gsmr网络失效性分析及其对ctcs3的影响硕士论文.pdf

北京交通大学 硕士学位论文 gsm-r网络失效性分析及其对ctcs-3的影响 姓名：熊雪莱 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：钟章队 20080601 中文摘要 随着社会的发展，为满足现代铁路通信信号技术一体化的需要，g s m p - d c t c s 3 成为铁路专用移动通信和列车运行控制系统的重要发展趋势。 g s m r 作为专门为铁路设计的数字移动通信系统，能够提供各种铁路所需的 话音和数据业务，同时还可以作为c t c s 3 列控系统的传输平台。传输平台的失效 势必对应用层的业务造成极大的影响。中国列车运行控制系统第三级c t c s 3 是在 借鉴欧洲e t c s - 2 的基础上发展起来的，同时兼容c t c s - 2 的功能，是保证列车安 全、高速、高效运行的列车运行控制系统。c t c s 3 利用地面无线闭塞中心r b c 与列车车载设备o b u 之间的信息交互实现对列车运行的控制。o b u 每隔6 秒向 r b c 报告一次列车位置，同时r b c 向o b u 返回新的行车许可m a 以及收到位置 报告的确认。当g s m r 网络出现失效时，车地间通信中断，c t c s 3 无法正常工 作，降级到c t c s 2 控制列车，这既带来了列车的晚点也给行车安全造成了一定的 影响。 以往对于失效的研究多数源于g s m r 系统的某一组成部分或某一应用业务。 而作为应用层的c t c s - 3 更多的关注于g s m r 网络能否为其提供可靠的服务。因 此对于g s m r 整体失效性的分析是十分必要的。本文的研究涉及通信与信号两个 领域的相关理论和应用。全文从整体上分析了g s m r 的系统结构和传输模型；利 用失效性分析方法中的故障树分析法对g s m r 的失效模式和失效概率分别进行定 性与定量的分析；并结合青藏线、大秦线和武广客运专线的实际情况分别对其进 行故障树建模、可靠性建模、故障模式分析和失效概率的计算；最终总结出降低 网络的失效概率应该采取的措施。另一方面，本文以正在实验阶段的武广客运专 线为例，分析g s m r 网络的各种失效模式给c t c s 3 造成的中断影响和中断时间， 对c t c s 3 的m a 传输时延、m a 传输失败率这两个重要q o s 指标带来的影响， 和由此带来的列车运营晚点时间，以及将晚点5 分钟视为正常情况时所允许的最 大g s m r 网络失效时问。在此基础上总结出降低g s m r 网络失效对c t c s 3 影 响的方法。 关键词：g s m r ；c t c s 3 ；失效性；可靠性；故障树 分类号：t n 9 2 9 5 2 ；u 2 8 5 21 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , i no r d e rt om e e tt h en e e d so fm o r d e nr a i l w a y s t e c h n o l o g yi n c o r p o r a t i o nb e t w e e nc o m m u n i c a t i o na n ds i g n a l ，g s m 一刚c t c s - 3h a s b e c o m ea l li m p o r t a n td i r e c t i o no fr a i l w a y sd e d i c a t e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dt r a i n c o n t r o ls y s t e m a sas p e c i a l i t yo fd i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o nd e s i g n e df o rr a i l w a y , g s m r c o u l dp r o v i d ev o i c ea n dd a t as e r v i c ef o rr a i l w a y , a n dt ob et h et r a n s m i s s i o np l a tr o o fo f c t c s 一3a tt h es a m et i m e c o m m u n i c a t i o nf a i l u r ec e r t a i n l yw i l lb r i n gg r e a ti n f l u e n c e s t ot h es e r v i c e so fi t sa p p l i c a t i o nl a y e r b a s e do ne t c s 2a n dc o m b i n e dw i t hc t c s - 2 ， t h em i r dc l a s so fc h i n e s et r a i nc o n t r o ls