CN117440525A - 一种真空管超高速列车的毫米波通信调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种真空管超高速列车的毫米波通信调度方法。该方法包括：建立地面—真空管外—真空管内—车厢外的多跳无线传输系统，地面基础网络与真空管外部通信设备之间进行无线连接和信息传输；真空管内部的用户通信设备与列车车顶之间进行无线连接和信息传输；实时获取列车的运行位置，根据列车的运行位置估算车地无线通信容量，根据用户无线请求服务质量要求和所述车地无线通信容量，优化设计无线服务请求调度算法，实时调整用户服务请求调度顺序，以最大化满足用户的服务请求个数。

Description

一种真空管超高速列车的毫米波通信调度方法

技术领域

本发明涉及真空管超高速列车技术领域，尤其涉及一种真空管超高速列车的毫米波通信调度方法。

背景技术

为研究真空管超高速列车在更高速度条件下的动力特性和稳定性，现有技术有方案研制了超高速磁浮试验台。可用于研究高温超导体(HTS，high temperaturesuperconductor)磁浮和永磁EDL的高速动态特性和稳定性，对促进磁浮技术的研究和发展具有重要的现实意义。还有方案研究了侧装式磁浮系统的悬浮性能，发现了磁浮系统的稳定性与永磁导轨中心沿高温超导体的布置密切相关，三角形排列具有最佳的磁悬浮性能。针对HFT(High-speed Flying Train，高速飞行列车)使用的高速模式曲线自动控制问题，还有方案提出了一种改进的遗传算法来优化自动运行曲线的多目标控制模型，更适用于超高速飞行列车运行控制系统。磁悬浮列车在超高速运行时所需的较大的推力脉动会引起振动、噪声和严重的悬浮扰动。由于这些原因，必须努力减少用于推进和悬浮的LSM(LinearSynchronous Motor，线性电动机)的推力波动。还有方案提出了一种在不显着降低线性同步马达平均推力的情况下利用模块相移降低推力波动的方法。

磁悬浮列车在超高速运行时所需的较大的推力脉动会引起振动、噪声和严重的悬浮扰动。由于这些原因，必须努力减少用于推进和悬浮的LSM推力波动。为了更好地满足未来超高速磁悬浮列车驱动装置高推力密度和强平衡稳定性的要求，还有方案提出了一种新型双边多气隙高温超导直线电机的新结构。该方案还对比了无铁心结构和有铁心结构的电机电磁推力输出特性，得出超导直线同步电机无铁心结构更适合大推力、超高速运行。还有方案采用系统级仿真器对磁浮5G网络在超高速场景(1000km/h)下的车地通信性能进行评估，包括基于位置的误块率(BLER)、频谱效率和吞吐量等指标。仿真结果表明，当飞行列车与基站间的距离较近时，5G系统可以满足车地通信在SE和吞吐量方面的要求。但距离较远时BLER迅速上升，地面通信难以保障。

由于较高的移动速度，高速列车车地通信一直面临着频繁切换和切换延迟导致的通信中断问题。现有技术有方案研究了面向高铁的异构超密集网络的移动性管理，其中宏基站(BS)提供无缝覆盖，毫米波(mmWave)超微BS提供高数据速率服务。设计了一种基于灰色模型(GM)预测的切换算法来防止切换滞后。还有方案提出了多无线接入技术来解决HSR切换问题。允许HSR同时连接到两个或多个异构移动网络，并在一条链路的切换过程中通过另一条链路保持连接，从而改善切换过程。还有方案提出了一种用于HSR的优化的基于多普勒的测量切换程序，其目的是在列车以高于设计的速度驶向目标小区时加速测量过程。因此，降低过晚切换触发的概率，从而降低中断概率。还有方案提出了多无线接入技术来解决HSR切换问题。允许HSR同时连接到两个或多个异构移动网络，并在一条链路的切换过程中通过另一条链路保持连接，从而改善切换过程。还有方案演示了W频段的WDM无缝光纤无线系统，该系统可实现与HSR的近高速和无切换通信。实现了单小区超过20Gb/s的净数据速率信号和不到4us的快速小区切换时间。

