基于LTE-R网络的高速铁路机车通信信息集成方法

现有的针对高速铁路机车通信的信息集成方法效果并不理想,为此,文章提出基于铁路长期演进(Long Term Evolution for Railway,LTE-R)网络的高速铁路机车通信信息集成方法。基于LTE-R技术构建高速铁路机车通信信息集成模型,结合LTE-R网络算法提取高速铁路机车通信信息,采用Revit软件和收集器收集数据,实现高速铁路机车通信信息的统计与集成。实验结果证明,文章设计的基于LTE-R网络的高速铁路机车通信信息集成方法,对高速铁路机车通信信息集成的自动化程度较高,可节省99.99%的时间,具有较好的应用性能。

下一代高速铁路LTE-R时间同步网协议脆弱性分析

铁路无线通信系统时间同步网络,是保障行车安全和提高铁路运营效率的重要基础。针对下一代高速铁路LTE-R自身全IP化架构在使用精确时钟PTP时间同步协议过程中易受到ARP攻击的问题,提出基于随机Petri网(SPN)的LTE-R时间同步网协议脆弱性分析方法。建立了ARP攻击状态下LTE-R时间同步网协议脆弱性分析SPN模型;通过马尔科夫链同构的方法,得到ARP攻击下LTE-R三级时钟节点实施速率与PTP协议同步正常、异常之间的关系曲线;定量得到了影响LTE-R时间同步网协议脆弱性的关键因素。研究结果为GSM-R时间同步网络向LTE-R安全演进提供了一定的理论参考依据。

基于混合密钥增强的LTE-R车地认证密钥协商方案

针对LTE-R车地认证协议EPS-AKA中IMSI明文传输、密钥泄露和认证开销高等问题,提出一种基于混合密钥增强的LTE-R车地认证密钥协商方案。针对典型高速铁路认证场景,分别设计注册认证、全认证、重认证和切换认证四种协议,提出采用非对称公钥加密和私钥签名机制,解决了IMSI明文传输的问题;并混合引入椭圆曲线密钥算法对密钥动态更新,可有效防范中间人、重放等攻击。该方案不仅能减少全认证协议的频繁重启,而且还具有前后向安全。最后,采用BAN逻辑进行形式化验证,结果表明:本文方法在安全性、认证开销较其他方法更优,能够满足LTE-R车地认证安全性和实时性的要求。

基于改进灰色-马尔可夫模型的LTE-R越区切换算法

高速列车在越区切换过程中,由于路径损耗和地形等因素的影响,参考信号接收功率(reference signal receiving power,RSRP)会发生上下波动,采用基于A3事件的传统越区切换判决方法,会导致发生乒乓切换和切换成功率下降。文中提出基于改进灰色-马尔可夫模型的切换算法,改进灰色-马尔可夫模型对参考信号接收功率进行处理和预测,结合预承载方法,利用处理结果作为切换判决依据执行切换过程。仿真结果表明,采用改进切换算法,使列车接收到的源小区和目标小区RSRP值的波动情况得到明显改善,乒乓切换概率更低,切换成功率得以有效提高。

基于SPN的LTE-R无线通信可靠性建模与分析

LTE-R是下一代高速铁路无线通信系统,开展对LTE-R通信可靠性的分析具有重要的现实意义。基于随机Petri网建立了LTE-R无线通信可靠性评价模型,采用TimeNET仿真工具对LTE-R可靠性进行了定量分析,并与朔黄重载铁路LTE-R线路实测结果进行了对比,验证了本文建立的LTE-R可靠性模型的有效性。结果表明,当列车运行速度在350 km/h时,LTE-R越区切换成功率为99.9137%,高于GSM-R无线通信的QoS指标要求。最后得到了采用2.6 GHz高频段和800 MHz低频段的越区切换率都随着列车车速的增加而呈现下降趋势的结论。研究结果为列车提速及LTE-R演进提供了一定的理论参考依据。

高铁环境下LTE-R快速切换算法

为提高高铁LTE网络的切换成功率,改善用户感知,分析高铁信号的特点,提出一种基于用户终端(user equipment,UE)移动方向的铁路下一代移动通信系统(long term evolution for railway,LTE-R)快速切换算法。优化切换判决参数,给出UE移动方向的定位方法,通过双向邻区快表快速确定目的小区,预切换提前完成资源的分配。设计LTE-R快速切换算法的实现信令,理论分析表明,该算法可有效缩短切换时延。仿真结果表明,在高速环境下,具有高切换成功率和低无线掉线率,稳定性好。