y s t e mc t c s - 3e n s u r e st h es a f l y , h i g hs p e e d a n dh i g he f f i c i e n c yo ft h em o v i n gt r a i n c t c s 3t a k e st h ec o n t r o lo fm o v i n gt r a i nb y u s i n gt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h er a d i ob l o c k i n gc e n t e rr b c o nt h eg r o u n da n d t h eo n b o a r du n i to b u t h eo b us e n d sl o c a t i o nr e p o r t st or b ce v e r y6 s ，a f e rt h a t t h er b cs e n d st h en e wm o v e a u t h o r i t yc a l l e dm a a n dt h ea c k n o w l e d g e m e n to fl o c a t i o n r e p o r tb a c kt oo b u c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h eg r o u n da n dt r a i nw i l lb ei n t e r r u p t e d w h e nt h eg s m rn e t w o r kf a i l e d ，t h e nt h ef o l l o w i n ga b n o r m a lw o r ko fc t c s 一3a n dt h e d e m o t i o nt oc t c s 2w i l ld e l a yt h eo p e r a t i o na n di n f l u e n c et h et r a v e l l i n gs a f e t y t h ee a r l i e rr e s e a r c h e so nf a i l u r e sa r em o s t l yb a s e do ns o m ec o m p o n e n t so rs i n g l e a p p l i c a t i o ns e r v i c eo fg s m rs y s t e m b u ta st h ea p p l i c a t i o nl a y e r , c t c s - 3t a k e sm o r e a t t e n t i o nt ow h e t h e rg s m rc o u l dp r o v i d er e l i a b l es e r v i c e st oi t s oi ti sn e c e s s a r yt o a n a l y z et h ef a i l u r e so ft h ew h o l eg s m - rs y s t e m t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rb o t hr e l a t e s t ot h et h et h e o r i e sa n da p p l i c a t i o n so fc o m m u n i c a t i o na n ds i g n a l t h i sp a p e ra n a l y z e d t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dt r a n s m i s s i o nm o d e lo fg s m r ，m a d et h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f g s m - rf a i l u r ep a t t e r n sa n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fg s m - rf a i l u r ep r o b a b i l i t yu s i n g t h ef a u l tt r e ea n a l y s i sm e t h o d m o r e o v e r , t h i sp a p e ra l s ot o o kac o n s i d e r a t i o no ft h e r e a l i t i e so nq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y , d a t o n g - q i n h u a n g d a or a i l w a y , w u h a n - g u a n g z h o u d