2022年铁路中GSM-R关键技术分析 .pdf

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1、GSM-R 移动通信系统技术分析1 GSM-R 网络介绍1.1 概述目前，在我国高速铁路中，CTCS-3 级列车运行控制系统（Chinese train control system-3 level,CTCS-3 级）发展迅速，列车与地面之间通过GSM-R(GSM for Railway)网络实现连续、双向、大容量的安全数据通信，列车运行控制系统对安全的要求极为苛刻，一旦失效将引起重大事故以及财产和生命损失。GSM-R 网络除了承载标准的GSM业务外，还具有集群通信功能，可用于向铁路通信系统提供由固定自控端向移动自控端的数据传输服务和与GSM、PSTN、PDN、IP以及卫星等系统连接建立服务等

2、，是铁路无线通信的综合服务平台。该网络可以有效满足铁路沿线及列车人员之间的语音通信、数据传输、控制信号传输、功能或位置寻址、调度模式选择、脱网互通等应用需求。1.2 GSM-R网络系统组成一个典型的GSM-R 通信系统而言，基本上由网络子系统（NSS,Network Sub-System）、基站子系统（BSS，Base Station Sub-system）、运行与维护子系统（OSS，Operation-Support System）和终端设备（MS，Mobile Station）四个部分构成，其结构如图 1-1所示。BSS 部分包括基站控制器BSC 和基站收发信台BTS，其负责将MS传输上来

3、的信号经由BTS实现无线通信中继，并交由 BSC处理和实现区域内的无线电资源管理与移动性管理等相关职能。NSS 部分主要负责对面向用户数据、移动性以及网络连接等方面的管理，而 OSS则需要实现整个 GSM-R 系统与工作人员之间的交流和沟通，负责实现通信系统的可控性和易用性等目标。根据中国无线电管理委员会的规定，GSM-R的使用频率范围为上行885 889 MHz，下行 930 934MHz。GSM-R除了能提供一系列铁路语音通信业务外，还要能够传输与列车操作、控制和保护相关的指令，并且保证列车在500 km/h 的情况下仍能够进行高可靠性、高接通率、高传输质量的通信。GSM-R 系统在列控系

4、统的应用中提供了透明的无线数据传输通道，其非列车控制类数据传输业务 QoS指标主要包括端到端呼叫建立时间、最大端到端时延、平均端到端时延、数据速率、呼叫建立失败率、越区切换成功率和越区切换中断时间等，其中越区切换成功率和越区切换中断时间是越区切换技术关键指标。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 17 页 -图 1-1 GSM-R系统组成2 GSM-R 网络抗干扰技术分析随着我国无线电通信的飞速发展，铁路沿线的电磁环境已经变得非常复杂，存在着多种通信的干扰。2.1 GSM-R的干扰源CDMA 带外干扰我国 CDMA 系统的下行频段为870 880 MHz,与 GSM-R

5、 系统的上行频段之间只有5 MHz 的保护带。CDMA 采用的是扩频通信技术，即把信号的频谱扩展到一个更宽的频带中去。所以 CDMA 系统的带外信号有可能会落在GSM-R 通带范围内，当其幅值达到一定值时，就会干扰到GSM-R 通信，影响GSM-R的通话质量。GSM互调干扰我国 GSM 900M 频 段 的下行频段为 935 960MHz，上行频段为 890 915 MHz，与 GSM-R 频段非常接近，如果这两个网络系统布网不够理想，导致两个或多个 GSM 信号作为干扰信号同时加到GSM-R 接收机时，由于非线性的作用，这些干扰信号的组合频率有时会恰好等于或接近GSM-R 信号频率，当其幅值

6、达到一定值时，就会形成GSM 互调干扰，影响 GSM-R通信。高斯白噪声干扰高斯白噪声是一种包含从负无穷到正无穷之间的所有频率分量，且各频率分量在信号中的权值相同的时变信号，当高斯白噪声的功率超过接收机的灵敏度时名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 17 页 -，会抬高接收机底噪，严重时会严重影响GSM-R 的正常通信。其他干扰实际通信中，还会存在由不理想布网造成的GSM-R 同频干扰、相邻信道间的邻频干扰、非法运营基站及大功率天线造成的非法干扰等影响GSM-R 正常通信的干扰存在。2.2 GSM-R监测系统硬件框图系统硬件由天线、高频接收模块、第一级变频器、中频滤波器

