移动通信系统是铁路的关键基础设施之一,承载了铁路调度指挥、列车运行控制、故障预警、险情通告、应急救援等任务。目前GSM-R向铁路下一代移动通信系统LTE-R演进已是大势所趋,旨在针对铁路移动互联网、物联网、智慧铁路的发展方向,充分利用大带宽、高数据速率、低传输时延的优势,实现IP化、宽带化、软件可定义的泛在覆盖移动通信网络,承载语音、数据、图像、视频、控制信息等多种业务,进一步保障铁路运输安全、提高运营效率、改善服务质量。因此定义明确的LTE-R系统架构,设计铁路专用通信业务模式是不可避免的问题。围绕此目标,本文做了以下工作:首先通过对3GPP中LTE、IMS、MCx系列协议进行研究,以LTE-R系统及功能需求规范为依据,参考借鉴公网LTE架构与业务模式,提出基于MCx框架的LTE-R基本逻辑架构与协议架构方案,针对其需求、功能和协议参考点进行论证说明。之后着力解决在LTE-R架构中实现铁路专用通信业务的三大关键问题:根据LTE-R中业务场景和需求,在GSM-R现有业务和3GPP已定义业务的基础上,以组呼业务功能为研究重点使用时序图、SDL图进行流程方案设计,优化了在LTE-R中业务应用优先级的问题,提出了针对基于人员和基于位置的组呼方案与结构化程序设计图;围绕LTE-R业务的实现与工程实施,提出LTE-R编号计划,用于解决业务的路由寻址问题,保证了码号资源的充足性与向后兼容性;通过对LTE-R应用层组网和业务漫游策略的分析,设计用户在漫游场景中业务注册与路由方案,为列车长距离跨路局的特殊业务场景中业务的全局实现提供理论支持。最后围绕LTE-R架构和业务的设计,进行服务器端组呼业务模块的开发与实现,包括组呼发起、释放、话权抢占、位置上报等功能的架构设计和流程信令定义,符合LTE-R编号计划中对区域、用户、设备和业务配置的要求。基于LTE-R系统与功能需求,提出系统业务功能与性能评估体系,并依托LTE-R试验段的场外测试环境,进行架构、流程、编号及业务性能的测试。测试结果验证了MCx业务实现与LTE-R功能需求的一致性,并通过呼叫建立时延、端到端语音传输时延、话权抢占时延等性能指标证明本文系统架构与方案设计的有效性。