e d i c a t e dp a s s e n g e rr a i l w a y , a n dd i dt h ef a u l tt r e em o d e l i n g , r e l i a b i l i t ym o d e l i n g , f a i l u r ep a t t e n sa n a l y s i s ，f a i l u r ep r o b a b i l i t yc a l c u l a t i o n sf o re a c h ，a n ds u m m a r i z e ds t e p s o fr e d u c e i n gt h en e t w o r k sf a i l u r ep r o b a b i l i t y o nt h eo t h e rs i d e ，t h i sp a p e rt o o k w u h a n g u a n g z h o ud e d i c a t e dp a s s e n g e rr a i l w a yw h i c hi sn o wi nt h ee x p e r i m e n tp h a s e a sa ne x a m p l e ，a n a l y z e dt h ei n t e r r u p t i o ni n f l u e n c e sa n di n t e r r u p t i o nt i m e so fc t c s 3 ， a n di n f l u e n c e st ot w oi m p o r t a n tq o s t a r g e t s ，w h i c ha r et h em a t r a n s m i s s i o nd e l a ya n d t r a n s m i s s i o nf a i l u r e ，a l lb r o u g h tb yt h ef a i l u r eo fg s m rn e t w o r k i ta l s oc a l c u l a t e dt h e o p e r a t i o n a ld e l a y , a n dt h el o n g e s ti n t e r r u p t i o nt i m ea l l o w e dw h e nw et r e a tad e l a yl e s s t h a n5m i n u t e sa san o r m a lc a s e b a s e do nt h e s e ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h es t e p st o r e d u c et h ei n f l u e n c et oc t c s 3c a u s e db yt h ef a i l u r eo ft h eg s m rn e t w o r k k e y w o r d s ：g s m - r rc t c s 3 ：f a i l u r e ；r d i a b i l i t y ；f a u l tt r e e c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 2 ：u 2 8 5 2 1 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：能、驾朱导师签名：厶q 觚 签字日期： 舻多月1 2 - h签字日期：璐年6 月，1 ，日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：能t 吝象 签字日期：沙扩年 f 月f 1 日 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师钟章队教授的悉心指导下完成的，在此衷心感谢 三年来钟老师老师孜孜不倦的关心和教导。 钟章队教授严谨的治学态度、科学的工作方法、高屋建瓴的思想、务实敬业 的精神和以天下为己任的使命感给了我极大的帮助和影响，激励我严于律己，不 断前进。感谢钟老师给我实践青藏线项目的机会，这将是我人生一段珍贵的经历 和财富，让我受益终身，同时感谢此期间青海铁通公司领导和员工们的指导和帮 助，你们是我的良师益友。 在此，还要对在实验室科研及工作期间给予我支持和帮助的金晓军老师、吴 昊老师、张小津老师、丁建文老师、武贵君老师表示衷心的感谢。 在论文的撰写期间，蒋文怡老师和叶青同学给予我极大的支持和帮助。在论 文的修改阶段，位永彩工程师给予我很多宝贵的意见。在此致以深深的谢意。 感谢各位师兄师姐给予我的细心帮助和指点，实验室所有同学的真诚合作和 交流，以及师弟师妹的热心支持和鼓励。 最后，感谢我的父亲母亲，感谢他们对我无微不至的关怀和照顾让我不断成 长，感谢他们一如既往的理解和信任让我走到今天。你们永远是我前进的动力。 谨以此文献给关爱我的师长。 谨以我的每一点成长献给我的挚爱亲朋。 