李翠然 謝健驪 高文娟

摘要：鐵路窄帶移動通信系統(tǒng)（GSM-R）正在向鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)（LTE-R）、基于5G的鐵路移動通信系統(tǒng)（5G-R）演進(jìn)。針對未來高鐵通信中的實(shí)時視頻監(jiān)控、車-車（T2T）通信、列車多媒體調(diào)度等5G-R業(yè)務(wù)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入，提出一種基于馬爾可夫決策過程（MDP）模型的網(wǎng)絡(luò)接入算法。根據(jù)不同類型業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）屬性和無線網(wǎng)絡(luò)的時變特性構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)回報函數(shù)，并基于模糊層次聚類理論來計算QoS屬性的權(quán)重值。采用人工智能算法對MDP模型進(jìn)行求解，使用戶以較少的切換次數(shù)接入長期期望回報值最大的網(wǎng)絡(luò)，并仿真分析算法的收斂性和有效性。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；5G-R；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；馬爾可夫決策過程；人工智能

Abstract： Global system for mobile communications-railway （GSM-R） is evolving to broadband mobile communication systems-R （LTE-R） and 5G for railways （5G-R）. A radio access algorithm in wireless heterogeneous environment based on Markov decision process（MDP） decision model is proposed to meet the needs of 5G-R services access to different networks in future high-speed railway communications， such as video surveillance， trainto-train （T2T） direct communication， and train multimedia dispatching. According to the quality of service （QoS） attributes of different types of services and time-varying characteristics of wireless networks， the network reward function is constructed， and the QoS attribute weight is determined based on fuzzy clustering theory. The MDP decision model is solved by an artificial intelligence algorithm， which enables users to access the network with the maximum long-term reward with fewer handoffs. In addition， the convergence and effectiveness of the algorithm are analyzed by simulation.

Keywords： high-speed railway； 5G-R； heterogeneous network； Markov decision process； artificial intelligence

高鐵正在全球廣泛部署，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。歐洲“Shift2Rail計劃”一直致力于鐵路的發(fā)展[1]。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施、列車、旅客和貨物在未來將會更加互聯(lián)互通，并為旅客提供更為舒適和安全的服務(wù)。2019年世界無線電通信大會（WRC-19）和電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）發(fā)布一系列支持智能鐵路發(fā)展的通信標(biāo)準(zhǔn)。為迎接2022年北京冬季奧運(yùn)會，中國已建成一條北京至張家口、時速為350 km/h的智能高鐵線路。

高鐵的智能化對鐵路移動通信系統(tǒng)的發(fā)展提出新的要求。目前，鐵路窄帶移動通信系統(tǒng)（GSM-R）已在中國青藏線、大秦線、膠濟(jì)線等得到應(yīng)用[2]。然而，GSM-R畢竟是一種窄帶系統(tǒng)，不能完全滿足鐵路行業(yè)的要求[3]。鐵路移動通信系統(tǒng)需要跟上4G和5G通信技術(shù)發(fā)展的步伐。相比于GSM-R，鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)（LTE-R）和基于5G的鐵路移動通信系統(tǒng)（5G-R）可以提供更多樣化的服務(wù)。未來的鐵路移動通信系統(tǒng)將擁有異構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1，3]。

在異構(gòu)鐵路無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，支持智能鐵路發(fā)展的高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)有很多，包括車-車通信（T2T）、列車多媒體調(diào)度、實(shí)時4K/8K超高清（UHD）視頻傳輸、實(shí)時視頻監(jiān)控、列車遠(yuǎn)程維護(hù)、車站內(nèi)高速數(shù)據(jù)的無線下載等。這就需要一種能夠基于業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）參數(shù)的靈活、有效的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇算法，使不同類型的業(yè)務(wù)接入最佳無線網(wǎng)絡(luò)中。

1鐵路專用移動通信系統(tǒng)的演進(jìn)

隨著高鐵的廣泛部署和列車的提速，及時、可靠、高速地傳輸列車控制信號和高鐵乘客信息變得至關(guān)重要。鐵路移動通信系統(tǒng)正在從GSMR向LTE-R、5G-R演進(jìn)。