传统的射频通信和无线自由波接入方法在超高速环境下面临严重的多普勒扩散。漏波系统是一种典型的行波结构，广泛应用于受限密闭空间中，例如轨道交通、矿井、地下车库等场景。但是金属管道会对漏泄电缆的近场辐射产生较大的影响，而且辐射在列车以外的电磁波会造成浪费和干扰。现有技术有方案研究了漏泄电缆在铁路通信中的应用。还有方案提出了通过在一个周期中间隔四分之一波导波长放置新的单元的方法来抑制开阻带效应。还有方案提出了可用于真空管超高速列车的漏泄矩形波导的设计方法，使得波导具有法向辐射场，且近场沿波导纵向具有均匀分布的特点。还有方案提出了一种适用于ETT的新型无线通信系统。该系统基于光无线通信(OWC)，OWC本质上可以有效避免金属管内的多普勒传播。此外，还设计了一种无缝连接的系统结构，通过提供通信冗余来提高系统的可靠性。

上述现有技术中的超高速列车的毫米波通信调度方法的缺点包括：

(1)现有关于真空管超高速飞行列车的车地通信研究很少，真空管超高速列车目前尚未引起研究者们的广泛关注。现有的研究中，一部分针对真空管列车的超高速移动引起的频繁切换和通信中断问题，提出了免切换移动小区概念；一部分基于隧道通信和真空管道金属特性，提出了多种管道内部中继通信方式。但目前关于真空管超高速列车，仍缺少完善的车地通信整体架构，前述研究所提出的技术在真空管超高速列车车地通信中的性能也有待验证。

(2)目前针对传统轮轨高速列车的车地通信调度问题已有不少研究，但真空管超高速列车与传统轮轨列车的无线通信有很大区别。一方面，传统轮轨列车的运行场景相对丰富，而真空管列车运行环境为单一、密闭的真空管道，对无线信号有严重的穿透损耗；另一方面，金属密闭管道内无线电波传播存在波导现象，与传统高铁开阔场景不同；此外，真空管列车有着超高的运行速度。因此，传统高铁车地通信的调度算法不再适用于真空管列车。

(3)为了解决上述挑战，现有研究开始考虑构建完善的真空管超高速列车车底通信架构，利用真空管列车运行的规律性和状态信息的准确可预知性，实时获取列车的运行速度位置和无线服务请求等信息，预先估算列车无线通信容量，实时调整服务请求调度顺序，为超高速飞行列车的通信系统设计提供先验和导向信息。

发明内容

本发明的实施例提供了一种真空管超高速列车的毫米波通信调度方法，以实现有效地提高真空管超高速列车的通信可靠性。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种真空管超高速列车的毫米波通信调度方法，包括：

建立地面—真空管外—真空管内—车厢外的多跳无线传输系统，地面基础网络与真空管外部通信设备之间进行无线连接和信息传输；真空管内部的用户通信设备与列车车顶之间进行无线连接和信息传输；

实时获取列车的运行位置，根据列车的运行位置估算车地无线通信容量，根据用户无线请求服务质量要求和所述车地无线通信容量，优化设计无线服务请求调度算法，实时调整用户服务请求调度顺序，以最大化满足用户的服务请求个数。

优选地，所述的建立地面—真空管外—真空管内—车厢外的多跳无线传输系统，地面基础网络与真空管外部通信设备之间进行无线连接和信息传输；真空管内部的用户通信设备与列车车顶之间进行无线连接和信息传输，包括：

将超高速列车与地面基础网络的无线连接分为三级：第一级是在地面基础网络与真空管外部通信设备之间的无线连接，第二级是真空管内部的通信设备与列车车顶的信息传输，第三级是列车车顶与车内用户之间的链路；

所述超高速列车通过基于云的集中式的无线接入网实现，该无线接入网将基站的基带处理单元BBU和射频拉远单元RRU分开部署，RRU沿铁路建设，多个相邻的BBU集中到一个基带处理池中，RRU负责数字-模拟转换后的射频收发功能，不属于任何固定的BBU，BB负责处理RRU上发送或接收的信号，BBU和RRU之间、RRU之间通过光纤互联。

优选地，在所述多跳无线传输系统中，通过中心控制站CS和RRU实现免切换移动蜂窝，CS通过密集波分复用技术与RRU相连，实现单条管线内多路信号的同时传输，每个RRU安装与固定光波波长匹配的光分插复用器，将RF信号调制到不同的光载波上，不同的RRU对应不同的载波波长和相同的射频；

