地震等自然灾害对铁路的运输秩序和运行安全具有重大威胁,特别是对高速铁路而言,列车运行速度快、运行密度高,受自然灾害的影响更为突出。在自然灾害发生时刻,基于无线通信方式快速、可靠地发布紧急处置信息,联动触发列车应急处置措施,是防止或减轻自然灾害对列车运行安全影响的重要手段之一。地震等自然灾害通常具有突发性强、波及范围广、破坏性大、持续时间短等特点,紧急处置信息传送的准确性和实时性直接影响防灾减灾的效果。车地之间的无线通信具有开放信道、移动终端高速运动、易受外界干扰等特点,提高无线数据传输的时效性和准确性是研究的难点。本文从紧急处置信息发布的实际需求出发,研究适用于我国铁路的紧急处置信息可靠传输理论与方法,解决列车实时定位、紧急处置信息传送等关键问题,论文的主要创新工作和贡献如下。(1)针对现有铁路无线数据通信传输时延大、带宽不足等问题,提出一种面向软件定义的铁路无线通信网络架构。将控制平面和数据平面分离,实现跨运营商异构网络协同工作,并采用虚拟化技术实现用户的逻辑隔离,为用户提供透明的数据传输服务;结合铁路应用业务的特点和需求提出链路优选、链路聚合和链路冗余3种服务模式;建立随时间动态变化的网络拓扑模型,提出一种改进的智能水滴路由算法。(2)提出一种基于铁路无线通信网络的无线指纹定位方法。首先,使用高速列车采集铁路沿线无线通信系统接收电平、定时提前量及公里标等信息,利用路径损耗模型将定时提前量映射为无线电波传播损耗,进而生成无线指纹并建立其数据库;其次,根据列车运行轨迹特征动态划分信号空间,限定无线指纹搜索范围,建立统一量纲的无线指纹相似度计算模型;然后,使用加权k-近邻算法在无线指纹数据库中搜索与待定位列车相匹配的无线指纹,计算列车的位置;最后,由于较短时间内列车运行可以看作是匀速运动,采用卡尔曼滤波算法进一步优化列车定位结果。在高速综合检测列车上安装测试设备,计算列车无线指纹定位得出的位置与实际位置的差值,结果表明列车平均定位误差为77 m,可满足紧急处置信息发布的需求。(3)研究GSM-R分组交换数据和小区广播短消息两种方式下紧急处置信息传输的优化方法。采用分组交换数据时,使用排队模型对无线链路控制层时延建模,提出无线链路控制、小区重选、无线资源管理等GPRS网络操作模式,提出超时和重传、保活定时器、延迟发送等传输层协议操作模式及算法,分析不同操作模式对数据传输性能的影响;采用小区广播短消息时,从理论上分析传输时延产生的机理和分布特征,通过优化移动终端信令接收方式来降低传输时延;建立仿真系统,分别测试分组交换数据和小区广播短消息数据传输的关键技术指标。(4)为了使铁路移动通信网络在承载能力、服务质量、容灾能力等方面为紧急处置信息传送业务提供更好的服务,研究无线接入网络架构、无线覆盖设计等方面的内容,提出集中化的铁路无线接入网络部署方案,以及基于移动中继节点的车载移动终端无线访问方案。(5)针对软件定义的铁路无线通信网络中链路资源分配问题,提出基于马尔可夫决策过程的网络资源调度模型。该模型考虑基础设施网络状态及用户需求等因素,以用户需求的满足程度为优化目标,搜索最优的链路分配决策,实现用户需求与网络资源动态适配。测试结果表明,所提出的链路资源分配策略实现了用户需求的弹性定制,提高了网络的服务质量和资源利用效率。(6)针对紧急处置信息传送对无线数据传输时延、成功率等指标要求严苛的问题,提出一种铁路无线通信网络并行冗余协议。该协议经由不同路径传送同一数据包的多个副本,通过在传统的协议模型中引入冗余适配层,实现多链路数据并行冗余传输并对网络层及以上各层透明。同时,针对接收实体对冗余数据消除的需求,提出改进的布隆过滤器。该方法通过扩充位数组并采用倒计时机制,使得数据集合元素能够根据时间动态插入、删除及查找,实现高效的数据冗余判别。理论分析和测试结果表明,使用本文提出的方法可提升紧急处置信息无线传送性能,且具有部署简单、可靠性和稳定性高等优点。