（1）GSM-R

GSM-R是全球廣泛使用的一種鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)，已經(jīng)使用幾十年，并且目前仍在許多鐵路系統(tǒng)中應(yīng)用[4]。雖然GSM-R的技術(shù)原理與全球移動通信系統(tǒng)（GSM）基本相同，但它具備鐵路相關(guān)的功能。自2006年中國青藏線、大秦線、膠濟(jì)線開通后，GSM-R相繼在京津城際、武廣高鐵、京滬高鐵、哈大高鐵等多條鐵路線上開通運(yùn)營，為運(yùn)輸調(diào)度指揮、列車控制及運(yùn)營管理信息等提供了安全穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)平臺。GSM-R的上行/下行（UL/DL）峰值數(shù)據(jù)速率為172 kbit/s，它不僅能夠提供高級語音呼叫業(yè)務(wù)，例如增強(qiáng)型多優(yōu)先級與強(qiáng)拆業(yè)務(wù)（eMLPP）、語音組呼業(yè)務(wù)（VGCS）、語音廣播業(yè)務(wù)（VBS），還可提供GSM-R鐵路特定業(yè)務(wù)，例如基于位置的尋址、功能尋址（車次號）。鐵路交通的發(fā)展和通信技術(shù)的進(jìn)步，對鐵路指揮調(diào)度系統(tǒng)也提出新的要求，需要鐵路移動通信系統(tǒng)由GSM-R過渡到LTE-R。

（2）LTE-R

第一個LTE-R網(wǎng)絡(luò)由諾基亞公司于2016年在韓國建成[5]。它不僅采用了先進(jìn)的物理層關(guān)鍵技術(shù)，如正交頻分復(fù)用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO），還采用了網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)，如全互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）分組交換。LTE-R網(wǎng)絡(luò)能夠在20 MHz帶寬上為高速移動用戶提供100 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率和低于100 ms的系統(tǒng)延遲。未來的智能鐵路需要更高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務(wù)，如實(shí)時4K/8K UHD視頻傳輸、列車車廂內(nèi)的安全閉路電視（CCTV）、列車遠(yuǎn)程維護(hù)。這些一般需要每秒吉比特級的數(shù)據(jù)速率，而LTE-R不能滿足這一要求。雖然LTE-R網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展性、移動速度、網(wǎng)絡(luò)體驗、網(wǎng)絡(luò)保證、系統(tǒng)效率方面都有顯著提升，但是4G系統(tǒng)長期演進(jìn)升級版（LTE-A）仍不能提供一些潛在的智能鐵路業(yè)務(wù)，包括自主駕駛、鐵路互聯(lián)互通等[6]。

2015年，原中國鐵路總公司科技管理部和運(yùn)輸局組織原中國鐵道科學(xué)研究院等單位，從頻率、標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)、系統(tǒng)研發(fā)和試驗等方面對LTE-R等技術(shù)進(jìn)行全面研究和系統(tǒng)試驗，取得一系列研究成果；同時對5G技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)進(jìn)行密切跟蹤和研究，為后續(xù)開展5G研究奠定基礎(chǔ)，積累經(jīng)驗。5G通信作為一種有潛力的解決方案被國際電信聯(lián)盟（ITU）提出，最終將實(shí)現(xiàn)1 Gbit/s的超高峰值數(shù)據(jù)速率、1～5 ms的超低系統(tǒng)延遲和高于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)1 000倍的容量。

（3）5G-R

國際鐵路聯(lián)盟（UIC）于2014年正式設(shè)立未來鐵路移動通信系統(tǒng)（FRMCS）項目，開展鐵路下一代移動通信技術(shù)研究工作。FRMCS項目研究下設(shè)功能、架構(gòu)和技術(shù)、頻譜3個工作組。截至目前，F(xiàn)RMCS已發(fā)布用戶需求規(guī)范（URSV5.0.0），并計劃于2021年發(fā)布第1個完整版本的功能需求規(guī)范（FRS）和系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）。德國鐵路計劃于2019—2024年進(jìn)行5G的研究和試驗，期間繼續(xù)部署900 MHz GSM-R，并于2025—2034年規(guī)模部署5G[7]。2021年1月，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司開始著手布局鐵路新基建，啟動鐵路5G專網(wǎng)技術(shù)體系及關(guān)鍵技術(shù)研究。