云中心根据列车运行速度和管道内部传感器获取列车位置，将信号调至列车所属RRU的波长，列车和真空管外部中继无需改变信号频率，实现移动小区切换。

优选地，在真空管内超高速列车的无线通信中采用漏泄波导提供电磁覆盖，列车的运动方向与漏波场辐射方向的切向夹角为0度，径向夹角为90度，在车顶安装车载中继MR，在地面无线通信和管内无线通信分别采用不同的载频，即RAU—RRU链路在频带f₁上，RRU—车顶MR的链路在频带f₂上，MR随机发起F条业务流，在CS的调度下实现CS—RRU—RAU—MR的传输，RRU有N_R个定向发射天线，RAU有1个定向接收天线和N_A个定向发射天线，MR有1个定向接收天线。

优选地，所述的方法包括：

将超帧划分为等长的时隙段，对每个时隙段分别进行调度，对MR发起的服务请求，定义一个优先级变量来确定该服务请求在第m个时隙段内链路调度的顺序，所述优先级变量由该服务请求在该时隙段中满足其QoS要求所需TSs数量决定。对于MR k的服务请求，其优先级变量的值由下式给出：

其中，q_k是MRk的关于最小吞吐量的QoS要求，T_s是调度时隙长度，△T是每个传输时隙长度，一个超帧内共M个传输时隙，表示第k个MR在第m个时隙段的可达吞吐量；

最大化一个超帧中的调度流数量的问题的目标函数如公式(14)所示：

s.t.(10)-(13). (14)

优选地，所述的公式(14)所示的最大化一个超帧中的调度流数量的问题的目标函数的求解过程包括：

步骤S10、建立三维坐标系，设初始时刻列车位于三维坐标的原点，MR均匀分布在列车顶部，并随机发起请求；将一个超帧均匀地划分为1000个TSs组成的时隙段，每个时隙段内列车移动位置不超过5m，以时隙段为单位进行数据传输，更新MR位置；

步骤S20、在每个时隙段内，根据MR的位置判断移动中继属于哪个RAU，并将MR加入相应的集合S_i中，计算MR在该时隙段内与相应的RAU之间的平均下行信道容量

步骤S30、根据每一条流的最小吞吐量QoS和相应的平均下行信道容量，计算在该时隙段内调度每一条流所需的时隙数将各个流按照时隙数递增的顺序排列，定义了一个时间变量/>该变量表示第i个RAU在此时隙段内还剩多少个可用时隙；

每一个时隙段的时隙数为τ，在时隙段初始时刻，判断该时隙段内还有可用时隙，对于每一个RAU，从所需时隙数最少的MR开始，判断该MR是否有未调度的服务请求，即δ_k＝＝1，如果δ_k＝1并且该时隙段内还有可用时隙，那么判断当下收发机之间的平均下行吞吐量和该服务请求的流f_k的QoS q_k是否满足公式(10)-(12)；

MR k发起的任务请求在第m个时隙段被调度的首要条件是系统吞吐量满足其QoS要求，即：

RRU-RAU的吞吐量大于RAU-MR的吞吐量，即：

其中，η₁描述了RRU到RAUi收发器设计的效率，取值范围为(0,1)，W₁是载频f₁的带宽，N₁是加性高斯白噪声的单边功率谱密度，P_r(A,i)为第i个RAU接收到的信号功率，q_k为MRk的最小吞吐量的QoS要求：

P_r(A,i)＝P_T,R+G_R,i+G_A,i-PL(d_RA,i), (3)

其中，P_T,R是RRU的发射功率，G_R,i是RRU对RAUi的发射天线增益，G_A,i是RAUi的接收天线增益。

为在t时隙RAUi到MRk的传输速率：

其中，η₂描述了RAUi到MRk收发器设计的效率，取值范围为(0,1)，W₂是载频f₂的带宽，N₂是真空管内加性高斯白噪声的功率谱密度；

还判断剩余可用时隙能否完成该流f_k的调度，如果均满足，则该条流f_k调度成功，将其记入集合S_yes中，从集合S_all中除名，并且调度成功的流数N+1；如果只满足公式(10)-(12)，但剩余可用时隙数不足以调度完这条流，那么将剩余时隙都用于调度这条流，后将这条未完成的流f_k记入集合中，并将未完成的内容大小记为/>