基于协作多agent机制的高速LTE-R无线网络覆盖与容量优化算法研究

为应对由于列车运行速度快而引起的通信环境恶化的现象,进一步提升高速铁路沿线覆盖与容量性能,保证列车用户在通信需求方面获得持续的优质体验,覆盖与容量优化成为LTE-R网络的一个重点研究方向。基于高速铁路环境中基站与列车位置信息可预测的优势,在传统单一调节天线下倾角的FQL算法的基础上,引入协作多agent机制,提出协作多agent FQL算法,使得LTE-R无线网络频谱效率和吞吐量性能得以提升和优化。同时通过对频谱效率CDF曲线的仿真表明随着列车运行速度的不断提高,算法对无线网络整体性能的提升越加明显,证明了在高速场景下本算法的有效性。

面向GSM-R/LTE-R双模基站功放的通用双带Volterra预失真系统模型及算法

在GSM-R/LTE-R双模基站中,双带射频功放的非线性使得发射信号中2个频带的信号在时域产生混叠,将有可能威胁通信基站的安全。因此,基于通用通带Volterra非线性系统模型,理论推导得到通用双带Volterra预失真系统模型,对其分别进行简化得到双带记忆多项式模型和双带无记忆多项式模型;同时给出双带Volterra预失真系统模型的参数估计算法。以GSM-R信号(带宽200kHz)和LTE信号(带宽5MHz)作为双带的基带输入信号,信号的长度均为2×104个样本,用于预失真参数估计的样本长度为2 000个,分别采用3种模型进行预失真仿真试验。实验结果表明:双带Volterra预失真系统模型不但具有较好的通用性,而且其预失真效果最优,带外频谱抑制达到约20dB,但实现也最难。因此,在实际功放预失真系统应用中,可根据应用场景的需求,选用预失真系统性能与实现复杂度平衡的模型。同时也验证了通用双带Volterra预失真系统模型及其参数估计算法对预失真系统具有重要的实用价值。

基于速度触发的提前切换算法在LTE-R中的应用研究

随着高铁的快速发展,铁路移动通信系统对切换时延、切换成功率等要求更为苛刻。该文针对铁路长期演进(LTE-R)系统提出基于速度触发的提前切换算法,通过提前进行信令交互、设置切换预承载点切换的方式抑制过早或过迟切换所带来的通信中断、掉话等问题。通过信令流程图进行理论分析,并对长期演进(LTE)各结构类型数据计算可知,该算法均可缩短切换时延,其中TDD帧结构类型2时效果最为显著。最后通过仿真对比得到提前切换算法相比传统切换算法有着更高且更稳定的切换成功率,验证算法的有效性,为LTE-R在未来铁路专网的应用提供技术支持。

LTE-R系统的双流波束赋形方案设计与研究

在高速铁路快变无线信道条件下,为了提高频谱利用效率,减小同频干扰,利用有效功率最大化准则提出一种新的基于PMI量化的双流波束赋形方案。所提方案构建了适合高速铁路场景下基站八天线下行波束赋形权值码本并设计波束赋形权值快速搜索方案,进而利用TDD系统信道互异性搜索量化赋形权值。仿真结果表明,该方案在大大降低系统双流波束赋形复杂度的同时,相对于传统基于SVD分解算法性能损失不大,可实现LTE-R系统下行快速双流波束赋形。

基于速度动态函的LTE-R越区切换优化算法

传统的LTE-R越区切换算法,采用固定切换迟滞门限和延迟触发时间的切换算法。但是当列车高速运行时,切换成功率明显下降,无法满足高速铁路无线通信系统对Qo S大于99.5%的要求。通过对切换流程、测量参数、控制参数的分析,提出一种基于速度动态函数的越区切换优化算法。该算法在低速、中速、高速3种列车运行状况下,更适宜高速铁路情景切换时机的选择。仿真结果表明:基于椭圆函数的LTE-R越区切换优化算法,既保证了列车在中高速运行时,越区切换成功率有着明显提升,又避免了列车在中低速运行时,乒乓切换事件频率过高。

LTE-R网络技术在重载铁路的应用

朔黄铁路基于LTE-R网络,实现重载铁路的同步操控、可控列尾、调度通信和调度命令传递。同步操控和可控列尾实现多机车间的通信连接,从而实现多机车同步可控;调度通信通过IP化的语音实现日常通话功能;调度命令则直接利用LTE-R网络的数据传输功能在车—地间传递。这些应用技术为重载铁路的安全可靠运行提供了有力保障。

基于功率-距离的LTE-R切换算法优化研究

传统的基于长期演进的铁路移动通信系统(long term evolution-railway,LTE-R)切换算法对切换参数的选择不能很好地适应列车的高速移动,由此导致的"切换滞后"现象容易造成更多的失败切换,影响列车运行控制和旅客无线通信体验。当列车高速穿越小区时,对越区切换的要求更加严格,简化信令流程以及实现快速切换是LTER急需解决的问题。以减少错误触发和实现快速切换为出发点,提出一种基于功率-距离的切换优化方案,充分考虑速度对切换参数的影响,并加入距离因素,只有当列车到达一定触发位置时才可以进行触发判断,如满足条件则直接进行切换。该算法在避免列车提前错误触发的同时舍弃触发时延(time to trigger,TTT)指标,在一个测量周期内即可实现快速切换。仿真结果表明,所提的方案能够更好地保证高速环境下列车的切换成功率。

