韓熠，黃輝，張輝

自2013年底，鄭州地鐵1號(hào)線首次使用LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)承載PIS（乘客信息系統(tǒng)）和CCTV（閉路電視系統(tǒng)）以來，LTE技術(shù)在地鐵無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，全國有很多城市的地鐵通信系統(tǒng)都使用了LTE網(wǎng)絡(luò)，例如北京、上海、廣州、深圳，武漢、重慶等，承載的業(yè)務(wù)有CBTC（基于通信的列車控制系統(tǒng)）、PIS和CCTV、車輛狀態(tài)信息和語音集群業(yè)務(wù)［1-3］。由于CBTC是進(jìn)行列車控制的關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)，對(duì)LTE無線系統(tǒng)的可靠性要求較高，因此本文主要論述和分析LTE移動(dòng)通信技術(shù)承載CBTC系統(tǒng)的可靠性。

1 LTE系統(tǒng)介紹

LTE網(wǎng)絡(luò)工作在1.8 GHz，采用了包括OFDM（正交頻分多址）、TDD（時(shí)分雙工）、動(dòng)態(tài)調(diào)制和動(dòng)態(tài)信道分配等第4代移動(dòng)通信主流技術(shù)。軌旁采用一體化的高集成度基站單元（EnodeB）接入漏纜進(jìn)行傳輸，基站間無線覆蓋距離可達(dá)1.2 km以上。長(zhǎng)度小于1.2 km的區(qū)間內(nèi)無需設(shè)置任何有源設(shè)備，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

以LTE網(wǎng)絡(luò)承載CBTC為例，列控系統(tǒng)對(duì)于無線通信網(wǎng)絡(luò)有著嚴(yán)格的可靠性要求，規(guī)范中對(duì)承載CBTC系統(tǒng)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)可靠性要求如下。［4］

1）系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間（MTBF）應(yīng)超過8×104h。

2）系統(tǒng)的可用性目標(biāo)大于99.99%。

3）在承載CBTC業(yè)務(wù)時(shí)，應(yīng)能在單點(diǎn)故障情況下保持網(wǎng)絡(luò)通信正常。

4）當(dāng)出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)，單網(wǎng)絡(luò)允許的通信丟失時(shí)間應(yīng)小于2 s。

LTE系統(tǒng)的MTBF和可用性指標(biāo)可以根據(jù)組網(wǎng)架構(gòu)建立馬爾可夫（MARKOV）模型，并對(duì)各組成設(shè)備的MTBF等指標(biāo)進(jìn)行分析。

在進(jìn)行CBTC無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要求單點(diǎn)故障情況下保持網(wǎng)絡(luò)通信正常，因此將LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為A和B 2張完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)［5］，單網(wǎng)中斷時(shí)間不應(yīng)超過2 s。

2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

以某項(xiàng)目為例，CBTC系統(tǒng)采用LTE替代原有的DCS無線WiFi系統(tǒng)。軌旁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1，車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 軌旁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

其中，DRCS為無線通信服務(wù)器，EPC為核心網(wǎng)，EnodeB為基站，Netbox為車載終端。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要采取了以下可靠性設(shè)計(jì)。

1）LTE網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)骨干網(wǎng)絡(luò)均采用2套獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，互為冗余。

2）無線通信服務(wù)器（DRCS）設(shè)備與LTE的A、B網(wǎng)交叉相連，實(shí)現(xiàn)了AA，AB，BB和BA的交叉冗余組網(wǎng)。

3）車載通信終端使用了Netbox，可以達(dá)到單端A、B網(wǎng)同時(shí)在線，2條無線通道實(shí)現(xiàn)冗余。

4）LTE承載網(wǎng)單獨(dú)設(shè)置，與信號(hào)骨干網(wǎng)相互獨(dú)立，以保持信號(hào)骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)不變，降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

3 可靠性分析

LTE系統(tǒng)中各設(shè)備的平均無故障時(shí)間（MTBF）和平均恢復(fù)時(shí)間（MTTR）可靠性指標(biāo)見表1。

表1中所列的各設(shè)備MTBF和MTTR指標(biāo)用于計(jì)算失效率λ和維修率μ。

表1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可靠性指標(biāo)

根據(jù)圖1、圖2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以建立可靠性邏輯框圖，如圖3所示［6］。

圖2 車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3中各設(shè)備并聯(lián)后，再進(jìn)行串聯(lián)。并聯(lián)設(shè)備包括：各信號(hào)骨干網(wǎng)交換機(jī)、主交換機(jī)和DRCS串聯(lián)后組合、LTE核心網(wǎng)EPC、各LTE骨干網(wǎng)交換機(jī)、LTE基站（EnodeB）和車載終端Netbox串聯(lián)后組合。各并聯(lián)組合部分的失效率，采用MARKOV模型進(jìn)行計(jì)算［6］，冗余計(jì)算可靠性模型見圖4。

