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铁路时间同步网关于排队延迟补偿方案的研究

铁路时间同步网关于排队延迟补偿方案的研究

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作者：曹建荣兰州交通大学

学位级别：硕士

目前,我国持续推进部署交通强国计划,铁路的发展也由高速大规模发展向着高质量转变。为进一步提升铁路的运输效率与行车安全,国家铁路总公司对于铁路运输各个子系统的时间同步精度提出了新的要求。铁路时间同步网作为铁路通信的支撑网之... 详细信息

目前,我国持续推进部署交通强国计划,铁路的发展也由高速大规模发展向着高质量转变。为进一步提升铁路的运输效率与行车安全,国家铁路总公司对于铁路运输各个子系统的时间同步精度提出了新的要求。铁路时间同步网作为铁路通信的支撑网之一,担任着各子系统环节时间同步任务。作为承载铁路时间同步的传输网与数据通信网,传输流量复杂多样,因此时间同步过程中的上下行链路延迟很难达到对称,影响着以NTP（Network Time Protocol,网络时间协议）协议为主的时间同步精度。从而引起铁路运输效率的下降,甚至危害行车安全。然而,目前对铁路时间同步网精度提升的研究还较少,且现有的研究主要通过改善铁路时间同步网结构与保证协议可靠运行来提升时间同步精度,对链路延迟对称方面的研究仍存在空白。如何保证铁路承载网络效率与性能的同时提升铁路时间同步网同步精度成为一项重要的课题。因此,本研究在完成对排队延迟计算与分析的基础上,提出了一种基于SFQ-CoDel（Stochastic Flow Queue-Control Delay,随机流队列-控制时延）算法的排队延迟补偿方案,该方案能够在保证网络整体性能的同时降低排队延迟。首先,针对延迟不对称造成铁路时间同步网对时精度下降的问题,本研究进行了时延分析,确定了传输链路中影响数据传输时延的几种延迟,并在此基础上提出铁路时间同步网的时钟同步模型。根据所提出的铁路时间同步网时钟模型,考虑时钟频差参数难以准确获取的问题,对RTCQD（Real Time Calculation Queue Delay,排队延迟实时计算）算法中的时钟频差计算进行改进,提出基于ERTCQD（Enhanced Real Time Calculation Queue Delay,改进排队延迟实时计算）的排队延迟计算算法,并对算法的时间复杂度与效果进行了分析和验证,结果表明改进后算法对于排队延迟的计算误差更低,仅为0.22ms。最后,为综合分析排队延迟在铁路时间同步网中的预期补偿效果,结合之前所提到的铁路时间同步模型,在OPNET网络仿真平台中仿真分析。结果表明,消除排队延迟既能够降低收发双向时延的不对称性,又能够提升铁路时间同步网的对时精度。其次,在完成排队延迟的计算与分析的基础上进一步对排队延迟进行补偿,本文提出一种基于SFQ-CoDel算法的排队延迟补偿方案,利用主动队列管理算法在拥塞控制领域的优势来降低排队延迟。通过传输网中业务的分析得出其业务流量类型,并以此作为NS2平台中仿真的仿真场景,对该算法进行了仿真验证。仿真采用哑铃型拓扑模型,分别设置高低两种负载两种仿真环境,得到两种状态下的三个性能指标,分别进行分析。由结果可知,轻重度两种负载下,SFQ-CoDel算法丢包率、吞吐量与队列长度表现均优于其余两个算法,证明了该方案的可行性。最后,本文通过仿真对SFQ-CoDel算法做出了可调性分析,并据此提出了排队延迟补偿方案,为铁路时间同步网精度以及传输网网络性能提升提供了理论参考。

关键词：铁路时间同步网 NTP 延迟不对称排队延迟补偿可调性分析

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