铁路中GSM-R关键技术分析.docx

GSM-R 移动通信系统技术分析
1 GSM-R网络介绍

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〕开展迅速，列车与地面之间通过GSM-R( GSM for Railway)网络实现连续、双向、大容量平安数据通信，列车运行控制系统对平安要求极为苛刻，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 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数据传输效劳和与 GSM、PSTN、PDN、IP以及卫星等系统连接建立效劳等，是铁路无线通信综合效劳平台。该网络可以有效满足铁路沿线及列车人员之间语音通信、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 GSM-R 通信系统而言，根本上由网络子系统〔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〕四个局部构成，其构造如图1-1所示。BSS局部包括基站控制器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处理和实现区域内无线电资源管理与移动性管理等相关职能。NSS 局部主要负责对面向用户数据、移动性以及网络连接等方面管理，而OSS那么需要实现整个GSM-R 系统与工作人员之间交流和沟通 ，负责实现通信系统可控性和易用性等目标。
根据中国无线电管理委员会规定，GSM-R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、控制和保护相关指令，并且保证列车在 500 km/ h 情况下仍能够进展高可靠性、高接通率、高传输质量通信。GSM-R 系统在列控系统应用中提供了透明无线数据传输通道，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。

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飞速开展，铁路沿线电磁环境已经变得非常复杂，存在着多种通信干扰。
2.1 GSM-R干扰源
l CDMA 带外干扰
我国 CDMA 系统下行频段为 870 ~ 880 MHz,与GSM-R 系统上行频段之间只有 5 MHz 保护带。CDMA 采用是扩频通信技术，即把信号频谱扩展到一个更宽频带中去。所以CDMA 系统带外信号有可能会落在 GSM-R 通带范围内，当其幅值到达一定值时，就会干扰到 GSM-R 通信，影响 GSM-R通话质量。
l GSM互调干扰
我国 GSM 900M 频 段 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，由于非线性作用，这些干扰信号组合频率有时会恰好等于或接近 GSM-R 信号频率，当其幅值到达一定值时，就会形成 GSM 互调干扰，影响GSM-R通信。
l 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所有频率分量，且各频率分量在信号中权值一样时变信号，当高斯白噪声功率超过接收机灵敏度时
，会抬高接收机底噪，严重时会严重影响 GSM-R 正常通信。
l 其他干扰
实际通信中，还会存在由不理想布网造成GSM-R 同频干扰、相邻信道间邻频干扰、非法运营基站及大功率天线造成非法干扰等影响GSM-R 正常通信干扰存在。

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、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 信号并对信号进展放大处理,第一级变频器用于对信号进展变频操作,输出频率为 70 MHz 中频信号,中频滤波器用于对信号进展滤波和调理,第二级变频器用于对信号进展二次变频,输出当前 GSM-R 信号零中频 I \Q信号,A/ D 转换器对信号进展模拟/ 数字转换,并将输出数字信号送入 DSP 处理器,DSP 调用存储器中信号频域模板进展干扰识别与判定。
2.3 GSM-R干扰识别方法
l GSM-R 信号模板
GSM-R 时域信号是随着调制信息不同而变化,发送不同信息，其时域信号是不同， 所以GSM-R 时域信号不能够作为信号模板来进展比对。而 GSM-R 频谱是相对稳定,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 信号模板。
GSM-R 信号频域模板可以通过屡次实际测量后进展数据修正来生成模 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 一种通信方式，而GSM 调制方法为 GMSK，所以可以通过用 Simulink 来搭建一个标准 GMSK 调制模型来生成和模拟 GSM -R信号。
l GMSK 调制模型搭建
本模型如图2-2所示，选用Bernoulli 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展 GMSK 调制；选Spectrum Scope(频谱仪)来显示 GMSK 调制后信号频谱；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 调制信号进展观察；选用To Workspace(输出至工作变量窗口)模块将 GMSK 数据导出到 Workspace。

