面向高速铁路典型场景业务与应用的新一代移动通信理论与关键技术研究

The high-speed railway (HSR) will develop toward the direction of networked passenger transport, intellectualized transport organization and automated safety monitoring. As a result, a large number of new services have emerged, such as HSR automatic driving, multimedia dispatching and communication, railway Internet of Things applications based on air-space-ground integrated information network and mass sensors. Higher requirements for reliable, high data rate and instant railway mobile communication networks are put forward. At present, there is a lack of the research on railway mobile communication theory and key technology oriented to the typical railway scenarios and future new railway services. The aim of this project is to establish theories and methodologies suitable for high mobility and typical scenarios such as large railway stations and hubs, which can ensure information transmission with high reliability, high data rate, low latency and the improvement of energy efficiency and spectrum efficiency. The project focuses on the innovative theory and technology research oriented to future HSR new services and typical scenarios, including business models and novel railway mobile communication cloud network architectures based on the splitting of the user-plane and the control-plane, hybrid channel modeling at high frequency bands, non-orthogonal multiple access, quick access, channel estimation, group handover based on fog computing, large-scale antenna tracking and handover, the novel frame structure and transmission mechanism of ultra-reliable low latency communication technology suitable for the high mobility and large-scale access services, as well as moving network radio resource management oriented to various types of railway services, providing theoretical and technical support for safe, reliable and efficient operation of future intelligent train operation control system.

未来高速铁路将向着运输组织智能化和安全监控自动化方向发展,由此也催生了高速铁路自动驾驶、基于空天地一体化和海量传感器的铁路物联网应用等新业务，对铁路移动通信网络的可靠性、高数据速率、即时性等提出了新的更高要求。当前国际上缺乏面向高速铁路典型场景及新业务的铁路移动通信理论与技术的研究。本项目以建立适用于高速铁路高速移动、大型车站及枢纽等典型场景，能够确保列车安全相关信息的高可靠、高数据速率、低时延传输以及系统能效和谱效提升的理论和方法为目标，开展面向未来高速铁路新业务及场景的业务模型，基于控制面与数据面解耦架构的铁路云网络架构，高频段混合信道建模，适用于高移动性的非正交多址、快速随机接入、基于雾计算的群切换、大规模天线波束跟踪与切换、新型超可靠低时延帧结构及传输机制，以及铁路移动性网络无线资源管理理论与方法的研究，为未来智能化高速铁路列车运行控制系统的安全、可靠和高效运营提供理论和技术支撑。

未来高速铁路需要发展高速铁路自动驾驶、基于空天地一体化和海量传感器的铁路物联网应用等新业务，对铁路移动通信网络提出了新的更高要求。鉴于当前国际上缺乏面向高速铁路典型场景及新业务的铁路移动通信理论与技术的研究，本项目以建立适用于高速铁路高速移动、大型车站及枢纽等典型场景，能够确保列车安全相关信息的高可靠、高数据速率、低时延传输以及系统能效和谱效提升的理论和方法为目标，开展四方面的研究：（1）高速铁路业务模型与新型通信网络架构；（2）高频段信道建模理论与方法；（3）面向高速铁路场景与业务的物理层高可靠传输关键技术；（4）移动性网络无线资源管理。 .课题提出了基于云架构的C/U面解耦方法、毫米波高频信道测量建模方法、基于大规模多天线的无蜂窝网络架构、高速铁路无线通信业务与通信资源管理机制等新方法和新模型，开发了兼具“高精度”和“快速性”的高速铁路场景射线跟踪工具箱，搭建了面向高频段信道的超算确定性仿真平台以及智能超表面仿真验证平台，在中兴基站、5G-R专网试验系统、京沈高铁等高速铁路线中得到应用。.研究成果在国内外顶级学术期刊发表SCI论文62篇，在国际通信领域旗舰等会议上发表论文50篇，获国际会议最佳论文奖11项，出版十三五、十四五国家重大出版物出版规划项目丛书等专著6部；授权国家发明专利23项，成果转化1项；牵头及参与国家行业标准规范5项，被采纳国际标准提案7项；获中国电子学会科学技术奖一等奖1项（负责人排名第1），项目成员获国家自然科学基金优秀青年基金资助2人，IEEE Fellow 2人，IEEE亚太杰出青年学者称号2人，中国科协青年人才托举计划2人，爱思唯尔中国高被引学者3人，全球前2%顶尖科学家3人，中国电子学会优秀博士论文2人，北京市优秀博士毕业论文1人，获国家自然科学基金创新群体资助1项（负责人牵头）。