高速铁路GSM-R网络可用度分析

安三力 丁 珣

中铁建电气化局集团有限公司 100043 北京

*工程师 ＊＊助理工程师

1 系统可用度概述

根据相关定义:可靠度、可维修度、可用度等一起构成广义可靠性指标，它们都是时间t的函数，分别用R(t)、M(t)、A(t)表示。下面主要讨论系统单元的可用度A(t)。假设系统的故障和修复时间均为指数分布时，故障率λ和修复率μ都是常数，当t趋近于无穷大时，

称为稳定 (极限)可用度，(1)式中MTBF为平均无故障时间，指该单元相邻2次故障之间的平均工作时间;MTTR为平均修复时间，指该单元故障后所需的平均修复时间。根据系统中各单元可用度对整个系统可用度的影响，首先建立系统的可用度模型，然后根据模型分析得出系统的可用度。

对于串联结构的系统，其可用度是各单元可用度的乘积，用Ai代表各单元的可用度，A代表系统的可用度，可以表示为

对于并联结构的系统，只有在系统中所有单元均故障时才不可用，因此系统的不可用度为各单元不可用度的乘积。

对于混合型系统，可先分别计算系统中各串联子系统和并联子系统可用度，之后再将其作为一个单位考虑，计算系统的可用度。

2 GSM-R网络可用度分析

GSM-R网络的基本结构如图1所示，主要包括网络子系统NSS和无线子系统BSS。

图1 GSM-R网络传输基本结构

网络子系统 (NSS)中任意一个节点的失效都会造成网络的失效。

无线子系统 (BSS)包括BSS与NSS之间的传输链路、TRAU(编译码和速率适配单元)、BSC(基站控制器)、BTS(基站)，以及BSC与BTS之间的传输链路。BSS与NSS之间的传输链路中断、TRAU单点故障、BSC单点故障都会导致该无线子系统内的所有基站无法连接到核心网，从而造成整个系统失效;单个BTS故障会导致其相应覆盖小区失效，同时导致其所在环后方基站的传输中断;BSC与BTS之间的传输失效，将会导致该传输环上所有基站对应小区失效，但高速铁路中为保证系统可用度，在BSC与BTS之间采用环形结构，因此单条传输链路中断不会导致BTS与BSC之间的通信中断，只有当正、反环传输环均中断时，才会导致基站传输环失效。

根据以上分析，对于系统中的某个小区，其可用度可用图2所示的可用度模型来表示。

图2 某小区GSM-R网络可用度模型

图2中Ni代表影响其可用度的各单元。N1为当前小区对应的基站，属于可用度模型中的串联单元，该基站发生故障时该小区失效。

N2为N1基站所属基站传输环的正环光缆，N3代表N1基站所属基站传输环正环前方的基站，N2、N3这2个单元任何一个故障均会导致N1基站所属基站传输环的正环中断;N4为N1基站所属基站传输环的反环光缆，N5代表N1基站所属基站传输环反环前方的基站，N4、N5这2个单元任何一个故障均会导致N1基站所属基站传输环反环中断。只有当N1基站所属基站传输环正环、反环均中断时，才会导致该基站的传输中断。N6代表 N1基站所属 BSC，N7代表BSS与NSS之间的传输光缆，N8代表N1基站所属TRAU，N9代表N1基站所属MSC，这些单元均为可用度模型中的串联单元，任何一个节点故障均会导致该小区失效。

3 京石武客专GSM-R网络及其可用度模型分析

3.1 网络结构

京石武客运专线正线基站位置的设置满足移动终端在高速 (350 km/h)运行状态下的使用，采用单网交织的覆盖方式，相邻基站的站距及场强覆盖重叠区满足高速(350 km/h)移动终端越区切换的需要。根据属地化管理，沿线基站分别接入北京、郑州、武汉基站控制器 (BSC)，各BSC分别与所在地MSC相连。

京石客专暨石武客专 (河北段)部分的无线GSM-R设施利用北京设置的MSC、GPRS、智能网等子系统。该线新设基站子系统，其中在北京核心网机房新设BSC、通用分组单元 (PCU)及TRAU设备;沿线设置基站设备、铁塔、天线、光纤直放站、手持台、SIM卡及漏泄同轴电缆。

