基于多源数据的铁路5G-R运用质量评估系统设计

铁路5G-R网络性能监控和故障排查技术研究是提升5G-R运用水平的重要手段,针对各类网络性能数据获取困难、铁路管理和技术人员对于5G-R网络运用质量关注的颗粒度不同、智能化手段支撑不足、缺乏系统级网络性能评估体系设计等问题,探究如何充分利用多源数据建立5G-R网络性能智能化评估系统以支撑智能铁路发展成为迫切需要。深入分析DPI、Uu接口、网管北向接口、路测等用于评估的数据源的特点和构成,并介绍各类数据的获取方法。提出基于劣化度理论的5G-R总体健康状态判断思路,并利用机器学习技术对网络异常和故障进行分析。在以上关键技术研究的基础上,提出基于微服务的5G-R运用质量评估系统架构。针对5G-R运用质量评估开展的关键技术研究和系统架构设计可为未来5G-R运维支撑系统研发提供技术支持。

基于格密码的5G-R车地认证密钥协商方案

5G-R作为我国下一代高速铁路无线通信系统,其安全性对于保障行车安全至关重要。针对5G-AKA协议存在隐私泄露、根密钥不变和效率低等问题,基于格密码理论提出一种新型5G-R车地认证方案。首先,使用临时身份信息GUTI代替SUCI,克服了SUCI明文传输的缺点。其次,设计基于格密码的根密钥更新策略,采用格上公钥密码体制、近似平滑投射散列函数和密钥共识算法,实现了根密钥的动态更新和前后向安全性。再次,加入随机质询和消息认证码,实现了通信三方的相互认证,可有效防范重放、DoS等多种恶意攻击。最后,采用串空间形式化方法进行安全验证,结果表明:本文方法较其他方法有更高的安全性,被攻击成功的概率最低,仅为O(n^(2))×2^(-128),且有较低的计算开销和通信开销,能够满足5G-R高安全性的需求。

基于粒子滤波的5G-R时间同步补偿方法

5G-R作为下一代高速铁路时间同步无线通信系统,保持时间同步对高速铁路行车安全至关重要。针对现有时间同步方法未考虑5G-R快速时变信道的影响,导致主从时钟偏移估计不准确的问题,提出一种基于粒子滤波的5G-R时间同步补偿方法。构建5G-R主从时钟的相位及频率偏移的状态转移方程;采用粒子滤波算法得到时钟偏移最优估计值;完成对5G-R时间同步误差的补偿;通过试验仿真,实现多普勒频移对5G-R时间同步的影响分析,得到对高速铁路不同典型场景下时间同步性能的定量分析。结果表明:提出的方法能够有效降低5G-R无线信道时钟偏差,较其他方法具有更好的稳定性和同步性能。

5G-R高铁车站场景MIMO天线阵列结构与传输性能研究

面向5G-R高铁车站应用场景,在2155~2165 MHz频段采用射线跟踪仿真技术,对4种不同天线阵列排布方式的MIMO系统多层传输性能进行对比研究。通过研究采取不同收发端天线阵列排布方式时的信道相关性,计算每个接收点位所能达到的MIMO系统最大传输层数,获取各层数对应的信噪比,计算在不同调制方式、不同天线排布方式下每个接收点位的下行峰值传输速率,确定面向5G-R高铁车站场景的MIMO系统最佳传输层数。仿真验证结果表明,面向5G-R频段高铁车站应用场景,基站端采用线阵、车载端采用方阵排列,可取得最佳峰值传输速率。研究结果可为5G-R专网建设中高铁车站部署MIMO系统提供技术积累和理论依据。

铁路5G-R终端及应用接入安全管控关键技术

终端及其接入是铁路5G-R系统安全保障的薄弱环节。为了加强对5G-R终端及其接入应用的管控,梳理铁路5G-R终端应用场景、运用模式、承载业务及其接入铁路应用业务系统的数据路由,分析5G-R手持终端智能化、物联网通信终端轻量化、车载综合无线传输设备公专融合化特点带来的安全风险。针对上述风险提出终端安全管控需求,结合已规划的铁路5G-R系统架构及终端身份认证、行为审计等安全技术,提出铁路5G-R终端安全管控系统的总体架构、功能实现及接口设置等成套解决方案,实现对5G-R手持终端、物联网通信终端、车载综合无线通信设备接入铁路应用系统的统一准入和访问控制、终端行为及应用数据的安全监控和分析、终端的安全管理以及移动应用的安全发布、下载和安装。

