CN108322887A - 一种基于学习的无线多模车地通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于学习的无线多模车地通信系统，包括安装于车辆上的通信管理单元、车载设备和定位系统，以及地面数据中心；通信管理单元分别与车载设备、定位系统和地面数据中心通信连接；通信管理单元设有多个传输装置，通信管理单元自适应选择其中一个传输装置作为传输信道，通信管理单元将所述车载设备的信息以及定位信息通过该传输信道实时传输至地面数据中心。本发明在多个物理信道均可用的情况下，实现多个通道合并构成更大的带宽，实现更大数据量的传输任务。同时，本发明采用基于学习的机制，对沿线的信号进行统计学习，实现对沿线无线网络信号的在线监测，监测数据除了用于通信信道的管理之外，还可以实现基站信号的异常监测。

Description

一种基于学习的无线多模车地通信系统

技术领域

本发明涉及运行车辆的无线传输通信技术领域，尤其涉及一种基于学习的无线多模车地通信系统。

背景技术

城市公共交通在现有的交通系统中占有很大比例，这些公共交通工具的安全、准时的运行，对维持高效率的公共交通运输有着非常重要的作用。为了保证车辆的安全运行，除了加强基础设施建设之外，在线监控为列车的安全可靠运行提供了一种有效手段。这种在线监控通过无线车地传输系统，将车辆的车载设备状态、监控视频、位置等信息实时发回到地面监控中心，供地面监控操作人员对车辆运行状态进行实时监测。因此，高QoS(Quality of Service，服务质量)的车地无线传输系统，是车辆在线监控的重要保障。

无线通信技术与汽车电子技术整合的趋势正在加速，通过配备车载Wi-Fi产品，汽车等移动交通工具可以成为一个移动网络，从而让乘客享受到无处不在的信息服务。

无论是对车辆的安全运行进行监控，还是为乘客提供各种信息服务，稳定可靠的无线通信是必不可少的。但目前已有的技术大多采用单一模式的无线通信模式，如选择三大运营商之一的网络来实现数据传输。这种单一模式的无线网络通信存在的问题是，受基站信号覆盖范围的限制，车辆在运行线路上，可能存在信号覆盖盲区；车辆从一个覆盖小区到另一个覆盖小区时，通信从断开到建立一个新的连接时，中间存在通信中断造成不连续的问题。

另外，大多数无线通信网络基于当前网络的信号强度来进行信道切换，这种切换方式存在一定的风险。例如，信号可能因为干扰，或者其他原因造成的，如果不加甄别就直接切换，会造成通信的不可靠，也给数据安全造成很大隐患。

发明内容

本发明提供了一种基于学习的无线多模车地通信系统，通过自适应选择最佳传输信道，采用多个网络融合，实现车辆沿线的无线信号的无缝覆盖，保证通信的连续性。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供了一种基于学习的无线多模车地通信系统，包括通信管理单元、车载设备、地面数据中心和定位系统；

所述通信管理单元、车载设备和所述定位系统安装于车辆上，所述通信管理单元与所述车载设备通信连接；所述通信管理单元与所述定位系统通信连接；所述通信管理单元与所述地面数据中心通信连接；

所述通信管理单元设有多个传输装置，所述通信管理单元通过计算选择其中一个所述传输装置作为传输信道，所述通信管理单元将所述车载设备的信息以及所述定位系统提供的位置信息通过该传输信道实时传输至所述地面数据中心。

优选的，所述传输装置采用移动通信网络或者无线局域网进行通信传输。

优选的，所述地面数据中心将设定数据信息通过该传输信道实时传输至所述通信管理单元。

优选的，所述的所述通信管理单元通过计算选择其中一个所述传输装置作为传输信道，该计算过程包括：

S1：根据车辆运行信息，多次采样某位置下某个传输信道的多种状态值，公式计算该传输信道的每种状态值的平均值：

其中，表示该传输信道的状态值的平均值，n表示采样的次数，x_i表示每次采样结果，i＝1,…,n；

S2：公式计算该传输信道的每种状态值的方差：

其中，σ_i表示该传输信道的状态值的方差，表示该传输信道的状态值的平均值，n表示采样的次数，x_i表示每次采样结果，i＝1,…,n；

S3：所述通信管理单元根据公式计算该传输信道的多种状态值得出的平均值及方差，采用基于层次分析法和熵值法的多通道管理机制对多个传输信道进行管理，并采用优先级调度法以选出最佳传输信道。