7、、第二级变频器、A/D 转换器、DSP 处理器组成,其组成框图如图 2-1 所示。图 2-1 GSM-R监测系统硬件框图其中,高频接收模块用于接收GSM-R 信号并对信号进行放大处理,第一级变频器用于对信号进行变频操作,输出频率为70 MHz 的中频信号,中频滤波器用于对信号进行滤波和调理,第二级变频器用于对信号进行二次变频,输出当前GSM-R 信号的零中频I Q 信号,A/D 转换器对信号进行模拟/数字转换,并将输出的数字信号送入DSP 处理器,DSP 调用存储器中的信号频域模板进行干扰识别与判定。2.3 GSM-R干扰的识别方法GSM-R 的信号模板GSM-R 时域信号是随着调制信息的不同

8、而变化的,发送不同的信息，其时域信号是不同的，所以 GSM-R 的时域信号不能够作为信号模板来进行比对。而GSM-R 的频谱是相对稳定的,当发送不同信息时，其频谱包络近乎恒定，所以可以视其频域波形为GSM-R 的信号模板。GSM-R 的信号频域模板可以通过多次实际测量后进行数据修正来生成模板，也可以通过 MATLAB/Simulink 来模拟生成模板,本文采用后者。由于GSM-R 是基于 GSM 的一种通信方式，而GSM 的调制方法为GMSK，所以可以通过用Simulink 来搭建一个标准的GMSK 调制模型来生成和模拟GSM-R信号。GMSK 调制模型的搭建本模型如图 2-2 所示，选用 B

9、ernoulli BinaryGenerator(伯努利二进制序列发生器)模块产生原始输入信号；选用 GMSK Modulator Baseband(基带 GMSK调制器)模块对原始输入信号进行GMSK 调制；选 Spectrum Scope(频谱仪)来显示 GMSK 调制后信号的频谱；选用Complex to Real鄄 Imag(复数转实部-虚部)模块将复数输入转为实部和虚部输出，以便于对GMSK 调制信号进行观察；选用To Workspace(输出至工作变量窗口)模块将 GMSK 数据导出到Workspace。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 17 页 -图

10、2-2 GMSK调制模型GSM-R 干扰的识别方法对于 GSM-R 的干扰识别,主要采用最基本的减法操作,处理效率高,识别速度快,其流程如图 2-3 所示。对采样信号 FFT设置阀值 C1是否大于 C1判为通信信号判为底部噪声将信号归一化计算底部噪声平均值与信号频域模板做差值运算与信号 1频域模板做互相关对运算结果取绝对值信号频域模板做自相关取最大值 MS1设置阀值 C3互相关结果与自相关结果做差值运算对运算结果取果取绝对值取最大值 MS1设置阀值 C3是否同时满足 MS1C3MS2C4识别为通信信号未受到干扰识别为通信信号受到干扰设置阀值 C2判断是否小于C2识别为底部噪声未受到干扰识别为底

11、部噪声受到干扰YNYN图 2-3 GSM-R干扰识别流程对应图 2-3 中的步骤,具体流程如下：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 17 页 -1)取 N(本文中 N=512)个 GSM-R采样数据组成的信号序列V，对 V 进行快速傅里叶变换，得到N 点频域数据序列 F，公式如下210iNjknkiiFV e（1）其中，kF为频域数据序列F的第k个数据，0,1,2,.1kN;iV 为信号序列V的第 i 个数据，0,1,2,.,1iN。2)将频域数据序列 F 分成通信信号S和底部噪声 D 两个序列,分离原则如下:当1kFC时，kF存入底部噪声序列 D当1kFC时，kF存

12、入通信信号序列S其中:数值1C为根据实际电磁情况设置的通信信号与底部噪声的分离阈值，通常取值为无业务信道在没有干扰情况下的底部噪声最大值；D和S为固定大小序列，体积均为2N，超出部分舍弃,不足部分补零。3)计算底部噪声序列D 的平均值AVRD,判断当前底部噪声是否有干扰。当2AVRDC 时，说明当前底部噪声没有被干扰当kKSSM时，说明当前底部噪声受到干扰其中，数值2C为根据实际电磁情况，设置的底部噪声干扰识别阈值，通常取值为无业务信道在没有干扰情况下的底部噪声的平均值。4)将通信信号序列S进行归一化，可以得到由2N个数据组成的归一化的通信信号序列，公式如下kKSSM（2）其中，KS 为归一化