基于时间序列预测模型的5G-R无线重联主备链路切换流程优化

针对重载铁路场景下传统无线重联设备主备链路同时发送信息所导致的传输效率较低、易造成传输资源浪费、存在链路切换时延或误判等问题,在5G-R时代探究如何对无线重联进行高效监测与控制,并建立一种更为智能的优化机制成为支撑重载铁路安全保障的迫切需要。提出的优化机制首先根据终端在5G-R网络下测量得到的SS-RSRP、SS-SINR等信号质量评估参数确定主备链路;再结合LSTM、Informer等时间序列预测模型,根据采集的实时传输时延样本,对未来主备链路状态进行预测,在预期不良时提前切换链路,避免进一步导致传输质量的恶化。结果表明,使用LSTM模型和Informer模型优化机制预测曲线的平均百分比误差MAPE分别为11.2%和10%,预测结果与实测样本一致性较好;相同线路下主备链路需要切换的频率较不使用优化机制减少75.12%和89.31%;在同样保留主备双冗余条件下传输效率较原有方式提升56.37%和75.01%。该优化机制在保留无线重联列车间通信链路冗余的情况下大幅提升通信资源的利用效率,可大幅降低重载铁路无线重联业务5G-R网络的传输负荷和重联系统设计的复杂度,对提升重载铁路运输生产安全和效率具有指导意义。

面向铁路5G-R和GSM-R系统的SPN承载方案研究与试验

基于铁路5G-R、GSM-R系统业务场景和全球商用部署的SPN创新承载技术,面向铁路5G-R系统特殊应用,建立小颗粒硬管道业务模型和L3VPN到边缘的分组业务模型,提出采用SPN双平面组网并综合承载现网GSM-R业务的E1CBROver小颗粒硬管道方案。SPN综合承载方案满足5G-R、GSM-R系统铁路行车控制类业务高可靠、高安全的硬隔离承载需求,以及5G-R系统大带宽视频数据业务灵活调度、智能运维的演进需求。提出的方案已完成基于SPN的5G-R、GSM-R基站和核心网端到端功能及可靠性试验验证,试验结果指标优于标准要求,证明面向铁路5G-R、GSM-R系统的SPN综合承载方案安全可行。

铁路5G-R网络安全技术研究

5G-R网络即将进入建设阶段,且铁路专网涉及行车安全,对网络安全要求极高,亟须对5G-R网络安全开展研究。为全面提升5G-R端到端安全防护水平,通过总结GSM-R网络的安全要求,分析5G-R网络面临的安全风险和安全需求,提出5G-R网络安全体系架构;从5G-R基础设施安全、终端接入安全、组网安全、运维安全、数据安全和网络边界安全等方面阐述安全技术方案,并提出通过5G-R安全态势感知系统,实现从5G-R系统基础安全技术到系统内生安全能力全面提升的方案。

移动通信网中加密算法演进及其在铁路5G-R应用展望

加密算法是保障移动通信网络安全不可或缺的一环。随着5G技术的迅猛发展,加密算法与时俱进,相继引入了SNOW3G算法、高级加密标准(AES)和祖冲之算法(ZUC)。铁路5G专用无线通信系统(5G-R)中加密算法的应用,不仅有助于保护铁路通信数据的机密性,防止信息泄露,还能通过身份验证和数据完整性校验,确保通信的可靠性和真实性。介绍加密算法在移动通信网络中的发展历程和应用场景,分析未来铁路专用移动通信网络安全性的挑战,同时结合下一代铁路通信的需求,探讨加密算法在5G-R专网中的应用。

智能天线技术在铁路5G-R网络中的应用

随着无线通信技术发展,波束扫描和波束赋形等智能天线技术在运营商5G网络已广泛应用,技术方案成熟。铁路无线专网站间距大、列车行车速度快、网络可靠性高等行业特征,对5G专网建设提出了更高要求。分析铁路5G专网覆盖面临的挑战,结合智能天线技术原理及优势,研究智能天线技术在不同铁路场景下的适应性。根据铁路各行车场景特点,分析智能天线技术在铁路5G专网的应用前景,以及不同场景下智能天线技术对于提升铁路5G专网无线覆盖质量的价值,以期为铁路5G专网的建设和部署提供新的思路和建议。

