基于SPN的LTE無線通信可靠性建模研究

李新鈺

(中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津 300308)

0 引言

高速鐵路通信系統(tǒng)作為我國鐵路運輸?shù)闹鲃用}，它承載了鐵路列車的安全控制業(yè)務、列車調度業(yè)務以及數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務等。根據(jù)不同鐵路系統(tǒng)配置及所應用的場景方面來看，可以將中國鐵路列車運行控制系統(tǒng)(Chinese Train Control System ，CTCS)，劃分成5個等級(0至4)，以此來滿足不同鐵路運輸線路的運輸需求的規(guī)范與技術標準[1]。現(xiàn)階段國內相對普遍應用的列車控制系統(tǒng)為CTCS-3級系統(tǒng)，在已有線路的改造過程中或者新鐵路建設當中，通信方面依然采用第二代專用GSM-R無線通信系統(tǒng)。但該無線通信系統(tǒng)利用效率低、承載能力弱，因此無法充分滿足當前高鐵系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展的要求。為此，國際鐵路聯(lián)盟提出了下一代LTE-R(Long Term Evolution-Railway)高速鐵路無線通信系統(tǒng)。雖然該系統(tǒng)當前處于理論及研究階段，但是其可靠性和安全性研究對車車通信、車地通信質量等方面有著重要的現(xiàn)實意義。根據(jù)上述信息，本文從LTE-R無線通信系統(tǒng)存在的故障恢復時延問題和角度為出發(fā)點，結合隨機Petri網，構建了一種SPN的LTE-R無線通信系統(tǒng)故障恢復可靠性模型。同時，借助仿真軟件對其可靠性進行分析。經研究結果證明該無線通信技術的應用，可為下一代LTE-R無線通信的發(fā)展提供相應的理論支撐。

1 LTE-R鐵路無線通信故障研究分析

1.1 無線通信系統(tǒng)LTE-R

LTE-R是在TD-LTE通信系統(tǒng)的基礎之上，結合分時長期演進，并通過對協(xié)議棧的優(yōu)化，所開發(fā)設計的一種能夠適應CTCS各項性能指標的未來中國鐵路無線通信專網。因此，與現(xiàn)在已有的高鐵GSM-R網絡結構進行對比分析，LTE-R的網絡架構兩者之間存在較大的差別，具體如圖1所示[2]。

對鐵路通信網絡架構定義的LTE-R無線通信系統(tǒng)和GSM-R網絡架構兩者之間對比，從接入網方面來看，LTE-R僅具備eNodeB，減少了第二代通信系統(tǒng)的控制設備數(shù)量，并使LTE-R通信系統(tǒng)網絡架構更加扁平化。因此，該系統(tǒng)架構既具備了底數(shù)據(jù)通信延時特點，又降低了高鐵運營建設的成本。所以，兩者之間對比均是寬帶系統(tǒng)，以此為鐵路以及列車運行控制提供了會話業(yè)務、視頻監(jiān)控業(yè)務以及列車行駛控制業(yè)務等[3]。

1.2 LTE-R通信故障分析

針對LTE-R系統(tǒng)而言，既需要具備非列控數(shù)據(jù)，又要擁有承載列車行車安全的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。這對該無線通信系統(tǒng)而言，其可能存在的通信網絡傳輸問題、鏈路中斷或者越區(qū)切換失敗等故障問題均會對LTE-R系統(tǒng)的可靠性造成一定程度上的影響。

2 基于SPN的LTE-R可靠性模型構建

2.1 LTE-R網故障恢復SPN模型

對LTE-R無線通信系統(tǒng)中存在的3種故障因素進行分析，結合高速列車行駛下多普勒頻移對該通信網絡造成的影響分析，從而構建出基于SPN的LTE-R無線通信故障恢復的可靠向模型。從該模型中可以發(fā)現(xiàn)，黑顏色寬矩形代表了確定性變遷，同類型較窄的矩形則代表了瞬時變遷。而白色矩形則代表了指數(shù)分布變遷。其中，相對應的參數(shù)類型則是依據(jù)不同類型事件所發(fā)生的數(shù)學概率特征來實現(xiàn)并確定的。其取值主要以中國鐵路列車運行控制系統(tǒng)的Qos指標以及本文LTE-R無線通信系統(tǒng)的相關技術參數(shù)為基礎，借助仿真工具實現(xiàn)了對LTE-R可靠性模型的構建，接著利用相關編程語言實現(xiàn)對不同仿真執(zhí)行評價的策略函數(shù)以及配置、性能等方面進行定義、分析。最后，在進行SPN可靠性模型建模時，為能夠更進一步對LTE-R無線通信系統(tǒng)進行分析，還需要對不同的庫及變遷賦予對應的含義[4]。