优选的，所述通信管理单元实时检测所述多个传输装置的信道状态值，当检测到的信道状态值超出设定阈值时，则将该信道状态值对应的传输装置标记为异常状态，并将该传输装置的信道状态值和位置信息发送至所述地面数据中心。

优选的，所述通信管理单元通过总线与所述车载设备通信连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明可以采用多家运营商的通信信道，每个信道可以是2G/3G/4G/5G工作模式，也可以是用户自行在线路上铺设的WLAN或WiFi网络。在多个物理信道均可用的情况下，可以实现多个通道合并构成更大的带宽，实现更大数据量的传输任务，对保证服务品质有很大提升。同时，本发明采用基于学习的机制，对沿线的信号进行统计学习，实现对沿线无线网络信号的在线监测，监测数据除了用于通信信道的管理之外，还可以实现基站信号的异常监测。

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

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于学习的无线多模车地通信系统的结构示意图。

【附图标记】

1通信管理单元； 2总线； 3车载设备； 4传输装置；5定位系统； 6车辆； 7远程网；8地面数据中心。

具体实施方式

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。

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。

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。

为便于对本发明的理解，下面将结合附图做进一步的解释说明：

本发明提供了一种基于学习的无线多模车地通信系统，图1为该系统的结构示意图；如图1所示：

该无线多模车地通信系统包括通信管理单元1、车载设备3、地面数据中心8和定位系统5；

所述通信管理单元1、车载设备3和所述定位系统5安装于车辆6上，所述通信管理单元1与所述车载设备3通信连接；所述通信管理单元1与所述定位系统5通信连接；所述通信管理单元1与所述地面数据中心8通信连接；

所述通信管理单元1设有多个传输装置4，所述通信管理单元通过计算选择其中一个所述传输装置4作为传输信道，所述通信管理单元1将所述车载设备3的状态信息以及所述定位系统5提供的位置信息通过该传输信道实时传输至所述地面数据中心8。

所述通信管理单元1与所述地面数据中8之间建立WAN(Wide Area Network，远程网)，WAN用于扩大通信范围；

远程网7与地面数据中心8之间的物理连接可以是无线方式，也可以是有线连接方式。

在一个具体的实施例中，所述传输装置4采用移动通信网络或者无线局域网进行通信传输。

在一个具体的实施例中，所述传输装置4为无线传输方式；所述通信管理单元1通过总线2与所述车载设备3通信连接。

通信管理单元1管理多个无线传输装置4，每个无线传输装置4的无线传输通道可以是支持中国电信、中国联通以及中国移动三家运营商的2G/3G/4G/5G网络，也可以是铺设的WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access，无线城域网)，WLAN(Wireless Local Area Networks，无线局域网)等。

在一个具体的实施例中，车辆6上的定位系统5，可以是GNSS(Glob al NavigationSatellite System，全球导航卫星系统)给出，也可以是车辆里程计等实现。

在一个具体的实施例中，所述地面数据中心8将设定数据信息通过该传输信道实时传输至所述通信管理单元1。

所述设定数据信息也可以为地面数据中心8对通信管理单元1发出的指令。

在一个具体的实施例中，所述的所述通信管理单元通过计算选择其中一个所述传输装置作为传输信道，该计算过程包括：

S1：根据车辆运行信息，多次采样某位置下某个传输信道的多种状态值，如信号强度、带宽、延迟和网络抖动等，公式计算该传输信道每种状态值的平均值：

其中，表示该传输信道的状态值的平均值，n表示采样的次数，x_i表示每次采样结果，i＝1,…,n；

S2：公式计算该传输信道每种状态值的方差：

其中，σ_i表示该传输信道的状态值的方差，表示该传输信道的状态值的平均值，n表示采样的次数，x_i表示每次采样结果，i＝1,…,n；

S3：所述通信管理单元根据公式计算该传输信道的多种状态值得出的平均值及方差，采用基于层次分析法和熵值法的多通道管理机制对多个传输信道进行管理，并采用优先级调度法以选出最佳传输信道，实现垂直切换中的判决问题。以此实现网络的自适应切换。

S3的具体过程包括：

1)主观权重确定。设有m个可选的网络信道，用X_k,j(k＝B,S,J^,L)表示各网络信道j的参数k的值，B、S、J、L表示带宽、信号强度、抖动、丢包率。为了消除参数的量纲效应，对其进行标准化处理，用Y_k,j(k＝B,S,J,L)表示标准化处理后的值。根据各个参数的特点，带宽、信号强度(B、S)为越大越好类型，抖动、丢包率(J，L)为越小越好类型。x^max和x^min分别表示性能参数k对应的最大值和最小值。越大越好型参数的标准化公式为：