图2-2 GMSK调制模型
l GSM-R 干扰识别方法
对于 GSM-R 干扰识别,主要采用最根本减法操作,处理效率高,识别速度快,其流程如图2-3所示。

图2-3 GSM-R干扰识别流程
对应图2-3中步骤,具体流程如下：
1) 取 N(本文中 N = 512)个GSM-R采样数据组成信号序列V，对V进展快速傅里叶变换，得到N点频域数据序列F，公式如下
〔1〕
其中，为频域数据序列第个数据，;为信号序列第个数据，。
2) 将频域数据序列分成通信信号和底部噪声两个序列,别离原那么如下:
当时，存入底部噪声序列
当时，存入通信信号序列
其中: 数值为根据实际电磁情况设置通信信号与底部噪声别离阈值，通常取值为无业务信道在没有干扰情况下底部噪声最大值；和为固定大小序列，体积均为，超出局部舍弃,缺乏局部补零。
3) 计算底部噪声序列平均值,判断当前底部噪声是否有干扰。
当时，说明当前底部噪声没有被干扰
当时，说明当前底部噪声受到干扰
其中，数值为根据实际电磁情况，设置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底部噪声平均值。
4) 将通信信号序列进展归一化，可以得到由个数据组成归一化通信信号序列，公式如下
〔2〕
其中，为归一化通信信号序列第个数据，；为通信信号序列中最大值。
5) 将归一化通信信号序列与标准信号频域模板序列对应数据相减后取绝对值,得到点，信号差值数据序列，公式如下
〔3〕
6) 将标准信号频域模板序列与归一化通信信号序列做互相关计算,结果序列为。对标准信号频域模板做自相关,得到自相关结果序列。
7) 将所述自相关结果序列每一个数据与所述互相关结果序列每一个数据相减后取绝对值,得到点相关差值数据序列，公式如下：
〔4〕
其中,为相关差值数据序列第m个数据，。
8) 分别求取和最大值和，综合考察和
，判断有没有干扰。
a) 当 MS1<C3 且 MS2<C4 时,那么说明当前信号没有受到干扰。
b) 其他情况,那么说明当前信号受到干扰。
其中，数值、为根据实际电磁情况设置阈值，、取值直接关系到干扰识别灵敏度，,，其中为标准信号频域模板最大值，为标准信号频域模板平均值；、取值越小,灵敏度越高。
对于 GSM-R 干扰干扰类型判定,分为对底部噪声局部干扰类型判定和对通信信号局部判定。
3 GSM-Ｒ 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-Ｒ 网络采用是硬切换技术， 在旧链路断开之后和新链路建立之前一段时间里通信是中断，使列车无法实时更新列控信息，影响行车平安。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展分析。
3.1 GSM-R 越区切换原理
越区切换是指当用户从一个小区覆盖范围移动到另外一个小区覆盖围时，新链路必须在用户和新小区之间建立，而用户和旧小区之间链路连 接必须删除和释放，以使得用户通话能够继续 ，是保证用户在移动通信系统 中具有移动性必不可少方法。
通过上面网络构造分析可知，按照列车行进方向，GSM-R网络越区切换有三类：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
条件将越区切换分为正常切换、紧急迫换、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信号强度和信号质量并将所收集信息上传给基站控制器；BTS负责监视 每个被效劳移动台上行承受电平，以及监测闲话务信道干扰电平；BSC那么负责根据这些信息报告进展处理，并对周围小区进展比拟排队以及做出切换判决；MSC负责参与BSC间越区切换目标小区确定以及MSC间越区切换信息交互。
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拟，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正确小区作为切换目标小区或者选取指定小区作为目标小区：执行过程是指在目标小区上分配、激活一个新信道，并且命令移动台切换到新信道上进展效劳。
1. 测量过程
在GSM-R系统中，越区切换判决触发是根据车载移动台和基站测量报告而进展。车载移动台测量是其接收到下行链路信道环境，基站测量上行信道情况，并且分别生成测量报告。
在车载移动台侧，通过测量网络效劳小区下行链路接收信号电平〔ReLevDL〕和质量〔RxQuaLDL〕以及相邻小区BCCH信道上接收电平〔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〕情况，以及相邻小区有关接收性能测量结果。
在基站侧，通过对当前小区上行链路接收电平〔ReLevUL〕、当前小区上行链路接收质量〔RxQualUL〕、未指配时隙干扰电平、TA值，测量周期与移动台侧一样。
2. 触发过程
触发过程包括两个子过程：基站子系统预处理过程和门限判决过程。
基站收发器BTS把接收测量报告通过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展处理，如图2-4所示。