1 引言 1 1 本课题研究背景 1 1 1g s m r 在国内外的发展 铁路综合数字移动通信系统g s m r 是在g s m 蜂窝系统上增加了调度通信功能 和适合高速环境下使用要素的系统，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通 信的要求。由于g s m r 可以实现跨越国界的高速列车和一般列车之间的通信，能 将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用，而且 g s m r 是由已标准化的设备改进而成，就能保证价格低廉、性能可靠地实现和运 行【。 1 9 9 3 年国际铁路联盟( u i c ) 与欧洲电信标准组织( e t s i ) 协商，提出了欧 洲各国铁路下一代无线通信系统以g s mp h a s e2 + 为标准的g s m r 技术，这一提 议在1 9 9 5 年经u i c 评估并最终确认。1 9 9 7 年，2 4 个国家的3 2 个组织共同签署了 谅解备忘录，决定采用g s m r 作为铁路专用通信技术。截止n 2 0 0 5 年，已有包括 德国、瑞典、意大利、英国、荷兰、西班牙、比利时、芬兰、法国、挪威、斯洛 伐克、瑞士、捷克、印度、中国在内的1 5 个国家已经采用和计划采用g s m - r ，并 在2 0 0 8 年底将达到3 4 个。 我国g s m r 建设和发展服从中长期铁路网规划的安排，分为三个阶段。 第一阶段为青藏线、大秦线和胶济线三条线的建设与试验，包括核心网和无线接 入网。该阶段的主要任务是把g s m r 网络引入中国铁路并与中国铁路的具体应用 相结合，再配套国内的自主研究开发成果，实现中国铁路特有的应用，证明g s m - r 网络完全能够满足中国铁路的调度、运输和生产对移动通信网络的需求。该阶段 的建设为g s m r 在中国铁路的全面推广应用积累了丰富的经验和打下了坚实的 基础。第二阶段为客运专线建设，着重构建中国铁路g s m r 核心网络的中心节点， 搭建网络骨架结构，并且以客运专线为主干线，建设相关的无线接入网络，为客 运专线以列车控制为代表的各种铁路应用提供完整的网络服务。第三阶段为全国 铁路g s m r 网络的形成与完善。随着新线的建设和既有线的改造，并以第二阶段 建设的中心节点为骨干，逐渐构建相关的无线接入网络，最终形成能够覆盖全国 铁路的g s m r 网络1 2 1p j 。 1 1 2 列车运行控制系统在国内外的发展 随着当代铁路的发展，铁路通信信号技术发生了重大变化，车站、区间和列 车控制一体化，铁路通信信号技术的相互融合，行车调度指挥自动化等技术，冲 破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路通信 信号技术向数字化、智能化、网络化和综合化( 简称“四化) 的方向发展。欧 洲列车控制系统e t c s 的应用，将进一步推动铁路通信信号的技术进步，加快实 现“四化的进程 4 1 。 为实现高速列车在欧洲境内穿越国境时互通运营，结合欧洲各国铁路现状， 兼顾既有设备及今后运行控制系统发展趋势，e r t m s e t c s ( 欧洲铁路运输管理 系统欧洲列车控制系统) 技术规范最终确定了5 个应用等级，分别为：等级0 、等 级s t m 、等级l 、等级2 、等级3 。其中等级2 和等级3 都采用g s m r 网络作为其车地 数据传输平台。e t c s 在欧洲历经规范制定、产品研发和运行试验阶段，目前已 经进入了大规模商用阶段p j 。 中国铁路专家在深入研究g s m r e t c s 的基础上得到了深刻的启示，为中国 发展g s m r c t c s 提供了可以借鉴的经验。参照欧盟发展e t c s 的成功作法，从中 国国情路情实际触发，中国列车控制系统c t c s 共划分为5 个等级，分别为c t c s 一0 级、c t c s 1 级、c t c s 2 级、c t c s 3 级、c t c s - 4 级。其中c t c s 3 级和c t c s 4 级 分别基于e t c s 2 和e t c s 3 的基础，并在此基础上前向兼容c t c s 2 。由于中国铁路 列车运行密度高，列车种类繁多，交路复杂，同一种显示速度含义不同，而且客 货混跑、高低速列车共线运行，这些特殊性决定了发展中国的c t c s 比欧洲e t c s 技术上更难，要求更高。经过多年专家和决策部门充分的论证和比较，已经选择 g s m r 作为中国铁路综合移动通信的技术体制，因此基于此传输平台上的c t c s 一3 级列车运行控制系统就成为当前中国列车运行控制领域的重点研究及发展对象【6 】。 1 2 本课题研究意义及目的 无线通信最初用于公众通信，因而对它通信的可靠性要求并不太高，而铁路 运营的安全性至关重要，这就对运用于铁路的无线通信可靠性提出了极高的要求。 无论是e t c s 2 还是c t c s 3 ，都以g s m r 网络为承载平台，利用g s m r 网络进行 数据传输。因此，g s m r 网络的服务质量直接影响至j j e t c s 2 c t c s 3 系统的可靠 性、可用性等关键指标，一旦g s m r 网络出现失效，势必对为其承载应用业务的 列车运行控制系统造成很大的影响。