圖1 LTE-R網絡架構和GSM-R網絡架構對比分析

并且，定義的指數(shù)變遷loss代表連接丟失，startburst代表傳輸出錯以及cellborde代表越區(qū)切換進入事件。因此，當這3個不同類型的變遷得到激活后，這表示LTE-R無線通信系統(tǒng)產生了不同類型的故障問題，如連接時延、信道故障和信道修復等問題。

2.2 SPN模型故障恢復過程

當SPN模型處于連接丟失和恢復過程時，發(fā)生連接丟失現(xiàn)象，指數(shù)變遷鏈路會得到激活，這時系統(tǒng)連接狀態(tài)中的token就會消失，而鏈路丟失狀態(tài)當中會產生對應的token。此時，系統(tǒng)會檢測到連接丟失故障問題，而變遷的detection會得到激活，接著系統(tǒng)就會重新嘗試進行區(qū)域重連的過程。不過，受UE連接丟失后首次進行請求重連的目標基站當中已經成功建立起終端上下文信息。這時，UE就能夠直接實現(xiàn)這個過程的校驗，并實現(xiàn)重新連接，而整個過程并不需要重新回到空閑狀態(tài)[5]。

而在SPN模型當中，token經過LTErec進入到UE重新發(fā)起連接請求，如果重新連接成功，則token就會經過變遷estsuc-cess重新回到系統(tǒng)連接狀態(tài)，這時系統(tǒng)會恢復到正常狀態(tài)。反之，如果重新連接失敗，token會借助變遷estfail進入到UE重新連接失敗的狀態(tài)，這時只需要將終端重新回到空閑態(tài)，并向基站發(fā)起重新建立雙方連接的請求，對應的token就會經過確定性時間變遷idleconnect后回到系統(tǒng)已檢測到連接丟失的狀態(tài)當中。

當SPN模型處于傳輸錯誤以及恢復過程時，若是存在數(shù)據(jù)傳輸出錯的問題(事件)startburst，這時系統(tǒng)就會開始執(zhí)行HARQ進行錯誤數(shù)據(jù)糾正。并且，還會結合混合自動重傳的基本過程，向UE發(fā)送重新連接的請求，這時token就會借助代表eNodeB，對重新請求的變遷NACK-Process進行處理，并進入到傳輸錯誤緩沖的狀態(tài)當中。而變遷chdownl則會對系統(tǒng)信道的傳輸質量進行再一次判斷。如果該信道表示正常，則信道就會恢復正常狀態(tài)，并進行標記。此時，基站方面就會成功接收到重新傳輸?shù)恼埱髽擞?，并進入到下一步的處理工作流程當中。反之，若是傳輸信道出現(xiàn)故障時，且信道故障狀態(tài)被標記，那么chdownl變遷就會被激活，并回到傳輸出錯的狀態(tài)，再一次進行重新傳輸請求發(fā)送。而收到的基站經過一系列流程，實現(xiàn)傳輸信道恢復和傳輸工作。

當SPN模型處于越區(qū)切換導致的故障時，如果高速列車達到eNodeB的邊界時，若是出現(xiàn)越區(qū)切換造成的故障問題，那么在對應的模型當中指數(shù)elborder變遷就會被激活，同時隨之進入越區(qū)切換前過渡狀態(tài)。越區(qū)切換在受到多普勒效應的影響作用下，dopbad變遷會被激活，同時多普勒頻移會導致系統(tǒng)出現(xiàn)故障狀態(tài)，并產生相應的標記。此時系統(tǒng)也會進入到由多普勒造成的故障狀態(tài)當中。如果該故障問題得到修復。那么越區(qū)切換前的過渡狀態(tài)當中就會產生token，并且越區(qū)切換狀態(tài)得到激活，還會消耗掉越區(qū)切換后緩沖區(qū)狀態(tài)中的token和越區(qū)切換前過渡狀態(tài)中的token。這時越區(qū)切換前緩沖區(qū)狀態(tài)當中就會產生出新的token，這也表示在LTE-R無線通信過程當中，并不會出現(xiàn)無線閉塞中心。當越區(qū)切換信息重新和目標基站兩者實現(xiàn)重連之后，LTE-R無線通信系統(tǒng)就會恢復到正常通信狀態(tài)當中[6]。

3 可靠性模型仿真分析

3.1 工程案例概述

現(xiàn)階段國內具備LTE-R無線通信系統(tǒng)的鐵路主要有朔黃鐵路與京沈鐵路，因此本文進行可靠性模型仿真試驗時，主要選擇該路段為試驗段。且將朔黃鐵路作為貨運為主，進而此次LTE-R仿真分析本文主要以京沈鐵路為對象進行研究分析。已知該路段全長170公里左右，具全長具備7個隧道，區(qū)間RRU配置為63個，整個鐵路沿線配置了華為和中興兩家基站共64個[7]。