图2-4测量报告传送
基站系统对接收到测量结果进展处理包括以下几个方面过程：
1) 对接收电平RxLev处理
RxLev分为64级〔用6位二进制编码〕，分别表示从-110dBm~-48dBm电平值。对于当前小区信号电平RxLevXX〔XX=DL或UL〕测量，至少要存有与最近32个样本〔由BSS或MS在480MS内估计〕有关值。每480s内，BTS用这些样本值结合Hreqt〔产生算术平均值个数〕和Hreqave〔产生加权平均值个数〕参数计算出承受信号电平平均值。对邻区BCCH载频上承受信号电平〔RXLEV_NCELL(n)〕测量也采用一样方法。
2) 对信号质量RxQual处理
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0～12.8％误码率。对当前小区信号质量测量结果处理过程同RxLev。
3) 对定时提前量TA处理
TA值由6位二进制码表示，其数值为 0～ 6 3，单位是1个传输码元，即3. 6 9u s。由此可算出最大定时提前量为 233us，这相当于电波传送35k m往返 时 间。从这一点出发，GSM-R系统小区覆盖最大半径只能是35km。对当前小区定时提前量测量结果处理过程同RxLev。
4) 对功率估计值 PBGT(n)处理
BSS需要每480ms估计一次PBGT〔n〕值，其表达式如式〔3-1〕，BSC也用它作为切换准那么。式中，和值是通过对信号电平处理过程获得。
(3-1)
式中〔代表RF最大下行链路功率与BSS功率控制下实际下行链路功率之差〕；代表移动台最大发送功率；P代表移动台最大RF发射功率。
由于越区切换引起原因多种多样，为了保证通话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展触发越区切换，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，请求切换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，请求切换原因就是下行链路信号质 量。
2) 电平切换
当接收到测量结果经过处理后显示当前链路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电平小于上行链路 信号切换门限时，请求切换原因就是上行链路信号电平；如果是由于下行链路 信号电平小于下行链路信号切换门限时，请求切换原因就是下行链路信号电 平。
3) 距离切换
当时，就可以触发距离切换，其中表示车载移动台和基站之间距离，表示移动台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小区上，在移动台穿过 两小区边界时，如果BSC根据移动台测量报揭发现某邻居小区接收电平 满足一定要求，就将触发到该小区功率预算切换。移动台穿越小区边界时 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 ：
〔3-2〕
满足式〔3-2〕并且最高小区作为越区切换目标小区，其中为对应邻小区切换门限，是在邻小区切换参数中定义，用来控制 不同小区切换难度，预防当效劳小区接收电平和邻小区接收电平接近时候引起 乒乓切换效应。正常话，功率预算切换次数占到切换总数70 %以上。该类切 换作为越区切换中主要方式，因此在后面讨论中都基于这类切换进展研究。
3. 选择过程
由于高速铁路环境下网络布置是沿铁路线呈带状覆盖，所以GSM-R网络越区切换选择过程相对公网要简单些。如果采用是单网覆盖方式，那么需要 测试和可以进展切换邻小区只有两个；如果采用双网冗余覆盖话，那么需要进 行测试和可以进展切换邻小区只有五个。而且由于铁路运行比拟有规律，列车 行进过程中小区列表通常是可以预知，因此可以引进目标小区指定方法，在 这种条件下，可供选择小区数就会变得更少。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 优先顺序选择用于切换小区。如果小区中切换请求原因个数不只一个，那么选 择优先级别最高作为切换原因。
4. 执行过程
在整个切换过程中，切换触发和选择过程是实现越区切换量变过程，移 动台和网络间消息传输在外表上并没有发生变化。而切换真正质变是从执行 过程开场。切换执行过程主要任务是分配、激活一个新信道，使移动台通 话切换到新信道上。切换执行过程可以分为BTS内切换、BSC内切换、BSC间切换和MS间切换。
u BSC内越区切换
BSC内越区切换通常由BSC 控制完成，同BSC 内越区切换是GSM -R系统 中最多切换。如图3-1所示，从同属于BSC 内BTS1切换到BTS2，具体越区 切换流程如下：

