轨道交通LTE-M通信系统可靠性分析

解钧捷,郑国莘

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200444)

当前,城市轨道交通正处于大规模的集中建设阶段.2015年3月,国家工业和信息化部重新发布了1785∼1805 MHz频段无线接入系统使用频率,以满足城市轨道交通的应用需求.2016年2月,中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会发布了基于城市轨道交通的长期演进(long term evolution-metro,LTE-M)系统需求规范.LTE用于轨道交通基于通信的列车控制(communication based train control,CBTC)尚处于试验阶段,因此探讨与比较不同LTE-M控制系统结构的可靠性对于保障列车控制的可靠运行具有十分重要的意义.

1987年,Colbourn[1]汇总了系统可靠性理论的枚举、容斥原理分析等计算方法.1997年,Carlier等[2]提出了大型通信网络计算方法以估算可靠性数量级.2000年,Snow等[3]分析了移动通信各模块的失效率、修复率及提高可靠性的方法.2003年,Zimmermann等[4]针对欧洲列车控制系统ETCS技术规范,采用Petri Net对GSM-R信道传输进行建模,分析通信系统的可靠性.2005年,Chen等[5]对移动通信系统进行移动端到固定端(mobile host to static host,MS),固定端到移动端(static host to mobile host,SM),移动端到移动端(mobile host to mobile host,MM)和端到端方案的马尔科夫建模,分析切换对于可靠性的瞬时影响.2007年,徐田华等[6]研究了WLAN车地无线通信系统的可靠性,并证明同等条件下冗余系统的可靠性要比非冗余系统的可靠性高.2007年,熊小伏等[7]对于电力通信系统可靠性进行了建模和分析,评价了系统的性能.2010年,朱力等[8]提出了基于双网的车地通信系统,用于改善CBTC列控系统的可靠性.2013年,Singh等[9]分析了一种可修复系统的可靠性.2016年,王志骏[10]介绍了LTE承载CBTC系统的构架,并分析了系统架构的可靠性.2016年,Ram等[11]建立MSBTS-BSC模型,得出系统可靠性与运行时间成反比.以上研究主要分析系统硬件设备的可靠性,较少涉及无线通信对于CBTC系统可靠性的影响.由于空间电磁干扰以及传输环境的不确定性,无线通信可靠性对于系统整体可靠性的影响也不容忽视,其往往成为通信系统可靠性的瓶颈.

因此,本工作从可靠性理论入手,考虑设备和通信信道二者的可靠性,通过建立LTE承载轨交列控业务时各种冗余的可靠性系统模型,定量分析各种系统构架下的可靠性.

1 通信系统可靠性能分析

1.1 CBTC系统基本结构

常见轨道交通1.8 GHz的LTE列车专频专网控制系统由LTE的核心网(internet evolved packet core,iEPC)、数字基带单元(base band unite,BBU)、光纤拉远基站(radio remote unit,RRU)、车载接收端(terminal access unit,TAU)4个主要部分构成,实现地面控制中心(operating control center,OCC)与车载控制单元(carborne controller,CC)之间的通信.系统结构如图1所示.

图1 轨交车地LTE通信双网冗余系统Fig.1 Rail transit redundant control system of LTE

系统可靠性是一个很复杂的问题,由于系统的组成复杂,涉及的影响参数多,本工作主要研究系统网络的连接方式、部件的可靠性、部件间有线通信和无线通信的可靠性决定OCC到CC的的可靠性.其中RRU与TAU之间为无线通信,其他部件之间为有线通信.

1.2 网络模型的可靠性

1.2.1 简单网络模型

系统可靠性的简单网络模型有以下两种:①串联系统,即系统中任一单元的故障,就会导致整个系统故障(见图2);②并联系统,即系统的所有单元都故障时,系统才发生故障(见图3).式(1)和(2)分别是串联和并联系统整体可靠性表达式.

图2 简单串联系统模型Fig.2 Model of simple series system

图3 简单并联系统模型Fig.3 Model of simple parallel system

式中:Ri为各部件可靠性参数;Rs为系统整体可靠性参数,其取值为[0,1).