13、的通信信号序列S的第k个数据，0,1,2.12Nk；M 为通信信号序列S中的最大值。5)将归一化的通信信号序列S与标准信号频域模板序列Std的对应数据相减后取绝对值,得到2N点，信号差值数据序列1Sub，公式如下1kkkSubSStd（3）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 17 页 -6)将标准信号频域模板序列Std与归一化的通信信号序列S做互相关计算,结果序列为COV。对标准信号频域模板Std做自相关,得到Std的自相关结果序列AUT。7)将所述的自相关结果序列AUT的每一个数据与所述的互相关结果序列COV的每一个数据相减后取绝对值,得到N点相关差值数据序列2Su

14、b，公式如下：2mmmSubAUTCOV（4）其中,2mSub为相关差值数据序列2mSub的第 m 个数据，0,1,2,.1mN。8)分别求取1Sub和2Sub的最大值1MS和2MS，综合考察1MS和2MS，判断有没有干扰。a)当 MS1C3 且 MS2C4 时,则表明当前信号没有受到干扰。b)其他情况,则表明当前信号受到干扰。其中，数值3C、4C为根据实际电磁情况设置的阈值，3C、4C的取值直接关系到干扰识别的灵敏度，30,2BCA,40,2BCA，其中 A为标准信号频域模板Std的最大值，B为标准信号频域模板Std的平均值；3C、4C的取值越小,灵敏度越高。对于 GSM-R 干扰的干扰类型

15、判定,分为对底部噪声部分干扰类型的判定和对通信信号部分的判定。3 GSM-越区切换分析在高速铁路环境下，蜂窝小区沿铁路线路线状覆盖，每一个小区覆盖范围较小，列车穿越小区交界时，切换频繁；而 GSM-网络采用的是硬切换技术，在旧链路断开之后和新链路建立之前的一段时间里通信是中断的，使列车无法实时更新列控信息，影响行车安全。因此，为保证 CTCS 系统传输可靠性和有效性，迫切需要对越区切换成功率进行分析。3.1 GSM-R 越区切换原理越区切换是指当用户从一个小区的覆盖范围移动到另外一个小区的覆盖围时，新的链路必须在用户和新的小区之间建立，而用户和旧的小区之间的链路连接必须删除和释放，以使得用户的

16、通话能够继续，是保证用户在移动通信系统中具有移动性的必不可少的方法。通过上面的网络结构分析可知，按照列车行进方向，GSM-R网络的越区切换有三类：BSC内越区切换、BSC间越区切换和 MSC间越区切换。按照切换触发的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 17 页 -条件将越区切换分为正常切换、紧急切换、负荷切换、快速移动切换、同心圆切换五类。参与切换过程中的设备包括移动台MS、基站收发器 BTS、基站控制器BSC、和移动交换中心MSC。其中 MS负责测量无线子系统下行链路性能和邻居小区的信号强度和信号质量并将所收集的信息上传给基站控制器；BTS负责监视每个被服务移动台的

17、上行接受电平，以及监测闲话务信道的干扰电平；BSC则负责根据这些信息报告进行处理，并对周围小区进行比较排队以及做出切换判决；MSC负责参与 BSC间越区切换的目标小区的确定以及MSC间越区切换的信息交互。越区切换可分为四个阶段：测量、触发、选择和执行。测量是指基站和移动台测量上下行信号质量；触发是指BSC或者 MSC根据测量结果与门限值比较，判断移动台是否需要切换；选择是网络侧从切换相邻小区列表中选择一个最佳小区作为切换目标小区或者选取指定的小区作为目标小区：执行过程是指在目标小区上分配、激活一个新的信道，并且命令移动台切换到新的信道上进行服务。1.测量过程在 GSM-R系统中，越区切换的判决

