高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)可用度分析

安三力 丁 珣

中鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司 100043 北京

*工程師 ＊＊助理工程師

1 系統(tǒng)可用度概述

根據(jù)相關(guān)定義:可靠度、可維修度、可用度等一起構(gòu)成廣義可靠性指標(biāo)，它們都是時(shí)間t的函數(shù)，分別用R(t)、M(t)、A(t)表示。下面主要討論系統(tǒng)單元的可用度A(t)。假設(shè)系統(tǒng)的故障和修復(fù)時(shí)間均為指數(shù)分布時(shí)，故障率λ和修復(fù)率μ都是常數(shù)，當(dāng)t趨近于無(wú)窮大時(shí)，

稱為穩(wěn)定 (極限)可用度，(1)式中MTBF為平均無(wú)故障時(shí)間，指該單元相鄰2次故障之間的平均工作時(shí)間;MTTR為平均修復(fù)時(shí)間，指該單元故障后所需的平均修復(fù)時(shí)間。根據(jù)系統(tǒng)中各單元可用度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可用度的影響，首先建立系統(tǒng)的可用度模型，然后根據(jù)模型分析得出系統(tǒng)的可用度。

對(duì)于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其可用度是各單元可用度的乘積，用Ai代表各單元的可用度，A代表系統(tǒng)的可用度，可以表示為

對(duì)于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，只有在系統(tǒng)中所有單元均故障時(shí)才不可用，因此系統(tǒng)的不可用度為各單元不可用度的乘積。

對(duì)于混合型系統(tǒng)，可先分別計(jì)算系統(tǒng)中各串聯(lián)子系統(tǒng)和并聯(lián)子系統(tǒng)可用度，之后再將其作為一個(gè)單位考慮，計(jì)算系統(tǒng)的可用度。

2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)可用度分析

GSM-R網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)NSS和無(wú)線子系統(tǒng)BSS。

圖1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸基本結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) (NSS)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的失效。

無(wú)線子系統(tǒng) (BSS)包括BSS與NSS之間的傳輸鏈路、TRAU(編譯碼和速率適配單元)、BSC(基站控制器)、BTS(基站)，以及BSC與BTS之間的傳輸鏈路。BSS與NSS之間的傳輸鏈路中斷、TRAU單點(diǎn)故障、BSC單點(diǎn)故障都會(huì)導(dǎo)致該無(wú)線子系統(tǒng)內(nèi)的所有基站無(wú)法連接到核心網(wǎng)，從而造成整個(gè)系統(tǒng)失效;單個(gè)BTS故障會(huì)導(dǎo)致其相應(yīng)覆蓋小區(qū)失效，同時(shí)導(dǎo)致其所在環(huán)后方基站的傳輸中斷;BSC與BTS之間的傳輸失效，將會(huì)導(dǎo)致該傳輸環(huán)上所有基站對(duì)應(yīng)小區(qū)失效，但高速鐵路中為保證系統(tǒng)可用度，在BSC與BTS之間采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，因此單條傳輸鏈路中斷不會(huì)導(dǎo)致BTS與BSC之間的通信中斷，只有當(dāng)正、反環(huán)傳輸環(huán)均中斷時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致基站傳輸環(huán)失效。

根據(jù)以上分析，對(duì)于系統(tǒng)中的某個(gè)小區(qū)，其可用度可用圖2所示的可用度模型來(lái)表示。

圖2 某小區(qū)GSM-R網(wǎng)絡(luò)可用度模型

圖2中Ni代表影響其可用度的各單元。N1為當(dāng)前小區(qū)對(duì)應(yīng)的基站，屬于可用度模型中的串聯(lián)單元，該基站發(fā)生故障時(shí)該小區(qū)失效。

