真空管飞行列车车地通信网络的组网方法

摘要

本发明提供了一种真空管飞行列车车地通信网络的组网方法,包括：以真空管列车沿线所需BBU池的数目以及BBU池对应的位置坐标为变量；以传输时延最小化为目标函数；以一个RRU仅能连接到一个BBU中、BBU与RRU间的距离不得超过BBU的最大通信范围为约束条件，求解得到组网中真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标；根据得到的真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标进行组网。本方法可以实现整条真空管线路上的电波无缝覆盖，最小化车内通信用户至核心网的信息传输时延。

权利要求

1.一种真空管飞行列车车地通信网络的组网方法，其特征在于，包括：以真空管列车沿线所需BBU池的数目以及BBU池对应的位置坐标为变量；以全局传输时延最小化为目标函数；以一个RRU仅能连接到一个BBU中、BBU与RRU间的距离不得超过BBU的最大通信范围为约束条件，求解得到组网中真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标；

根据得到的真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标进行组网。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的目标函数如下式(1)所示：其中， 为BBU池与RRU连接变量，θbc为BBU池与核心网接口连接变量，Pb为BBU池的坐标，NB为BBU池的总数目，λ为无纲量常数，其数值根据实际情况设定，DbR为BBU池b与所连接RRU的距离总和，DbC为BBU池b与相连核心网接口的距离总和。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的约束条件如下式(2)‑(4)所示：其中， 为二进制变量，该变量表示BBU池b与RRU r间的连接关系，取值为1表示两者相连，取值为0表示不相连，θbc∈{0,1}为二进制变量，该变量表示BBU池b与核心网接口c间的连接关系，取值为1表示两者相连，取值为0表示不相连，dbr表示BBU池b与RRU r间的max

距离，Db 为BBU池b的最大通信范围。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的求解得到组网中真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标，包括：采用拉格朗日乘子法求解。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的求解得到组网中真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标，包括：通过枚举法，寻找出不同NB对应的时延，经过对比选择，得到最优的BBU池数目，NB为待求解的变量为列车沿线所需BBU池的数目。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的其中，dbr为BBU池b与RRU r间的距离 dbc为BBU池b与核心网接口c的距离 核心网接口位置Pc＝(xc,yc,zc)，1≤c≤Nc，RRU r坐标为Pr＝(xr,yr,zr)，每个BBU池对应的位置坐标Pb＝(xb,yb,zb)，1≤b≤NB，NB为待求解的变量为列车沿线所需BBU池的数目，Nc为核心网接口的个数。

说明书

真空管飞行列车车地通信网络的组网方法

技术领域

[0001] 本发明涉及真空管飞行列车车地通信技术领域，尤其涉及一种真空管飞行列车车地通信网络的组网方法。

背景技术

[0002] 随着中国高速铁路技术发展迅猛，中国高铁建设取得的进展吸引了全世界的目光，中国实现了在高铁领域从“追赶者”到“领导者”的飞跃。同时被誉为“第五种交通工具”
的下一代超高速列车——低真空磁浮高速列车结合了磁悬浮和低真空管道技术，最高时速
达4000km/h，对国民经济发展意义重大。真空管高速飞行列车的安全运行离不开可靠的车
地通信系统。同时，车内一些安全类通信业务，如列车牵引系统、列车运行控制系统以及监
控系统等保障飞行列车安全的系统的通信，其对时延较为敏感。为了保障真空管高速飞行
列车的正常运行，同时要满足车地通信的低时延需求，需要研究一种新型组网方式来保障
车地通信的安全性与可靠性。

[0003] 无线云接入网(Cloud Radio Access Networks,C‑RAN)被认为是在轨道交通场景下的一种高效通信接入网架构。现有的传统4G基站由天线、基带处理单元(Baseband Unit,
BBU)和无线射频拉远单元(Remote Radio Unit,RRU)三部分组成，其中，RRU通过前程链路
与基带处理池(简称BBU池)进行数据交换。C‑RAN是在此基础上将多个BBU集中到一个BBU
池，多个RRU连接到集中式BBU池，BBU池对这些资源实行集中控制。C‑RAN大幅度降低了机房
数量、站址配套设施和站址租赁等费用，节省了建设和运营成本，同时BBU集中化使得BBU之
间的延迟大大降低，确保了小区的边缘吞吐率，还方便了资源的集中控制和调度，大大提高
了资源利用率及工作效率。