18、触发是根据车载移动台和基站测量的报告而进行的。车载移动台测量的是其接收到的下行链路的信道环境，基站测量的上行信道情况，并且分别生成测量报告。在车载移动台侧，通过测量网络的服务小区下行链路接收信号电平（ReLevDL）和质量（RxQuaLDL）以及相邻小区的BCCH 信道上的接收电平（RXLEV_NCELL(n)），移动台每个约 480s时间通过 SACCH 信道将测量结果报告给网络，包括本小区的接收电平、信号质量、TA值、功率控制和是否使用DTX（不连续发送）的情况，以及相邻小区有关接收性能的测量结果。在基站侧，通过对当前小区的上行链路的接收电平（ReLevUL）、当前小区的上行链路接收质量（

19、RxQualUL）、未指配时隙的干扰电平、TA值，测量周期与移动台侧相同。2.触发过程触发过程包括两个子过程：基站子系统的预处理过程和门限判决过程。基站收发器 BTS把接收的测量报告通过Abis 接口发送给基站控制器BSC，基站子系统 BSS需要对上行链路测量报告进行处理，如图2-4 所示。图 2-4 测量报告的传送基站系统对接收到的测量结果进行的处理包括以下几个方面过程：1)对接收电平 RxLev的处理RxLev分为 64级（用 6 位二进制编码），分别表示从-110dBm-48dBm的电平值。对于当前小区信号电平RxLevXX（XX=DL或 UL）的测量，至少要存有与最近32个样本（由 B

20、SS或 MS在 480MS内估计）有关的值。每 480s内，BTS用这些样本值结合 Hreqt（产生算术平均值的个数）和 Hreqave（产生加权平均值的个数）参数计算出接受信号电平的平均值。对邻区BCCH载频上的接受信号电平（RXLEV_NCELL(n)）测量也采用相同的方法。2)对信号质量 RxQual的处理名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 17 页 -信号质量用误码率BER来度量，分为 8 个级别(3 位二进制编码)，分别表示 从 012.8的误码率。对当前小区信号质量的测量结果处理过程同RxLev。3)对定时提前量 TA的处理TA值由 6 位二进制码表示，其

21、数值为0 6 3，单位是 1 个传输码元，即3.6 9u s。由此可算出最大的定时提前量为233us，这相当于电波传送35k m 的往返 时 间。从这一点出发，GSM-R系统的小区覆盖最大半径只能是35km。对当前小区定时提前量的测量结果处理过程同RxLev。4)对功率估计值PBGT(n)的处理BSS 需要每 480ms估计一次 PBGT（n）的值，其表达式如式（3-1），BSC也用它作为切换准则。式中，nNCELLRXLEV _和RxLevDL的值是通过对信号电平的处理过程获得。PMSTxPwrMAXPRxLevDLnPnCellMSTxPwrMaxnNCELLRXLEVnPBG,min,m

22、in_max(3-1)式中DCPWRRxLevDLPRxLevDL_max（DCPWR_代表 RF最大下行链路功率与 BSS功率控制下的实际下行链路功率之差）；MSTxPwrMAX代表移动台的最大发送功率；P代表移动台的最大RF发射功率。由于越区切换引起的原因多种多样，为了保证通话的延续性没在列车基站字系统 BSS处理其测量结果之后需要针对各种触发原因在相应触发条件进行触发越区切换，通常包括质量切换、电平切换、距离切换、功率估计切换等。1)质量切换当接收到测量结果经过处理后显示当前链路信号质量大于信号质量越区切换门限时，就触发质量切换。如果是由于上行链路信号质量大于上行链路信号质 量切换门限时

23、，请求切换的原因就是上行链路信号质量；如果是由于下行链路信 号质量大于下行链路信号质量切换门限时，请求切换的原因就是下行链路信号质 量。2)电平切换当接收到的测量结果经过处理后显示当前链路的信号电平低于信号电平越区切换门限时，就触发电平切换。如果是由于上行链路信号的电平小于上行链路信号切换门限时，请求切换的原因就是上行链路信号电平；如果是由于下行链路信号的电平小于下行链路信号切换门限时，请求切换的原因就是下行链路信号电 平。3)距离切换当msRangMaxcedisBSMStan_时，就可以触发距离切换，其中cedisBSMStan_表示车载移动台和基站之间的距离，msRangMax表示移动台