可见，对g s m r 网络进行失效性分析，明确 g s m r 网络在运营过程中可能出现的故障现象，计算出各种故障出现的概率分布 2 及不同故障出现时对我国c t c s 3 的影响具有十分重要的意义。目前国内对于 g s m r 的失效分析多数是对于各种业务流程进行的，如越区切换中的失效分析、 小区重选的失效分析等，而对于g s m r 整体网络结构和传输系统的失效性分析并 不是很多。参考文献【7 】针对话音、数据等不同业务模型，分析了高速铁路g s m - r 系统的可靠性和有效性。本文在对其借鉴参考的基础上，运用故障树模型和可靠 性模型分析网络的失效模式和失效概率。 在我国目前正在建设的武广客运专线上，即将采用c t c s 3 级列控系统， c t c s 3 既符合e t c s 2 的同一原理，又前向兼容了c t c s 2 ，这就为c t c s 3 的深入 研究并超越e t c s 2 奠定了基础。因此，面对即将广泛采用的g s m r c t c s 3 系统， 我们的研究应该不再拘泥于某个特定的系统及某条特定的线路，而应该总结出一 套固有的g s m o r 网络失效性分析方法，使其能够适用于不同的网络结构。本课题 的研究目的就在于总结出各种结构g s m r 网络的故障模型以及各种故障的概率分 布，为c t c s 3 在g s m r 上的运用提供通信可靠性分析的依据，同时分析出g s m r 网络的失效可能对c t c s 3 造成的影响，为c t c s 3 应用时如何降低网络故障的影响 提供自己的微薄之见。 1 3 本文的内容和结构安排 本文是在对g s m r 网络分析研究的前提下以及对网络失效性分析方法熟悉掌 握的基础上，对g s m r 网络的失效性进行随机分析。论文中，重点分析了当前存 在的几种典型g s m r 系统结构和传输结构。利用故障树分析方法，建立适合g s m r 网络的故障模型，并对设备节点故障进行分析得出相应的节点故障概率和整个网 络的失效概率。在此基础上分析由于g s m r 网络的失效可能对c t c s 3 造成的影 响，最终得出为保证c t c s 3 的可靠性应采取何种措施来降低网络故障的影响。论 文的内容安排大体如下： 第一章介绍了g s m r 在国内外的发展应用现状，e t c s 在欧洲的应用，以及中 国列车运行控制系统c t c s 的发展，同时指出了本课题的研究意义和目的。 第二章介绍了g s m r 的基本理论、网络构成、传输结构、典型的无线覆盖方 式，以及在实际应用中青藏线、大秦线和正在建设的武广客运专线所采取的相应 结构。 第三章介绍了失效性分析法中故障树分析法的基本理论，以及可以辅助故障 树进行定量分析的可靠性分析方法。 第四章对g s m r 网络进行了故障树建模，并进行定性与定量的分析。结合青 藏线、大秦线和武广线的实际情况，分析三条线中的故障模式，定量计算出网络 3 的失效概率。 第五章以采用c t c s 3 的武广线为例，分析g s m r 网络故障对c t c s 3 可能造成 的中断以及对q o s 指标的影响和对列车运营晚点时间的影响，得出降低这种影响 的方式。 第六章为全文的总结和对未来的展望。 需要特殊说明的是，目前已有的三条g s m r 试验线为青藏线、大秦线和胶济 线。由于胶济线未采用无线列控技术，其g s m r 的各项技术指标不需要满足无线 列控的需求，因此不对其进行分析。文中分析的实际线路包括青藏线、大秦线和 武广客运专线，其中武广客运专线正在建设中，属于实验阶段。 4 2g s m r 网络结构 2 1g s m r 系统简介 2 1 1g s m r 系统业务模型 g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系 统，它基于g s m 基础设施，一方面保持了g s m 原有的业务划分，另一方面增加 了一些铁路的特定应用，并以此作为信息平台，使铁路用户可以在此平台上开发 各种铁路应用。g s m r 提供特色业务包括：高级语音呼叫业务( a s c i ) 和铁路特有 的调度业务。前者包含语音组呼( v g c s ) 和语音广播( v b s ) ，增强多优先级与强拆 ( c m l p p ) 。后者包括：功能寻址、接入矩阵和基于位置的寻址。因此，g s m r 的 业务模型可以概括为：g s m r 业务= g s m 业务+ 语音调度业务+ 铁路基本业 务+ 铁路应用。与g s m 网追求最大系统容量不同，g s m r 系统更侧重于系统 的安全性、有效性、可靠性和可维护性( r a m s ) ，这是铁路特殊的需求。图2 1 瞵j 为g s m r 系统业务模型示意图。 应用 铁路应用 铁路运营方式 电信业务- a s c i 图2 - 1g s m - r 系统业务模型 f i g u r e1 - 1g s m - rs e r v i c em o d e l 2 1 2g s m r 系统网络模型 5 g s m r 网络包括网络子系统( n s s ) 、基站子系统( b s s ) 和操作子系统( o s s ) 。 