1.2.2 一般网络模型

一般网络模型如图4所示.当系统难以分割为串联与并联,而是一种交叉连接时,可采用如下的方法进行可靠性分析.

图4 一般网络系统模型Fig.4 Model of common network system

由文献[1]可知,最小路集法适用于较复杂网络的可靠性计算.从系统正常角度出发,网络系统中能使输入输出端沟通的弧的集合称为网络系统的一个路集.如果删去任何一个弧就不再是路集时,则此路集称为系统的一个最小路集.可靠性由端到端最小路集的综合运算得到,符合容斥原理,即

式中,m为路集个数,P(Li)为路集可靠性参数.

图4所示的一般网络系统模型中,最小路集有4个:L1为S1S2,L2为S3S4,L3为S1S4,L4为S3S2.由式(3)可求得一般网络系统可靠性为

式中,当S1～S4的可靠性均为R时,Rs=((2−R)R)2.

1.3 系统部件可靠性

一般电子产品的寿命服从指数分布,其重要的特征是无记忆性,即前后发生的两个故障之间不存在任何的联系,其可靠性函数表示为

式中,t为系统工作时间,λ为失效率.

可修复的产品的寿命是相邻的两次故障间的工作时间,因而其平均寿命为平均故障间隔(mean time between failures,MTBF),用Mt表示.对于可靠性服从指数分布的产品,有

将式(6)代入式(5),可得

式中,当R(t)=e−1时,可靠寿命称为特征寿命;当R(t)=0.5时,可靠寿命称为中位寿命.

根据电子产品寿命的指数分布特征,可由Mt求解可靠寿命,即工作时间t内系统的可靠性.例如,由厂商给定的某列车专频专网通信系统各单元技术参数:iEPC为650 000 h,BBU为252 000 h,RRU为400 000 h,TAU为110 000 h,推算得到各部件可靠性函数为

1.4 通信可靠性

1.4.1 有线通信

图5是核心网与基站之间有线通信的连接,其中SW为交换机.各部件连接的可靠性相对系统部件来说极高.例如,光纤、馈线的可靠性R(t)fiber≈1,同时交换机的MTBF远大于iEPC等LTE通信部件.

图5 iEPC与BBU的有线连接Fig.5 Wire connection between iEPC and BBU

厂商配置的光纤循环网中SW的Mt参数为3 000 000 h,由式(9)可得

由式(10)可知,当运行时间t小于最小的部件可靠寿命,即t<110000h时,可视为R(t)fiber+BBUR(t)BBU.

按照上述分析,系统可靠性几乎不会因为有线通信接入而下降.如图6所示,有线部分与BBU可靠性为接入iEPC,CC等部件的有线连接也与之类似.

图6 有线通信可靠性计算方法Fig.6 Computing method of reliability of wire connection

1.4.2 无线通信

无线通信的可靠性是整个LTE通信系统中可靠性最低的部分,与电磁环境密切相关.同频通信干扰以及由旁频无线电漏泄或其他电磁噪声,都会降低通信的可靠性.另外,在基站边缘以及无线电覆盖较弱的地区,通信的可靠性也会降低.一般工程设计时,无线通信的误码率控制在10−3,因此本工作定义99.9%为推导全系统可靠性时无线通信端到端链路可靠性相应的数值.

为了达到这一条件,可以对无线传输中的信道增益由路径损耗和阴影衰落加以限制[12].假设信道增益h(d)为传输距离d时的信道增益,则信道增益为

式中:K为常数;d为链路传输距离;η为路径损耗指数;ξ为阴影衰落,服从均值为0、方差为σ2的正态分布.

端到端之间的链路中,假设噪声功率为n0,目标接收信噪比为γth,发射功率为P,实际接收信噪比大于γth,则数据为可靠接收.其他信道参数推算如下[12]:

由式(12)不难看出,可靠性达到99.9%是由发射功率和路径衰减以及信噪比等决定的.