优选地，所述的方法还包括：

在下一个时隙段优先调度中的内容，调度完成后，将f_k记入集合S_yes中，从集合S_all中除名，并且调度成功的流数N+1(Step 8-12)。如果不满足公式(10)-(12)，那么跳过这条流，对下一条流进行上述判断；

对M/1000个时隙段中的所有RAUs和MRs进行上述计算，最终输出完成调度的流的集合S_yes和总数N。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明考虑智能反射表面辅助的高铁毫米波下行MIMO通信系统，在基站发射端和列车MR接收端均部署多个天线单元，利用波束赋形技术获得天线增益；同时动态调节智能反射表面各反射单元的相位，增强系统鲁棒性。针对信道的不确定性带来的挑战，本发明利用系统统计CSI，联合设计收发端波束赋形方案与IRS相位调节参数矩阵，同时，本发明优化了直连链路与反射链路间的选择问题，从而提高系统可靠性并使得系统遍历容量最大化。

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真空管超高速列车车地无线接入系统的结构如图1所示；

图2为本发明实施例提供的一种列车和真空管外部中继无需改变信号频率，实现“移动小区”切换示意图；

图3为本发明实施例提供的一种在真空管内高速飞行列车的无线通信中采用漏泄波导提供电磁覆盖示意图；

图4为本发明实施例提供的一种在车顶安装车载中继(MR，Mobile Relay)示意图；

图5为本发明实施例提供的一种真空管超高速列车车地通信的调度方案示意图；

图6本发明实施例提供的一种真空管超高速列车车地通信的调度方法的处理流程图。

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。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图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。

本发明首先建立了基于移动小区和漏泄波导的“地面—管道外—管道内—车厢外”的多跳无线传输系统，以克服列车超高速运行带来的频繁切换和多普勒效应。并针对一个超帧内超高速列车的车地通信调度问题，提出了一种启发式真空管列车无线通信调度算法，以在一段时间内最大化满足用户请求的数量。

本发明实施例提供一种真空管超高速列车车地无线接入系统的结构如图1所示的。在该系统中，超高速列车与地面基础网络的无线连接分为三级：第一级是在地面基础网络与真空管外部通信设备之间的无线连接，第二级是真空管内部通信设备与列车车顶的信息传输，第三级是列车车顶与车内用户之间的链路。其中，与传统高速铁路无线车地通信不同之处在于前两级通信，因此我们主要研究前两级无线通信的关键传输。

①地面接入网络——真空管外部：基于C-RAN的免切换移动蜂窝技术

由于真空管列车超高的移动速度，采用常规的基站部署方式的话，将引起极其频繁的小区间切换问题，为稳定的无线传输带来挑战。超高速列车可以通过基于云(Cloud)的集中式(Centralized)的无线接入网实现，该无线接入网简称为C-RAN。C-RAN将基站的基带处理单元(BBU，Building Base band Unit)和射频拉远单元(RRU，Remote Radio Unit)分开部署，RRU像常规的轨旁基站一样沿铁路建设，多个相邻的BBU集中到一个基带处理池中，该基带处理池可以利用大型的计算机群实现。RRU只负责数字-模拟转换后的射频收发功能，不属于任何固定的BBU。BBU具备具备计算能力，负责处理RRU上发送或接收信号的处理。而BBU的处理能力是由实时虚拟技术分配基带池中的部分处理能力构成的。通过实时云计算，能够最大化利用基带池中的物理资源，避免潮汐效应带来的资源浪费问题。BBU和RRU之间、RRU之间通过光纤互联。

免切换移动蜂窝通过中心控制站(CS，Central Station)和RRU实现的。CS通过密集波分复用技术(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)与RRU相连，实现单条管线内多路信号的同时传输。每一个RRU安装光分插复用器(OADM，Optical Add-DropMultiplexing)与一个固定光波波长匹配。利用光载无线通信(RoF，radio-over-fiber)技术，可以打破射频(RF，Radio Frequency)频率与光载波波长之间的对应关系，将RF信号调制到不同的光载波上，即不同的RRU对应不同的载波波长和相同的射频。云中心根据列车运行速度和管道内部传感器可以准确掌握列车位置，然后将信号调至列车所属RRU的波长。如图2所示，列车和真空管外部中继无需改变信号频率，实现“移动小区”切换，大大降低了传统切换频率的时间损耗和中断概率。此外，CS还可以控制不在列车范围内的RRU的射频功能关闭，减少功耗和干扰。

