【技术实现步骤摘要】
一种基于容量和时延优化的城轨自组网资源分配方法
[0001]本专利技术涉及轨道交通领域，具体涉及一种基于容量和时延优化的城轨自组网资源分配方法
。
技术介绍
[0002]将自组织网络应用于下一代城轨列控系统，采用分簇组网架构，将网络划分为不同的簇，并在轨旁部署网关节点
、
移动节点和中继节点；其中网关节点放置在车站，连接无线网络与有线网络，是综合业务承载车地通信的发送端或接收端；网关节点作为簇头，负责簇内成员的管理和簇间信息的交互；当追踪列车与前行列车位于不同的簇无法直接通信时，网关节点可以提供数据中转服务；列车作为移动节点，发送或接收车载数据；中继节点负责转发相邻节点的数据，实现车车和车地的多跳通信；而无线资源的分配是影响自组织网络通信服务质量的重要因素，因此如何通过分配和调整无线资源，满足低时延
、
高吞吐的通信需求是在城轨列控系统应用无线自组织网络的关键
。
[0003]现有的无线资源分配方法主要分为静态资源分配和动态资源分配；静态资源分配会导致无法适应实时变化的业务，资源利用率较低；动态资源分配需要收集全网的节点信息后再进行资源分配，因此不能及时响应节点的业务需求变化
。
[0004]因此，亟需对吞吐量和时延的优化来满足城轨列控系统的通信需求
。
技术实现思路
[0005]本专利技术旨在提供一种基于容量和时延优化的城轨自组网资源分配方法，用于解决以上问题
。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种基于容量和时延优化的城轨自组网资源分配方法，其特征在于，包括步骤
S1
，基于簇内每辆列车的位置，建立车车和车地的多条节点不相交的传输路径；步骤
S2
，根据协议干扰模型，分析网络中节点时频资源块的空间复用条件以及路径上的节点共享时频资源块时的干扰情况，并根据香农公式计算接收节点的容量
、
路径的容量和簇内的网络容量；步骤
S3
，设置每个节点在其不同发送时隙的传输速率为该时隙的信道容量；步骤
S4
，基于车车和车地周期性通信的特点，分析数据包的排队情况，计算数据包的排队长度
、
等待时延和平均传输时延；步骤
S5
，结合深度强化学习，在模型中设计了智能体
、
状态
、
动作和奖励函数，通过训练
Q
网络获得车车和车地的最优通信路径集和资源分配方案，并根据第一跳中继节点的接收信号强度
RSSI
值更新传输策略；步骤
S6
，针对获得的最优策略，设计实现机制通知簇内的节点，并利用节点的容量和时延性能指标对节点的状态进行监测
。2.
根据权利要求1所述的一种基于容量和时延优化的城轨自组网资源分配方法，其特征在于，步骤
S1
具体包括：为了保证路径中部分节点的损坏不影响其它路径的传输以及避免数据包在中继节点处的排队时延，对簇内的
n
辆列车分别建立从源到目的的
m
条节点不相交的并发传输路径，网络中的传输路径集合为
Ω
＝
{
Ω1,
Ω2,
…
,
Ω
n
}
，每辆列车
S
i
的并发传输路径集合为
Ω
i
＝
{M1,M2,
…
,M
m
}
，节点集合为路径
M
k
上的节点集合为
z
为路径上的中继节点数；车车和车地节点不相交路径的建立需满足以下条件：建立需满足以下条件：其中，
Ω
为网络中的传输路径集合，
Ω
i
和
Ω
e
分别为列车
S
i
和
S
e
的并发传输路径集合，和分别为路径集合
Ω
i
和
Ω
e
上的节点集合，
M
k
和
M
q
为列车
S
i
的传输路径，和为路径
M
k
和
M
q
上的节点集合
。3.
