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基于交换式以太网列车通信网络的研究
| 论文题名： | 基于交换式以太网列车通信网络的研究 |
| 关键词： | 列车通信网络;交换式以太网;拓扑结构;通信协议栈;实时虚拟层;数据传输 |
| 摘要： | 随着基于通信的列车控制系统(Communication-Based Train Control，CBTC)和中国列车运行控制系统(Chinese Train Control System，CTCS)-3级在我国的不断推广和发展，其功能会越来越多样和复杂，这也就意味着列车控制会变得越来越复杂，数据通信也会变得越来越多样化。可以预见用于机车车辆与列车运行控制的数据量在未来会不断增长，所以研究一种大容量、高速度、满足硬实时性的列车通信网络系统是很有意义的。 针对这个问题，论文以列车通信网络(TCN)为研究对象，通过引入交换式以太网技术，在底层使用交换式以太网来增大列车通信网络的带宽，但是交换式以太网中由于数据传输冲突而导致的数据传输时间不确定性，使其不能直接适用于实时网络。对此，论文通过改进网络拓扑结构、通信协议栈等措施改善基于交换式以太网的列车通信网络(EB-TCN)在可靠性、确定性、实时性方面的性能表现，使其能满足列车数据传输需求。 首先，在TCN网络拓扑结构的基础上，提出了EB-TCN的网络拓扑结构，引入了全双工通信技术、设计冗余网络，改善网络的实时性和可靠性。在TCN通信协议栈的基础上，提出了EB-TCN的通信协议栈，为保证网络满足列车的硬实时需求，在通信协议栈中加入实时虚拟层。通过对EB-TCN的实时虚拟层进行详细研究，在TCN和FF总线的集中式介质访问方式的基础上，设计了车辆控制层、骨干层的通信调度机制。为了充分利用以太网资源，引入了“超主帧”的通信调度方式;在通信调度机制的基础上设计了车辆控制层、骨干层的帧格式。从根本上解决了交换式以太网中数据冲突排队的问题。 其次，分别从骨干层和车辆控制层对EB-TCN方案的网络拓扑结构进行可靠性分析。在EB-TCN网络的实时性分析上，论文运用排队论的方法分析了EB-TCN网络正常情况下的网络延迟，运用网络演算方法分析了EB-TCN网络最坏情况下的网络延迟。 最后，为了进一步验证EB-TCN网络的实时性能，搭建了基于VxWorks的仿真通信平台，完成了平台的硬件结构设计和软件结构设计。对EB-TCN在最坏情况下的网络延迟进行了测试和分析;对车辆控制层、骨干层基本周期内轮询设备数量进行测试和分析;对系统正常时列车网络数据传输进行测试，并从网络效率指标、传输时间比指标、和超时报文、错误报文比例指标等方面对实验结果进行了分析。 最后得出结论:基于交换式以太网的列车通信网络(EB-TCN)在可靠性、实时性、确定性方面能满足列车网络需求，能够成为TCN的替代方案。 |
| 作者： | 邢震 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 穆建成 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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