圖3 可靠性邏輯框圖

圖4 冗余計(jì)算可靠性模型

p是由MARKOV模型得到的特征矩陣：

式中：λ為單系統(tǒng)失效率，即并聯(lián)系統(tǒng)中每一鏈組件的失效率之和；μ為維修率；α為檢測(cè)成功率，考慮到通信中有CRC防護(hù)，故取值0.9999；β為共因失效因子，考慮到主備系統(tǒng)完全獨(dú)立，參考IEC61508-6中最小值，取0.02［7］。

由上述矩陣可以得到以下等式。

由式（2）、式（3）、式（4）可以得到各并聯(lián)組合的可用性A。

得到各并聯(lián)組合的失效率，即λ信號(hào)骨干網(wǎng)交換機(jī)，λ主交換機(jī)和DRCS串聯(lián)組合、λEPC、λLTE骨干網(wǎng)交換機(jī)、λEnodeB和Netbox串聯(lián)后組合，最后得到整體系統(tǒng)失效率及可用度［8］，［9］：

式中n1、n2、n3、n4和n5代表每個(gè)并聯(lián)組合設(shè)備的組數(shù)。

可靠性分析結(jié)果：

系統(tǒng)MTBF=1/λ系統(tǒng)=2.5×105h

系統(tǒng)可用度A系統(tǒng)=99.99986%

對(duì)比LTE網(wǎng)絡(luò)的可靠性指標(biāo)，計(jì)算得出的可靠性指標(biāo)能夠滿足CBTC系統(tǒng)的使用需求。

4 應(yīng)用情況

為驗(yàn)證LTE系統(tǒng)的可靠性，針對(duì)卡斯柯信號(hào)有限公司現(xiàn)場(chǎng)開通項(xiàng)目的運(yùn)營情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

武漢地鐵6號(hào)線是卡斯柯公司最早開通的LTE承載CBTC系統(tǒng)項(xiàng)目，在列車低速和高速動(dòng)車調(diào)試期間，LTE網(wǎng)絡(luò)通信正常。調(diào)取部分時(shí)間車載網(wǎng)絡(luò)的通信記錄，車載CC的OMAP通信完全正常，沒有發(fā)生因?yàn)橥ㄐ胖袛喽|發(fā)緊急制動(dòng)的停車現(xiàn)象。該項(xiàng)目自2016年底開通至今，LTE網(wǎng)絡(luò)保持了很低的故障率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于WiFi系統(tǒng)，LTE整網(wǎng)運(yùn)行正常，性能穩(wěn)定，說明采用1.8 GHz頻段LTE技術(shù)進(jìn)行無線通信傳輸具有較高的可靠性。

統(tǒng)計(jì)卡斯柯公司已開通運(yùn)營的LTE項(xiàng)目見表2。

表2 卡斯柯公司LTE項(xiàng)目情況統(tǒng)計(jì)

這些項(xiàng)目的累計(jì)開通時(shí)間為11年8個(gè)月，統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)LTE網(wǎng)絡(luò)故障情況如下。

武漢6號(hào)線，2018年發(fā)生1次時(shí)鐘故障，1次基站接入成功率告警故障，2019年發(fā)生1次基站連接故障。

武漢8號(hào)線，2019年發(fā)生1次基站駐波比異常故障。

鄭州5號(hào)線，2019年發(fā)生基站電源告警和光模塊收發(fā)異常告警各1次。

南寧3號(hào)線，2019年發(fā)生1次車載終端宕機(jī)，列車處于單網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：LTE項(xiàng)目開通運(yùn)營時(shí)間內(nèi)，發(fā)生故障數(shù)量很少，并且這些故障沒有引起信號(hào)系統(tǒng)故障。

5 結(jié)束語

LTE系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)是通過建立模型計(jì)算得出的理論值，并經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和測(cè)試［10］，具有較高的可信度，保障了列控信息車地傳輸?shù)目煽啃浴Ｒ虼?，卡斯柯公司在武漢及其他信號(hào)CBTC系統(tǒng)項(xiàng)目中，直接采用了自動(dòng)駕駛ATO模式（基于車地通信的信號(hào)模式），取消了點(diǎn)式后備ATP模式（基于手動(dòng)的信號(hào)模式，無需車地通信），在項(xiàng)目建設(shè)中減少了大量的軌旁信號(hào)設(shè)備，并降低了建設(shè)成本。

本文基于LTE承載CBTC系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)，對(duì)LTE系統(tǒng)的可靠性通過建立模型進(jìn)行分析和計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果可供實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用參考，同時(shí)可為軌道交通無線通信系統(tǒng)使用LTE網(wǎng)絡(luò)更好地承載CTBC關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供一些參考和借鑒。