LTE移动通信承载CBTC系统的可靠性分析

韩熠，黄辉，张辉

自2013年底，郑州地铁1号线首次使用LTE（长期演进技术）网络承载PIS（乘客信息系统）和CCTV（闭路电视系统）以来，LTE技术在地铁无线通信系统中的应用越来越广泛，全国有很多城市的地铁通信系统都使用了LTE网络，例如北京、上海、广州、深圳，武汉、重庆等，承载的业务有CBTC（基于通信的列车控制系统）、PIS和CCTV、车辆状态信息和语音集群业务［1-3］。由于CBTC是进行列车控制的关键业务系统，对LTE无线系统的可靠性要求较高，因此本文主要论述和分析LTE移动通信技术承载CBTC系统的可靠性。

1 LTE系统介绍

LTE网络工作在1.8 GHz，采用了包括OFDM（正交频分多址）、TDD（时分双工）、动态调制和动态信道分配等第4代移动通信主流技术。轨旁采用一体化的高集成度基站单元（EnodeB）接入漏缆进行传输，基站间无线覆盖距离可达1.2 km以上。长度小于1.2 km的区间内无需设置任何有源设备，大大提高了系统的可靠性和可维护性。

以LTE网络承载CBTC为例，列控系统对于无线通信网络有着严格的可靠性要求，规范中对承载CBTC系统业务的网络可靠性要求如下。［4］

1）系统的平均无故障时间（MTBF）应超过8×104h。

2）系统的可用性目标大于99.99%。

3）在承载CBTC业务时，应能在单点故障情况下保持网络通信正常。

4）当出现单点故障时，单网络允许的通信丢失时间应小于2 s。

LTE系统的MTBF和可用性指标可以根据组网架构建立马尔可夫（MARKOV）模型，并对各组成设备的MTBF等指标进行分析。

在进行CBTC无线系统设计时，要求单点故障情况下保持网络通信正常，因此将LTE网络设计为A和B 2张完全独立的网络［5］，单网中断时间不应超过2 s。

2 网络设计

以某项目为例，CBTC系统采用LTE替代原有的DCS无线WiFi系统。轨旁网络结构见图1，车载网络结构见图2。

图1 轨旁网络结构

其中，DRCS为无线通信服务器，EPC为核心网，EnodeB为基站，Netbox为车载终端。网络架构设计中，主要采取了以下可靠性设计。

1）LTE网络和信号骨干网络均采用2套独立网络，互为冗余。

2）无线通信服务器（DRCS）设备与LTE的A、B网交叉相连，实现了AA，AB，BB和BA的交叉冗余组网。

3）车载通信终端使用了Netbox，可以达到单端A、B网同时在线，2条无线通道实现冗余。

4）LTE承载网单独设置，与信号骨干网相互独立，以保持信号骨干网结构不变，降低网络复杂度，简化网络结构，提高整个系统的可靠性。

3 可靠性分析

LTE系统中各设备的平均无故障时间（MTBF）和平均恢复时间（MTTR）可靠性指标见表1。

表1中所列的各设备MTBF和MTTR指标用于计算失效率λ和维修率μ。

表1 网络设备可靠性指标

根据图1、图2的网络结构，可以建立可靠性逻辑框图，如图3所示［6］。

图2 车载网络结构

图3中各设备并联后，再进行串联。并联设备包括：各信号骨干网交换机、主交换机和DRCS串联后组合、LTE核心网EPC、各LTE骨干网交换机、LTE基站（EnodeB）和车载终端Netbox串联后组合。各并联组合部分的失效率，采用MARKOV模型进行计算［6］，冗余计算可靠性模型见图4。

图3 可靠性逻辑框图

图4 冗余计算可靠性模型

p是由MARKOV模型得到的特征矩阵：

式中：λ为单系统失效率，即并联系统中每一链组件的失效率之和；µ为维修率；α为检测成功率，考虑到通信中有CRC防护，故取值0.9999；β为共因失效因子，考虑到主备系统完全独立，参考IEC61508-6中最小值，取0.02［7］。

由上述矩阵可以得到以下等式。

由式（2）、式（3）、式（4）可以得到各并联组合的可用性A。

得到各并联组合的失效率，即λ信号骨干网交换机，λ主交换机和DRCS串联组合、λEPC、λLTE骨干网交换机、λEnodeB和Netbox串联后组合，最后得到整体系统失效率及可用度［8］，［9］：

式中n1、n2、n3、n4和n5代表每个并联组合设备的组数。

可靠性分析结果：

系统MTBF=1/λ系统=2.5×105h

系统可用度A系统=99.99986%

对比LTE网络的可靠性指标，计算得出的可靠性指标能够满足CBTC系统的使用需求。

4 应用情况

为验证LTE系统的可靠性，针对卡斯柯信号有限公司现场开通项目的运营情况进行统计。

武汉地铁6号线是卡斯柯公司最早开通的LTE承载CBTC系统项目，在列车低速和高速动车调试期间，LTE网络通信正常。调取部分时间车载网络的通信记录，车载CC的OMAP通信完全正常，没有发生因为通信中断而触发紧急制动的停车现象。该项目自2016年底开通至今，LTE网络保持了很低的故障率，远远低于WiFi系统，LTE整网运行正常，性能稳定，说明采用1.8 GHz频段LTE技术进行无线通信传输具有较高的可靠性。

统计卡斯柯公司已开通运营的LTE项目见表2。

表2 卡斯柯公司LTE项目情况统计

这些项目的累计开通时间为11年8个月，统计时间内LTE网络故障情况如下。

武汉6号线，2018年发生1次时钟故障，1次基站接入成功率告警故障，2019年发生1次基站连接故障。

武汉8号线，2019年发生1次基站驻波比异常故障。

郑州5号线，2019年发生基站电源告警和光模块收发异常告警各1次。

南宁3号线，2019年发生1次车载终端宕机，列车处于单网运行状态。

以上统计结果表明：LTE项目开通运营时间内，发生故障数量很少，并且这些故障没有引起信号系统故障。

5 结束语

LTE系统的可靠性数据是通过建立模型计算得出的理论值，并经过长时间现场运行和测试［10］，具有较高的可信度，保障了列控信息车地传输的可靠性。因此，卡斯柯公司在武汉及其他信号CBTC系统项目中，直接采用了自动驾驶ATO模式（基于车地通信的信号模式），取消了点式后备ATP模式（基于手动的信号模式，无需车地通信），在项目建设中减少了大量的轨旁信号设备，并降低了建设成本。

本文基于LTE承载CBTC系统组网架构，对LTE系统的可靠性通过建立模型进行分析和计算，计算的结果可供实际项目应用参考，同时可为轨道交通无线通信系统使用LTE网络更好地承载CTBC关键业务提供一些参考和借鉴。