[0004] 在轨道交通中，通过基于C‑RAN的无线云接入架构可在一定区域范围内实现列车通信的免切换。但是，考虑到信号在前程链路中的传输时延等因素，RRU到BBU池间的前程链
路距离一般不会超过某一限定值。此外，一段真空管线路往往上百公里乃至上千公里，需要
多个BBU池的接力来实现通信的无缝覆盖。同时，考虑到建设经费等因素，真空管线路的部
署往往具有稀疏性，即在某个区域内仅有一条真空管线路，难以实现密集的真空管列车运
输网。此时，列车在单条管道内运行时，应将车内通信用户至核心网的数据传输时延最小
化，以提升通信质量。

[0005] 因此，需要一种可以从真空管沿线部署的BBU池入手、综合考虑BBU池的部署数量以及具体的部署位置、为单条线路上的真空管飞行列车车地通信提供低时延通信体验的真
空管飞行列车车地通信网络的组网方法。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种真空管飞行列车车地通信网络的组网方法，以解决现有技术问题中的缺陷。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

[0008] 一种真空管飞行列车车地通信网络的组网方法，包括：

[0009] 以真空管列车沿线所需BBU池的数目以及BBU池对应的位置坐标为变量；以传输时延最小化为目标函数；以一个RRU仅能连接到一个BBU中、BBU与RRU间的距离不得超过BBU的
最大通信范围为约束条件，求解得到组网中真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池
对应的位置坐标；

[0010] 根据得到的真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标进行组网。

[0011] 优选地，目标函数如下式(1)所示：

[0012]

[0013] 其中， 为BBU池与RRU连接变量，θbc为BBU池与核心网接口连接变量，Pb为BBU池的坐标，NB为BBU池的总数目，λ为无纲量常数，其数值根据实际情况设定，DbR为BBU池b与所
连接RRU的距离总和，DbC为BBU池b与相连核心网接口的距离总和。

[0014] 优选地，约束条件如下式(2)‑(4)所示：

[0015]

[0016]

[0017]

[0018] 其中， 表示BBU池b与RRU r间的连接关系，1表示两者相连，0表示不相连，θbc∈{0,1}表示BBU池b与核心网接口c间的连接关系，1表示两者相连，0表示不相连，dbr
max
表示BBU池b与RRU r间的距离，Db 为BBU池b的最大通信范围。

[0019] 优选地，求解得到组网中真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标，包括：采用拉格朗日乘子法求解。

[0020] 优选地，求解得到组网中真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标，包括：通过枚举法，寻找出不同NB对应的时延，经过对比选择，得到最优的BBU池数
目。

[0021] 优选地， 其中，dbr为BBU池b与RRU r间的距离 dbc为BBU池b与核心网接口c的距离
核心网接口位置Pc＝(xc,yc,zc)，1≤c≤Nc，RRU 
r坐标为Pr＝(xr,yr,zr)，每个BBU池对应的位置坐标Pb＝(xb,yb,zb)，1≤b≤NB。

[0022] 由上述本发明的真空管飞行列车车地通信网络的组网方法提供的技术方案可以看出，本发明是基于集中式云接入架构(C‑RAN)，通过确定真空管沿线附近的BBU池的部署
数目和具体的部署位置，一方面实现整条真空管线路上的电波无缝覆盖，另一方面最小化
车内通信用户至核心网的信息传输时延。

[0023] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本
领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的
附图。

[0025] 图1为基于无线云接入架构的真空管车地通信架构示意图；

[0026] 图2为本实施例的真空管飞行列车车地通信网络的组网方法流程示意图；

[0027] 图3为采用本实施例方法的真空管高速飞行列车车地通信组网原理示意图。

具体实施方式

[0028] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参
考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

[0029] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措
辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加
一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元
件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在
中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞
“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

[0030] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该
理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意
义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0031] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。

[0032] 实施例

[0033] 图1为基于无线云接入架构的真空管车地通信架构示意图，参照图1，基于无线云接入架构的真空管车地通信架构主要通过在真空管道旁配置无线射频拉远单元(Remote 
Radio Unit,RRU)，用于射频信号的处理；通过电缆将RRU连接到镶嵌在管道内壁漏泄波导，
RRU产生的射频信号传输到漏泄波导中，漏泄波导将信号以无线电波形式辐射到管道内。

[0034] 真空管飞行列车顶部配有车载天线，且车载天线可接收到漏泄波导辐射的电磁波。车载天线接受到信号后经过放大，并转发至列车内部的通信用户(通信用户包括车内乘
客以及存在车地通信需求的列车运行系统)。

