LTE移動通信承載CBTC系統(tǒng)的可靠性分析

韓熠，黃輝，張輝

自2013年底，鄭州地鐵1號線首次使用LTE（長期演進技術）網(wǎng)絡承載PIS（乘客信息系統(tǒng)）和CCTV（閉路電視系統(tǒng)）以來，LTE技術在地鐵無線通信系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，全國有很多城市的地鐵通信系統(tǒng)都使用了LTE網(wǎng)絡，例如北京、上海、廣州、深圳，武漢、重慶等，承載的業(yè)務有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［1-3］。由于CBTC是進行列車控制的關鍵業(yè)務系統(tǒng)，對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移動通信技術承載CBTC系統(tǒng)的可靠性。

1 LTE系統(tǒng)介紹

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

以LTE網(wǎng)絡承載CBTC為例，列控系統(tǒng)對于無線通信網(wǎng)絡有著嚴格的可靠性要求，規(guī)范中對承載CBTC系統(tǒng)業(yè)務的網(wǎng)絡可靠性要求如下。［4］

1）系統(tǒng)的平均無故障時間（MTBF）應超過8×104h。

2）系統(tǒng)的可用性目標大于99.99%。

3）在承載CBTC業(yè)務時，應能在單點故障情況下保持網(wǎng)絡通信正常。

4）當出現(xiàn)單點故障時，單網(wǎng)絡允許的通信丟失時間應小于2 s。

LTE系統(tǒng)的MTBF和可用性指標可以根據(jù)組網(wǎng)架構建立馬爾可夫（MARKOV）模型，并對各組成設備的MTBF等指標進行分析。

在進行CBTC無線系統(tǒng)設計時，要求單點故障情況下保持網(wǎng)絡通信正常，因此將LTE網(wǎng)絡設計為A和B 2張完全獨立的網(wǎng)絡［5］，單網(wǎng)中斷時間不應超過2 s。

2 網(wǎng)絡設計

以某項目為例，CBTC系統(tǒng)采用LTE替代原有的DCS無線WiFi系統(tǒng)。軌旁網(wǎng)絡結構見圖1，車載網(wǎng)絡結構見圖2。

圖1 軌旁網(wǎng)絡結構

其中，DRCS為無線通信服務器，EPC為核心網(wǎng)，EnodeB為基站，Netbox為車載終端。網(wǎng)絡架構設計中，主要采取了以下可靠性設計。

1）LTE網(wǎng)絡和信號骨干網(wǎng)絡均采用2套獨立網(wǎng)絡，互為冗余。

2）無線通信服務器（DRCS）設備與LTE的A、B網(wǎng)交叉相連，實現(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，可以達到單端A、B網(wǎng)同時在線，2條無線通道實現(xiàn)冗余。

4）LTE承載網(wǎng)單獨設置，與信號骨干網(wǎng)相互獨立，以保持信號骨干網(wǎng)結構不變，降低網(wǎng)絡復雜度，簡化網(wǎng)絡結構，提高整個系統(tǒng)的可靠性。

3 可靠性分析

LTE系統(tǒng)中各設備的平均無故障時間（MTBF）和平均恢復時間（MTTR）可靠性指標見表1。

表1中所列的各設備MTBF和MTTR指標用于計算失效率λ和維修率μ。

表1 網(wǎng)絡設備可靠性指標

根據(jù)圖1、圖2的網(wǎng)絡結構，可以建立可靠性邏輯框圖，如圖3所示［6］。

圖2 車載網(wǎng)絡結構

圖3中各設備并聯(lián)后，再進行串聯(lián)。并聯(lián)設備包括：各信號骨干網(wǎng)交換機、主交換機和DRCS串聯(lián)后組合、LTE核心網(wǎng)EPC、各LTE骨干網(wǎng)交換機、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模型進行計算［6］，冗余計算可靠性模型見圖4。

圖3 可靠性邏輯框圖

圖4 冗余計算可靠性模型

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為檢測成功率，考慮到通信中有CRC防護，故取值0.9999；β為共因失效因子，考慮到主備系統(tǒng)完全獨立，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信號骨干網(wǎng)交換機，λ主交換機和DRCS串聯(lián)組合、λEPC、λLTE骨干網(wǎng)交換機、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代表每個并聯(lián)組合設備的組數(shù)。

可靠性分析結果：

系統(tǒng)MTBF=1/λ系統(tǒng)=2.5×105h

系統(tǒng)可用度A系統(tǒng)=99.99986%

對比LTE網(wǎng)絡的可靠性指標，計算得出的可靠性指標能夠滿足CBTC系統(tǒng)的使用需求。

4 應用情況

為驗證LTE系統(tǒng)的可靠性，針對卡斯柯信號有限公司現(xiàn)場開通項目的運營情況進行統(tǒng)計。

武漢地鐵6號線是卡斯柯公司最早開通的LTE承載CBTC系統(tǒng)項目，在列車低速和高速動車調(diào)試期間，LTE網(wǎng)絡通信正常。調(diào)取部分時間車載網(wǎng)絡的通信記錄，車載CC的OMAP通信完全正常，沒有發(fā)生因為通信中斷而觸發(fā)緊急制動的停車現(xiàn)象。該項目自2016年底開通至今，LTE網(wǎng)絡保持了很低的故障率，遠遠低于WiFi系統(tǒng)，LTE整網(wǎng)運行正常，性能穩(wěn)定，說明采用1.8 GHz頻段LTE技術進行無線通信傳輸具有較高的可靠性。

統(tǒng)計卡斯柯公司已開通運營的LTE項目見表2。

表2 卡斯柯公司LTE項目情況統(tǒng)計

這些項目的累計開通時間為11年8個月，統(tǒng)計時間內(nèi)LTE網(wǎng)絡故障情況如下。

武漢6號線，2018年發(fā)生1次時鐘故障，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號線，2019年發(fā)生1次基站駐波比異常故障。

鄭州5號線，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號線，2019年發(fā)生1次車載終端宕機，列車處于單網(wǎng)運行狀態(tài)。

以上統(tǒng)計結果表明：LTE項目開通運營時間內(nèi)，發(fā)生故障數(shù)量很少，并且這些故障沒有引起信號系統(tǒng)故障。

5 結束語

LTE系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)是通過建立模型計算得出的理論值，并經(jīng)過長時間現(xiàn)場運行和測試［10］，具有較高的可信度，保障了列控信息車地傳輸?shù)目煽啃?。因此，卡斯柯公司在武漢及其他信號CBTC系統(tǒng)項目中，直接采用了自動駕駛ATO模式（基于車地通信的信號模式），取消了點式后備ATP模式（基于手動的信號模式，無需車地通信），在項目建設中減少了大量的軌旁信號設備，并降低了建設成本。

本文基于LTE承載CBTC系統(tǒng)組網(wǎng)架構，對LTE系統(tǒng)的可靠性通過建立模型進行分析和計算，計算的結果可供實際項目應用參考，同時可為軌道交通無線通信系統(tǒng)使用LTE網(wǎng)絡更好地承載CTBC關鍵業(yè)務提供一些參考和借鑒。