基于SPN的LTE无线通信可靠性建模研究

李新钰

(中铁十二局集团电气化工程有限公司，天津 300308)

高速铁路通信系统作为我国铁路运输的主动脉，它承载了铁路列车的安全控制业务、列车调度业务以及数据传输业务等。根据不同铁路系统配置及所应用的场景方面来看，可以将中国铁路列车运行控制系统(Chinese Train Control System ，CTCS)，划分成5个等级(0至4)，以此来满足不同铁路运输线路的运输需求的规范与技术标准[1]。现阶段国内相对普遍应用的列车控制系统为CTCS-3级系统，在已有线路的改造过程中或者新铁路建设当中，通信方面依然采用第二代专用GSM-R无线通信系统。但该无线通信系统利用效率低、承载能力弱，因此无法充分满足当前高铁系统向智能化方向发展的要求。为此，国际铁路联盟提出了下一代LTE-R(Long Term Evolution-Railway)高速铁路无线通信系统。虽然该系统当前处于理论及研究阶段，但是其可靠性和安全性研究对车车通信、车地通信质量等方面有着重要的现实意义。根据上述信息，本文从LTE-R无线通信系统存在的故障恢复时延问题和角度为出发点，结合随机Petri网，构建了一种SPN的LTE-R无线通信系统故障恢复可靠性模型。同时，借助仿真软件对其可靠性进行分析。经研究结果证明该无线通信技术的应用，可为下一代LTE-R无线通信的发展提供相应的理论支撑。

1.1 无线通信系统LTE-R

LTE-R是在TD-LTE通信系统的基础之上，结合分时长期演进，并通过对协议栈的优化，所开发设计的一种能够适应CTCS各项性能指标的未来中国铁路无线通信专网。因此，与现在已有的高铁GSM-R网络结构进行对比分析，LTE-R的网络架构两者之间存在较大的差别，具体如图1所示[2]。

对铁路通信网络架构定义的LTE-R无线通信系统和GSM-R网络架构两者之间对比，从接入网方面来看，LTE-R仅具备eNodeB，减少了第二代通信系统的控制设备数量，并使LTE-R通信系统网络架构更加扁平化。因此，该系统架构既具备了底数据通信延时特点，又降低了高铁运营建设的成本。所以，两者之间对比均是宽带系统，以此为铁路以及列车运行控制提供了会话业务、视频监控业务以及列车行驶控制业务等[3]。

1.2 LTE-R通信故障分析

针对LTE-R系统而言，既需要具备非列控数据，又要拥有承载列车行车安全的数据传输业务。这对该无线通信系统而言，其可能存在的通信网络传输问题、链路中断或者越区切换失败等故障问题均会对LTE-R系统的可靠性造成一定程度上的影响。

2.1 LTE-R网故障恢复SPN模型

对LTE-R无线通信系统中存在的3种故障因素进行分析，结合高速列车行驶下多普勒频移对该通信网络造成的影响分析，从而构建出基于SPN的LTE-R无线通信故障恢复的可靠向模型。从该模型中可以发现，黑颜色宽矩形代表了确定性变迁，同类型较窄的矩形则代表了瞬时变迁。而白色矩形则代表了指数分布变迁。其中，相对应的参数类型则是依据不同类型事件所发生的数学概率特征来实现并确定的。其取值主要以中国铁路列车运行控制系统的Qos指标以及本文LTE-R无线通信系统的相关技术参数为基础，借助仿真工具实现了对LTE-R可靠性模型的构建，接着利用相关编程语言实现对不同仿真执行评价的策略函数以及配置、性能等方面进行定义、分析。最后，在进行SPN可靠性模型建模时，为能够更进一步对LTE-R无线通信系统进行分析，还需要对不同的库及变迁赋予对应的含义[4]。

图1 LTE-R网络架构和GSM-R网络架构对比分析

并且，定义的指数变迁loss代表连接丢失，startburst代表传输出错以及cellborde代表越区切换进入事件。因此，当这3个不同类型的变迁得到激活后，这表示LTE-R无线通信系统产生了不同类型的故障问题，如连接时延、信道故障和信道修复等问题。

2.2 SPN模型故障恢复过程

当SPN模型处于连接丢失和恢复过程时，发生连接丢失现象，指数变迁链路会得到激活，这时系统连接状态中的token就会消失，而链路丢失状态当中会产生对应的token。此时，系统会检测到连接丢失故障问题，而变迁的detection会得到激活，接着系统就会重新尝试进行区域重连的过程。不过，受UE连接丢失后首次进行请求重连的目标基站当中已经成功建立起终端上下文信息。这时，UE就能够直接实现这个过程的校验，并实现重新连接，而整个过程并不需要重新回到空闲状态[5]。

而在SPN模型当中，token经过LTErec进入到UE重新发起连接请求，如果重新连接成功，则token就会经过变迁estsuc-cess重新回到系统连接状态，这时系统会恢复到正常状态。反之，如果重新连接失败，token会借助变迁estfail进入到UE重新连接失败的状态，这时只需要将终端重新回到空闲态，并向基站发起重新建立双方连接的请求，对应的token就会经过确定性时间变迁idleconnect后回到系统已检测到连接丢失的状态当中。