越小越好型参数的标准化公式为：

令决策矩阵Z＝[z_uv]，z_uv值是根据决策者所面向的应用业务特性和用户需求，用Saaty标度确定的。比如，对于视频的传输，带宽最重要，而允许存在一定的数据丢包，因此，重要程度依次是带宽B、信号强度S、抖动J、丢包率L。建立的决策矩阵Z如表1所示。

表1

上述决策矩阵由主观确定，与实际决策矩阵存在一定误差。设理想矩阵的最大特征值是λ_max，主观决策矩阵的权重参数和理想权重参数之间的差异可用一致性指标CI衡量：

其中，CI越大，则决策矩阵偏离一致性的程度越大；反之亦然。n是决策矩阵的阶数(n＝4)。

引入随机一致性指标RI来判断矩阵Z是否具有满意一致性，如表2所示。

表2随机一致性指标RI：

表2

一致性比率CR定义为：

当CR<0.10，则Z具有满意一致性，否则需重新设定Z。

当Z通过一致性检验后，每个网络参数的权重计算为：

归一化后得到主观确定的权重向量：

w`＝[w<sub>B</sub>`,w_S`,w<sub>J</sub>`,w_L`]

2)客观权重计算。在信道选择中，除了主观因素，还应考虑客观因素。这里采用熵值法计算，先对网络状态参数值r_k,j进行规范化处理：

其熵值为：

令K＝1，则参数权重为：

可得到权重向量

综合主客观因素得到：

w＝vw`+(1-v)w^EW

其中v∈[0,1]。

3)选择最优网络。由下式计算得到网络的综合评价值α，然后选择α值最大的网络作为最优网络。

其中，α_j为网络j的综合评价值，w_k由式(10)确定。

在一个具体的实施例中，所述通信管理单元1实时检测所述多个传输装置4的信道状态值，当检测到的信道状态值超出设定阈值时，则将该信道状态值对应的传输装置4标记为异常状态，并将该传输装置4的信道状态值和位置信息发送至所述地面数据中心8，以便进行异常处理。

通信管理单元1能够实时检测多个无线传输信道4的状态参数，如信号强度、带宽、延迟和网络抖动等。

为便于对本发明实施例的理解，下面将以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例1：

基于学习的无线多模车地通信系统的组成方案1：

安装于有轨车辆上的无线通信管理单元由一台嵌入式工控机构成，嵌入式工控机通过MiniPCIe接口与多个华为/中兴的4G通信模块相连，这些通信模块支持中国移动、联通和电信的通信协议，构成多个无线通信通道，无线通信管理单元通过CAN总线或以太网总线与车辆其他设备相互连接。

无线通信网络由三大运营商的基站和传输设备组成，数据中心由带数据存储功能的服务器构成，数据中心与三大运营商的网络连接，可以采用有线网络连接。

车辆定位系统由GPS系统，或者Beidou2系统实现。

实施例2：

基于学习的无线多模车地通信系统的组成方案2：

安装于汽车或公交车上的无线通信管理单元由一台标准3U插卡式工控机构成，插卡式工控机通过以太网与多个插卡式华为/中兴的4G通信模块相连。插卡式工控机和4G通信模块集成在一个机箱内，另外，还集成了WLAN模块，以实现Wi-Fi通信模式。这些4G通信模块支持中国移动、联通和电信的通信协议，构成多个无线通信通道。无线通信管理单元通过CAN总线或以太网总线与车辆其他设备相互连接。

无线通信网络由三大运营商的基站和传输设备组成，另外，沿车辆运行的路线上，安装有WLAN无线接入点，这些无线接入点与数据中心采用有线网络(如光纤)连接，实现高速数据传输。数据中心由带数据存储功能的服务器构成，数据中心与三大运营商的网络连接，可以采用有线网络连接。

车辆定位信息由车载里程计设备提供。

实施例3：

无线通信管理单元能够实时检测多个4G传输信道的状态参数，主要包括信号强度、带宽、延迟和网络抖动等。延迟和网络抖动等状态参数是通过无线通信管理单元和地面数据中心之间，用测试数据包实现。也可以借用一些测试软件来实现。

