随着我国铁路的高速发展,如既有线提速、高速铁路和客运专线的修建等,现有的铁路无线通信系统渐渐的不能满足铁路发展的需要,GSM-R (GSM for Railway)系统应运而生,它以成熟的GSM技术为基础,专为满足铁路专用通信而开发。相对于GSM系统,GSM-R系统增加了面向铁路的应用,如组呼、广播；功能寻址、位置寻址等等。在公网中,移动用户小区驻留时间、呼叫保持时间、小区信道占用时间三个系统时间分布模型对系统设计及性能分析起到了关键性作用,同时,它们一直都是研究的热点。虽然GSM-R系统是基于GSM的铁路专用移动通信系统,其移动用户(如,列车驾驶员)有着不同于公网内移动用户的运动方式,但是,列车小区驻留时间、呼叫保持时间、小区信道占用时间三个模型同样对GSM-R系统设计及性能分析有着不可忽视的影响。此外,为了保证在运行中的列车正常通话,GSM-R系统切换决策算法是众多关键技术之一。当列车高速运行时,列车需要可靠的通信支持,以保证运行安全,所以,GSM-R系统切换决策算法的设计目标应是减少平均切换次数,提高切换的有效性。故,本文的研究专门针对GSM-R系统内的时间分布模型及切换决策算法这两个方面。针对GSM-R系统时间分布模型,首先提出一种基于接收拒绝法的随机剩余时间(或随机持续时间)生成方法,此方法适用于小区驻留时间均值收敛的所有情况且操作统方便。其次,提出一种基于小区驻留时间的呼叫保持时间分布模型,此模型中呼叫保持时间仅与小区驻留时间、呼叫过程中移动用户经历的平均小区数量有关。然后,依据客运专线设计规范中区间线路设计部分,提出了一种客运专线区间上线路长度生成方法,并在客运专线区间上两种不同的小区覆盖方式假设下,分析客运专线区间上GSM-R小区内线路长度的分布,进而得出客运专线区间上列车小区驻留时间、呼叫保持时间、小区信道占用时间分布模型。最后,依据客运专线设计规范中站场线路设计部分与列车在客运专线车站内的运行方式,提出不停站列车和停站列车在覆盖客运专线车站的小区内的列车驻留时间分布模型。针对GSM-R系统切换决策算法,首先,考虑到列车在客运专线区间上运行时运行方向确定的情形,鼓励列车切换指向其运行方向,提出一种带随机方向锁定的切换决策算法,此算法使平均切换次数有效降低(达25%)。其次,将一种在公网条件下表现出优良性能的自适应切换决策算法引入GSM-R系统中,并采用遗传算法对其两个关键参数进行优化,使其适用于GSM-R系统；从优化结果可以看出,被引入的自适应切换决策算法中两个关键参数对列车运行速度敏感。