24、和基站之间允许最大距离。4)功率估计切换为了使移动用户将通话永远建立在接收电平最高的小区上，在移动台穿过两小区的边界时，如果BSC根据移动台的测量报告发现某邻居小区的接收电平满足一定的要求，就将触发到该小区的功率预算切换。移动台穿越小区边界的时名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 17 页 -候，如果 BSC根据移动台测量结果发现邻小区电平满足移动要求，即触发功率预算切换。其判决公式为：0argninhoMnPBGT（3-2）满足式（3-2）并且nPBGT最高的小区作为越区切换的目标小区，其中ninhoM arg为对应邻小区的切换门限，是在邻小区切换参数中定义，用来控制

25、不同小区切换难度，预防当服务小区接收电平和邻小区接收电平接近时候引起的乒乓切换效应。正常的话，功率预算切换次数占到切换总数的70%以上。该类切 换作为越区切换中的主要方式，因此在后面的讨论中都基于这类切换进行研究。3.选择过程由于高速铁路环境下的网络布置是沿铁路线呈带状覆盖，所以GSM-R网络越区切换的选择过程相对公网要简单些。如果采用的是单网覆盖方式，那么需要测试和可以进行切换的邻小区只有两个；如果采用双网冗余覆盖的话，则需要进行测试和可以进行切换邻小区只有五个。而且由于铁路的运行比较有规律，列车行进过程中的小区列表通常是可以预知的，因此可以引进目标小区指定方法，在这种条件下，可供选择的小区

26、数就会变得更少。BSC或 MSC按紧急性质量切换、紧急性电平切换、紧急性距离切换、业务切换和功率估计切换五种切换原因的优先顺序选择用于切换的小区。如果小区中的切换请求原因个数不只一个，则选择优先级别最高的作为切换原因。4.执行过程在整个切换过程中，切换的触发和选择过程是实现越区切换的量变过程，移动台和网络间的消息传输在表面上并没有发生变化。而切换的真正质变是从执行过程开始的。切换执行过程的主要任务是分配、激活一个新信道，使移动台的通话切换到新的信道上。切换的执行过程可以分为BTS内切换、BSC内切换、BSC间切换和 MS间切换。BSC内越区切换BSC内越区切换通常由BSC 控制完成，同 BSC

27、 内的越区切换是GSM-R系统中最多的切换。如图3-1 所示，从同属于 BSC 内的 BTS1切换到 BTS2，具体越区切换的流程如下：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 17 页 -图 3-1 BSC内越区切换流程a.BSC根据测量报告判决进行越区切换触发，向新小区发送ChannelActivation（信道激活）消息，要求提供一条TCH信道准备接收切换，如果新小区提供了一条空闲 TCH，那么将给 BSC 回送 ChannelActivationAck消息。b.BSC通过 FACCH 向旧 BTS发送 HandoverCommand消息，其中包括新信道的频率、时隙及

28、发射功率参数，BTS把该命令发给 M S。c.MS 把频率调至新频率上，然后通过FACCH 信道向新小区发送一个切换接入突发脉冲。d.新 BTS收到此突发脉冲后，将时间提前量信息通过FACCH 回送给 MS。e.MS 通过新 BTS向 BSC发送 HandoverComplete（切换完成）信息。f.BSC要求旧 BTS释放 TCH信道。BSC间越区切换在这种方式下，MSC将参与越区切换的信息交互过程。在此过程中，B S C需向MSC请求切换，然后建立MSC与的 BSC、新的 BTS的链路，选择并保留新小空闲 TCH供 MS切换后使用，然后命令 MS切换到新频率的新TCH上。切换成功后MS同样

29、需要接收邻居小区信息，如果越区切换时位置区发生了变化，在呼叫完成后还须进行位置更新。如图3-2 所示，高速列车从属于同一个MSC内的 BSC1切换到 BSC2，其中 BTS1、BTS2分别属于 BSC1、BSC2，其具体流程如下：a.旧 BSC把切换请求及切换目的小区标识一起发给MSC。b.MSC判断是那个 BSC控制的 BTS，并向新 BSC发送切换请求。c.新 BSC要求 BTS激活一个 TCH信道。d.新 BSC把包含有频率、时隙及发射功率信息通过MSC、旧 BSC和旧 BTS传到 MS e.MS 在新频率上通过 FACCH 发送接入突发脉冲。f.新 BTS收到此脉冲后，回送时间提前量信