N2為N1基站所屬基站傳輸環(huán)的正環(huán)光纜，N3代表N1基站所屬基站傳輸環(huán)正環(huán)前方的基站，N2、N3這2個(gè)單元任何一個(gè)故障均會(huì)導(dǎo)致N1基站所屬基站傳輸環(huán)的正環(huán)中斷;N4為N1基站所屬基站傳輸環(huán)的反環(huán)光纜，N5代表N1基站所屬基站傳輸環(huán)反環(huán)前方的基站，N4、N5這2個(gè)單元任何一個(gè)故障均會(huì)導(dǎo)致N1基站所屬基站傳輸環(huán)反環(huán)中斷。只有當(dāng)N1基站所屬基站傳輸環(huán)正環(huán)、反環(huán)均中斷時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致該基站的傳輸中斷。N6代表 N1基站所屬 BSC，N7代表BSS與NSS之間的傳輸光纜，N8代表N1基站所屬TRAU，N9代表N1基站所屬M(fèi)SC，這些單元均為可用度模型中的串聯(lián)單元，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障均會(huì)導(dǎo)致該小區(qū)失效。

3 京石武客專GSM-R網(wǎng)絡(luò)及其可用度模型分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

京石武客運(yùn)專線正線基站位置的設(shè)置滿足移動(dòng)終端在高速 (350 km/h)運(yùn)行狀態(tài)下的使用，采用單網(wǎng)交織的覆蓋方式，相鄰基站的站距及場(chǎng)強(qiáng)覆蓋重疊區(qū)滿足高速(350 km/h)移動(dòng)終端越區(qū)切換的需要。根據(jù)屬地化管理，沿線基站分別接入北京、鄭州、武漢基站控制器 (BSC)，各BSC分別與所在地MSC相連。

京石客專暨石武客專 (河北段)部分的無(wú)線GSM-R設(shè)施利用北京設(shè)置的MSC、GPRS、智能網(wǎng)等子系統(tǒng)。該線新設(shè)基站子系統(tǒng)，其中在北京核心網(wǎng)機(jī)房新設(shè)BSC、通用分組單元 (PCU)及TRAU設(shè)備;沿線設(shè)置基站設(shè)備、鐵塔、天線、光纖直放站、手持臺(tái)、SIM卡及漏泄同軸電纜。

石武客專 (河南段)在鄭州新設(shè)GSM-R核心節(jié)點(diǎn)MSC及相關(guān)設(shè)備，河南段無(wú)線子系統(tǒng)接入鄭州核心網(wǎng)，在鄭州通信站核心網(wǎng)機(jī)房新設(shè)BSC/PCU/TRAU設(shè)備。

石武客專 (湖北段)GSM-R無(wú)線子系統(tǒng)接入武漢節(jié)點(diǎn)既有的 MSC、GPRS、智能網(wǎng)等核心網(wǎng)設(shè)備，沿線基站接入武漢BSC。

3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分析

京石武客運(yùn)專線采用諾西公司提供的GSM-R無(wú)線設(shè)備，表1和表2分別給出了京石武客專各段各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的MTBF、MTTF值，其中鄭州核心網(wǎng)為該工程新建的核心網(wǎng)，MSC與BSC均采用了新的版本，其MTBF值較北京、武漢相應(yīng)設(shè)備有所提高。表3則給出了根據(jù)公式(1)計(jì)算得出的各節(jié)點(diǎn)可用度值。傳輸光纜假設(shè)每年中斷一次，每次中斷后到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間為3 h，光纖熔接維修時(shí)間為1 h，可以根據(jù)有效性計(jì)算公式算得傳輸光纜的可用度A=99.965753%。

