GSM_R无线通信网络指标评估体系研究

GSM-R论文

2010年9月　第46卷　第9期铁道通信信号

RAILWAYSIGNALLING&COMMUNICATION

September2010　Vol146　No19　

GSM2R无线通信网络指标评估体系研究

林思雨　钟章队

3

33

　艾　渤

333

摘　要:在分析高速列车系统对无线通信系统需求的基础上,阐述了在高速环境下对无线通信系

统进行评估的意义和重要性。根据我国高速铁路特点及需求,提出我国GSM2R无线通信网络指标评估体系的分层模型及各层指标构成。探讨了评估流程,对指标映射以及评估结果分析中用到的主要成分分析、回归分析数学模型方法进行了介绍。关键词:CTCS23级列控系统;铁路综合数字移动通信系统;评估;多元统计分析

Abstract:Basedontherequirementanalysisofwirelesscommunicationsystemforhigh2speedtrainsys2tem,thispaperelaboratesthesignificanceandimportanceofevaluatingsafewirelessonsys2temunderhigh2speedcircumstance.ThispaperproposesaofChineserail2wayGSM2Rwirelesscommunicationnetworkandgivesthemodelaccord2ingtothecharacteristicsandrequirementsof2w.onprocessisdis2cussedandrelatedindicatorincludingprincipalcomponentanalysisandonresultsanalysisareintroduced.

Keywords:control;GSM2R;Evaluation;Multivariatestatisticalanalysis

我国300km/h及以上的高速铁路采用CTCS23级列控系统,其中GSM2R无线通信网络不仅承担着CTCS23级列控系统信息传输,还肩负着铁路调度电话等重要业务。其可靠性、可用性、可维护性、安全性(RAMS),直接关系到人民的生命财产安全。

为降低事故发生的可能性,必须增强安全生产的事故前管理,及时发现隐患,采取措施,预防事故的发生。事故前管理的基础是对当前网络状态做出准确的评估。CTCS23级列控系统已初步建立了比较完善的系统评估方法。但是针对铁路无线通信系统的自身特征,以及列车高速行驶给无线通信系统带来的新问题,如何有效地对无线通信网络性能进行评估却没有相应的研究,仅仅在通信网络的可靠性以及个别通信传输指标对列控系统的影响上进行了研究,因此无线通信系统性能准确评估对于列车控制的完整性及可靠性有重要的意义。

1　分层评估模型

在铁路正式运营过程中为保证列车控制的安全可靠,需要完整快速准确的对无线网络进行评估,避免对铁路的正常运营造成不必要的影响。一套简单快捷的评估流程对无线通信系统是非常重要的。

指标评估是一种常用的评估方法,它是根据系统特征选取典型评估指标,采用数学方法对指标值进行统计分析,从而得到评估结果。在评估指标选取合理的情况下,仅需要对选取指标进行测量,采用合理的数学模型及评估方法,就可以得到准确的评估结果。

无线通信系统对铁路运营的影响是多方面的,完整评估一个通信系统需要包含大量的不同方面的评估指标。因此一个具有层次性的评估体系可以简化无线通信系统评估的复杂度。根据铁路无线通信网络对CTCS23级列控系统影响的不同层面,将评估体系分为系统层评估、业务层评估及资源层评估。对铁路无线通信网络RAMS指标的评估是一个系统层面上的评估,故称为系统层评估。对铁路无线通信网络对其所承担业务的影响的评估称为业务层评估。除上述2层评估外,还需要对无线网络的基本通信能力进行评估,与无线通信系统的物理

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室100044北京　3博士研究生　33教授　333副教授　基金项目:国家自然科学基金-铁道联合资助重点项目(No.60830001);国家重点实验室重点课题(No1RCS2008ZZ006);北京交通大学优秀博士生科技创新基金资助项目(No1141059522)　收稿日期:2010207212

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资源密切相关,因此称为资源层评估。3层评估体

系如图1所示。

时必须要去掉的最少链路数DL(k,km)(最少节点数DN(k,km))。该指标描述了网络的抗毁性。

2.平均无故障时间(MeanTimeToFailure,MTTF):当网络发生不可修复的故障前,网络正常运行时间的期望值。

3.平均失败间隔(MeanTimeBe2tweenFailure,MTBF):网络发生可修复故障时,相邻2次故障之间的正常工作时间的期望值。

4.平均修复时间(MeanTimeToRe2pair,MTTR):修复故障所必须的时间期望值。它包括确认故障发生所必需的时间,以及维护所需要的时间。其中包含获得配件的时间、、记.护时间间隔(MeanTimeBetweenMaintenance,MTBM):网络2次相邻维护的时间间隔的期望值。这种维护包含周期性的预防性维护以及发生故障后的修复。

6.系统固有有效性(AI):系统有效性是一种理想状态下的有效性,表示网络在任何有请求到达的情况下都可提供业务的概率,没有考虑存在预防性维护的情况。

AI=

MTBF+MTTR

(1)