低轨卫星与5G-R融合网络架构设计

由于地面网络覆盖不均匀,信号质量不够稳定,无法实现铁路交通网络的全程、快速、实时监测,阻碍了我国铁路交通网络的快速发展。同时,低轨卫星通信与地面5G的融合成为热点,二者的融合能够使卫星网络作为地面网络的有效补充。当前星地融合较少用于5G-R技术场景中。本文梳理了铁路卫星通信以及星地融合网络的研究现状与发展趋势;分析了铁路通信系统中各业务的通信需求。在此基础上,提出低轨卫星与5G-R融合网络架构。在弥补铁路通信网络覆盖盲区的同时,提供大容量的信息回传,有效保障铁路交通的安全运行,实现铁路交通的信息化、智能化管理。

面向铁路5G-R宽带集群通信的视频传输控制方法

视频业务是5G-R宽带集群通信的典型新增业务,视频传输控制方法直接影响该业务的运用效果和效率。由于标准3GPP MCVideo的视频传输控制方法并不完全适用于铁路集群通信场景,结合铁路应用需求和MCVideo标准,提出一种适用于铁路集群通信的视频传输控制模型和方法。首先,按照业务与移动通信网络解耦、信令与数据分离、利于功能扩展的原则,设计提出5G-R宽带集群通信MCVideo系统架构。其次,根据5G-R宽带集群通信视频业务需求和MCVideo标准,抽象建立视频传输控制模型,并探讨模型控制流程和性能评估。然后,针对模型在5G-R下应用时的重点问题,通过用户视频传输权限策略、多路视频接收处理策略、多系统视频传输控制、用户身份标识等,给出铁路特色的视频传输控制关键方法。最后,在5G-R实验室条件下搭建全实物平台和设备进行试验验证。研究结果表明:相比于B-TrunC同源视频组呼、会议视频控制、标准3GPP MCVideo等方法,该模型方法在满足铁路运用需求方面具有显著优势。通过全实物平台验证了所提方法的可行性,能够实现铁路集群调度视频传输控制。在性能方面,所提视频传输控制方法在95%情况下时延为65 ms左右。该方法可在合理使用网络带宽的情况下,实现紧密结合铁路需求、更灵活的视频传输控制,极大地满足了铁路集群和调度通信应用要求,提高了指挥和通信效率。

铁路5G-R系统数据管理与运用智能化研究

铁路专用移动通信是智能铁路技术体系的重要组成部分,目前正处于从GSM-R系统到5G-R系统的代际演进阶段。数据是5G-R系统网络安全稳定运行和各类业务实现的重要基础,对5G-R系统数据管理与运用进行研究,有助于建设5G-R智能运维大数据中控平台。在借鉴GSM-R系统数据管理与运用成熟经验的基础上,分析5G-R系统数据的管理与运用变化,设计5G-R数据管理架构,提出大数据运用智能分析思路,实现铁路通信数据管理与运用的信息化、自动化、智能化。

基于GAN的铁路5G-R车地无线通信测试数据生成方法

鉴于当前铁路5G-R应用研究中通信测试数据少的问题,结合公网5G基站的有关标准和铁路无线通信业务应用特点,提出面向铁路通信场景的基于GAN的数据生成方法。通过介绍GAN算法原理,分析5G-R通信数据特征,采用GAN模型进行5G-R业务数据生成仿真,并设计LSTM预测模型验证生成样本真实度与3GPP标准及相关规范的符合性。实验结果表明:5G-R车地无线通信测试数据GAN模型训练结果可靠,可用于5G-R业务负荷相关应用研究。

基于射线跟踪与离开角空间聚类的5G-R网络优化技术研究

当前反复“路测-调整”的传统无线网络优化方式难以满足铁路5G专用移动通信系统(5G-R)的网络优化需求。面向京沈铁路干线场景,在确定了射线跟踪传播机理模型后,进行了5G-R无线信道建模仿真,提出一种基于射线跟踪与离开角空间聚类的网络优化算法。该算法以全向天线仿真结果为基础,使用K-means++算法对射线跟踪仿真的角度-能量域数据进行聚类,将水平离开角的空间聚类中心作为扇区方位角;结合水平离开角的聚类中心与高铁行车路径的空间位置关系,计算相应扇区的下倾角;以上述基于射线跟踪与离开角空间聚类的结果为初值,基于粒子群算法进行优化迭代,高效地完成铁路干线场景下的5G-R网络优化。结果表明,在相同的计算资源和仿真条件下,基于射线跟踪与离开角空间聚类的5G-R网络优化算法对比直接使用粒子群算法,在收敛速度方面提升了约10%,在优化效果方面提升了约30%。该方法针对铁路干线场景能够实现在迭代计算次数更少的情况下,给出更好的网络优化方案,为未来建设高质量5G-R通信系统提供技术积累和参考。