图3-1 BSC内越区切换流程
a. BSC根据测量报告判决进展越区切换触发，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，其中包括新信道频率、时隙及发射功率参数，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。
u BSC间越区切换
在这种方式下，MSC将参与越区切换信息交互过程。在此过程中， B S C需向
MSC请求切换，然后建立MSC与BSC、新BTS链路，选择并保存新小空闲TCH供MS切换后使用，然后命令MS切换到新频率新TCH上。切换成功后 MS同样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 成后还须进展位置更新。如图3-2所示，高速列车附属于同一个 MSC内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小区标识一起发给MSC。
b. MSC判断是那个BSC控制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。
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
u MS间越区切换
MSC间越区切换是最复杂一种情形，切换前需要进展大量信息传输。MS原所处BSC根据MS送来测量报告做决定，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之间建立通信链路，由旧MSC向MS发送切换命令，MS切换到新TCH频率上，由新BSC向新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访问位置存放器为VHR-new，其具体流程如下：

图3-3 MSC间越区切换流程
3.2 GSM-Ｒ越区切换过程
在GSM-R 系统中，越区切换是在移动台MS( Mobile Station) 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。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门限值作比拟来判断移动台是否需要进展越区切换; 扫描阶段指基站确定满足切换 6 个小区进展排队，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 选择信号质量最好目标小区并等待关联; 执行阶段指切换到信号质量最好小区所在信道上。
在高速铁路 GSM-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之间切换，如图3-1中列车 1所在位置; 同一个MSC中不同 BSC 之间切换， 如图 1 中列车 2 所在位置; 不同MSC 之间切换，如图3-1 中列车3所在位置。但3种类型切换最主要过程相似， 因此， 以 BSC 内切换为例进展分析。

图3-4 GSM-R越区切换类型
3.3 GSM-Ｒ 越区切换影响因素
随机 Petri 网以根本 Petri 网为根底，能够对离散、并行系统进展有效分析。因此，可以对 GSM-Ｒ 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-Ｒ 越区切换因素主要由以下 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， 接收到原小区信号质量随着与原小区距离增大而急剧下降，就会失去了与原小区关联，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展通信。
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。其中大局部参数在设备出厂之前已经设定好，无需修改。但不同厂家设备参数不同，最终会导致切换失败。
图3-2描述了越区切换过程中进展平安数据通信信道模型，它由影响越区切换 3 个根本因素构成，模型中位置表示信道处于良好状态。只有 中托肯数大于零，信道才可用。而位置、、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。、、 是标识相关变迁，变迁、、 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 、、分别表示信道故障修复、信道质量恢复、越区切换参数匹配。、、是标识相关变迁，一旦激发就会把中一个托肯转移到3个变迁相对应库所之中。用#表示。假设开场时刻中有4个托肯， 即每个小区预留4个平安数据传输信道，以保证越区切换成功率。

