面向高铁的LTE-R接入架构和物理层关键技术研究

At present, the UIC (International Union of Railways) has suggested using LTE-R (Long Term Evolution for Railway) instead of GSM-R (GSM for Railway) directly. In the scenario of high speed railway, LTE-R will be faced with various difficulties (e.g., serious attenuation of radio wave, Doppler Shift and frequent handoff). Therefore, this project will be focused on the access architecture and key technologies in the physical layer of LTE-R for high speed railway. The access network and handover schemes will be optimized to ensure the reliability of LTE-R service. Utilizing the distribution of railway, ICI (intercarrier interference) caused by Doppler Shift will be studied to improve the throughput of LTE-R system. Cooperative relay technology combined with MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) will improve the system capacity of LTE-R in the mobile relay environment. In the emergency scenario, the D2D (Device-to-Device) 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. Meanwhile, it can provide certain technical support for the high speed railway development of our country.

目前国际铁路联盟建议将GSM-R直接演进到LTE-R，在高铁场景中，LTE-R将面临无线信号衰减严重、多普勒频移和越区切换频繁等难点。因此项目将研究面向高铁的LTE-R的接入架构及其物理层关键技术，优化接入和越区切换策略，以保障LTE-R承载业务的可靠接入。利用高铁基站沿铁路线带状分布的特点，研究多普勒频偏所引起的子载波干扰自消除技术，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。项目的研究对推动GSM-R向LTE-R的演进具有学术价值和现实意义，可以为我国高铁发展提供一定的技术支撑。

国际铁路联盟曾建议将GSM-R直接演进到LTE-R，随着铁路列车运行速度的不断提升，在高铁场景中，LTE-R将面临更为严重的无线信号衰减严重、多普勒频移和越区切换频繁等难点。通过对高铁LTE-R接入架构及物理层相关技术进行研究，保障相关业务可靠接入，改善通信系统传输性能，推动GSM-R向LTE-R的演进，具备较高的学术价值和现实意义。.首先，在高铁LTE-R场景下，项目组提出了一种基于波束赋形的速度自适应越区切换方案，同时提出了切换触发门限动态调整算法，仿真结果表明，我们的切换算法极大地改善了切换性能；设计了一种基于控制面/用户面分离的高速铁路通信系统，提出了一种基于控制面/用户面分离的快速双链路切换方案，利用双播技术优化切换流程，根据仿真结果，其能够有效提高切换成功概率，降低中断概率和切换时延；针对高铁D2D通信，使用中继技术有效降低中断概率与可靠性。其次，考虑车车通信下的切换问题，提出基于资源预留的联合切换方案；设计MIMO中继系统中的天线变疏密（正弦）优化排布方案，同时设计了天线选择算法，理论分析和仿真结果均显示该算法可以为列车在基站边缘提供更好的信号质量并辅助系统的越区切换；引入加权系数消除ICI方案，提出基于信噪比判决的双模切换信道估计方案，利用离散卡-洛基扩展模型及线性最小均方误差算法进行信道建模和不同速度环境下的信道估计，仿真结果显示，该方案有效提高信道估计的适应性与有效性。最后，针对列车之间通信窄波束的对准问题，提出一种位置辅助波束对准方法，仿真结果显示，其能够有效降低接收信号的丢失率，并提升接收信噪比；提出了一种基于毫米波 MIMO的新型传输方案，提高T2T通信容量和可靠性；通过在T2T收发器上应用混合预编码，降低系统设计成本和功耗，同时满足频谱效率和信噪比的要求；提出了一种基于多代理深度强化学习的算法，用于T2T通信自主信道选择和传输功率选择；引入复杂网络来解决路由优化与资源分配算法，仿真结果显示，其能够降低系统干扰和提高整个系统吞吐量。