表1 京石武客專各段各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的MTBF值 h

表2 京石武客專各段各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的MTTF值 h

表3 京石武客專各段各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可用度值 %

3.3 可用度模型及分析

京石武客運(yùn)專線采用了單層交織冗余的小區(qū)覆蓋結(jié)構(gòu)，如圖3所示。任意一個(gè)位置同時(shí)有2個(gè)小區(qū)覆蓋。在傳輸結(jié)構(gòu)上，奇數(shù)基站和偶數(shù)基站分別屬于不同的基站環(huán)，這就保證了某一環(huán)路出現(xiàn)故障時(shí)，另一環(huán)路的小區(qū)覆蓋電平仍然能夠達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定的性能要求。在這種網(wǎng)絡(luò)條件下，某一基站故障時(shí)，需要相鄰3個(gè)基站同時(shí)工作正常才能使網(wǎng)絡(luò)正常工作，但BSC或者M(jìn)SC出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)不提供冗余。

圖3 京石武客專GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在上述分析的基礎(chǔ)上結(jié)合該客運(yùn)專線的特點(diǎn)得出可用度模型，如圖4所示。

圖4 京石武客運(yùn)專線GSM-R網(wǎng)絡(luò)可用度模型

圖4中節(jié)點(diǎn)S1包括了影響當(dāng)前小區(qū)基站以及傳輸?shù)乃袉卧?，?jié)點(diǎn)S2包括了交織冗余覆蓋情況下影響相鄰2個(gè)冗余基站及其傳輸?shù)乃袉卧膱D4可以看出采用交織冗余覆蓋使得可用度模型中增加了一個(gè)并聯(lián)支路，增加了單個(gè)小區(qū)內(nèi)系統(tǒng)的可用度。根據(jù)可用度模型，該系統(tǒng)的可用度可以表示為:

式中，As1=A1［1－(1－A2A3)(1－A4A5)］

As2=A6A7［1－(1－A8A9)(1－a10A11)］

京石武客運(yùn)專線基站環(huán)中基站數(shù)量一般為4個(gè)，當(dāng)前所分析的小區(qū)對(duì)應(yīng)基站所屬正環(huán)前方有n個(gè)基站，因此N3與N9的可用度應(yīng)為n個(gè)基站可用度的乘積，N5與 N11的可用度應(yīng)為(4－1－n)個(gè)基站可用度的乘積。根據(jù)計(jì)算的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的單點(diǎn)可用度，可得京石武客運(yùn)專線各段內(nèi)模型中參數(shù)，取值如表4所示 (見(jiàn)下頁(yè))。

將表4中的相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式 (4)中，并省略高階無(wú)窮小量，可以得到京石武客運(yùn)專線各段內(nèi)系統(tǒng)的可用度如表5所示。

表5 京石武客運(yùn)專線各段內(nèi)系統(tǒng)的可用度A %

從以上分析可知，由于石武客專河南段在鄭州新設(shè)了一套核心網(wǎng)設(shè)備以及無(wú)線設(shè)備，且新設(shè)備的可用度高，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的可用度較另外兩段有所提高，但總體來(lái)看全線可用度應(yīng)取最低值99.964911%。

4 結(jié)論

GSM-R作為專門為鐵路設(shè)計(jì)的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，必須具有很高的可用度。本文給出了分析該系統(tǒng)可用度的一般模型，并運(yùn)用該模型分析了京石武客運(yùn)專線GSM-R系統(tǒng)的可用度。從分析中可知，網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)單元的可用度提高都會(huì)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可用度。另外網(wǎng)絡(luò)中任何單元的冗余都將在網(wǎng)絡(luò)的可用度模型中增加并聯(lián)支路，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可用度，因此建議在工程建設(shè)中，應(yīng)采購(gòu)可用度高的設(shè)備，并在條件允許的前提下提網(wǎng)絡(luò)的冗余度。

表4 京石武客運(yùn)專線可用度模型節(jié)點(diǎn)可用度取值

［1］ 熊雪萊．GSM-R網(wǎng)絡(luò)失效性分析及其對(duì)CTCS-3的影響［D］．北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［2］ 廖敏．高速鐵路無(wú)線傳輸系統(tǒng)有效性分析［J］．中國(guó)鐵路，2000(3).

［3］ 鐘章隊(duì)，李旭，蔣文怡.鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2003，10.