軌道交通LTE-M通信系統(tǒng)可靠性分析

解鈞捷,鄭國(guó)莘

(上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200444)

當(dāng)前,城市軌道交通正處于大規(guī)模的集中建設(shè)階段.2015年3月,國(guó)家工業(yè)和信息化部重新發(fā)布了1785～1805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)使用頻率,以滿足城市軌道交通的應(yīng)用需求.2016年2月,中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)技術(shù)裝備專業(yè)委員會(huì)發(fā)布了基于城市軌道交通的長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution-metro,LTE-M)系統(tǒng)需求規(guī)范.LTE用于軌道交通基于通信的列車控制(communication based train control,CBTC)尚處于試驗(yàn)階段,因此探討與比較不同LTE-M控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)于保障列車控制的可靠運(yùn)行具有十分重要的意義.

1987年,Colbourn[1]匯總了系統(tǒng)可靠性理論的枚舉、容斥原理分析等計(jì)算方法.1997年,Carlier等[2]提出了大型通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法以估算可靠性數(shù)量級(jí).2000年,Snow等[3]分析了移動(dòng)通信各模塊的失效率、修復(fù)率及提高可靠性的方法.2003年,Zimmermann等[4]針對(duì)歐洲列車控制系統(tǒng)ETCS技術(shù)規(guī)范,采用Petri Net對(duì)GSM-R信道傳輸進(jìn)行建模,分析通信系統(tǒng)的可靠性.2005年,Chen等[5]對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)端到固定端(mobile host to static host,MS),固定端到移動(dòng)端(static host to mobile host,SM),移動(dòng)端到移動(dòng)端(mobile host to mobile host,MM)和端到端方案的馬爾科夫建模,分析切換對(duì)于可靠性的瞬時(shí)影響.2007年,徐田華等[6]研究了WLAN車地?zé)o線通信系統(tǒng)的可靠性,并證明同等條件下冗余系統(tǒng)的可靠性要比非冗余系統(tǒng)的可靠性高.2007年,熊小伏等[7]對(duì)于電力通信系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了建模和分析,評(píng)價(jià)了系統(tǒng)的性能.2010年,朱力等[8]提出了基于雙網(wǎng)的車地通信系統(tǒng),用于改善CBTC列控系統(tǒng)的可靠性.2013年,Singh等[9]分析了一種可修復(fù)系統(tǒng)的可靠性.2016年,王志駿[10]介紹了LTE承載CBTC系統(tǒng)的構(gòu)架,并分析了系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性.2016年,Ram等[11]建立MSBTS-BSC模型,得出系統(tǒng)可靠性與運(yùn)行時(shí)間成反比.以上研究主要分析系統(tǒng)硬件設(shè)備的可靠性,較少涉及無(wú)線通信對(duì)于CBTC系統(tǒng)可靠性的影響.由于空間電磁干擾以及傳輸環(huán)境的不確定性,無(wú)線通信可靠性對(duì)于系統(tǒng)整體可靠性的影響也不容忽視,其往往成為通信系統(tǒng)可靠性的瓶頸.

因此,本工作從可靠性理論入手,考慮設(shè)備和通信信道二者的可靠性,通過(guò)建立LTE承載軌交列控業(yè)務(wù)時(shí)各種冗余的可靠性系統(tǒng)模型,定量分析各種系統(tǒng)構(gòu)架下的可靠性.

1 通信系統(tǒng)可靠性能分析

1.1 CBTC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

常見軌道交通1.8 GHz的LTE列車專頻專網(wǎng)控制系統(tǒng)由LTE的核心網(wǎng)(internet evolved packet core,iEPC)、數(shù)字基帶單元(base band unite,BBU)、光纖拉遠(yuǎn)基站(radio remote unit,RRU)、車載接收端(terminal access unit,TAU)4個(gè)主要部分構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)地面控制中心(operating control center,OCC)與車載控制單元(carborne controller,CC)之間的通信.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 軌交車地LTE通信雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)Fig.1 Rail transit redundant control system of LTE

系統(tǒng)可靠性是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題,由于系統(tǒng)的組成復(fù)雜,涉及的影響參數(shù)多,本工作主要研究系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連接方式、部件的可靠性、部件間有線通信和無(wú)線通信的可靠性決定OCC到CC的的可靠性.其中RRU與TAU之間為無(wú)線通信,其他部件之間為有線通信.

