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(wù)、列車調(diào)度業(yè)務(wù)以及數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)等。根據(jù)不同鐵路系統(tǒng)配置及所應(yīng)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(shù)標準[1]?，F(xiàn)階段國內(nèi)相對普遍應(yīng)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(shè)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(zhì)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(fù)時延問題和角度為出發(fā)點，結(jié)合隨機Petri網(wǎng)，構(gòu)建了一種SPN的LTE-R無線通信系統(tǒng)故障恢復(fù)可靠性模型。同時，借助仿真軟件對其可靠性進行分析。經(jīng)研究結(jié)果證明該無線通信技術(shù)的應(yīng)用，可為下一代LTE-R無線通信的發(fā)展提供相應(yīng)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(chǔ)之上，結(jié)合分時長期演進，并通過對協(xié)議棧的優(yōu)化，所開發(fā)設(shè)計的一種能夠適應(yīng)CTCS各項性能指標的未來中國鐵路無線通信專網(wǎng)。因此，與現(xiàn)在已有的高鐵GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行對比分析，LTE-R的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)定義的LTE-R無線通信系統(tǒng)和GSM-R網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兩者之間對比，從接入網(wǎng)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(shè)備數(shù)量，并使LTE-R通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化。因此，該系統(tǒng)架構(gòu)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(shè)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(wù)、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)以及列車行駛控制業(yè)務(wù)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(wù)。這對該無線通信系統(tǒng)而言，其可能存在的通信網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建

2.1 LTE-R網(wǎng)故障恢復(fù)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(jié)合高速列車行駛下多普勒頻移對該通信網(wǎng)絡(luò)造成的影響分析，從而構(gòu)建出基于SPN的LTE-R無線通信故障恢復(fù)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(yīng)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(xué)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(guān)技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)，借助仿真工具實現(xiàn)了對LTE-R可靠性模型的構(gòu)建，接著利用相關(guān)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(yīng)的含義[4]。

圖1 LTE-R網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和GSM-R網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(chǎn)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(fù)等問題。

2.2 SPN模型故障恢復(fù)過程

當SPN模型處于連接丟失和恢復(fù)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(chǎn)生對應(yīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(fù)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(yīng)的token就會經(jīng)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(fù)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(jié)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(zhì)量進行再一次判斷。如果該信道表示正常，則信道就會恢復(fù)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)恼埱髽擞洠⑦M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(jīng)過一系列流程，實現(xiàn)傳輸信道恢復(fù)和傳輸工作。

當SPN模型處于越區(qū)切換導(dǎo)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(yīng)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(yīng)的影響作用下，dopbad變遷會被激活，同時多普勒頻移會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障狀態(tài)，并產(chǎn)生相應(yīng)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(fù)。那么越區(qū)切換前的過渡狀態(tài)當中就會產(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(nèi)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(wǎng)的仿真工具進行確定性隨機petri網(wǎng)以及隨機著色petri網(wǎng)等進行建模，并為其提供相應(yīng)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(yīng)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(yīng)的結(jié)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(jié)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(yīng)試驗結(jié)果。

同時，為了提升基于SPN構(gòu)建LTE-R無線通信系統(tǒng)故障恢復(fù)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(jié)果具體如表1所示。

表1 LTE-R鐵路線路實際測試結(jié)果和模擬仿真結(jié)果對比分析

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，基于SPN所構(gòu)架的LTE-R無線通信系統(tǒng)故障恢復(fù)模型，結(jié)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(jié)果為99.9%，與實際對LTE-R系統(tǒng)測試的100%結(jié)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(jié)合地方不同的地形進行設(shè)計的，是非平均間距。因此，就導(dǎo)致本文最終的仿真分析結(jié)果和實際測試結(jié)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(jié)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(jié)果上來看，大于等于150 ms(99%)的結(jié)果，和實際測試的結(jié)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(jié)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(yīng)用的第二代GSM-R通信系統(tǒng)的效果要更好。

4 結(jié)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(wǎng)和LTE-R無線通信系統(tǒng)存在的故障恢復(fù)時延問題，構(gòu)建出基于SPN的LTE-R無線通信故障恢復(fù)可靠性評價模型。并結(jié)合對應(yīng)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(jié)論。同時，為能夠進一步對該恢復(fù)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(jié)果無限接近實際鐵路測試結(jié)果，由此也進一步證明了本文基于SPN構(gòu)建的LTE無線通信可靠性模型的可靠性和有效性。