石武客专 (河南段)在郑州新设GSM-R核心节点MSC及相关设备，河南段无线子系统接入郑州核心网，在郑州通信站核心网机房新设BSC/PCU/TRAU设备。

石武客专 (湖北段)GSM-R无线子系统接入武汉节点既有的 MSC、GPRS、智能网等核心网设备，沿线基站接入武汉BSC。

3.2 网络节点分析

京石武客运专线采用诺西公司提供的GSM-R无线设备，表1和表2分别给出了京石武客专各段各网络节点的MTBF、MTTF值，其中郑州核心网为该工程新建的核心网，MSC与BSC均采用了新的版本，其MTBF值较北京、武汉相应设备有所提高。表3则给出了根据公式(1)计算得出的各节点可用度值。传输光缆假设每年中断一次，每次中断后到达现场的时间为3 h，光纤熔接维修时间为1 h，可以根据有效性计算公式算得传输光缆的可用度A=99.965753%。

表1 京石武客专各段各网络节点的MTBF值 h

表2 京石武客专各段各网络节点的MTTF值 h

表3 京石武客专各段各网络节点的可用度值 %

3.3 可用度模型及分析

京石武客运专线采用了单层交织冗余的小区覆盖结构，如图3所示。任意一个位置同时有2个小区覆盖。在传输结构上，奇数基站和偶数基站分别属于不同的基站环，这就保证了某一环路出现故障时，另一环路的小区覆盖电平仍然能够达到系统规定的性能要求。在这种网络条件下，某一基站故障时，需要相邻3个基站同时工作正常才能使网络正常工作，但BSC或者MSC出现故障时，网络不提供冗余。

图3 京石武客专GSM-R网络结构

在上述分析的基础上结合该客运专线的特点得出可用度模型，如图4所示。

图4 京石武客运专线GSM-R网络可用度模型

图4中节点S1包括了影响当前小区基站以及传输的所有单元，节点S2包括了交织冗余覆盖情况下影响相邻2个冗余基站及其传输的所有单元。从图4可以看出采用交织冗余覆盖使得可用度模型中增加了一个并联支路，增加了单个小区内系统的可用度。根据可用度模型，该系统的可用度可以表示为:

式中，As1=A1［1－(1－A2A3)(1－A4A5)］

As2=A6A7［1－(1－A8A9)(1－a10A11)］

京石武客运专线基站环中基站数量一般为4个，当前所分析的小区对应基站所属正环前方有n个基站，因此N3与N9的可用度应为n个基站可用度的乘积，N5与 N11的可用度应为(4－1－n)个基站可用度的乘积。根据计算的各个节点的单点可用度，可得京石武客运专线各段内模型中参数，取值如表4所示 (见下页)。

将表4中的相应数据代入式 (4)中，并省略高阶无穷小量，可以得到京石武客运专线各段内系统的可用度如表5所示。

表5 京石武客运专线各段内系统的可用度A %

从以上分析可知，由于石武客专河南段在郑州新设了一套核心网设备以及无线设备，且新设备的可用度高，从而使得整个系统的可用度较另外两段有所提高，但总体来看全线可用度应取最低值99.964911%。

4 结论

GSM-R作为专门为铁路设计的数字移动通信系统，必须具有很高的可用度。本文给出了分析该系统可用度的一般模型，并运用该模型分析了京石武客运专线GSM-R系统的可用度。从分析中可知，网络中任何一个单元的可用度提高都会提高整个网络的可用度。另外网络中任何单元的冗余都将在网络的可用度模型中增加并联支路，从而提高网络的可用度，因此建议在工程建设中，应采购可用度高的设备，并在条件允许的前提下提网络的冗余度。

表4 京石武客运专线可用度模型节点可用度取值

［1］ 熊雪莱．GSM-R网络失效性分析及其对CTCS-3的影响［D］．北京交通大学硕士学位论文，2008.

［2］ 廖敏．高速铁路无线传输系统有效性分析［J］．中国铁路，2000(3).

［3］ 钟章队，李旭，蒋文怡.铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)［M］．北京:中国铁道出版社，2003，10.