基于eBPF和ConvLSTM的5G-R网络安全审计系统研究

在铁路5G专网快速发展的背景下,铁路网络信息安全关系到铁路运行安全等方面。但当前成熟的铁路网络安全设备多是针对可能存在的非法入侵、外网干预等外部安全隐患,对于内部使用不当或通信异常带来的安全问题,还未有系统性的检测方法。因此,提出一种可同时进行网络内外异常检测、集流量抓取和数据分析为一体的实时性较强的网络安全审计系统成为迫切需要。设计从网络安全审计的三大关键技术出发,分别对应本系统的数据采集、数据解析、流量识别三个模块,并说明系统在网络中部署的环境与位置。具体运用了eBPF技术抓取网络流量数据包,利用深度学习的数据预处理方法提取其中特征信息,并导入已训练好的ConvLSTM模型中进行预测,最终判断是否出现异常流量。通过两个数据集的实验验证并与传统算法进行对比,此网络安全审计系统针对外部攻击流量的预测准确率可以达到0.97,针对内部通信异常预测准确率为0.96,实现了对外部或内部因素导致的网络流量异常问题的监测与排查,以便快速反应采取进一步措施。针对5G-R场景进行的网络安全审计系统设计和研究可以为未来铁路面临的网络安全挑战提供技术支撑和帮助。

铁路5G-R基站天线运用技术分析

概括性描述基站天线的结构及基本技术参数,结合铁路5G-R基站规格,对板状天线、龙伯透镜天线、创新一体化天线3种类型天线的技术特性开展研究,并对3种天线的优缺点进行对比分析,给出5G-R系统基站天线选型建议;根据铁路5G-R基站的特殊运用方式,提出天线与RRU的连接方式,并对天线接口类型进行分析比较;为满足5G-R系统智能运维需求,提出天线信息化管理模块配置建议。研究成果对铁路5G-R基站天线选型和运用具有参考意义。

既有铁路视频补强及铁路5G-R改造配套设施方案研究

根据中国国家铁路集团有限公司相关要求,为保障铁路运输安全,满足现代化通信系统发展需求,需对既有铁路进行视频监控系统补强,对既有专用移动通信系统进行5G-R升级改造。二者改造时间存在重叠,且在改造过程中,除自身系统外,均涉及承载网、光缆、电源以及机房等配套设施的完善与升级。结合目前中国国家铁路集团有限公司对视频监控系统补强以及5G-R系统的技术要求,在速度200~350km/h、C3及非C3列控等级等不同维度的典型线路条件下,研究二者自身的改造方案及各自配套设施改造需求;通过对比分析,识别二者改造过程中的共性与差异,提出共同改造时的配套设施改造方案。研究成果可供今后类似改造工程借鉴参考。

铁路5G-R基站智能天线技术分析

目前我国铁路干线路网基本建成,基于铁路沿线GSM-R基站铁塔站点间距约3~7km,5G-R基站建设时将利用既有铁塔基础设施改造升级。2.1GHz频段4G、5G基站采用的主流天线是4T4R技术,在既有基站间距的情况下,5G-R基站小区边缘的覆盖能力不足,基站间距较大的站点之间需补充覆盖,或采用更高增益的8T8R天线解决小区的边缘覆盖问题,为此需要对8T8R天线的主要技术特点进行研究。首先,介绍包括多入多出、波束赋形、智能天线等天线关键技术;然后,深入分析8T8R天线波束性能及主要指标,包括单柱波束、广播波束、正交波束、波束宽度、旁瓣抑制等;最后,介绍5G-R无线覆盖的特点及8T8R测试情况。通过研究,为5G-R技术在铁路系统的快速开展应用提供技术参考。

铁路5G-R综合数据传输平台及安全策略研究

5G-R是铁路下一代移动通信系统的主要制式,可以为智能铁路业务提供高可靠宽带数据传输服务。针对5G-R网络的承载需求,提出一种综合数据传输平台,实现不同数据类业务系统的统一接入,使用软件定义网络技术实现动态路由选择和高效数据转发。基于共享密钥的轻量化接入认证技术,对移动终端和网络侧设备进行双向身份认证,在应用域实现异构终端合法性校验。