2015年，ITU定義了3個5G應(yīng)用場景，包括增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類通信（mMTC）和超可靠低時延通信（URLLC）[8]。5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由國際標(biāo)準(zhǔn)組織第3代合作伙伴計劃（3GPP）統(tǒng)一制定。最新開發(fā)的無線標(biāo)準(zhǔn)5G新空口（NR）旨在靈活地支持不同的用例和部署場景。這些用例和部署場景具有完全不同屬性，包括高速列車等移動性場景。NR（Rel-15）的第一個版本支持大多數(shù)eMBB服務(wù)和一些有限的URLLC服務(wù)的基本無線接入。除此之外，3GPP還進(jìn)一步致力于全面支持Rel-16和Rel-17中的5G用例和部署場景。Rel-16、Rel-17的場景包括URLLC增強(qiáng)、工作于免許可頻段的5G空中接口（5G NR-U）、車用無線通信技術(shù)（V2X）、接入和回程集成（IAB）、非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）、移動性增強(qiáng)等[9]。

與之前各代移動通信技術(shù)相比，5G頻譜效率更高，支持業(yè)務(wù)和用戶切片、邊緣計算、用戶面和控制面分離等，同時滿足移動寬帶、物聯(lián)網(wǎng)、高可靠低時延等場景業(yè)務(wù)需要，可為鐵路關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供QoS保障，使5G的綜合承載能力得到全面提升。鐵路復(fù)雜多變的應(yīng)用場景可充分發(fā)揮5G的技術(shù)優(yōu)勢。

高鐵具有乘客密度大、運(yùn)行速度高和傳感器數(shù)量多的特點(diǎn)，可作為5G的典型應(yīng)用場景。5G技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推進(jìn)鐵路移動通信系統(tǒng)向5G-R的演進(jìn)。

2 5G-R業(yè)務(wù)

鐵路移動通信業(yè)務(wù)包括兩大類[10]：（1）與乘客相關(guān)的業(yè)務(wù)，其關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）與公共陸地移動通信的KPI類似，主要有用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端延時、移動性、流量密度、用戶峰值速率、能源效率；（2）與列車運(yùn)行控制和安全相關(guān)的業(yè)務(wù)，其KPI包括可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）。

隨著列車運(yùn)行速度的提高和間隔時間的縮短，可靠、實(shí)時、全面的列車控制技術(shù)變得至關(guān)重要。在一個連航空公司都在嘗試為乘客提供互聯(lián)網(wǎng)接入的時代，如何基于5G技術(shù)完成列控信息的高效、安全傳輸為高鐵旅客提供優(yōu)質(zhì)的5G業(yè)務(wù)，是鐵路移動通信系統(tǒng)迫切需要解決的問題。5G-R即將出現(xiàn)的新興業(yè)務(wù)有[10-11]：實(shí)時視頻監(jiān)控、T2T、列車多媒體調(diào)度、鐵路物聯(lián)網(wǎng)（RIoT）和高速互聯(lián)網(wǎng)接入。

（1）實(shí)時視頻監(jiān)控。保證列車安全行駛的一個有效措施就是部署實(shí)時視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即為駕駛員提供一個“電子望遠(yuǎn)鏡”以拓展視野。高清攝像頭一般沿鐵路軌道安裝。當(dāng)前方出現(xiàn)危險情況時，駕駛員可根據(jù)接收到的前方軌道信息及時采取應(yīng)急措施。此外，視頻監(jiān)控也可用于列車多媒體調(diào)度等業(yè)務(wù)。

（2）T2T。列車位置等關(guān)鍵信息一般是通過車-地通信系統(tǒng)（T2I）在列車間進(jìn)行傳輸?shù)?。?dāng)?shù)孛娴耐ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施損壞并影響正常工作時，列車間的通信就會中斷。在這種情況下，列車無法確定同一軌道上其他行駛列車的準(zhǔn)確位置，追尾事故就無法完全避免。因此，有必要部署T2T冗余通信系統(tǒng)。當(dāng)有緊急情況發(fā)生時，該冗余系統(tǒng)能夠檢測到潛在的列車碰撞，以便向當(dāng)前軌道上行駛的列車和相鄰軌道上的其他列車發(fā)送預(yù)警信息。

（3）列車多媒體調(diào)度。為了提高鐵路行車調(diào)度管理工作效率，下一代鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)應(yīng)能夠為列車調(diào)度員提供全方位的調(diào)度信息，包括數(shù)據(jù)、語音、文本、圖像和視頻。例如，當(dāng)有災(zāi)難發(fā)生時，調(diào)度員可以通過調(diào)度通信系統(tǒng)及時獲取列車的視頻信息，以確保救援工作的實(shí)時開展。