②管内接入网络——真空管内部：基于漏泄波导覆盖的接入方式

漏泄波导是一种可以在特殊地区的弱电场中进行高质量信号传输的射频方式，常在地下通道、地铁道等信号不稳定或信号较差的区域进行覆盖。如图3所示，在真空管内高速飞行列车的无线通信中采用漏泄波导提供电磁覆盖，通过漏泄波导与真空管道的一体化设计和部署，不仅能有效解决管内区域信号差的问题，提高信号传输质量，而且能提高漏泄系统的工作稳定性，降低生产和铺设成本。更重要的是，真空管内列车运行克服了空气阻力，具有极高的速度，这将带来极高的多普勒频移和干扰。据研究，通过对漏泄波导进行特殊的开口设计，使漏泄波导产生恒定的法向波束。在列车运动时，其运动方向与漏波场辐射方向的切向夹角为0度，径向夹角为90度，保证列车运行方向与波矢方向满足垂直关系，从而有效抑制多普勒效应。

③车内接入网络——基于车载中继的接入方式

与现有高铁车地通信类似，如图4所示，在车顶安装车载中继(MR，Mobile Relay)，与漏泄波导、车内用户组成“双跳结构”。车载中继方案可以有效解决列车对无线信号的高穿透损耗和车内大量用户的群切换问题。

为了避免自干扰，本发明考虑地面无线通信和管内无线通信分别采用不同的载频，即RAU—RRU链路在频带f₁上，RRU—车顶MR的链路在频带f₂上。车顶中继随机发起F条业务流，需要在CS的调度下实现CS—RRU—RAU—MR的传输，其中CS—RRU是通过光纤传输的，不在我们的考虑范围内，因此我们只研究RRU—RAU—MR的传输。RRU有N_R个定向发射天线，RAU有1个定向接收天线和N_A个定向发射天线，MR有1个定向接收天线。

在这个系统中，时间被划分为一系列不重叠的超帧，每一个超帧包含一个调度阶段和一个传输阶段。调度阶段用于收集链路请求和它们的QoS要求。传输阶段包含M个相等时长的时隙(Time Slots,TS)。

本发明采用定向天线模型，所有定向天线都可以控制其波束，以获得最大方向性增益。对准的链路具有最大方向性天线增益G₀。天线模型表示如下：

其中，θ是[0°,180°]范围内的角度，G₀是最大天线增益， θ_-3dB半功率波束角度，θ_ml＝2.6·θ_-3dB是主瓣增益，G_sl＝-0.4111log(θ_-3dB)-10.579是旁瓣增益。

本发明选用α-β模型作为RRU-RAU的路径损耗模型。对于第i_th(i∈{1,2,3})个RAU，RRU到它的路径损耗为：

PL(d_RA,i)＝α+10βlog₁₀(d_RA,i)+X_σ, (2)

其中，α,β是常数，d_RA,i是RRU到第i个RAU的距离，X_σ是标准差为σ的零均值高斯随机变量。

与LoS传输相比，mmWave的NLoS传输有着极高的传输损耗，因此本发明只考虑直连LoS链路。那么第i个RAU接收到的信号功率为：

P_r(A,i)＝P_T,R+G_R,i+G_A,i-PL(d_RA,i), (3)

其中，P_T,R是RRU的发射功率，G_R,i是RRU对RAUi的发射天线增益，G_A,i是RAUi的接收天线增益。

采用空时分多址接入(STDMA)，所以RAUi也可能会接收到RRU发送给RAUj的干扰信号，记为：

I_ji＝P_T,R+G_R,j+G_,i-PL(d_RA,i), (4)

其中，G_R,j是RRU天线在RAUj方向上的增益值，G_A,j是RAUi的接收天线增益。

根据香农公式，RRU到RAUj的传输速率为：

其中，η₁描述了RRU到RAUi收发器设计的效率，取值范围为(0,1)，W₁是载频f₁的带宽，N₁是加性高斯白噪声的单边功率谱密度。

本发明通过设计一种可以抑制多普勒效应的特殊漏波系统，传播模型可以近似为Rician信道。接收功率随着RAU与MR的距离沿水平中轴线的增加而衰减。相应地，RAUi与MRk之间的信道可以描述为：