车辆沿线路运行时，无线通信管理单元实时记录各个无线传输信道的四个状态参数，以及GPS定位系统给出的位置信息。车辆往复运行多次，采集得到沿线各个位置处各个无线信道状态参数及其变化范围，基于统计学的方法得到该信道的状态平均值及方差。

无线通信管理单元根据该位置处得到的信道状态统计得到的平均值及方差结果，采用基于层次分析法和熵值法的多通道管理机制对多个通信信道进行管理；并采用优先网络切换判决调度法以选出最佳网络，实现垂直切换中的通道切换选择。将结果保存在该位置处的通道选择结果中。

在学习得到的通道选择方案后，当车辆运行到该位置时，无线通信管理单元可以根据存储的方案直接实现快速切换。同时对该位置处的状态参数进行监测，如果当前采集到的信道状态参数超出设定阈值，则标记该异常状态，并将对应的信道状态和位置信息发送到地面数据中心，以进行异常处理，实现对无线网络信号的监测功能。

综上所述，本发明实施例采用多家运营商的通信信道，每个信道可以是2G/3G/4G/5G工作模式，也可以是用户自行在线路上铺设的WLAN或WiFi网络。

本发明实施例通过多个网络融合，实现车辆沿线的无线信号的无缝覆盖，保证通信的连续性。在多个物理信道均可用的情况下，可以实现多个通道合并构成更大的带宽，实现更大数据量的传输任务，对保证服务品质有很大提升。同时，本发明采用基于学习的机制，对沿线的信号进行统计学习，实现对沿线无线网络信号的在线监测，监测数据除了用于通信信道的管理之外，还可以实现基站信号的异常监测。

随着无线通信和移动计算技术的迅速发展，网络和数据变得无所不在，在现代公共交通系统中，基于车载无线通信装置和路侧无线通信设施，通过车地无线通信机制，可收集到更多的与交通有关的信息，如车辆状态、交通环境信息等，将这些信息做有效的整合和实时发布，可更好的服务于车辆。同时，对无线网络信号质量的监测又对无线通信环境提供了保障。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

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。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

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。

Claims (6)

1.一种基于学习的无线多模车地通信系统，其特征在于，包括通信管理单元、车载设备、地面数据中心和定位系统；

所述通信管理单元、车载设备和所述定位系统安装于车辆上，所述通信管理单元与所述车载设备通信连接；所述通信管理单元与所述定位系统通信连接；所述通信管理单元与所述地面数据中心通信连接；

所述通信管理单元设有多个传输装置，所述通信管理单元通过计算选择其中一个所述传输装置作为传输信道，所述通信管理单元将所述车载设备的信息以及所述定位系统提供的位置信息通过该传输信道实时传输至所述地面数据中心。

2.根据权利要求1所述的无线多模车地通信系统，其特征在于，所述传输装置采用移动通信网络或者无线局域网进行通信传输。

3.根据权利要求2所述的无线多模车地通信系统，其特征在于，所述地面数据中心将设定数据信息通过该传输信道实时传输至所述通信管理单元。

4.根据权利要求3所述的无线多模车地通信系统，其特征在于，所述的所述通信管理单元通过计算选择其中一个所述传输装置作为传输信道，该计算过程包括：

S1：根据车辆运行信息，多次采样某位置下某个传输信道的多种状态值，公式计算该传输信道的每种状态值的平均值：

其中，表示该传输信道的状态值的平均值，n表示采样的次数，x_i表示每次采样结果，i＝1,…,n；

S2：公式计算该传输信道的每种状态值的方差：

其中，σ_i表示该传输信道的状态值的方差，表示该传输信道的状态值的平均值，n表示采样的次数，x_i表示每次采样结果，i＝1,…,n；

S3：所述通信管理单元根据公式计算该传输信道的多种状态值得出的平均值及方差，采用基于层次分析法和熵值法的多通道管理机制对多个传输信道进行管理，并采用优先级调度法以选出最佳传输信道。

5.根据权利要求4所述的无线多模车地通信系统，其特征在于，

所述通信管理单元实时检测所述多个传输装置的信道状态值，当检测到的信道状态值超出设定阈值时，则将该信道状态值对应的传输装置标记为异常状态，并将该传输装置的信道状态值和位置信息发送至所述地面数据中心。

6.根据权利要求5所述的无线多模车地通信系统，其特征在于，所述通信管理单元通过总线与所述车载设备通信连接。