基于位置信息与波束赋形辅助的LTE-R切换算法研究

针对高速铁路LTE网络切换成功率未被充分提升的问题,提出一种基于位置信息与波束赋形辅助的切换算法.首先通过接收信号波达角(Direction of Arrival, DoA)和邻区列表快速锁定目标小区;然后将波束赋形引入高铁的切换重叠区,以产生不同的波束赋形增益服务于不同的区域;最后计算出预触发起点位置和触发位置,并分别执行信道资源的预分配和触发判断任务.由实验结果表明,改进算法相比于传统切换算法和提前切换算法,在列车处于相同位置时有更高的切换成功率,可更好地适应高速铁路环境.

基于LTE-R信号强度特征的列车位置指纹定位技术研究

高速铁路隧道环境中采用LTE-R(long term evolution-railway)无线通信位置指纹定位解算时,针对加权K值邻近位置指纹解算精度低的问题,利用混沌粒子群算法优化权值的良好性能,提出基于混沌粒子群优化的加权K值邻近算法对列车位置指纹定位在线阶段进行指纹匹配解算,分别讨论了指纹间距取25 m、50 m、100 m时混沌粒子群优化加权K值邻近算法的收敛性和精确性.仿真结果表明:经混沌粒子群优化的加权K值邻近算法收敛速度更快,定位解算结果精度更高;在提高列车位置指纹定位精度方面,比单纯的加权K值邻近算法以及经粒子群优化的加权K值邻近算法更具优越性,当指纹间距取25 m时,列车定位误差小于25 m的概率高达96%,使隧道环境中列车位置指纹定位精度得到有效改善.

基于铁路专用宽带移动通信系统(LTE-R)完整统一的铁路调度通信模式的特点分析

对比了LTE-R(铁路专用宽带移动通信系统)与GSM-R(铁路专用数字移动通信系统)技术,分析了铁路调度通信网的现状,提出了基于LTE-R有线与无线完全统一的铁路调度通信方案。详细介绍了基于LTE-R的组网方案,阐述了该方案的优势,以及方案面临的挑战。

LTE-R系统架构研究

简要介绍国内外铁路下一代移动通信系统的研究现状,提出我国的LTE-R系统架构,主要包括EPC系统、无线接入网和用户设备。为实现语音业务,重点分析EPC的构成,引入IMS系统。对无线接入网的组成进行描述,并提出用户设备的分类和功能需求。对LTE-R系统架构研究具有参考意义。

LTE-R系统隧道覆盖方案研究

隧道区域弱场覆盖方案一直是铁路无线通信领域的研究重点和难点。铁路LTE-R系统已基本确定使用450MHz或900MHz频段。针对这2个频段,对隧道内的LTE-R系统无线覆盖进行链路预算,并根据LTE-R切换重叠区距离确定了隧道内RRU间距,给出了短距离、中距离、长距离隧道和隧道群区域LTE-R的漏缆覆盖方案和天线覆盖方案,为工程实践提供理论指导。

朔黄铁路LTE-R系统干扰分析及对策研究

LTE-R网络系统已在朔黄铁路正式运营使用,网络干扰已逐渐成为朔黄网优工作面临的日益严重问题。本文详细分析了LTE-R网络系统干扰的来源,总结了网内和网外干扰的排查思路和步骤,并提出不同干扰源定位手段;介绍朔黄铁路LTE-R干扰应对措施,为LTE-R网络维护提供经验参考。

基于时延差异性约束的LTE-R系统频谱需求预测

为了科学地规划和分配LTE-R的用频,需要对其频谱需求总量做出合理预测。在深入分析ITU-R M.1768方法的基础上,提出了一种基于时延差异性约束的LTE-R系统频谱需求预测方法。该方法定义了9种服务类别和9种服务环境,推导给出了LTE-R系统业务量的计算表达式,在业务时延差异性约束条件下利用M/G/1排队模型对我国LTE-R系统的频谱需求进行了初步预测。研究结果表明,我国LTE-R系统上行和下行频谱需求不对称,且可能的范围分别是14~15 MHz和5~6 MHz,若不考虑未来新增的视频业务量,目前分配给GSM-R系统的频谱资源即可满足其带宽需求。此外,分析了LTE-R网络实际承载层面的工程频率效率和基于高带宽的视频业务量对LTE-R频谱带宽需求总量的影响。该研究为我国下一代铁路移动通信系统的频率规划提供了技术支撑。