其中，P₀＝1W是RAUi的发射功率，d_i,k是RAUi与MRk的距离，r＝2.5是RAUi与MRk的管道截面距离，γ＝0.03是一个衰减因子，表示莱斯因子为13的莱斯信道。

那么，在t时隙RAUi到MRk的传输速率为：

其中，η₂描述了RAUi到MRk收发器设计的效率，取值范围为(0,1)，W₂是载频f₂的带宽，N₂是真空管内加性高斯白噪声的功率谱密度。

由于列车的移动速度和位移引起的信道变化，我们考虑每τ个TSs更新一次列车的位置和信道信息。在τ个TSs内，列车的移动距离不超过5m，可以认为不影响数据的传输。一个超帧中共有M个TSs，将其划分为τ个TSs组成的时隙段，共有M/τ个时隙段。那么第k个MR在第m个时隙段的可达吞吐量可以表示为：

本发明的目标是最大化在一个超帧内成功调度的流的数目。不同的流承载不同类型的服务，因此其最小吞吐量要求也不一样。假设共有K个MR，其中随机的F个MR发起服务请求，用二进制变量δ_k标记，δ_k＝1表示第k个MR发起服务请求，反之δ_k＝0。所有的流满足MR k的关于最小吞吐量的QoS要求记为q_k。我们用一个二进制变量a_k标记流k是否被成功调度，a_k＝1表示成功实现调度，反之a_k＝0。本发明的优化目标刻画为：

MR k发起的任务请求在第m个时隙段被调度的首要条件是系统吞吐量满足其QoS要求，即：

由于RAU转发给MR的流是从RRU获取的，因此RRU-RAU的吞吐量应大于RAU-MR的吞吐量，即：

关于MR发起的服务请求，本发明定义一个优先级变量来确定链路调度的顺序，由该服务在该时隙段中满足其QoS要求所需TSs数量决定。具体来说，对于MR k的服务请求，其优先级值由下式给出：

最大化一个超帧中的调度流数量的问题可以公式化如下：

s.t.(10)-(13).(14)

可以看出，问题(14)是一个非线性整数规划问题。由于列车的超高速移动，每一个时隙段列车的位置发生变化，从而信道信息、容量等也发生变化。因此，问题(14)还是一个与时间相关的问题。为此，本发明通过设计启发式算法，以获得较低复杂度的最优解。

为了求解上述公式14所述的目标函数，本发明提出了一种真空管超高速列车车地通信的调度方法如图5所示。在该方案下，调度包含两部分：一部分是地面RRUs向真空管外RAUs的数据传输，另一部分是真空管外RAUs通过漏泄波导向真空管内车顶中继的数据传输。不仅要考虑不同RAUs之间的干扰，还要考虑列车高速移动引起的位置、信道变化。上述真空管超高速列车车地通信的调度方法的处理流程如图6所示，包括如下的处理步骤：

步骤S10、本发明建立了一个三维坐标系，以便于更新列车和车顶中继的位置。本发明的目标是最大化一个超帧内完成调度的请求任务数。因此为了便于计算，本发明假设初始时刻列车位于三维坐标的原点。中继均匀分布在列车顶部，并随机发起请求。

流的调度基于它们的QoS要求和收发机之间的信道状态。由于车顶中继随列车超高速移动，因此本发明考虑以时隙段为单位进行调度流。本发明将一个超帧均匀地划分为1000个TSs组成的时隙段，每个时隙段内列车移动位置不超过5m，以时隙段为单位进行数据传输并更新车顶中继位置。

步骤S20、在每个时隙段内，本发明首先根据移动中继的位置判断移动中继属于哪个RAU，并将移动中继加入相应的集合S_i中。对于每一个MR，计算其在该时隙段内与相应的RAU之间的平均下行信道容量

步骤S30、根据每一条流的最小吞吐量QoS和相应的平均下行信道容量，计算在该时隙段内调度每一条流所需的时隙数并将其按照时隙数递增的顺序排列。为了便于在一个时隙段内调度多条流，本发明定义了一个时间变量该变量表示第i个RAU在此时隙段内还剩多少个可用时隙。