当SPN模型处于传输错误以及恢复过程时，若是存在数据传输出错的问题(事件)startburst，这时系统就会开始执行HARQ进行错误数据纠正。并且，还会结合混合自动重传的基本过程，向UE发送重新连接的请求，这时token就会借助代表eNodeB，对重新请求的变迁NACK-Process进行处理，并进入到传输错误缓冲的状态当中。而变迁chdownl则会对系统信道的传输质量进行再一次判断。如果该信道表示正常，则信道就会恢复正常状态，并进行标记。此时，基站方面就会成功接收到重新传输的请求标记，并进入到下一步的处理工作流程当中。反之，若是传输信道出现故障时，且信道故障状态被标记，那么chdownl变迁就会被激活，并回到传输出错的状态，再一次进行重新传输请求发送。而收到的基站经过一系列流程，实现传输信道恢复和传输工作。

当SPN模型处于越区切换导致的故障时，如果高速列车达到eNodeB的边界时，若是出现越区切换造成的故障问题，那么在对应的模型当中指数elborder变迁就会被激活，同时随之进入越区切换前过渡状态。越区切换在受到多普勒效应的影响作用下，dopbad变迁会被激活，同时多普勒频移会导致系统出现故障状态，并产生相应的标记。此时系统也会进入到由多普勒造成的故障状态当中。如果该故障问题得到修复。那么越区切换前的过渡状态当中就会产生token，并且越区切换状态得到激活，还会消耗掉越区切换后缓冲区状态中的token和越区切换前过渡状态中的token。这时越区切换前缓冲区状态当中就会产生出新的token，这也表示在LTE-R无线通信过程当中，并不会出现无线闭塞中心。当越区切换信息重新和目标基站两者实现重连之后，LTE-R无线通信系统就会恢复到正常通信状态当中[6]。

3.1 工程案例概述

现阶段国内具备LTE-R无线通信系统的铁路主要有朔黄铁路与京沈铁路，因此本文进行可靠性模型仿真试验时，主要选择该路段为试验段。且将朔黄铁路作为货运为主，进而此次LTE-R仿真分析本文主要以京沈铁路为对象进行研究分析。已知该路段全长170公里左右，具全长具备7个隧道，区间RRU配置为63个，整个铁路沿线配置了华为和中兴两家基站共64个[7]。

3.2 仿真分析

针对LTE-R无线通信系统的可靠性模型进行仿真分析，通过利用随机petri网的仿真工具进行确定性随机petri网以及随机着色petri网等进行建模，并为其提供相应的功能。此次实现环境主要以win系统为主，其定义仿真执行函数具体分为4个方面：

当LTE-R无线通信系统正常时，其执行策略函数F1则为{#LTEconncted==1}；

当LTE-R无线通信系统出现越区切换故障时，其对应的库所执行函数F2则为{#handover==1}；

当LTE-R无线通信系统的数据传输初选差错时，库所执行函数F3则为{#burst==1}；

当其通信连接出现丢失故障时，库所的执行函数F4则为{LTEIossindication==1}。

因此，评价函数定义之后，该系统的仿真实践配置为2.9×104s，并利用仿真工具对其进行分析。然后根据基于SPN所建立的LTE-R可靠性模型初始化标记为起点，开始执行库所函数，以此得到LTE-R无线通信系统的正常通信概率以及越区切换故障概率、数据传输错误概率等对应的结果[8]。并且，为了进一步得出LTE-R无线通信系统的可靠性平衡状态分析结果，还通过利用stationary方法对其进行分析，从而得到F1的平均概率在99.6%以及其他对应试验结果。

同时，为了提升基于SPN构建LTE-R无线通信系统故障恢复模型的有效性，本文又对朔黄铁路的实际测试数据与可靠性模型进行仿真分析，其结果具体如表1所示。

表1 LTE-R铁路线路实际测试结果和模拟仿真结果对比分析

从表1中可以发现，基于SPN所构架的LTE-R无线通信系统故障恢复模型，结合朔黄铁路中一段实际LTR-R测试数据，两者在同一列车速度和平均基站的间距为7 km的相同条件下进行测试，其越区切换成功率的仿真试验结果为99.9%，与实际对LTE-R系统测试的100%结果相对比无限接近。而造成两者之间存在误差的主要因素是，由于本文所提出的基于SPN的LTE-R无线通信系统可靠性模型在仿真过程中，针对每个基站的间距采取了平均间距的方式。在实际测试过程当中，该线路边的基站是结合地方不同的地形进行设计的，是非平均间距。因此，就导致本文最终的仿真分析结果和实际测试结果两者之间存在极其微小的误差。

同时，本文在越区切换成功率方面进行仿真分析，得出的结果超过了CTCS-3对越区切换的成功率的要求，具体如表1所示。这进一步验证了本文可靠性模型的有效性。并且，从延时方面进行分析，基于SPN可靠性模型的仿真结果上来看，大于等于150 ms(99%)的结果，和实际测试的结果相比同样非常接近，且优于CTCS-3的标准要求。所以通过以上各方面的仿真结果来看，LTE-R无线通信系统所具备的高可靠性和低时延，要比CTCS-3所应用的第二代GSM-R通信系统的效果要更好。

综上所述，下一代LTE-R无线通信系统作为未来高速铁路无线通信系统，其自身的可靠性对保障高铁安全、稳定及可靠运行有着重要的现实意义。因此，本文根据随机Petri网和LTE-R无线通信系统存在的故障恢复时延问题，构建出基于SPN的LTE-R无线通信故障恢复可靠性评价模型。并结合对应仿真工具实现了对该模型的建模与定量分析，以此得出可行性结论。同时，为能够进一步对该恢复SPN可靠性模型的有效性进行验证，本文又将其试验数据和朔黄铁路LTE-R线路的实际数据进行了对比分析，从中发现实验仿真的结果无限接近实际铁路测试结果，由此也进一步证明了本文基于SPN构建的LTE无线通信可靠性模型的可靠性和有效性。