基于LTE的公网和专网共存高铁通信系统接入架构及其关键技术研究

The research on private network for high-speed railway and public network for train passengers is currently carried on separately. The UIC has suggested using LTE-R instead of GSM-R directly in the near future. Due to the difficulties (e.g., coexistence of private and public networks, serious attenuation of radio wave, Doppler jump and frequent handoff), it is urgent to study the access architecture and key technologies of high-speed railway communication systems for coexistence of private and public networks based on LTE. It can provide a robust transmission platform for QoE of passengers, the safety and efficiency of train operation. This project will be focused on the access architecture and key technologies of wireless systems for coexistence of private with public networks based on LTE. The access network and handover schemes will be optimized to ensure the reliability of private and public service. Utilizing the distribution of railway, the estimation of fast time-varying channel and the compensation of Doppler shift will be studied to improve the throughput of LTE-R system. In the emergency scenario, the D2D technology will be investigated to secure the information transformation of LTE-R system. The research will motivate the network from GSM-R to LTE-R in both the academic and practical aspects.

目前面向高铁的专网和面向高铁旅客的公网通信研究分属两部门独立进行，而且国际铁路联盟建议将GSM-R直接演进到LTE-R，针对专网与公网共存、无线信号严重衰减、多普勒效应突变和越区切换频繁等难点，有必要开展基于LTE的公网和专网共存高铁通信系统接入架构及其关键技术的研究。为列车运行的安全性、高效性以及高铁乘客电信服务体验提供良好传输平台。课题将研究基于LTE的公网和专网共存的接入架构及其关键技术，优化接入和越区切换策略，以保障专网和公网业务的可靠接入。利用高铁基站沿铁路线带状分布的特点，研究优化快速时变信道估计和多普勒频偏补偿，改善LTE-R无线传输性能。在移动中继环境下，研究基于多天线双向中继协同技术，提升LTE-R无线传输容量。在应急条件下，研究D2D技术，完善LTE-R信息传输安全保障。课题研究对推动GSM-R向LTE-R的演进具有学术价值和现实意义。

课题针对专网与公网共存、无线信号严重衰减、多普勒效应突变和越区切换频繁等难点，开展基于LTE的公网和专网共存高铁通信系统接入架构及其关键技术的研究。向中国铁路总公司提交《下一代铁路移动通信系统关键技术研究报告》；向中国城市轨道交通协会提交城市轨道交通车地综合通信系统总体规范技术标准报批稿5项；发表论文39篇（SCIE论文19篇，EI论文14篇）；申请发明专利10项（授权1项）；培养博士研究生8名，硕士研究生17名。主要研究成果总结如下：.1）基于LTE的公网和专网共存的接入架构及其关键技术，优化接入和越区切换策略，将被分割开来的铁路专网和旅客公网通信，纳入统一的系统框架之中，提出支持跨运营商频谱共享的具体系统架构，建立面向高铁专网和面向旅客公网的业务承载模型。通过测试验证LTE系统综合承载轨道交通车-地通信业务的可用性。.2）利用高铁基站沿铁路线带状分布的特点，提出基于参数化模型的信道参数快速估计算法，实验室和京津城际的测试结果表明该方法具有较高的测量精度。提出了基于泰勒级数展开的载波频偏和信道冲击响应联合检测技术和基于空域协方差矩阵量化和反馈的级联预编码结构，实现了基于“粗同步+跟踪”的多普勒频偏补偿；搭建了高速时变信道半实物仿真仿真平台与大规模MIMO原型系统，为高铁可靠信息传输技术提供验证平台。.3）研究基于多天线双向中继协同技术，针对专网和公网共存的高速铁路通信系统中直连链路、回程链路和接入链路间的无线资源分配问题，提出适应列车快速行驶导致的网络拓扑结构多变性，信道变化多样性和安全信息传输实时性的无线资源管理调度方案，设计了基于QoE的基站载波的本地自主选择机制。.4）针对高铁应急条件通信的特殊需求，提出了一种基于级联编码的译码方案，提出了增强LBT机制，有效防止基站长期占用同一信道对公网或专网的非D2D通信形成的干扰，采用基于用户体验的一对一稳定匹配算法确保D2D用户的信道资源，使得D2D能够有效地保障应急条件下列车通信。