[0035] 基带处理单元(Baseband Unit,BBU)池位于真空管沿线附近，其由大量的基带处理单元组成，负责处理基带信号。RRU与BBU池通过前程链路进行通信，且一个BBU池负责若
干个RRU的基带信号处理，而一个RRU仅能连接到一个BBU池中。BBU池通过回传链路链接到
核心网接口，经由核心网接口，可从因特网获取数据。

[0036] 图2为本实施例的真空管飞行列车车地通信网络的组网方法流程示意图，图3为采用本实施例方法的真空管高速飞行列车车地通信组网原理示意图，参照图2和图3，该方法
包括：

[0037] S1以真空管列车沿线所需BBU池的数目以及BBU池对应的位置坐标为变量；以传输时延最小化为目标函数；以一个RRU仅能连接到一个BBU中、BBU与RRU间的距离不得超过BBU
的最大通信范围为约束条件，求解得到组网中真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU
池对应的位置坐标。

[0038] 对于整个拓扑网络中真空管旁RRU‑管道附近BBU‑核心网的连接情况，应使得全局距离最短来实现传输时延的最小化，为了防止求解出的结果为对每个RRU单独分配一个BBU
池，在优化问题中施加了惩罚项λNB(可将该项视为列车穿越BBU池产生的资源迁徙代价)。
即，目标函数如下式(1)所示：

[0039]

[0040] 其中， 为BBU池与RRU连接变量，1表示两者相连，0表示不相连，θbc∈{0,1}为BBU池与核心网接口连接变量，1表示两者相连，0表示不相连，Pb为BBU池的坐标，NB
为BBU池的总数目，λ为无纲量常数，其数值根据实际情况设定，DbR为BBU池b与所连接RRU的
距离总和，DbC为BBU池b与相连核心网接口的距离总和。

[0041] BBU池b与所连接RRU的距离总和如下式(2)所示：

[0042]

[0043] BBU池b与相连核心网接口的距离总和如下式(3)所示：

[0044]

[0045] 其中，dbr为BBU池b与RRU r间的距离，dbc为BBU池b与核心网接口c的距离。

[0046] BBU池b与RRU r间的距离如下式(4)所示：

[0047]

[0048] BBU池b与核心网接口c的距离如下式(5)所示：

[0049]

[0050] 在整条真空管运行线附近存在Nc个核心网接口位置，核心网接口位置Pc＝(xc,yc,zc)，1≤c≤Nc。列车管道上共部署NR个RRU，RRU紧挨着波导管进行安放，RRU r坐标为Pr＝
(xr,yr,zr)。BBU池的不同位置将影响着通信网络的时延性能，每个BBU池的最大覆盖距离为
则待求解的变量为列车沿线所需BBU池的数目NB以及每个BBU池对应的位置坐标Pb＝
(xb,yb,zb)，1≤b≤NB。

[0051] 在网络规划中，需要将NR个RRU划分给NB个BBU池，并且NB个BBU池需连接到Nc个核心网接口上，且需满足真空管线路上漏泄波导产生的无线电波的无缝连续覆盖。约束条件
如下式(6)‑(8)所示：

[0052]

[0053]

[0054]

[0055] 其中， 表示BBU池b与RRU r间的连接关系，1表示两者相连，0表示不相连，θbc∈{0,1}表示BBU b与核心网接口c间的连接关系，1表示两者相连，0表示不相连，dbr表示
max
BBU池b与RRU r间的距离，Db 为BBU池b的最大通信范围。

[0056] S2根据得到的真空管列车沿线所需BBU池的数目和每个BBU池对应的位置坐标进行组网。

[0057] 采用拉格朗日乘子法求解。

[0058] 首先假定NB是一常数，构造方程如下式(9)所示：

[0059]

[0060] 则各个待求变量可通过下列方程求得：

[0061]

[0062]

[0063]

[0064]

[0065]

[0066] 上述坐标解是在BBU池数目一定时求得的，考虑到BBU池的数目NB较少，通过枚举all
NB，寻找出不同NB对应的时延。其中枚举次数不超过 L 表示真空管线路总长度。
经过对比不同NB时对应的传输总时延，寻找出最短传输时延对应的NB，便可得到最优的BBU
池数目。

[0067] 综上所述，通过上述方法得到的真空管道沿线的BBU池数目和具体位置，不仅可实现整条运行线上的无线电波无缝覆盖，降低BBU池的设备成本，还可以最小化列车在整条管
道线路上运行时信号沿着管道旁RRU‑管道附近BBU池‑核心网接口(或相反的传输方向)的
传输时延。

[0068] 通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质
上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品
可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备
(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些
部分所述的方法。

[0069] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围
为准。