（4）RIoT。大部分鐵路基礎(chǔ)設(shè)施位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，這給現(xiàn)場檢查和維護(hù)帶來諸多不便。解決這個問題的關(guān)鍵是發(fā)展RIoT技術(shù)。為了實(shí)時監(jiān)測鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，如橋梁、高架橋和隧道等的使用狀態(tài)，大量傳感器將會被使用。這些傳感器可將監(jiān)測信息發(fā)送至中央控制單元。采用這種方式，一些例行的安全檢查就可以在遠(yuǎn)程控制中心完成。

（5）高速互聯(lián)網(wǎng)接入。隨著高鐵的大規(guī)模鋪設(shè)，為高鐵旅客提供快速、高質(zhì)量的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)變得越來越緊迫。無線互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)該覆蓋到車廂的每一個角落。乘客不僅可以在車上上網(wǎng)聊天、瀏覽網(wǎng)頁，還可以在線觀看高清視頻。

3異構(gòu)的鐵路移動通信系統(tǒng)

鐵路移動通信系統(tǒng)從GSM-R向LTE-R、5G-R的發(fā)展過程可分為3個階段：（1）LTE-R網(wǎng)絡(luò)逐步部署并與 GSM-R共存，其中GSM-R負(fù)責(zé)傳輸安全信息與列車調(diào)度和控制有關(guān)的數(shù)據(jù)，而LTE-R負(fù)責(zé)傳輸其他非安全數(shù)據(jù)；（2）LTE-R完全取代GSM-R，同時，5G-R將逐步負(fù)責(zé)列車間的應(yīng)急通信及車廂內(nèi)旅客的互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)；（3）5G-R得到部署，不僅能提供每秒吉比特的數(shù)據(jù)速率和毫秒級的系統(tǒng)延遲，還可提供智能鐵路相關(guān)業(yè)務(wù)。在很長的一段時期內(nèi)，HSRs移動通信系統(tǒng)將呈現(xiàn)異構(gòu)化，以滿足智能鐵路各種應(yīng)用場景的通信需求，包括T2I、T2T和RIoT通信等。

鐵路移動通信的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1[11]。其中，車載層由車廂內(nèi)部設(shè)備和個人終端組成，基礎(chǔ)設(shè)施層基于多個公用無線接入網(wǎng)絡(luò)（例如WiFi、3G、4G和5G）構(gòu)建而成。對于大多數(shù)鐵路運(yùn)行場景，稀疏的列車用戶接入到公共無線網(wǎng)絡(luò)，會導(dǎo)致公網(wǎng)的覆蓋率很低，即這種接入方式是不經(jīng)濟(jì)的。為了可靠地傳輸各種鐵路業(yè)務(wù)信息，鐵路專用無線網(wǎng)絡(luò)（例如GSM-R、LTE-R和5G-R）將被用來作為承載網(wǎng)絡(luò)。

4業(yè)務(wù)驅(qū)動的高鐵異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入

4.1基于馬爾可夫決策過程（MDP）的網(wǎng)絡(luò)接入算法

已有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇算法主要側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)屬性未發(fā)生變化時的當(dāng)前接入判決，未考慮選擇目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)之后的網(wǎng)絡(luò)屬性動態(tài)變化對高速移動用戶、網(wǎng)絡(luò)回報函數(shù)和切換判決條件的影響。此外，不斷增長的業(yè)務(wù)類型及用戶需求對網(wǎng)絡(luò)接入的響應(yīng)時間和接入決策的準(zhǔn)確性都提出更高的要求，單一的智能優(yōu)化算法已無法滿足[12-14]。為此，本文中我們在高鐵異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入選擇中采用組合智能優(yōu)化策略，并將5G-R中的實(shí)時視頻監(jiān)控、T2T、列車多媒體調(diào)度、RIoT和高速互聯(lián)網(wǎng)接入等業(yè)務(wù)信息流分為3類，即語音、數(shù)據(jù)和視頻，并基于這3類信息流分別構(gòu)建回報函數(shù)和網(wǎng)絡(luò)選擇觸發(fā)條件，以使HSRs用戶獲得更高的期望回報值，同時減少網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)。

基于模糊層次聚類理論計算QoS屬性權(quán)重值的原理為：將網(wǎng)絡(luò)選擇問題分解為目標(biāo)層、屬性層和方案層，并從成對比較判斷矩陣A 中導(dǎo)出屬性權(quán)重，測量成對比較矩陣的一致性，之后計算QoS屬性在不同業(yè)務(wù)下的權(quán)重值。矩陣A 中的各元素值和屬性權(quán)重值見表1—表3[17]。