根据权利要求1所述的一种基于容量和时延优化的城轨自组网资源分配方法的使用方法，其特征在于，步骤
S2
，具体包括：假设系统的总带宽
W
划分为
a
个相互正交的子信道，每个子信道拥有的带宽为时间周期
T
f
划分为
b
个时隙，每个时隙长度为时频资源块集合为
K
＝
{(f
n
,t
m
)|n∈[1,a],m∈[1,b],n,m∈N
*
}
，其中，
(f
n
,t
m
)
为时频资源块，
n
和
m
分别为子信道和时隙的下标，
N
*
为正整数集合；根据协议干扰模型，考虑时频资源块的空间复用，当路径上的节点之间满足一定距离时可以共享资源块而不引起干扰；
定义节点
i
的资源块占用因子为：若节点
i
占用资源块
(f
n
,t
m
)
，则资源块占用因子为1，否则，为0；则节点
i
与节点
k
或
q
的空间复用条件为：
d
ij
＜
R
c
,d
kj
＞
R
i or d
ij
＜
R
c
,d
qj
＞
R
i
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
其中，
k
表示与节点
i
相同传输路径集合中的节点，
q
表示与节点
i
不同传输路径集合中的节点，
d
ij
表示节点
i
和节点
j
之间的欧氏距离，
d
kj
表示节点
k
和节点
j
之间的欧氏距离，
d
qj
表示节点
q
和节点
j
之间的欧氏距离，
R
c
表示节点的传输范围，
R
i
表示节点的干扰范围
。4.
根据权利要求3所述的一种基于容量和时延优化的城轨自组网资源分配方法的使用方法，其特征在于，
S2
中对节点共享时频资源块时的干扰情况分析和网络容量计算，具体包括：
(1)
干扰情况分析：若传输路径集合中的某个节点
i
正占用资源块进行数据传输，当接收节点
j
位于另一个发送节点
k
的干扰范围内且节点
k
正占用相同的资源块进行传输时，则节点
k
会对接收节点
j
产生干扰；路径上的接收节点
j
可能会受到其相同传输路径集合和其不同传输路径集合中占用相同资源块节点的干扰；占用相同资源块节点的干扰；占用相同资源块节点的干扰；其中，为接收节点
j
占用
f
n
,t
m
资源块的信噪比，为传输路径集合
Ω
i
中的其它发送节点
k
对接收节点
j
的总干扰，为其它传输路径集合
Ω
e
中的发送节点
q
对接收节点
j
的总干扰，
P
c
为节点的传输功率，
N0为噪声功率，
g
ij
表示节点
i
和节点
j
之间的信道增益，
g
kj
表示节点
k
和节点
j
之间的信道增益，
g
qj
表示节点
q
和节点
j
之间的信道增益；只考虑自由空间路径损耗，信道增益为
γ
为路径损失常数，
x
i
和
y
i
分别为节点
i
的横坐标和纵坐标；假设在
t
m
时隙，列车的运行可以近似看作匀速直线运动，运行速度为
υ
，则
t
m
时隙列车的位置坐标可以表示为
(x
s
,y
s
)
为列车在
t
m
时隙开始时的位置坐标；
(2)
网络容量计算：通过使用香农公式，节点
j
占用
f
n
,t
m
资源块的容量计算为：
其中，
ω
为
f
n
,t
m
资源块的信道带宽，为节点
j
占用
f
n
,t
m
资源块的信噪比；考虑节点采用多接口多信道技术，节点
j
在
t
m
时隙的容量计算为：其中，为节点
j
占用
f
n
,t
m
资源块的容量；路径
M
i
在一个时间周期
T
f
内的平均容量计算为：其中，为节点
j
在
t
m
时隙的容量，为路径
M
i
上的节点集合；则簇内
n
辆列车的传输路径集合实现的平均容量计算为：其中，为路径
M
i
在一个时间周期
T
f
内的平均容量，
Ω
i
为每个源节点
S
i
的并发传输路径集合，
Ω
为网络中的传输路径集合
。5.
根据权利要求1所...
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