在时隙段初始时刻，我们首先判断该时隙段内还有可用时隙。然后对于每一个RAU，从所需时隙数最少的MR开始，判断其是否有未调度的服务请求，即δ_k＝＝1。如果δ_k＝1并且该时隙段内还有可用时隙，那么判断当下收发机之间的平均下行吞吐量和流f_k的QoSq_k是否满足公式(10)-(12)。以及剩余可用时隙能否完成该流的调度，如果均满足，则该条流调度成功。将其记入集合S_yes中，从集合S_all中除名，并且调度成功的流数N+1。如果只满足公式(10)-(12)，但剩余可用时隙数不足以调度完这条流，那么可以将剩余时隙都用于调度这条流。然后将这条未完成的流记入集合/>中，并将未完成的内容大小记为/>在下一个时隙段优先调度/>中的内容，调度完成后，将f_k记入集合S_yes中，从集合S_all中除名，并且调度成功的流数N+1(Step 8-12)。如果不满足公式(10)-(12)，那么跳过这条流，对下一条流进行上述判断。对M/1000个时隙段中的所有RAUs和MRs进行上述计算，最终输出完成调度的流的集合S_yes和总数N。

综上所述，本发明实施例致力于增强真空管超高速列车车地无线通信可靠性，提出基于免切换移动小区和漏泄波导的“地面—真空管外—真空管内—车厢外”的多跳无线传输系统。

本发明致力于研究真空管超高速飞行列车的车地无线通信问题。为了应对超高速带来的频繁切换问题，本发明采用移动小区方案，不同小区采用相同的载波频率，帮助列车实现无感切换。为了缓解超高速引起的严重的多普勒效应，本发明采用漏泄波导代替传统的中继辅助。特殊的开口设计可以实现电波法向传输，抑制多普勒频移。本发明研究了在一个超帧内超高速列车的车地通信调度问题。这不仅涉及到“地面—真空管外—真空管内—车厢外”之间的多跳传输，而且超高速移动的车顶中继在一个超帧内还需要切换至不同的小区。为了解决这个问题，本发明提出了一种启发式真空管列车无线通信调度算法，利用列车规律性的运行轨迹和可预知的运行位置，实时调整用户服务请求调度顺序，以在一段时间内最大化满足用户请求的数量。

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 (7)

1.一种真空管超高速列车的毫米波通信调度方法，其特征在于，包括：建立地面—真空管外—真空管内—车厢外的多跳无线传输系统，地面基础网络与真空管外部通信设备之间进行无线连接和信息传输；真空管内部的用户通信设备与列车车顶之间进行无线连接和信息传输；

实时获取列车的运行位置，根据列车的运行位置估算车地无线通信容量，根据用户无线请求服务质量要求和所述车地无线通信容量，优化设计无线服务请求调度算法，实时调整用户服务请求调度顺序，以最大化满足用户的服务请求个数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的建立地面—真空管外—真空管内—车厢外的多跳无线传输系统，地面基础网络与真空管外部通信设备之间进行无线连接和信息传输；真空管内部的用户通信设备与列车车顶之间进行无线连接和信息传输，包括：

将超高速列车与地面基础网络的无线连接分为三级：第一级是在地面基础网络与真空管外部通信设备之间的无线连接，第二级是真空管内部的通信设备与列车车顶的信息传输，第三级是列车车顶与车内用户之间的链路；

所述超高速列车通过基于云的集中式的无线接入网实现，该无线接入网将基站的基带处理单元BBU和射频拉远单元RRU分开部署，RRU沿铁路建设，多个相邻的BBU集中到一个基带处理池中，RRU负责数字-模拟转换后的射频收发功能，不属于任何固定的BBU，BB负责处理RRU上发送或接收的信号，BBU和RRU之间、RRU之间通过光纤互联。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述多跳无线传输系统中，通过中心控制站CS和RRU实现免切换移动蜂窝，CS通过密集波分复用技术与RRU相连，实现单条管线内多路信号的同时传输，每个RRU安装与固定光波波长匹配的光分插复用器，将RF信号调制到不同的光载波上，不同的RRU对应不同的载波波长和相同的射频；