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型的可靠性

1.2.1 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)模型

系統(tǒng)可靠性的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)模型有以下兩種:①串聯(lián)系統(tǒng),即系統(tǒng)中任一單元的故障,就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障(見圖2);②并聯(lián)系統(tǒng),即系統(tǒng)的所有單元都故障時(shí),系統(tǒng)才發(fā)生故障(見圖3).式(1)和(2)分別是串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)整體可靠性表達(dá)式.

圖2 簡(jiǎn)單串聯(lián)系統(tǒng)模型Fig.2 Model of simple series system

圖3 簡(jiǎn)單并聯(lián)系統(tǒng)模型Fig.3 Model of simple parallel system

式中:Ri為各部件可靠性參數(shù);Rs為系統(tǒng)整體可靠性參數(shù),其取值為[0,1).

1.2.2 一般網(wǎng)絡(luò)模型

一般網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示.當(dāng)系統(tǒng)難以分割為串聯(lián)與并聯(lián),而是一種交叉連接時(shí),可采用如下的方法進(jìn)行可靠性分析.

圖4 一般網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型Fig.4 Model of common network system

由文獻(xiàn)[1]可知,最小路集法適用于較復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的可靠性計(jì)算.從系統(tǒng)正常角度出發(fā),網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中能使輸入輸出端溝通的弧的集合稱為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)路集.如果刪去任何一個(gè)弧就不再是路集時(shí),則此路集稱為系統(tǒng)的一個(gè)最小路集.可靠性由端到端最小路集的綜合運(yùn)算得到,符合容斥原理,即

式中,m為路集個(gè)數(shù),P(Li)為路集可靠性參數(shù).

圖4所示的一般網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型中,最小路集有4個(gè):L1為S1S2,L2為S3S4,L3為S1S4,L4為S3S2.由式(3)可求得一般網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性為

式中,當(dāng)S1～S4的可靠性均為R時(shí),Rs=((2?R)R)2.

1.3 系統(tǒng)部件可靠性

一般電子產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布,其重要的特征是無(wú)記憶性,即前后發(fā)生的兩個(gè)故障之間不存在任何的聯(lián)系,其可靠性函數(shù)表示為

式中,t為系統(tǒng)工作時(shí)間,λ為失效率.

可修復(fù)的產(chǎn)品的壽命是相鄰的兩次故障間的工作時(shí)間,因而其平均壽命為平均故障間隔(mean time between failures,MTBF),用Mt表示.對(duì)于可靠性服從指數(shù)分布的產(chǎn)品,有

將式(6)代入式(5),可得

式中,當(dāng)R(t)=e?1時(shí),可靠壽命稱為特征壽命;當(dāng)R(t)=0.5時(shí),可靠壽命稱為中位壽命.

根據(jù)電子產(chǎn)品壽命的指數(shù)分布特征,可由Mt求解可靠壽命,即工作時(shí)間t內(nèi)系統(tǒng)的可靠性.例如,由廠商給定的某列車專頻專網(wǎng)通信系統(tǒng)各單元技術(shù)參數(shù):iEPC為650 000 h,BBU為252 000 h,RRU為400 000 h,TAU為110 000 h,推算得到各部件可靠性函數(shù)為

1.4 通信可靠性

1.4.1 有線通信

圖5是核心網(wǎng)與基站之間有線通信的連接,其中SW為交換機(jī).各部件連接的可靠性相對(duì)系統(tǒng)部件來(lái)說(shuō)極高.例如,光纖、饋線的可靠性R(t)fiber≈1,同時(shí)交換機(jī)的MTBF遠(yuǎn)大于iEPC等LTE通信部件.

圖5 iEPC與BBU的有線連接Fig.5 Wire connection between iEPC and BBU

廠商配置的光纖循環(huán)網(wǎng)中SW的Mt參數(shù)為3 000 000 h,由式(9)可得

由式(10)可知,當(dāng)運(yùn)行時(shí)間t小于最小的部件可靠壽命,即t<110000h時(shí),可視為R(t)fiber+BBUR(t)BBU.

