新一代铁路无线移动通信系统及关键技术研究

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《交通强国建设纲要》要求到 2035 年现代化综合交通体系基本形成；2020 年中国国家铁路集团有限公司发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，规划纲要提出到 2035 年形成 7 万公里的现代化高铁网，率先建成智能高铁，加快实现智慧铁路。

在国家重点研发计划“一带一路”战略性国际合作重点专项的支持下，南京邮电大学与南京泰通科技股份有限公司、西班牙马德里理工大学共同开展新一代铁路通信系统合作研究。中心牵头完成项目研究并取得一系列列关键技术创新成果，其中包括：

1. 提出新一代铁路无线移动通信空地融合一体化架构，如图1所示；

图1新一代高速列车铁路无线移动通信系统架构图

1. 一种车载接入代理与位置精确感知的高速列车无线移动通信新架构；

2. 采用软件定义无线网络解决异构网络的融合组网方案；

3. 提出采用集中式卫星代理解决应急通信和采用卫星-列车-铁路基础设施相结合的铁路物联网通信解决方案，如图2所示。

图2星-车-地高速大容量铁路移动通信示意图

1. 系统研究宽带信道的功率延迟剖面、Saleh-Valenzuela模型、到达时间测距和路径损耗模型等性能参数，提出了一种多径分量的自动聚类算法；

2. 研究实际铁路隧道场景下毫米波频段的信道传播特性，针对基站到列车和列车内用户通信信道的差异，提出一种基站—中继节点间使用LTE-A频段和中继节点—车内用户间使用毫米波频段的两跳MIMO中继结构，大幅提高系统的容量；

3. 提出了一种联合波束域分解和SVD 的大规模MIMO 信道估计方法和基于波束域降维的波束成形方法；

4. 提出了基于位置信息的面向高铁车厢服务质量保障的大规模MIMO波束成形与功率分配方法和基于列车接入点缓存的列车到基站上行链路能效优化的功率分配方法；

5. 提出一种毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法；

6. 基于历史大数据和人工智能的渐进增强高速铁路通信方法，如图3所示。

图3基于大数据分析与人工智能的宽带铁路通信

在国家重点研发计划战略性重点专项的支持下，中心牵头完成：系统总体技术方案设计、关键技术研究、仿真评估平台搭建、LTE-R关键设备测试和试验系统外场测试、5G-R铁路专网基站设备及天线研发等。

图4新一代铁路无线移动通信系统（LTE-R）组成与关键设备

项目完成了LTE-R试验系统研制与测试、5G-R铁路专网基站与终端产品研发。在FDD双工模式下，下行与上行中心频点分别为465 M Hz、455 M Hz，信号带宽为5 MHz的条件下，进行模拟高速环境业务测试。项目组对不同配置的高速模型和业务模式进行了测试：350km/h高速模型下的上下行业务测试；500km/h高速模型下的上下行业务测试；350km/h高速模型下的UE反复接入测试；500km/h高速模型下的UE反复接入测试。

图5新一代铁路无线移动通信系统（5G-R）网络架构与关键设备

中心合作开发的铁路5G专网基站（gNB）包括两种产品形态，即BBU+RRU或CU+DU+RRU，基于通用计算平台，软件采用CU-DU分离架构，支持虚拟化部署方式，集成边缘计算节点。支持北斗、GPS和1588 v2多种同步方式◦ 单设备支持到16T16R流量（>5Gbps吞吐率），支持单通道5W/10W/20W发射功率，满足隧道、区间和ZC不同覆盖场景。泰通5G-R大功率车载CPE基于LS1046A ARM处理器、LA1200基带处理器、PMU以及大功率放大器等核心器件组成。基于基站的设计思路，开发适合铁路的4T4R大功率车载模块，每路输出33dBm，总功率39dBm（8W）。2020年底铁路5G产品在铁科环线进行试用。

图6新一代铁路通信（5G-R）室内演示系统

该研究方向，已完成的科研项目：

国家重点研发计划“一带一路”战略性国际合作重点专项项目，“面向智能铁路的新一代无线移动通信系统”，项目编号2016YFE0200200，项目经费1070万，执行周期2017.9-2021.6,项目主持徐友云，已完成。

项目在执行期间，获批科技部火炬中心中西卡项目认证。2019年3月25日，科技部王志刚部长在科技部会见了西班牙驻华大使德斯卡亚，在这次会见中，科技部有关人员向领导和大使汇报了本项目及中西卡合作项目。