其中，网络子系统由移动交换中心( m s c ) 、访问位置积存器( v l r ) 、归属位置 寄存器( h l r ) 、鉴权中心( a u c ) 、移动设备识别器( e m ) 、组呼寄存器( g c r ) 组成，用来管理用户、移动台和与固网( p s t n ) 的接口；基站子系统管理无线连 接，包括基站收发信机( b t s ) 和基站控制器( b s c ) ；操作子系统包括n s s 操作 与维护中心( o m c s ) 和b s s 操作与维护中心( o m c r ) ，与所有的交换系统设 备和b s c 相连。g s m r 的结构如图2 2 1 9 j 所示。 图2 - 2 g s m r 网络结构 f i g u r e1 - 2g s m - r n e t w o r ka r c h i t e c t u r e 接口 i 卤 其中，基本的网络节点包括m s c 、h l r 、v l r 、t r a u 、b s c 和b t s 。所有 这些网络节点均由操作子系统o s s 来管理。与列车相关的应用基于组呼寄存器 g c r 和智能网i n 平台。不同用户之间的数据通信可通过短消息s m s 或g p r s 业 务来实现。 1 m s c m s c 是网络子系统的核心，它包含了m s c 区的所有交换功能。m s c 考虑了 用户的移动性，管理一些特殊的过程，如位置登记和更新，越区切换，它还负责 对无线资源进行管理，这些是它与固定网络交换机的主要差别。m s c 用于建立业 务信道和在m s c 之间或其他网络之间交换信令心里。m s c 的主要功能包括：处 理用户呼叫的交换功能、协调自己所管辖区域的呼叫( 特别是寻呼移动台) 、与b s s 协作动态分配接入资源、监督b s s 与m s 之间的无线连接、进行呼叫的统计、将 来自v l r 的无线接口的加密信息传送给b s s 、作为短消息网关连接用户与短消息 服务中心。 2 h l r h l r 是g s m r 网的主要数据库，实现对移动用户的管理。一个g s m - r 网络 6 中可以有不止一个h l r ，它的数量取决于用户的数量、设备的容量和网络的组成 结构。h l r 中存储的是在网络中永久注册的移动用户的静态数据信息和一些临时 动态数据信息，包括：用户信息、位置信息、移动用户i m s i 号和m s i s d n 号、承 载业务和终端业务的定制信息、业务限制信息、语音组呼和语音广播用户的组i d 、 补充业务信息以及与a u c 之问的信息交换。 3 v u t v l r 管理在一个m s c 区( 非归属m s c 区) 漫游移动用户的动态数据信息。 一个v l r 管理一个或多个m s c 。由于v l r 与m s c 之间有大量的数据需要存取， 为了提高移动管理和呼叫建立的速度，v l r 总是与m s c 实现功能综合，作为同一 个物理实体。v l r 包含了：移动用户的i m s i 号和m s i s d n 号、移动用户的漫游 号m s r n 、移动用户的临时身份识别号t m s i 、移动用户的位置识别号l m s i 、移 动台登记的位置区、m s 的前一时刻位置和初始位置、来自于移动用户h l r 的补 充业务参数、从h l r 向b s s 传递a u c 的加密密钥、支持寻呼功能、跟踪移动台 在本区域的状态。 4 t r a u t r a u 通过a t e r 接口与b s c 相连，通过a 接口与m s c 相连。它能够将1 3 k b i t s 话音或数据转换成标准的6 4 k b i t s 数据。 5 b s c b s c 是b s s 的智能部分，处理b s s 最重要的控制功能，同时也执行无线处理 功能，例如无线资源管理、无线信道管理、本地连接管理、以及安全功能。一个 m s c 上可以连接一个或多个b s c 。在物理上，b s c 既可以与m s c 处于相同的中 心位置，也可以如同p l m n 广泛采用的放置在离m s c 较远的设备机房中。 6 b t s 整个g s m r 网络的b t s 沿铁路分布。b t s 的服务区域称为基站服务区，它 可以覆盖一个或多个无线小区。b t s 通过天线提供所有必要的功能，支持g s m r u m 空中接口，即g s m r 网络和移动台之间的无线链路。它们工作在g s m r 频 段。 结构紧凑的b t s 设计，经过优化之后，可获得高覆盖。可支持全速率、半速 率或者双速率( 即同时支持全速率和半速率) 的话音编码。在双速率的情况下， 也可能选择增强的全速率功能。 2 2 几种典型的g s m r 无线覆盖 2 2 1 单网交织冗余覆盖 7 如图2 3 所示，单网交织冗余覆盖是指铁路沿线由一层无线网络进行覆盖， 但在系统设计时通过加密基站和弱场设备等方法，使线路上某个地点的基站或弱 场设备出现故障时候，该地点的场强仍能通过其相邻基站或相邻弱场设备得到保 证，使沿线的业务应用不会因为个别无线设备的故障而中断。 