按照上述分析,系統(tǒng)可靠性幾乎不會(huì)因?yàn)橛芯€通信接入而下降.如圖6所示,有線部分與BBU可靠性為接入iEPC,CC等部件的有線連接也與之類似.

圖6 有線通信可靠性計(jì)算方法Fig.6 Computing method of reliability of wire connection

1.4.2 無(wú)線通信

無(wú)線通信的可靠性是整個(gè)LTE通信系統(tǒng)中可靠性最低的部分,與電磁環(huán)境密切相關(guān).同頻通信干擾以及由旁頻無(wú)線電漏泄或其他電磁噪聲,都會(huì)降低通信的可靠性.另外,在基站邊緣以及無(wú)線電覆蓋較弱的地區(qū),通信的可靠性也會(huì)降低.一般工程設(shè)計(jì)時(shí),無(wú)線通信的誤碼率控制在10?3,因此本工作定義99.9%為推導(dǎo)全系統(tǒng)可靠性時(shí)無(wú)線通信端到端鏈路可靠性相應(yīng)的數(shù)值.

為了達(dá)到這一條件,可以對(duì)無(wú)線傳輸中的信道增益由路徑損耗和陰影衰落加以限制[12].假設(shè)信道增益h(d)為傳輸距離d時(shí)的信道增益,則信道增益為

式中:K為常數(shù);d為鏈路傳輸距離;η為路徑損耗指數(shù);ξ為陰影衰落,服從均值為0、方差為σ2的正態(tài)分布.

端到端之間的鏈路中,假設(shè)噪聲功率為n0,目標(biāo)接收信噪比為γth,發(fā)射功率為P,實(shí)際接收信噪比大于γth,則數(shù)據(jù)為可靠接收.其他信道參數(shù)推算如下[12]:

由式(12)不難看出,可靠性達(dá)到99.9%是由發(fā)射功率和路徑衰減以及信噪比等決定的.

本工作在推導(dǎo)全系統(tǒng)可靠性時(shí),將無(wú)線通信的可靠性并入到車載終端中考慮,即將無(wú)線信道與車載接收端本身硬件設(shè)備看作兩設(shè)備串聯(lián).例如,假定無(wú)線鏈路可靠性為99.9%,已知TAU的MTBF參數(shù)為110 000 h,則無(wú)線部分與TAU可靠性為

另外,無(wú)線部分的可靠性統(tǒng)一在車載接收端TAU計(jì)算,如圖7所示.

圖7 無(wú)線通信可靠性計(jì)算方法Fig.7 Computing method of reliability of wireless connection

1.4.3 整個(gè)系統(tǒng)通信

本工作中軌交車地LTE通信雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)中的有線及無(wú)線部分可靠性計(jì)算并入設(shè)備中考慮,如圖8所示.

圖8 軌交車地LTE通信雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)可靠性計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.8 Simplified diagram of reliability calculation of the rail transit redundant control system of LTE

2 LTE-M的可靠性

2.1 軌道交通1.8 GHz LTE專頻專網(wǎng)系統(tǒng)

2.1.1 無(wú)冗余通信系統(tǒng)

由上分析,可對(duì)軌道交通LTE專網(wǎng)無(wú)冗余結(jié)構(gòu)下的可靠性進(jìn)行計(jì)算,如圖9所示.

圖9 軌交車地LTE通信無(wú)冗余系統(tǒng)可靠性計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.9 Simplified diagram of reliability calculation of the rail transit non-redundancy control system of LTE

已知各設(shè)備MTBF參數(shù):IEPC為650000 h,BBU為252 000h,RRU為400000h,TAU為110 000 h.無(wú)線部分可靠性為99.9%.由串聯(lián)系統(tǒng)可靠性Rs=RARCRERG×Rwireless,可以推得軌道交通1.8 GHz車地通信無(wú)冗余系統(tǒng)可靠性,結(jié)果如圖10所示.由圖10可以看出,系統(tǒng)可靠性隨工作時(shí)間增加而減小.

圖10 軌交車地LTE通信系統(tǒng)可靠性Fig.10 Reliability of the rail transit control system of LTE

2.1.2 雙網(wǎng)冗余通信系統(tǒng)

由上分析,可對(duì)軌道交通LTE專頻雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖11所示.