30、息之MS。g.MS 发送切换成功信息通过新BSC传至 MSC。h.MSC命令旧 BSC去释放 TCH。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 17 页 -i.旧 BSC转发 MSC命令至旧 BTS并执行。图 3-2 BSC间越区切换流程MS间越区切换MSC间越区切换是最复杂的一种情形，切换前需要进行大量的信息传输。MS原所处的 BSC根据 MS送来的测量报告做决定，需要切换就向旧MSC发送切换请求，旧 MSC再向新 MSC发送切换请求，新MSC负责建立与新 BSC和 BTS的链路连接，新 MSC向旧 MSC回送无线信道确认。根据越局切换号码（HON），两 MSC之间建立

31、通信链路，由旧 MSC向 MS发送切换命令，MS切换到新的 TCH频率上，由新的 BSC向新的 MSC发送切换完成命令，并由新MSC传给旧 MSC，旧 MSC控制原 BSC和 BTS释放原 TCH。如图 3-3 所示，高速列车从 MSC1切换到MSC2，其中 BSC1、BTS1属于 MSC1，BSC2、BTS2属于 MSC2，MSC2的访问位置寄存器为 VHR-new，其具体流程如下：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 17 页 -图 3-3 MSC间越区切换流程3.2 GSM-越区切换过程在 GSM-R 系统中，越区切换是在移动台MS(Mobile Station

32、)通过相邻基站BTS(Base Transceiver Station)、相邻基站控制器(Base Station Controller)和相邻移动业务交换中心MSC(Mobile Switching Center)时发生的。越区切换包括触发、扫描、选择和执行4 个步骤。触发阶段指基站和移动台分别检测上下行链路，并将结果与预先设定的门限值作比较来判断移动台是否需要进行越区切换;扫描阶段指基站确定满足切换的6 个小区进行排队，编制成切换小区列表，并将其放在切换指示消息中发给BSC;选择阶段指BSC 选择信号质量最好的目标小区并等待关联;执行阶段指切换到信号质量最好的小区所在的信道上。在高速铁路G

33、SM-R 无线网络中，蜂窝小区沿铁路线状覆盖，并且只有前后两个小区是相邻小区，因此只需要在这两个小区中选择一个，再通过(CI，TA)定向坐标法或者TA 定向法判断出列车运行方向，那么目标小区就会更容易被选出。因此，提前切换或软切换技术成为减少切换时间和提高切换成功率的有效措施。高速铁路环境下 GSM-R 越区切换主要有 3 种类型，如图 3-4 所示。分别是同一个 BSC中不同 BTS之间的切换，如图3-1 中列车 1 所在位置;同一个 MSC中不同 BSC 之间的切换，如图 1 中列车 2 所在位置;不同 MSC 之间的切换，如图 3-1 中列车 3 所在位置。但 3 种类型切换的最主要过程

34、相似，因此，以 BSC 内的切换为例进行分析。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 17 页 -图3-4 GSM-R越区切换类型3.3 GSM-越区切换的影响因素随机 Petri 网以基本Petri 网为基础，能够对离散、并行系统进行有效分析。因此，可以对GSM-越区切换失败恢复成功事件建模分析。当所有设备都可以正常工作，系统没有故障时，影响GSM-越区切换的因素主要由以下3 点构成。1.目标小区信道故障由于地形、大气杂质、建筑物等影响，导致网络覆盖不好，致使目标小区信道故障，移动台不能正常接入目标小区。随后由于移动台处于高速行驶中，接收到原小区的信号质量随着与原小区

35、距离的增大而急剧下降，就会失去了与原小区的关联，导致切换失败。2.信道质量降低由于系统内干扰、系统外干扰、多径效应、多普勒效应等原因，移动台无法正常接收信号和解码信息，影响越区切换，一旦切换失败，列车与地面之间就无法进行通信。3.越区切换参数不匹配越区切换中参数设置极为重要，包括无线链路切换门限值、切换余量、发射机发射功率，这些参数是否匹配与切换成功率密切相关。其中大部分参数在设备出厂之前已经设定好，无需修改。但不同厂家的设备参数不同，最终会导致切换失败。图 3-2 描述了越区切换过程中进行安全数据通信的信道模型，它由影响越区切换的 3 个基本因素构成，模型中位置Pchok表示信道处于良好状态