7.系统可达有效性(AA):系统可达

有效性是指在考虑了预防性维护以及修复性维护的条件下系统有效性。

AA=

MTBF+MMT

(2)

图1　铁路无线通信系统层次化评估指标体系

2　评估指标分析

评估体系中需要包含大量的评估指标。根据每

个评估层任务的不同,各层选取的评估指标也不尽相同。211　系统层评估指标分析

系统层指标是对网络RAMS进行评估。该层包括了与可靠性、有效性、可维护性及安全性相关的11项指标。

1.网络连通度(粘聚度):对于一个网络直径为k的通信网络,为使网络直径k超过阈值km

其中MMT(MeanMaintenanceActionTime)为平均维护行为时间,包含了预防性维护时间以及修复性维护时间。

8.系统操作有效性(AO):操作有效性表示一段周期内的平均有效性,其考虑了所有已知的停机的可能性(包括管理停机以及逻辑停机等)。表示为正常运行时间与运行总时间的比值。

AO=

正常运行时间操作周期

(3)

9.平均宕机时间:系统连续无法正常接受请

求的时间。

10.平均危险性故障间隔时间:发生2次系统安全性损坏故障期间的安全运行时间的期望。

11.平均安全系统失效间隔:2次网络发生失

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效时间间隔的时间期望。

12.危险速率:系统发生危险的频率,一般表示为每小时发生网络失效的次数。

以上,1,2,3项指标描述了网络的可靠性;4,5项指标描述了网络的可维护性;6,7,8,9项指标描述了网络的有效性;10,11,12项指标描述了网络的安全性。系统层的指标一般需要很长的测量周期,所以评估过程中采用的测量值一般是长期监控得到的统计值。212　业务层评估指标分析

业务层指标是完成网络与主要业务相关性能的评估。该层包括了语音与非列控类数据业务和列控类数据业务相关的14项指标。

1.端到端呼叫建立时间:移动终端从发起紧急呼叫请求到呼叫成功建立之间的时间间隔。由于铁路语音呼叫存在优先级,因此呼叫的建立时间的要求根据呼叫优先级的不同,要求也不同。

2.:3.最大端到端延迟:统计区间内用户话音帧发起传送请求到该用户话音帧成功传送之间的最大时间间隔。

4.平均端到端延迟:统计区间内用户话音帧发起传送请求到该用户话音帧成功传送之间的时间间隔的期望值。由于语音业务对于时延和抖动要求较高,因此需要3和4二项指标共同表示。

5.呼叫连接丢失概率:在语音呼叫连接时间内,非主动释放造成的语音连接丢失概率。

6.越区切换失败概率:切换成功率是成功切换的次数与总的切换尝试次数的比值。

7.越区切换中断时间:越区切换中断时间指在越区切换时移动台由原小区通信链路切换至新小区通信链路时发生通信中断的时间。

8.移动台发起连接建立时延:连接请求方从发起连接请求到收到连接已成功建立的指示之间的时间间隔。

9.连接建立失败概率:连接建立失败次数与连接建立请求总次数的比值。

10.最大端到端连接时延:用户数据帧发起传送请求到该用户数据帧成功传送之间的时间间隔。

11.连接丢失概率:在累积的连接保持时间内非主动释放的累积次数。一般单位为(次/h)。

12.传输干扰时间:从第1个出错的数据帧出现开始,到第1个无错的数据帧出现前结束。以差错帧持续的总时间进行统计。—18—

13.回复无差错时间:从出现第1个无错的数

据帧开始计时到第1个出错的数据帧出现前结束。以无差错帧持续的总时间进行统计。

14.网络注册时延:发起网络注册请求命令到收到已成功注册GSM2R网络成功的标识间的时间间隔。

业务层中的评估指标一般测量周期较短,因此指标值采用大量测量后进行统计的方法,以小于某一阈值的概率表示,具体测量办法以及表示方法参见文献。213　资源层评估指标分析

1.干扰等级:量化形式表示网络当前的受干扰程度(包括同频干扰、邻频干扰、交调干扰及互调干扰等)。

2.:)描述。

3.覆盖概率:在一定的地点间隔内(100m)测试的电平值大于或等于规定的最小接收可用电平的概率不小于规定的值。

4.误码率:错误接收的比特数与发送总比特数的比值。铁路无线通信系统误码率性能与列车控制系统的安全完整性水平(SIL)密切相关。

5.通信中断概率:无线通信系统中载波干扰比小于通信所必需的载波干扰比的概率。

6.电平交叉率(LCR):是对衰落快慢的一种度量。LCR描述衰落信号的幅度以怎样的频率穿越某一门限,通常按照正向穿越方向进行计算。

7.平均衰落时间:平均衰落时间这一参数是指信号在门限以下持续的时间。

3　评估流程与方法

无线通信系统的评估流程主要包括准备与指标测量、量化评估、结果分析与网络优化3个步骤。311　准备与指标测量阶段

准备阶段包括标准规范搜集与制定评估计划。搜集与铁路(包括高速铁路)运输安全相关的国际标准、国家标准、铁路行业标准、技术条件、规章规范等,总结指标判别标准与测量标准以及测试方法。制定完整的评估计划,包括指标测量方案,数据采集方案以及其他相关预案等。指标测量包括对测量周期较短的指标(如资源层指标与业务层指标)采用在一段时间内集中测量统计处理的方法。对测量周期较长的指标(如系统层指标)采用长期监视的方法获得指标测量值。为保证指标测量结果具有普遍