圖11 軌交車地LTE通信專頻雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)可靠性計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.11 Simplified diagram of reliability calculation of the rail transit redundant control system of LTE

已知各設(shè)備MTBF參數(shù):IEPC為650000h,BBU為252000h,RRU為400000h,TAU為110000h,無(wú)線部分可靠性為99.9%.由并聯(lián)系統(tǒng)可靠性Rs=1?(1?RARCRERGRwireless)(1?RBRDRFRHRwireless),可以推得雙網(wǎng)車地通信冗余系統(tǒng)可靠性,結(jié)果如圖10(b)所示.由圖10(b)可以看出,系統(tǒng)可靠性較無(wú)冗余系統(tǒng)有所提高.

2.2 高速磁浮列車專頻專網(wǎng)通信系統(tǒng)

上海高速磁浮列車的通信是一種為列控系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)的通信體制,實(shí)現(xiàn)了450 km/h下列車運(yùn)控.列車的位置信息直接與列車驅(qū)動(dòng)線圈的饋電有關(guān).系統(tǒng)采用了38 GHz頻率,環(huán)境噪聲與電磁干擾都很低.接收端以及發(fā)射端都有多重冗余,信息傳輸?shù)目煽啃砸蟪^(guò)了地鐵.因此,該方案可為L(zhǎng)TE系統(tǒng)提供參照.

磁浮車地通信雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)由無(wú)線控制單元(decentralized radio control unit,DRCU)、基站(radio bose station,RBS)、車載接收(MST)、車載終端(mobile rabio control unit,MRCU)4個(gè)主要部分構(gòu)成,可靠性計(jì)算如圖12所示.系統(tǒng)中無(wú)線連接部分不但雙網(wǎng)冗余,而且點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的收發(fā)之間也是交叉連接,即車載接收MST與基站RBS間都有兩副獨(dú)立的天線,如圖13所示.

圖12 磁浮車地通信雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)可靠性計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.12 Simplified diagram of reliability calculation of the maglev redundant control system

圖13 基站RBS與車載MST間的交叉連接無(wú)線信道Fig.13 Cross connect wireless channel between RBS and MST

假設(shè)磁浮系統(tǒng)各設(shè)備性能與現(xiàn)有LTE設(shè)備類似,即MTBF參數(shù)如下:DRCU為650 000 h,MRCU為650 000 h,RBS為400 000 h,MST為110 000 h.設(shè)38 GHz毫米波通信可靠性為99.9%,則根據(jù)式(3),可求得RBS A與MST A之間無(wú)線通信可靠性為99.999 8%.

由最小路集法歸納得系統(tǒng)最小路集:L1路徑ACEG,L2路徑ACFHG,L3路徑ABDFHG,L4路徑ABDEG,L5路徑BDFH,L6路徑BDEGH,L7路徑BACEGH,L8路徑BACFH.該系統(tǒng)可靠性由最小路集法公式求得,由式(3)可以推算得磁浮車地通信冗余系統(tǒng)可靠性為Rs(t)=P(L1∪L2∪···∪L8),結(jié)果如圖14所示.

圖14 磁浮車地通信雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)可靠性Fig.14 Reliability of the maglev redundant control system

2.3 改進(jìn)型1.8 GHz LTE專頻專網(wǎng)系統(tǒng)

參照磁浮列車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),本工作提出增加網(wǎng)絡(luò)交叉冗余提高LTE列車控制系統(tǒng)可靠性的方法,其中紅藍(lán)雙網(wǎng)的信息互相轉(zhuǎn)發(fā)需要增加分布式版本控制系統(tǒng)(distributed revision control system,DRCS)服務(wù)器,如圖15所示.

圖15 改進(jìn)型LTE雙網(wǎng)車地通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.15 Improved rail transit redundant control system of LTE

已知各設(shè)備MTBF參數(shù):DRCS為1 200 000 h,IEPC為650 000 h,BBU為252 000 h,RRU為400 000 h,TAU為110 000 h,無(wú)線部分可靠性為99.9%,對(duì)該雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)的改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行分析.由最小路集法歸納得系統(tǒng)最小路集:L1路徑ACEGI,L2路徑ACEGJ,L3路徑ADFHJ,L4路徑ADFHI,L5路徑BDFHJ,L6路徑BDFHI,L7路徑BCEGI,L8路徑BCEGJ.系統(tǒng)可靠性由最小路集法公式(式(3)),可以推算得改進(jìn)型1.8 GHz LTE雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)可靠性為Rs(t)=P(L1∪L2∪···∪L8),結(jié)果如圖16所示.