36、。只有Pchok中的托肯数大于零，信道才可用。而位置Pchb、Pchf、Ppar分别表示信道故障状态、信道质量降低状态、越区切换参数不匹配状态。Tchf、Tchb、Tpar是标识相关的变迁，变迁Tchf、Tchb、Tpar分别表示信道故障、信道质量降低、越区切换参数不匹配，变迁Tchfr、Tchbr、Tparr分别表示信道故障修复、信道质量恢复、越区切换参数匹配。Tchf、Tchb、Tpar是标识相关的变名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 17 页 -迁，一旦激发就会把Pchok中的一个托肯转移到3 个变迁相对应的库所之中。用#表示。假设开始时刻Pchok中有 4

37、个托肯，即每个小区预留 4 个安全数据传输信道，以保证越区切换成功率。PchokPparPchfPchbTparrTparrTchfrTchbrTchfrTchbr图 3-2 安全通信信道模型4 GSM-通信无线覆盖的可靠性分析对 GSM-R系统进行安全评价研究旨在确保通信网络安全，促使列车安全、高效运行。对GSM-R无线通信网络来说，无线网络的覆盖质量将直接影响到通信的质量，选择合适的覆盖方案可以提高系统的可靠性。可靠性是指产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定功能的能力。对系统或某一产品进行可靠性分析，有助于了解其安全性，进而在生产过程中采取有效的措施预防产品失效情况的发生。系统可靠

38、性分析方法有多种，典型的有故障树分析法和事件树分析法等。列控系统的可靠性分析是保障列车安全运行的基础，因此研究列控系统的可靠性就显得非常重要。4.1 故障树分析法故障树分析法适用于大型复杂系统，通过对一种失效事件进行层层分析，深入挖掘，找出导致事件失效的全部原因。然后建立故障树，通过数学分析法，计算出整个系统的可靠度。1.故障树的建立故障树所用的符号在故障树的建立过程中需要使用一些特殊符号，如表1 所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 17 页 -故障树建立的基本规则GJB768.1 中列出了FTA 建树的 6 条基本规则。a.明确建树边界条件，确定简化系统图;

39、b.故障事件应严格定义;c.应从上到下逐级建树;d.建树时不允许门门相连;e.用直接事件代替间接事件;f.处理共因事件。2.故障树定性分析和定量分析故障树分析法有定性分析和定量分析两种。定性分析主要是研究故障树中所有导致顶事件发生的最小割集。定量分析是先确定底事件的故障模式，故障分布及其参数，底事件发生的概率等，求出顶事件发生的概率。利用最小割集对故障树定性分析割集是故障树中所有底事件集合的子集，当该子集中的底事件都发生时，顶事件必定发生。若将割集中的底事件任意去掉一个后，该子集就不是割集，那么此割集就为最小割集。最小割集的阶数即为最小割集中基本事件的数目。最小割集的重要度与阶数成反比，阶数越

40、大，最小割集的重要度越小；阶数越小，最小割集的重要度越大，因为小概率事件同时发生的概率很小。在不同的割集中，基本事件出现的次数越多，说明该事件发生的几率很大，对故障树来说也就越重要。故障树定量分析主要通过各单元的失效概率求得系统的失效率。设系统有 n个最小割集，分别为1E，2E，.nE，则顶事件 T 发生的概率TR为nnnEEEEEEEEEEREEERTR12132121121.（5）将括号内不交型积之和利用布尔代数运算公式步步简化后，代入各单元的失效概率，即可求得系统的失效概率。在许多实际工程问题中，精确计算是不必要的，因为统计得到的基本数据不是非常精确。可用式2求顶事件发生概率的近似值，这

41、里用sF 来表示。其中，jX为最小割集iE 中的底事件，jXF为该最小割集中底事件发生的概率。niiniiSEREPTRR112名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 17 页 -ijEXjiXFER34.2 GSM-R网络故障树分析法通过分析 GSM-R系统各个结构的失效性，可以得到故障树，进而对整个网络的可靠性进行分析GSM-R网络传输系统由基站子系统(Base Station Subsystem BSS)网络子系统(Network Switching Subsystem，NSS)、BSS 与 NSS 之间的传输链路组成，系统故障树也由这些子系统构成由于操作和维护子