3.2 仿真分析

針對LTE-R無線通信系統(tǒng)的可靠性模型進行仿真分析，通過利用隨機petri網的仿真工具進行確定性隨機petri網以及隨機著色petri網等進行建模，并為其提供相應的功能。此次實現(xiàn)環(huán)境主要以win系統(tǒng)為主，其定義仿真執(zhí)行函數(shù)具體分為4個方面：

當LTE-R無線通信系統(tǒng)正常時，其執(zhí)行策略函數(shù)F1則為{#LTEconncted==1}；

當LTE-R無線通信系統(tǒng)出現(xiàn)越區(qū)切換故障時，其對應的庫所執(zhí)行函數(shù)F2則為{#handover==1}；

當LTE-R無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸初選差錯時，庫所執(zhí)行函數(shù)F3則為{#burst==1}；

當其通信連接出現(xiàn)丟失故障時，庫所的執(zhí)行函數(shù)F4則為{LTEIossindication==1}。

因此，評價函數(shù)定義之后，該系統(tǒng)的仿真實踐配置為2.9×104s，并利用仿真工具對其進行分析。然后根據(jù)基于SPN所建立的LTE-R可靠性模型初始化標記為起點，開始執(zhí)行庫所函數(shù)，以此得到LTE-R無線通信系統(tǒng)的正常通信概率以及越區(qū)切換故障概率、數(shù)據(jù)傳輸錯誤概率等對應的結果[8]。并且，為了進一步得出LTE-R無線通信系統(tǒng)的可靠性平衡狀態(tài)分析結果，還通過利用stationary方法對其進行分析，從而得到F1的平均概率在99.6%以及其他對應試驗結果。

同時，為了提升基于SPN構建LTE-R無線通信系統(tǒng)故障恢復模型的有效性，本文又對朔黃鐵路的實際測試數(shù)據(jù)與可靠性模型進行仿真分析，其結果具體如表1所示。

表1 LTE-R鐵路線路實際測試結果和模擬仿真結果對比分析

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，基于SPN所構架的LTE-R無線通信系統(tǒng)故障恢復模型，結合朔黃鐵路中一段實際LTR-R測試數(shù)據(jù)，兩者在同一列車速度和平均基站的間距為7 km的相同條件下進行測試，其越區(qū)切換成功率的仿真試驗結果為99.9%，與實際對LTE-R系統(tǒng)測試的100%結果相對比無限接近。而造成兩者之間存在誤差的主要因素是，由于本文所提出的基于SPN的LTE-R無線通信系統(tǒng)可靠性模型在仿真過程中，針對每個基站的間距采取了平均間距的方式。在實際測試過程當中，該線路邊的基站是結合地方不同的地形進行設計的，是非平均間距。因此，就導致本文最終的仿真分析結果和實際測試結果兩者之間存在極其微小的誤差。

同時，本文在越區(qū)切換成功率方面進行仿真分析，得出的結果超過了CTCS-3對越區(qū)切換的成功率的要求，具體如表1所示。這進一步驗證了本文可靠性模型的有效性。并且，從延時方面進行分析，基于SPN可靠性模型的仿真結果上來看，大于等于150 ms(99%)的結果，和實際測試的結果相比同樣非常接近，且優(yōu)于CTCS-3的標準要求。所以通過以上各方面的仿真結果來看，LTE-R無線通信系統(tǒng)所具備的高可靠性和低時延，要比CTCS-3所應用的第二代GSM-R通信系統(tǒng)的效果要更好。

4 結語

綜上所述，下一代LTE-R無線通信系統(tǒng)作為未來高速鐵路無線通信系統(tǒng)，其自身的可靠性對保障高鐵安全、穩(wěn)定及可靠運行有著重要的現(xiàn)實意義。因此，本文根據(jù)隨機Petri網和LTE-R無線通信系統(tǒng)存在的故障恢復時延問題，構建出基于SPN的LTE-R無線通信故障恢復可靠性評價模型。并結合對應仿真工具實現(xiàn)了對該模型的建模與定量分析，以此得出可行性結論。同時，為能夠進一步對該恢復SPN可靠性模型的有效性進行驗證，本文又將其試驗數(shù)據(jù)和朔黃鐵路LTE-R線路的實際數(shù)據(jù)進行了對比分析，從中發(fā)現(xiàn)實驗仿真的結果無限接近實際鐵路測試結果，由此也進一步證明了本文基于SPN構建的LTE無線通信可靠性模型的可靠性和有效性。