【摘 要】
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随着我国铁路高质量的快速发展,智能铁路建设已经进入实质性阶段,业务需求的不断扩展亟需铁路5G专用移动通信系统（The Fifth Generation Mobile Communication-Railway,5G-R）的支持,同时5G-R的建设和应用也是落实新基建战略部署的重要举措。作为行车安全类的重点业务,中国列车运行控制系统-3级（Chinese Train Control System l
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随着我国铁路高质量的快速发展,智能铁路建设已经进入实质性阶段,业务需求的不断扩展亟需铁路5G专用移动通信系统（The Fifth Generation Mobile Communication-Railway,5G-R）的支持,同时5G-R的建设和应用也是落实新基建战略部署的重要举措。作为行车安全类的重点业务,中国列车运行控制系统-3级（Chinese Train Control System level 3,CTCS-3）极大地影响高铁的运行安全和运营效率,5G-R网络能够为列车控制业务提供更低时延、更大容量和更高可靠的车地信息传送能力,因此有必要开展基于5G-R网络的CTCS-3级列控业务车地通信的关键技术研究,为下一代列控系统的发展奠定基础。本论文首先通过调研明确了列控业务对5G-R网络的需求;其次基于安全通信架构需求和功能需求研究了5G-R网络承载CTCS-3级列控业务的总体实现方案;最后针对性能需求,从两个角度对列控业务数据传输进行研究,一是传输层TCP的拥塞控制算法的研究;二是车地数据通信的可靠性研究。论文的具体工作如下:（1）分析了列控业务对5G-R网络的需求并将其作为方案设计和后续关键技术研究的依据。针对功能需求和性能需求提出了相应的评估方法,重点提出了利用确定性随机Petri网（Deterministic and Stochastic Petri Nets,DSPN）评估车地通信系统可靠性的方案。（2）完成了基于5G-R网络的列控业务车地通信系统的总体设计方案,包括网络架构、通信协议架构和关键接口的设计,以及列控业务服务质量保障方案和车地数据传输流程的设计,并提出了GSM-R网络和5G-R网络共存时期的过渡技术方案。（3）针对列控业务的传输层TCP协议进行研究,以优化业务吞吐量和传输时延为目标,提出了适用于无线环境的TCP拥塞控制优化算法,并在NS-3仿真平台上进行了仿真验证,仿真结果表明本文提出的拥塞控制算法在吞吐量和时延方面都优于传统的拥塞控制算法。（4）以列控业务性能需求为测试参考依据,基于5G-R半实物仿真平台对车地通信数据传输的功能和性能进行了测试评估;利用DSPN形式化建模工具重点分析了5G-R网络的可靠性,分别建立了5G-R无线通信故障模型和列控系统车地通信场景模型,依据实验室测试数据完成了DSPN模型的参数选取,并通过仿真分析了车地通信链路正常概率及车地通信数据传输的可靠性指标。
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