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意义,需要进行动态大范围的多次测量,对测量结果

进行统计分析后方可用于评估。312　量化评估

量化评估可以采用灰色理论结合粗糙集的方法。根据准备阶段的调查结果对指标测量结果进行量化评级。对评级后的数据采用灰色聚类理论进行评估,得到预评估结果。随后采用粗糙集理论计算指标权重,使用新的指标权重新进行评估,得到最后的评估结果,具体细节参看文献。采用该方法也可以对各层指标单独进行评估。

各层指标间存在相关关系,如业务层评估指标越区切换失败概率与资源层评估指标误码率、干扰等级、最小接收电平、覆盖概率等存在一定相关关系。若希望找到这些指标间的相对确定的关系,可以通过回归分析的方法进行分析。

简单的回归分析的形式表示为

β+εy=X,a(=E(ε)=0

()

X=(X1,…Xp)

T

(5)

随机向量X的方差为Σ,Σ特征值从大到小为λ1≥λ2≥…≥λp,λj对应的彼此正交的单位特征向量为cj。则X的第j个主成分为cj与X的内积,即

T

(6)Yj=cjX

根据结果,分析主成分中占较高比重的指标对评估结果的影响,制定相应的网络优化方案以改善网络性能。完成评估以及优化后的网络性能将会得到显著的提高,以满足CTCS23级列控系统的需求。

4　结束语

建立完整的铁路无线通信网络指标评估体系结构,对于CTCS23,完。本。随着铁路建设与运营不断的深入,完善系统指标评估体系仍有大量工作需要进行,如对相关指标进行大量的长时间的测试,数学模型的适用性、准确性分析改善等的研究,评估执行过程中的细节问题仍需要广大研究人员的进一步深入研究探索。

参

考

文

献

[1]　张曙光.CTCS23级列控系统总体技术方案[M].北

京:中国铁道出版社,2008.[2]　张曙光.高速铁路系统生命周期安全评估体系的研究

[J].铁道学报,2007,29(2):20-26.[3]　CENELEC.EN50126Railwayapplications-Specification

anddemonstrationofreliability,availability,maintain2abilityandsafety(RAMS)[S].London:BritishStand2ardsInstitution,1999:30-69.[4]　孙瑜,范平志.一种综合评估GSM2R网络可靠性的

方法[J].交通运输工程与信息学报,2005,3(1):20-25.[5]　徐田华,赵红礼,唐涛.基于有色Petri网的ETCS无

线通信可靠性分析[J].铁道学报,2008,30(1):38-42.[6]　UNISIG.ERTMS/ETCS2Class1GSM2RQualityofServ2

iceClass1RequirementsSUBSET2093v2.2[S],2005.[7]　北京全路通信信号研究设计院.铁路GSM2R数字移

动通信系统工程设计暂行规定[S],2007.

[8]　中铁电化集团北京电信研究试验中心有限公司.

GSM2R无线覆盖和服务质量(QoS)测试方法[S],2007.[9]　钟章队,艾渤,刘秋妍,林思雨.铁路数字移动通信

系统(GSM2R)应用基础理论[M].北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2009:241-248.[10]　吴诚鸥,秦伟良.近代实用多元统计分析[M].北

京:气象出版社,2007.

(责任编辑:诸　红)

y1

y=

ε1

,ε=

……

yn

,β=

b1……

εn

…

bm

,

1

x=

x11

…………

x1m

……

1

……

xn1

xn分别称为因变量向量、未知

参数向量、残差向量、回归设计矩阵,x为自变量。

如研究越区切换失败概率与误码率、干扰等级、最小接收电平、覆盖概率的相关关系,则越区切换失败概率为因变向量,误码率、干扰等级、最小接收电平、覆盖概率为自变量,组成回归设计矩阵。n为因变向量测量样本个数,m为与因变向量相关的自变向量的个数。未知参数向量与残差向量通过一些特别的参数估计方法进行计算。

上述工作完成后,整个评估指标才形成一个完整的体系。313　评估分析与网络优化

评估分析的目的是根据评估结果,发现影响网络性能的主要因素和次要因素。影响网络性能的主要指标有些是显而易见的,而有些是指标集整体的变化影响了网络的性能,这些指标集往往是难以直接观察得到的,因此需要数学工具进行分析。主成分分析旨在利用降维的思想,把多指标转化为少数几个综合指标。基本模型如下所述:

将原始指标数据的标准化采集p维随机向量

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/edre.html