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原文传递基于5G的高铁无线通信关键技术及资源分配算法研究

论文题名：	基于5G的高铁无线通信关键技术及资源分配算法研究
关键词：	高速铁路;无线通信;资源分配;服务质量
摘要：	高速铁路作为一种舒适、快速、安全的交通工具，其应用已引起世界各国的广泛关注。特别是在中国，高速铁路发展迅速，已成为中长途客运的主要运载工具。随着移动互联网技术的发展，旅客在乘坐高铁的过程中有强烈的信息需求。如何利用有限的无线资源来满足高铁用户不同的业务需求，无线资源管理变得至关重要。无线资源管理就是根据不同用户的位置和信道状态信息，灵活配置系统中的各种资源并进行动态地管理，在满足用户服务质量的前提下，提高无线通信系统数据传输的有效性和可靠性，使网络的系统性能最优。高速铁路的无线信道特点以及不同铁路通信场景对业务的服务质量需求，给高速铁路通信系统的无线资源管理带来了巨大的挑战。　　5G具有大带宽、大连接、低时延等优势，可实现人与物、物与物的泛在互联，是支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。近年来，工信部、国铁集团等业务主管单位均出台相关政策文件，要求深入贯彻落实习近平总书记关于加快5G网络等新型基础设施建设的重要指示精神，聚焦交通强国铁路先行，坚持新发展理念，科学务实推进铁路5G-R专网建设，充分利用5G公网资源协调推进铁路应用，助力铁路数字化转型升级。这些文件的出台，也为铁路5G领域“专网建设，公网应用”提供了政策支持与可靠的研究意义。　　本论文针对5G公网条件下高速铁路无线通信业务种类多样性和无线信道复杂多变的特点，对接入控制、移动性管理、功率分配和资源管理的研究现状进行了总结。并在此基础上，分析了短包通信、移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）、物理层安全控制和中继传输等5G通信典型技术，优化设计了接入控制策略、移动性管理、功率和频谱资源分配方法，在满足系统的最小延迟、用户服务质量和数据传输安全等约束条件下，对系统和速率最大化、用户能量消耗最小化等问题进行研究，提出了求解问题的相关模型与算法，并通过仿真方法进行了验证，进而在5G公网条件下为铁路应用场景服务质量的提升提供了理论依据。本论文的创新工作和贡献主要包括以下四个部分：　　（1）考虑公网条件下多小区站场内多用户的数据上行低时延传输问题，多个用户终端通过部署在车厢中的车载中继设备向本小区的基站发送信息，网络内所有小区使用整体的频谱资源，每个小区中的同一信道只能由一个车载中继设备使用。因此在该假设条件下，小区内部没有干扰，而小区之间存在干扰。为了支持广泛的超可靠低延迟通信应用，采用了短包通信方式，形成的问题是一个关于信道资源分配的非凸整数优化问题，优化目标为车载中继设备上行传输系统和速率最大化。基于该问题，文章提出了一种基于博弈论的分布式信道选择算法，并对该算法的收敛性进行了充分的分析和证明。通过仿真结果表明，本论文提出的算法性能优于已知的其他算法。　　（2）考虑了MEC辅助的高铁上行通信系统，包括部署在列车上的多个车载中继设备，多个具有MEC服务器的宏基站和一个非法窃听者。通过使用卸载协议，车载中继设备将要处理的计算任务分为两部分，本地执行的计算任务和被安全卸载到基站并由MEC服务器执行的计算任务。形成的数学优化问题是通过联合优化任务调度、任务卸载和功率控制，使总时隙内所有车载中继设备的能量消耗之和最小。由于任务调度、任务卸载比率和传输功率，这三个优化变量相互耦合，使得原来的优化问题很难求解。因此通过固定三个变量中的两个，将原优化问题分解为三个子问题，推导出子问题的闭合解，通过引入变量和采用连续凸近似方法将子问题转化为一个凸优化问题，并分别提出了不同的算法进行求解。最后基于上述过程，综合提出了一种新颖的迭代算法，并通过仿真方法验证了该算法的可行性。　　（3）考虑一个高速铁路无线通信的下行安全传输系统，包括位于列车顶部的车载中继设备、一定范围内运营商部署的多个公网宏基站和一个部署有非法窃听装置的无人机。目标函数是使每个时隙中的最小安全速率之和最大化。约束条件是用户得到的服务质量、车载中继设备连接基站的切换要求和基站的总功率约束。其中最小安全速率是指在一个时隙内多个用户的安全速率的最小值。原优化问题为一个非凸的混合整数优化问题。本文采用块坐标下降方法，将原问题分解为两个子问题；一个是基站和车载中继设备的关联问题，另一个是基站的功率控制问题。优化基站和车载中继设备的关联子问题可以用连续凸近似算法来求解，优化基站发射功率子问题可以用拉格朗日对偶法来求解。在此基础上，提出了一种联合优化算法，最后通过设置高速铁路通信系统仿真场景和仿真参数，利用仿真验证了本文所提出的该联合优化算法的有效性。　　（4）考虑一个基于短包通信的高速铁路中继下行通信系统，车厢顶部的中继设备利用解码转发的方式服务车厢内的多个用户。研究的问题是通过联合优化传输包长和中继设备发送功率来最大化最小用户的吞吐量。形成的优化问题同样也是非凸的，通过固定发送功率，原优化问题转化为一个关于块长的优化子问题，采用变量代换和一阶泰勒级数展开，可以得到块长的闭式表达式。通过固定块长，原优化问题进而转化为一个关于传输功率的非凸优化子问题，通过引入辅助变量和一阶泰勒级数展开，传输功率的非凸优化问题得以求解。在此基础上，提出了一种交替迭代的算法。最后通过仿真验证了所提算法的有效性。针对大量乘客在乘坐高速铁路时进行微信短消息、抖音短视频等业务，该算法具有实际的指导意义。
作者：	胥昊
专业：	交通信息工程及控制
导师：	曹桂均
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2022