凄楚缝蔓；、摹髓毽蜒鍪鞲 ：獬强杈翁骥 j 瓴尊嚣荔扣一 图2 - 3 单网冗余交织覆盖 f i g u r e2 - 3s i n g l er e d u n d a n c yi n t e r c r o s sc o v e r a g e 2 2 2 同站址双层覆盖 如图2 4 所示，同站址双层覆盖是指在铁路沿线按照一定的场强覆盖要求布设 的两层无线网络设备，这两层设备同站址，可共用机房、铁塔、传输和电源设备 等配套设施，其中传输设备也可以相应建设两套。当一层网络的无线设备因故不 能正常工作时，另一层网络的无线设备仍然能担当起无线覆盖的任务，从而保证 业务正常应用。 乏蔓辫t 叁蓬一l ，基餐i 。 一，( 囊避塞堑1 j 萋肇 图2 _ 4 同站址双层覆盖 f i g u r e2 - 4c o - s i t e dd o u b l ec o v e r a g e 2 2 3 交织站址双层覆盖 如图2 - 5 所示，对于双层覆盖而言，与同站址方式不同，交织站址双层覆盖网 络中的第二层基站位于一层2 个连续的基站之间，每个基站有独立的机房和天馈 系统。其有点是如果某地发生灾害，只有其中一个层失去覆盖，另外一层的服务 羹6鬻；，、n簪 ，“；，毪 不受影响。但与此同时也带来了小区规划复杂以及基站站址和安装成本增加等问 题1 1 0 1 。 一善纂斓一f 囊罐：菩蘑豁 ，“l “，：“l 。! ：= 二：二 图2 5 交织站址双层覆盖示意图 f i g u r e2 - 5i n t e r e r o s sd o u b l ec o v e r a g e 2 3g s m r 传输系统结构 随着三条线路g s m r 运营的开通，目前对g s m - r 系统本身的研究比较多， 而对于g s m r 传输系统的研究相对较少。然而传输系统对g s m r 通信具有十分 重要的影响。 b s c 和轨道沿线b t s 之间的传输链路通常是网络中最不可靠的部分，而按照 传统的传输网络划分，b s c 与b t s 之间( a - b i s ) 传输网络可以分为星型、环形、 链形等多种结构，如图2 6 所示。而考虑到g s m r 网络对可靠性的极高要求以 及工程实施的可行性，目前g s m r 传输网络通常采用环形结构。因此，如果不考 虑h l r 、v l r 、g c r 、g p r s 等相关部分，目前几种常用的g s m r 网络传输结构 可以简化为下图，如图2 7 所示【l l 】。 星 形 9 图2 - 6b t s b s c 链路结构 f i g u r e2 - 6b t s b s cl i n ks t r u c t u r e 图2 - 7g s m - r 网络传输结构 f i g u r e2 - 7g s m - rn e t w o r kt r a n s m i s s i o ns t r u c t u r e 2 4 实际中的g s m r 网络结构 2 4 1 青藏线g s m r 网络结构 青藏线采用了a 、b 网同站址双网覆盖以保证通信的可靠性，同时沿线各基站 传输系统采用环形结构( 5 或6 个基站为一个环) 。青藏线的通信段是以唐古拉作 为中心，包括拉萨通信段，全长5 5 4 0 3 k m ；格尔木通信段，全长5 9 0 5 2 k m 。包含 了两个m s c ，分别位于西宁和拉萨，其中西宁的m s c 管理着格尔木段的a 网和 拉萨段的b 网，拉萨的m s c 管理着拉萨段的a 网和格尔木段的b 网。四个b s c 分别位于格尔木和拉萨。其中格尔木的b s c l 连接格尔木段的a 网9 7 个基站( 2 0 个基站环) ，b s c 2 连接拉萨段的b 网9 6 个基站( 1 9 个基站环) ；拉萨的b s c l l 连接拉萨段的a 网9 6 个基站( 1 9 个基站环) ，b s c l 2 连接格尔木段的b 网9 7 个 基站( 2 0 个基站环) 。位于格尔木的b s c l 、b s c 2 与西宁的m s c 相连，位于拉萨 的b s c l l 、b s c l 2 与拉萨的m s c 相连。其具体网络结构如图2 8 所示： l o 西藏线g s m r 溺终结构湖 图2 8 青藏线g s m r 网络结构 f i g u r e2 - 8q i n g h a i t i b e tg s m - rn e t w o r ks n l l c t l l j e 2 4 2 大秦线g s m r 网络结构 与青藏线类似，大秦线采用了a 、b 网同站址双网覆盖，沿线各基站传输系统 采用环形结构( 3 或4 个基站为一个环) 。大秦线西起山西大同，东至河北秦皇岛， 全长6 5 3 公里。全线由1 个m s c ，2 个b s c 控制，均位于太原。其中b s c l 连接 a 网的9 7 个基站，b s c 2 连接b 网的9 7 个基站。其具体网络结构如图2 - 9 所示： ，出： i ：；t r t “ 童7 1 i 把幢 拳m i 掌；州鹱 i _ 一s o + 国 i l ! ： u h j 蔫 - ，0 、 鞫麟 u 二 习 d 9 厂l 。 一 j 毋”l 一h 。