圖16 改進(jìn)型軌交車地LTE通信雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)可靠性Fig.16 Reliability of the improved rail transit redundant control system

3 不同系統(tǒng)單雙網(wǎng)可靠性能比較及線路整體可靠性分析

3.1 磁浮及改進(jìn)型軌道交通LTE列控系統(tǒng)雙網(wǎng)冗余模型

磁浮及改進(jìn)型軌道交通LTE系統(tǒng)雙網(wǎng)冗余模型可靠性如圖17所示.不難看出,磁浮由于無(wú)線傳輸可靠性強(qiáng),冗余結(jié)構(gòu)合理,可靠性高于改進(jìn)型軌道交通LTE系統(tǒng).目前軌道交通LTE系統(tǒng)可以增強(qiáng)冗余結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,以此提升系統(tǒng)可靠性.除此之外,以磁浮列控系統(tǒng)為參考依據(jù),進(jìn)一步增強(qiáng)無(wú)線通信的性能,也能夠提升系統(tǒng)可靠性.

3.2 改進(jìn)型軌道交通LTE列控系統(tǒng)線路

在實(shí)際使用中改進(jìn)型軌道交通LTE系統(tǒng)是在列車運(yùn)行過(guò)程中不斷切換至沿線下一基站,以此完成整條線路的列車控制(見圖18),其中BS1,BS2,BSn是類似圖15的冗余通信系統(tǒng).

圖17 各通信系統(tǒng)模型可靠性比較Fig.17 Reliability comparison between different models of various train control systems

圖18 改進(jìn)型軌道交通LTE列控系統(tǒng)線路整體結(jié)構(gòu)Fig.18 Structure of the whole line of improved LTE rail transit control system

若圖18中的一套BS出現(xiàn)故障,整條線路將不能正常運(yùn)行,因此線路整體的可靠性取決于所有BS串聯(lián)總和.一段20 km的線路中,軌道交通LTE系統(tǒng)總基站數(shù)為20套,而磁浮列控系統(tǒng)總基站數(shù)為13套,線路總體可靠性比較如圖19所示.不難看出,隨基站數(shù)量增加,不可靠因素也隨之增多,一套基站系統(tǒng)的靜態(tài)連接可靠性遠(yuǎn)高于多基站系統(tǒng)的可靠性.各通信系統(tǒng)的中位壽命如表1所示,其中標(biāo)有**的是全線路系統(tǒng)中位壽命.由表1可知,采取LTE改進(jìn)型雙網(wǎng)全線路系統(tǒng)與磁浮全線路系統(tǒng)可靠性尚有差距.

圖19 各通信系統(tǒng)線路總體可靠性比較Fig.19 Reliability comparison between models of the whole line of various train control systems

表1 各控制系統(tǒng)的中位壽命Table 1 Median lifetime of all control systems

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作從可靠性理論方面入手,對(duì)現(xiàn)有的各種列車控制通信系統(tǒng)進(jìn)行可靠性計(jì)算,結(jié)果表明專網(wǎng)技術(shù)的恰當(dāng)冗余能使列車通信系統(tǒng)具有更高的可靠性;進(jìn)一步參照磁浮列控系統(tǒng)復(fù)雜冗余模型,提出改進(jìn)型LTE雙網(wǎng)冗余將比傳統(tǒng)并聯(lián)雙網(wǎng)冗余具有更大的優(yōu)勢(shì),中位壽命能夠提升約30%.另外,線路部署的基站數(shù)目很大程度影響了總體可靠性,20套LTE基站系統(tǒng)中位壽命約為單站系統(tǒng)的17%.目前來(lái)看,LTE系統(tǒng)較具有同等設(shè)備可靠性的磁浮系統(tǒng)還有一定差距,可以從系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)、無(wú)線通信部署、通信方式選擇等方面進(jìn)一步提高軌道交通列控系統(tǒng)可靠性,這項(xiàng)工作將對(duì)LTE系統(tǒng)在列控應(yīng)用中的普及具有極為重要的意義.