4.2仿真結(jié)果

在人工智能算法中，遺傳算法（GA）是一種用于解決最優(yōu)化問題的搜索算法，具有較強(qiáng)的全局搜索能力，但收斂速度慢，局部搜索能力弱，且運(yùn)行結(jié)果易受到參數(shù)設(shè)置的影響。模擬退火算法（SA）的局部搜索能力強(qiáng)，可以彌補(bǔ)GA算法的不足。因此，可采用GA-SA算法來求解期望回報函數(shù)的最大值問題。算法步驟包括初始化參數(shù)、編碼和產(chǎn)生初始種群、計算當(dāng)前群體中各個種群的適應(yīng)度、執(zhí)行選擇操作并采用精英保留策略避免群體退化、執(zhí)行交叉與變異操作、驗證搜索結(jié)果、終止演化等。

算法仿真中，網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)設(shè)置見表4[18]。其中，第一個參數(shù)值為網(wǎng)絡(luò)屬性的默認(rèn)值，括號中的數(shù)值為網(wǎng)絡(luò)屬性動態(tài)變化時的取值范圍。假設(shè)語音業(yè)務(wù)用戶、視頻業(yè)務(wù)用戶和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶均按照泊松分布到達(dá)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，到達(dá)率分別為1～ 12、2～18、1～8（呼叫數(shù)/s），相鄰兩個決策時刻的時間間隔為15 s。令λ∈（0，1]為MDP模型的折扣因子，圖2（a）、2（b）和2（c）分別給出了折扣因子與語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)用戶的期望回報之間的關(guān)系。圖2中，我們將本文提出的IMDP（改進(jìn)的馬爾可夫決策過程）與基于馬爾可夫決策模型（MDM）的算法[19]和多屬性決策-簡單加權(quán)（MADM-SAW）算法[20]進(jìn)行對比。由圖2可知，隨著折扣因子值λ的增大，3種算法的期望回報值均呈遞增趨勢。這是因為λ反映了算法對網(wǎng)絡(luò)長期收益的關(guān)注程度。同時，較大的λ值對應(yīng)較長的平均連接持續(xù)時間，從而使3種算法的期望回報差距也隨之增大。

圖3（a）、3（b）和3（c）分別為不同折扣因子值時的語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)用戶的網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)?？梢钥闯觯S著折扣因子值λ的增大，3種算法的切換次數(shù)也在增加。這是因為較大的λ值對應(yīng)較長的平均連接持續(xù)時間和較多的決策時刻點(diǎn)，從而增加了網(wǎng)絡(luò)切換的可能性。與其他兩種算法相比，本文提出的算法具有較少的切換次數(shù)。這是因為我們在算法中設(shè)置了預(yù)切換判決條件以避免“乒乓”，同時基于不同業(yè)務(wù)類型設(shè)計了觸發(fā)判決條件，以滿足不同類型用戶的業(yè)務(wù)需求，有效地減少了不必要的切換。

5結(jié)束語

高鐵是5G典型應(yīng)用場景之一?；?G技術(shù)完成列車運(yùn)行控制與安全相關(guān)業(yè)務(wù)、乘客相關(guān)業(yè)務(wù)的高效、安全傳輸是鐵路移動通信系統(tǒng)迫切需要解決的問題。高鐵場景下公用無線接入網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi、4G和5G）和鐵路專用無線網(wǎng)絡(luò)（GSM-R、LTE-R和5G-R）等多個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在相當(dāng)?shù)拈L時間內(nèi)會共存。5G-R新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)給異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入帶來新的設(shè)計挑戰(zhàn)。采用人工智能、優(yōu)化理論來研究HSRs異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入等關(guān)鍵技術(shù)符合未來智能鐵路的發(fā)展愿景。

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作者簡介

李翠然，蘭州交通大學(xué)教授；主要研究領(lǐng)域為鐵路無線通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同通信技術(shù)；主持國家自然科學(xué)基金項目2項、省部級項目9項，獲科研成果獎4項；發(fā)表論文60余篇，獲授權(quán)國家發(fā)明專利4項。

謝健驪，蘭州交通大學(xué)教授；主要研究領(lǐng)域為鐵路無線通信、認(rèn)知無線電技術(shù)、鐵路物聯(lián)網(wǎng)；主持國家自然科學(xué)基金項目1項、省部級項目8項，獲科研成果獎3項；發(fā)表論文40余篇，獲授權(quán)國家發(fā)明專利3項。

高文娟，蘭州交通大學(xué)在讀碩士研究生；主要研究領(lǐng)域為異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。