本工作在推导全系统可靠性时,将无线通信的可靠性并入到车载终端中考虑,即将无线信道与车载接收端本身硬件设备看作两设备串联.例如,假定无线链路可靠性为99.9%,已知TAU的MTBF参数为110 000 h,则无线部分与TAU可靠性为

另外,无线部分的可靠性统一在车载接收端TAU计算,如图7所示.

图7 无线通信可靠性计算方法Fig.7 Computing method of reliability of wireless connection

1.4.3 整个系统通信

本工作中轨交车地LTE通信双网冗余系统中的有线及无线部分可靠性计算并入设备中考虑,如图8所示.

图8 轨交车地LTE通信双网冗余系统可靠性计算简图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 轨道交通1.8 GHz LTE专频专网系统

2.1.1 无冗余通信系统

由上分析,可对轨道交通LTE专网无冗余结构下的可靠性进行计算,如图9所示.

图9 轨交车地LTE通信无冗余系统可靠性计算简图Fig.9 Simplified diagram of reliability calculation of the rail transit non-redundancy control system of LTE

已知各设备MTBF参数:IEPC为650000 h,BBU为252 000h,RRU为400000h,TAU为110 000 h.无线部分可靠性为99.9%.由串联系统可靠性Rs=RARCRERG×Rwireless,可以推得轨道交通1.8 GHz车地通信无冗余系统可靠性,结果如图10所示.由图10可以看出,系统可靠性随工作时间增加而减小.

图10 轨交车地LTE通信系统可靠性Fig.10 Reliability of the rail transit control system of LTE

2.1.2 双网冗余通信系统

由上分析,可对轨道交通LTE专频双网冗余结构的可靠性进行计算,结果如图11所示.

图11 轨交车地LTE通信专频双网冗余系统可靠性计算简图Fig.11 Simplified diagram of reliability calculation of the rail transit redundant control system of LTE

已知各设备MTBF参数:IEPC为650000h,BBU为252000h,RRU为400000h,TAU为110000h,无线部分可靠性为99.9%.由并联系统可靠性Rs=1−(1−RARCRERGRwireless)(1−RBRDRFRHRwireless),可以推得双网车地通信冗余系统可靠性,结果如图10(b)所示.由图10(b)可以看出,系统可靠性较无冗余系统有所提高.

2.2 高速磁浮列车专频专网通信系统

上海高速磁浮列车的通信是一种为列控系统专门设计的通信体制,实现了450 km/h下列车运控.列车的位置信息直接与列车驱动线圈的馈电有关.系统采用了38 GHz频率,环境噪声与电磁干扰都很低.接收端以及发射端都有多重冗余,信息传输的可靠性要求超过了地铁.因此,该方案可为LTE系统提供参照.

磁浮车地通信双网冗余系统由无线控制单元(decentralized radio control unit,DRCU)、基站(radio bose station,RBS)、车载接收(MST)、车载终端(mobile rabio control unit,MRCU)4个主要部分构成,可靠性计算如图12所示.系统中无线连接部分不但双网冗余,而且点对点的收发之间也是交叉连接,即车载接收MST与基站RBS间都有两副独立的天线,如图13所示.

图12 磁浮车地通信双网冗余系统可靠性计算简图Fig.12 Simplified diagram of reliability calculation of the maglev redundant control system

图13 基站RBS与车载MST间的交叉连接无线信道Fig.13 Cross connect wireless channel between RBS and MST

假设磁浮系统各设备性能与现有LTE设备类似,即MTBF参数如下:DRCU为650 000 h,MRCU为650 000 h,RBS为400 000 h,MST为110 000 h.设38 GHz毫米波通信可靠性为99.9%,则根据式(3),可求得RBS A与MST A之间无线通信可靠性为99.999 8%.

由最小路集法归纳得系统最小路集:L1路径ACEG,L2路径ACFHG,L3路径ABDFHG,L4路径ABDEG,L5路径BDFH,L6路径BDEGH,L7路径BACEGH,L8路径BACFH.该系统可靠性由最小路集法公式求得,由式(3)可以推算得磁浮车地通信冗余系统可靠性为Rs(t)=P(L1∪L2∪···∪L8),结果如图14所示.

