户的时间和平均满意度水平 所有用户的时间 。这个结果在一个相对大量的计算高速城市轨道交通系统。为了克服它,我们使用小组ADMM解决凸问题。小组ADMM是优化的计算框架。适用于解决分布式的凸优化问题,特别是统计学习问题(18]。

为了使用小组ADMM解决凸优化,介绍了全球的本地副本任务指标。大致说来,每个局部变量可以解释为信息属于每个BS对全球分配相应的指标变量。

推动本地副本到共识,我们使用分布式共识小组ADMM方法(18]。让 表示的向量指标和任务表示的本地副本在废话 。共识的约束,我们引入一个辅助变量代表我们的本地副本任务指标作为等式约束:

考虑到当地的向量 和 ,我们定义了一个可行的局部变量设置为每个BS 。约束(15 b)可以分解成独立凸集 和一个相关的当地效用函数

使用(17)和(18)和辅助变量 ,我们可以简洁地编写全球共识的问题(14),

然后的增广拉格朗日函数(19)可以写成 在哪里是拉格朗日乘数法与共识的约束问题(19), 是一个惩罚参数的收敛速度调整小组ADMM [18]。

小组ADMM的基本思想是,凸优化分解为较小的分区,然后每个人更容易处理。小组ADMM方法组成的连续优化步骤通过更新原始和双变量交替。在迭代优化我们需要以下步骤:

6。仿真结果和讨论

在本节中,我们使用2015 b进行MATLAB仿真。提出了仿真结果说明该算法的最优性能。

为了简化仿真模型,我们认为有四个物理综合训练地面通信系统基站,每个物理b可以虚拟成三个虚拟基站,提供三个服务,CBTC,π,和央视,分别如图5。其中,红色网络基站BS1和BS2 InP1属于基础设施,和蓝色的网络基站BS3和BS4 InP2属于基础设施。BS1 BS3或BS2 BS4覆盖同一地理区域,形成冗余覆盖并确保CBTC系统的可靠性。我们假设无线虚拟化之间可以使用不同的输入。无线频谱资源可以共享多个虚拟基站虚拟化的BS1 BS3或BS2 BS4。对于应用程序,没有明显的区别不同的基础设施如果相同的资源池内的所有资源(例如, , ,和在相同的资源池)。

为了说明算法的性能改进,我们与现有的算法进行比较。在现有的算法中,应用程序站连接基站提供的最大接收信号强度(RSS),并且每个BS进行无线频谱资源分配比例公平。我们的名字作为Max-RSS现有方案。

正如我们从图可以观察到6(一)Max-RSS方案下,一些应用程序的满意度水平小于零,这使得这些应用程序的QoS站没有保证的。然而,所有应用程序的QoS要求电台可以满意提出WVRA方案如图6 (b)。这是因为有一个以上的应用站与基站同时相同,但应用程序站连接基站提供的最大接收信号强度(RSS)采用Max-RSS方案时,和QoS保证不被认为是。相反,WVRA方案充分考虑了QoS保证、基站(BS)负载均衡和应用程序公平。通过这种方案,每个应用程序的QoS要求保证。

接下来,我们评估的公平性能不同的算法使用在文学描述公平指数(24]。如果公平指数接近1,这意味着该算法有更高程度的公平,反之亦然。公平指数被定义如下:

正如我们从图可以观察到7与应用程序的逐渐增加,站在细胞中,Max-RSS算法不能保证虚拟资源的公平分配。这主要是因为无线资源是有限的,和应用程序之间的激烈竞争导致的减少公平。然而,我们的算法WVRA有效地保证了虚拟资源分配的公平性。尽管应用程序站继续增加,公平指数保持不变,这意味着虚拟资源仍然可以公平分配。

为了验证抖动延迟π和闭路电视应用程序的性能改进,我们应用图说明闭路电视的传输延迟8。我们提出的传输延迟WVRA方案与现有方案相比更容易挥发,这意味着该WVRA方案性能更好的抖动延迟。这是由于这一事实WVRA方案充分考虑的QoS要求所有应用程序,其中一个直接优化目标是最小化π的延迟抖动和闭路电视。我们也注意到WVRA计划牺牲部分传输延迟性能,实现其优化目标。

我们研究虚拟基站之间的频谱分配物理基站和比较每个BS负载波动的数据9和10,分别。如图9的频谱分配给VBS1 CBTC应用程序在每个时间段大约不变。这是因为CBTC的优化目标应用程序传输数据率,和所需的光谱相对稳定。至于其他两个根据携带π和闭路电视应用程序流量,我们可以注意到频谱分配给他们改变在每个时间段的交通负荷。这是由于这样的事实,最大化传输吞吐量需求大量的光谱。

为了验证负载平衡性能,我们设置仿真环境的BS1 BS3给更高的接收信号强度的重叠区。图10显示基站负载的变化当应用站数量的增加覆盖范围。图中的红线代表Max-RSS方案的效果在基站负载。蓝线代表WVRA方案的效果在基站负载。绿色的椭圆代表BS1负载波动。海蓝宝石蓝色椭圆形代表BS2负载波动。黄色椭圆代表BS3负载波动。最后的椭圆代表BS4负载波动。如图10,我们可以观察到,通过使用Max-RSS计划,大量的BS1和BS3不断增加,而BS2和BS4不变化的加载应用程序的数量的增加。这是由于这样的事实,应用站公平是不被认为是在这个计划。相反,WVRA方案成功地将负载的一部分BS1和更轻的负载BS2 BS3 BS4,尽管BS2和BS4提供瞬时接收信号强度低于BS1 BS3。

7所示。结论

在本文中,我们提出了一个框架使用网络虚拟化的一个集成的火车地面通信系统。我们有制定和改变了QoS-aware虚拟集成系统中的资源分配问题一个凸优化问题。我们定义的QoS盐渍化水平参数来反映应用程序满意度。最终的目标是基于QoS保证公平驱动优化功能,基站负载均衡和应用程序公平。我们使用基于小组ADMM分布式方法解决凸问题。仿真结果表明,我们的算法可以保证所有应用程序的QoS要求。与此同时,可以平衡不同基站的交通负载实现整个系统的更好的性能。

仿真参数

:	槽时间,50微秒
:	传动功率,43 dBm
:	天线增益,8分贝
:	平均数据包大小,200字节
:	最大的传输时间,6
:	流程在b或站,10 ms
:	基站平均空间,1000米
:	火车速度80公里/小时
:	阴影衰落标准差,8
:	噪声功率,100−dbm。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文是来自北京自然科学基金赠款支持(L171004 I18E300010),由中国国家自然科学基金(没有。61603026),由中国铁路公司的技术研究和发展项目(批准2016 x008-b),中央大学基础研究基金(2015 jbm005),由项目RCS2017ZT003, RCS2017ZT006, KIE017001531,北京城市轨道交通自动化和控制的重点实验室。

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