图3-2平安通信信道模型
4 GSM -Ｒ 通信无线覆盖可靠性分析
对 GSM-R系统进展平安评价研究旨在确保通信网络平安， 促使列车平安、 高效运行。对 GSM-R无线通信网络来说，无线网络覆盖质量将直接影响到通信质量，选择适宜覆盖方案可以提高系统可靠性。可靠性是指产品在规定时间内，在规定条件下，完成规定功能能力。对系统或某一产品进展可靠性分析，有助于了解其平安性，进而在生产过程中采取有效措施预防产品失效情况发生。系统可靠性分析方法有多种，典型有故障树分析法和事件树分析 法等。列控系统可靠性分析是保障列车平安运行根底，因此研究列控系统可靠
性就显得非常重要。

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展层层分析，深入挖掘，找出导致事件失效全部原因。然后建立故障树，通过数学分析法，计算出整个系统可靠度。
1. 故障树建立
①　 故障树所用符号
在故障树建立过程中需要使用一些特殊符号，如表1 所示。

②　 故障树建立根本规那么
GJB768. 1 中列出了 FTA 建树6 条根本规那么。
a. 明确建树边界条件， 确定简化系统图;
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最小割集。定量分析是先确定底事件故障模式，故障分布及其参数，底事件发生概率等，求出顶事件发生概率。
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子集， 当该子集中底事件都发生时，顶事件必定发生。假设将割集中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。最小割集阶数即为最小割集中根本领件数目。最小割集重要度与阶数成反比，阶数越大，最小割集重要度越小；阶数越小，最小割集重要度越大，因为小概率事件同时发生概率很小。在不同割集中，根本领件出现次数越多，说明该事件发生几率很大，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失效概率求得系统失效率。设系统有个最小割集，分别为，，...，那么顶事件发生概率为 〔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，代入各单元失效概率，即可求得系统失效概率。
在许多实际工程问题中，准确计算是不必要，因为统计得到根本数据不是非常准确。可用式求顶事件发生概率近似值，这里用来表示。其中，为最小割集中底事件，为该最小割集中底事件发生概率。

4.2 GSM-R网络故障树分析法
通过分析GSM-R系统各个构造失效性，可以得到故障树，进而对整个网络可靠性进展分析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 由于操作和维护子系统( Operation an
Maintenance System，OMS) 失效不会直接导致GSM－R系统失效，故不将其考虑在内。
基站子系统( BSS) 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原因一般是传输光缆中断，也可将其作为故障树一个根本领件。
NSS中包含移动交换中心( MSC) 以及 TＲAU，任何一个节点故障都会造成 GSM -R网络失效，所以两事件之间为并联关系，在建立故障树时候，通过一个两输入或门与NSS失效这一上级事件相连。
这里选取一个典型覆盖方案建立故障树，并对该故障树进展定性分析。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故障树。

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： (4)
(5)
(6)
将式〔5〕和式〔6〕展开后，代入式〔4〕得到表达式为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少，因此双网可靠性较高。冗余网络中，顶事件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，其最小割集发生概率越小，对应事件发生可能性低，所以可靠性提高。当乘积阶数很大时，该失效模式可以忽略。
5 结语
随着铁路运输事业蓬勃开展，高速铁路以及客运专线成为铁路行业生力军，正在快速开展高速铁路最大优势在于速度高，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承受到错误信息或者使列车出现掉话风险因此需要进一步提高GSM-R网络抗干扰能力另外，在根底理论方面，还有一些技术问题需要解决，如多普勒频移影响移动台群切换等只有解决这些问题，才能使GSM-R更好地效劳于铁路运输事业我国高铁建立迎来大开展时期，为GSM-R技术开展提供巨大时机 GSM-R网络系统仍有不少业务有待开发， 如旅客信息效劳 移动办公等 未来铁路通信会向综合化智能化开展，以满足铁路运输开展需要。