图14 磁浮车地通信双网冗余系统可靠性Fig.14 Reliability of the maglev redundant control system

2.3 改进型1.8 GHz LTE专频专网系统

参照磁浮列车控制系统的结构,本工作提出增加网络交叉冗余提高LTE列车控制系统可靠性的方法,其中红蓝双网的信息互相转发需要增加分布式版本控制系统(distributed revision control system,DRCS)服务器,如图15所示.

图15 改进型LTE双网车地通信系统结构Fig.15 Improved rail transit redundant control system of LTE

已知各设备MTBF参数:DRCS为1 200 000 h,IEPC为650 000 h,BBU为252 000 h,RRU为400 000 h,TAU为110 000 h,无线部分可靠性为99.9%,对该双网冗余结构的改进系统进行分析.由最小路集法归纳得系统最小路集:L1路径ACEGI,L2路径ACEGJ,L3路径ADFHJ,L4路径ADFHI,L5路径BDFHJ,L6路径BDFHI,L7路径BCEGI,L8路径BCEGJ.系统可靠性由最小路集法公式(式(3)),可以推算得改进型1.8 GHz LTE双网冗余系统可靠性为Rs(t)=P(L1∪L2∪···∪L8),结果如图16所示.

图16 改进型轨交车地LTE通信双网冗余系统可靠性Fig.16 Reliability of the improved rail transit redundant control system

3 不同系统单双网可靠性能比较及线路整体可靠性分析

3.1 磁浮及改进型轨道交通LTE列控系统双网冗余模型

磁浮及改进型轨道交通LTE系统双网冗余模型可靠性如图17所示.不难看出,磁浮由于无线传输可靠性强,冗余结构合理,可靠性高于改进型轨道交通LTE系统.目前轨道交通LTE系统可以增强冗余结构的复杂性,以此提升系统可靠性.除此之外,以磁浮列控系统为参考依据,进一步增强无线通信的性能,也能够提升系统可靠性.

3.2 改进型轨道交通LTE列控系统线路

在实际使用中改进型轨道交通LTE系统是在列车运行过程中不断切换至沿线下一基站,以此完成整条线路的列车控制(见图18),其中BS1,BS2,BSn是类似图15的冗余通信系统.

图17 各通信系统模型可靠性比较Fig.17 Reliability comparison between different models of various train control systems

图18 改进型轨道交通LTE列控系统线路整体结构Fig.18 Structure of the whole line of improved LTE rail transit control system

若图18中的一套BS出现故障,整条线路将不能正常运行,因此线路整体的可靠性取决于所有BS串联总和.一段20 km的线路中,轨道交通LTE系统总基站数为20套,而磁浮列控系统总基站数为13套,线路总体可靠性比较如图19所示.不难看出,随基站数量增加,不可靠因素也随之增多,一套基站系统的静态连接可靠性远高于多基站系统的可靠性.各通信系统的中位寿命如表1所示,其中标有**的是全线路系统中位寿命.由表1可知,采取LTE改进型双网全线路系统与磁浮全线路系统可靠性尚有差距.

图19 各通信系统线路总体可靠性比较Fig.19 Reliability comparison between models of the whole line of various train control systems

表1 各控制系统的中位寿命Table 1 Median lifetime of all control systems

4 结束语

本工作从可靠性理论方面入手,对现有的各种列车控制通信系统进行可靠性计算,结果表明专网技术的恰当冗余能使列车通信系统具有更高的可靠性;进一步参照磁浮列控系统复杂冗余模型,提出改进型LTE双网冗余将比传统并联双网冗余具有更大的优势,中位寿命能够提升约30%.另外,线路部署的基站数目很大程度影响了总体可靠性,20套LTE基站系统中位寿命约为单站系统的17%.目前来看,LTE系统较具有同等设备可靠性的磁浮系统还有一定差距,可以从系统冗余结构、无线通信部署、通信方式选择等方面进一步提高轨道交通列控系统可靠性,这项工作将对LTE系统在列控应用中的普及具有极为重要的意义.