42、系统(Operation an Maintenance System，OMS)的失效不会直接导致GSM R系统的失效，故不将其考虑在内。基站子系统(BSS)的失效可以分为 BTS单点故障 BSC单点故障以及基站之间传输线路故障当 BSC与 BTS之间采用环形链接时，此时只有当正环传输和反环传输都失效，基站传输环路才会失效，所以两者之间为串联关系在建立故障树时，通过一个两输入的与门和上级事件基站环路失效相连无论是正环还是反环，环内传输光缆的中断或环内前方某BTS单点故障都会导致某向环路失效，两者的关系为并联关系。基站子系统(BSS)和网络子系统(NSS)之间传输链路出现故障的原因一般是传输光缆中

43、断，也可将其作为故障树的一个基本事件。NSS中包含移动交换中心(MSC)以及 TAU，任何一个节点的故障都会造成 GSM-R网络的失效，所以两事件之间为并联关系，在建立故障树的时候，通过一个两输入或门与NSS失效这一上级事件相连。这里选取一个典型的覆盖方案建立故障树，并对该故障树进行定性分析。如图 4-1 所示，该图是根据双 MSC、双 BSC同站址双网冗余覆盖方案建立的故障树。GSM-R 网络失效A网失效M1B网失效 M2A网NSS 失效A网BSS 失效A网NSS 失效B网NSS 失效BSS 和NSS 传输中断X1BSS 和NSS 传输中断 X2A网TRAU 单点故障 X3A网TRAU 单点

44、故障 X4A网BSC 单点故障X5A网BTS 单点故障X6基站环传输失效A网MSC 单点故障 X7A网TRAU 单点故障 X8B网BSC 单点故障X9B网BTS 单点故障X10基站环传输失效A网正环失效A网反环失效B网正环失效B网反环失效A网正环前方某 BTS 故障X11A网正环前方传输光缆中断X12A网反环前方某 BTS 故障X13A网反环前方传输光缆中断X14B网正环前方某 BTS 故障X15B网正环前方传输光缆中断X16B网反环前方某BTS 故障 X17B网反环前方传输光缆中断X18图 4-1 双 MSC、双 BSC同址双基站冗余覆盖故障树顶事件 T 可以表示为：12TMM(4)名师资料

45、总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 17 页 -11345611121314MXXXXXXXXX(5)227891015161718MXXXXXXXXX(6)将式（5）和式（6）展开后，代入式（4）得到T 的表达式为 81 个积项之和，说明该故障树中包含81 个最小割集，即 81 种失效模式。当每一最小割集中的事件同时发生时，都会导致GSM-R网络故障。在故障树分析中，双网中单事件失效模式比单网中的少，因此双网的可靠性较高。冗余网络中，顶事件 T 的表达式乘积阶数比无冗余网络高，根据可靠性理论，乘积阶数越高，其最小割集发生的概率越小，对应事件发生的可能性低，所以可靠性提高。

46、当乘积阶数很大时，该失效模式可以忽略。5 结语随着铁路运输事业的蓬勃发展，高速铁路以及客运专线成为铁路行业的生力军，正在快速发展高速铁路最大的优势在于速度高，这就需要列控信息快速可靠地传送虽然 GSM-R功能强大，可靠性较高，但仍有一些问题需要解决由于铁路沿线干扰因素很多，如网络间干扰信号屏蔽器等，这些干扰因素会直接导致列车接受到错误信息或者使列车出现掉话的风险因此需要进一步提高GSM-R网络的抗干扰能力另外，在基础理论方面，还有一些技术问题需要解决，如多普勒频移的影响移动台群切换等只有解决这些问题，才能使GSM-R更好地服务于铁路运输事业我国高铁建设迎来大发展时期，为GSM-R技术的发展提供巨大的机会GSM-R网络系统仍有不少业务有待开发，如旅客信息服务移动办公等未来铁路通信会向综合化智能化发展，以满足铁路运输发展的需要。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 17 页 -