h 遴誉越h 州 l 、一一a 一 ： j r 随终结纷潮 图2 - 9 大秦线g s m r 网络结构 f i g u r e2 - 9d a t o n g - q i n h u a n g d a og s m rn e t w o r ks t r u c t r u e 2 4 3 武广客运专线g s m r 网络结构 武广客运专线的g s m r 系统采用单网交织的无线网络结构，奇数基站和偶数 基站分布于线路两侧，每4 个奇数基站和4 个偶数基站分别通过敷设于线路两侧 的两条光缆构成传输l o o p 环路，骨干层通过1 0 g 系统和两条光缆形成有保护的 上传通道。武广g s m r 系统在武汉和广州分别设置1 套m s c ，在武汉、长沙和 广州分别设置1 套b s c ，武汉b s c 通过设置在武汉交换中心的t r a u 0 1 接入武汉 m s c ，广州交换中心共设置3 套t r a u ( t r a u 0 2 、t r a u 0 3 、t r a u 0 4 ) ，长沙 b s c 通过t r a u 0 2 、t r a u 0 3 ，广州b s c 通过t r a u 0 4 接入广州m s c 。其具体网 络结构如图2 1 0 所示： 盯一 竺鳞墅 1 荔歹_ ，一，7 吃笼i 眦势嚣豢= 篷 o 参、曩 l 摹t f l 6 , u 懿 ；：夺一= 臻i l ：，t 4 蹦 s c o “ 递垂。 逛剿丝一。 武厂通信系统框陶 篓 图2 1 0 武广客运专线g s m r 网络结构 f i g u r e2 - 8w u h a n - g u a n g z h o ud e d i c a t e dp a s s e n g e rr a i l w a yg s m - rn e t w o r ks t r u c t r u e 3 失效性分析方法 3 1 失效性分析概述 g s m r 网络在我国的运营时间尚不长，而随着列车运行控制系统的运用，特 别是正待使用的c t c s 3 的实验，g s m r 系统的可靠性问题目益暴露。系统的可 靠性是指系统在规定的条件下和时间内可靠的完成规定功能的能力，该能力可用 可靠性概率度量或可靠度表征。评价一个系统的可靠性通常通过对系统进行失效 分析来完成。失效分析是分析、寻找引起系统失效的原因，并提出纠纷措施。失 效分析的目的不仅是评价系统及其组成单元的可靠性水平，更重要的是提高系统 的可靠性水平。 要保证和提高系统和设备的可靠性，必须选择高可靠性的系统组件。要提高 系统组建的可靠性，必须了解其失效的本质、失效的模式和故障原因，以便采取 有效的措施。系统和设备可靠性设计需要提供设备和材料的失效率、失效模式和 故障模式及其严重性的信息。失效分析的主要方法有：失效分析测试观察法( 如 电子探针) ；故障模式影响分析法( f m e a ) ；故障模式、影响及危害性分析法 ( f m e c a ) ；故障树分析法( f t a ) ；事件树分析法( e t a ) 0 2 】。 故障树分析法适用于大型复杂系统，并且分析结果简单明了，因此本文选择 故障树分析法为g s m r 网络失效的基本分析方法。 3 2 故障树分析法 3 2 1 故障树分析法基本理论 故障树分析法是研究引起系统发生故障的各种直接或者间接的原因( 如硬件、 软件、环境、人为等因素) ，在这些原因间建立逻辑框图( 即故障树) 表示的一种 方法。故障树以图形化的方式表示在系统内故障或其他时间之间的交互关系。逻 辑门的输入事件是输出时间的“因”，反之，逻辑门的输出事件是输入事件的“果。 位于故障树最底层的事件称为底事件，它是某个逻辑门的输入事件。位于故障树 顶端的是顶事件，即系统不希望发生的事件。除顶事件和底事件外的事件称为中 间事件。描述事件之间因果关系的逻辑符号称为逻辑门，如与门、或门、表决门、 非门等。 1 3 常用的事件符号与逻辑门符号主要如下【1 3 1 ： 表3 1 故障树符号及意义 t a b l e3 - 1f a i l u r et r e es y m b o l sa n dm e a n i n g s 类s i l o 事件符号| )逻输- j 符号p 符号一 臼， | o 。 l 1、= wp ， lp 名称)基本事件p结果事件p未探明事件p与f - j o或f - j ,非门一 底事件：底事件是故障树分析中仅导致其它事件的原因事件，底事件位于所讨论 故障树的底端，总是某个逻辑门的输入事件而不是输出事件。底事件分为基本事 件与未探明事件。 基本事件：基本事件是在特定的故障树分析中无须探明其发生原因的底事件。基 本事件用圆形符号表示。 未探明事件：未探明事件是原则上应进一步探明其原因，但暂时不必或者暂时不 能探明其原因的底事件。未探明事件用菱形表示。 结果事件：结果事件是故障树分析中由其他事件或事件组合所导致的事件。结果 事件总位于某个逻辑门的输出端。结果事件用矩形符号表示。结果事件分为顶事 件与中间事件。 顶事件：顶事件是故障树分析中所关心的结果事件。顶事件位于故障树的顶端， 总是所讨论故障树中逻辑门的输出事件而不是输入事件。 中间事件：中间事件是位于底事件和顶事件之间的结果事件。它既是某个