云中心根据列车运行速度和管道内部传感器获取列车位置，将信号调至列车所属RRU的波长，列车和真空管外部中继无需改变信号频率，实现移动小区切换。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在真空管内超高速列车的无线通信中采用漏泄波导提供电磁覆盖，列车的运动方向与漏波场辐射方向的切向夹角为0度，径向夹角为90度，在车顶安装车载中继MR，在地面无线通信和管内无线通信分别采用不同的载频，即RAU—RRU链路在频带f₁上，RRU—车顶MR的链路在频带f₂上，MR随机发起F条业务流，在CS的调度下实现CS—RRU—RAU—MR的传输，RRU有N_R个定向发射天线，RAU有1个定向接收天线和N_A个定向发射天线，MR有1个定向接收天线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的方法包括：

将超帧划分为等长的时隙段，对每个时隙段分别进行调度，对MR发起的服务请求，定义一个优先级变量来确定该服务请求在第m个时隙段内链路调度的顺序，所述优先级变量由该服务请求在该时隙段中满足其QoS要求所需TSs数量决定。对于MR k的服务请求，其优先级变量的值由下式给出：

其中，q_k是MR k的关于最小吞吐量的QoS要求，T_s是调度时隙长度，△T是每个传输时隙长度，一个超帧内共M个传输时隙，表示第k个MR在第m个时隙段的可达吞吐量；

最大化一个超帧中的调度流数量的问题的目标函数如公式(14)所示：

s.t.(10)-(13). (14)

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的公式(14)所示的最大化一个超帧中的调度流数量的问题的目标函数的求解过程包括：

步骤S10、建立三维坐标系，设初始时刻列车位于三维坐标的原点，MR均匀分布在列车顶部，并随机发起请求；将一个超帧均匀地划分为1000个TSs组成的时隙段，每个时隙段内列车移动位置不超过5m，以时隙段为单位进行数据传输，更新MR位置；

步骤S20、在每个时隙段内，根据MR的位置判断移动中继属于哪个RAU，并将MR加入相应的集合S_i中，计算MR在该时隙段内与相应的RAU之间的平均下行信道容量

步骤S30、根据每一条流的最小吞吐量QoS和相应的平均下行信道容量，计算在该时隙段内调度每一条流所需的时隙数将各个流按照时隙数递增的顺序排列，定义了一个时间变量/>该变量表示第i个RAU在此时隙段内还剩多少个可用时隙；

每一个时隙段的时隙数为τ，在时隙段初始时刻，判断该时隙段内还有可用时隙，对于每一个RAU，从所需时隙数最少的MR开始，判断该MR是否有未调度的服务请求，即δ_k＝＝1，如果δ_k＝1并且该时隙段内还有可用时隙，那么判断当下收发机之间的平均下行吞吐量和该服务请求的流f_k的QoS q_k是否满足公式(10)-(12)；

MR k发起的任务请求在第m个时隙段被调度的首要条件是系统吞吐量满足其QoS要求，即：

RRU-RAU的吞吐量大于RAU-MR的吞吐量，即：

其中，η₁描述了RRU到RAUi收发器设计的效率，取值范围为(0,1)，W₁是载频f₁的带宽，N₁是加性高斯白噪声的单边功率谱密度，P_r(A,i)为第i个RAU接收到的信号功率，q_k为MR k的最小吞吐量的QoS要求：

P_r(A,i)＝P_T,R+G_R,i+G_A,i-PL(d_RA,i), (3)

其中，P_T,R是RRU的发射功率，G_R,i是RRU对RAU i的发射天线增益，G_A,i是RAU i的接收天线增益。

为在t时隙RAU i到MR k的传输速率：

其中，η₂描述了RAU i到MR k收发器设计的效率，取值范围为(0,1)，W₂是载频f₂的带宽，N₂是真空管内加性高斯白噪声的功率谱密度；

还判断剩余可用时隙能否完成该流f_k的调度，如果均满足，则该条流f_k调度成功，将其记入集合S_yes中，从集合S_all中除名，并且调度成功的流数N+1；如果只满足公式(10)-(12)，但剩余可用时隙数不足以调度完这条流，那么将剩余时隙都用于调度这条流，后将这条未完成的流f_k记入集合中，并将未完成的内容大小记为/>

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

在下一个时隙段优先调度中的内容，调度完成后，将f_k记入集合S_yes中，从集合S_all中除名，并且调度成功的流数N+1(Step 8-12)。如果不满足公式(10)-(12)，那么跳过这条流，对下一条流进行上述判断；

对M/1000个时隙段中的所有RAUs和MRs进行上述计算，最终输出完成调度的流的集合S_yes和总数N。