上海局GSM-R核心網、無線網冗余方案研究

李 雪

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

李雪，女，碩士畢業于北京交通大學，工程師。主要從事無線通信的研究工作，多次負責GSM-R網絡的互聯互通方案設計，參與京滬高速鐵路的施工圖設計工作，集團公司承擔的工信部重大科研項目“基于TD-LTE的高速鐵路寬帶通信的關鍵技術研究與應用驗證”的研究工作。

1 概述

上海局現有一套MSC設備，既有線和高速線接入同一MSC，由于天窗時間不統一，難以進行MSC的升級改造及作業檢修等操作。同時，一旦MSC故障或自然災害等原因導致MSC不可用，其管轄范圍內的無線通信業務將全部中斷，難以保證不間斷地提供GSM-R業務，同時影響CTCS-3級列控業務的正常使用。其他核心網設備，如SGSN、GGSN等存在同樣問題。

根據GSM-R系統承載的業務應用，GSM-R無線網采取了一定的冗余備份機制，如京滬、滬寧、滬杭、杭甬、合蚌、寧杭等300～350 km/h高速線路GSM-R無線網采用了單網交織結構，而合寧、合武、杭深、滬漢蓉、京九等250 km/h以下新建線及既有線均采用普通單網結構。在單網交織和普通單網組網結構下，均是采用單套BSC設備提供服務。雖然BSC設備內部的關鍵板卡已經進行冗余配置，但設備級的冗余備份未作考慮。在緊急情況下，一旦BSC設備宕機，則其管轄范圍內的各項業務將發生中斷，鐵路工作人員將失去與外界聯系的通訊手段。

因此，為了進一步提高網絡的安全性，減小GSM-R網絡設備故障時對業務的影響，急需開展上海局GSM-R核心網、無線網冗余方案的研究。

2 GSM-R核心網、無線網冗余技術

2.1 MSC冗余備份技術

隨著時間的推移，從R99到R4到R5在不斷地演進中。隨著核心網的演進，MSC的版本也發生相應的變化。目前，鐵路GSM-R網絡中應用的MSC有兩種版本，基于R99網絡的傳統MSC和基于R4網絡的軟交換MSC。

基于不同的MSC版本，MSC冗余備份技術也有兩種不同的方案，分別是資源池備份技術和雙歸屬備份技術。MSC pool（MSC池）的技術是在3GPP R5版中引入的，其概念同時適用于GSM R99網絡和R4網絡；雙歸屬是軟交換架構下采用的一種MSC冗余備份技術。

2.1.1 資源池

1）技術特點

首先，提出A-flex技術，一個BSC可連接多個MSC；引入池域的概念，一個池域就是由多個MSC組成的共同控制一個或多個位置區的網元集合。具體是指，多套MSC組成一個資源池，每個MSC同等地管轄區內所有BSC。一旦某一MSC發生不可用（線纜斷開、MSC故障、MSC升級等）時，BSC可將其信令和業務轉至MSC池中其他MSC上，從而實現多套MSC間業務備份。

上海局GSM-R網絡采用資源池技術實現MSC備份時，采用1+1備份方式，如圖1所示。考慮地理容災，在新建客專調度所新設一套MSC，與上海局既有虹橋MSC組成一個池，如圖2所示。正常情況下兩個MSC配置數據完全相同，都處于激活狀態，采用負荷分擔方式，各承擔50%的業務。當任一MSC不可用時，BSC可將業務全部交由可用的MSC來處理。

MSC pool 1+1備份方式技術特點如下。

* 遵循3GPP標準的資源池技術，實現1+1冗余。

標準依據：3GPP TS 23.236 Intra-domain connection of Radio Access Network（RAN）nodes to multipleCore Network（CN）nodes（無線接入網RAN與多個核心網CN節點的域內連接）

* 熱備份，實現即時切換。

兩套MSC同時工作，當一套MSC發生宕機，該套MSC上正在發生的業務將被中斷，但重新發起新業務時，所有業務均實時地由另一套MSC完全承擔，不存在MSC之間的特殊倒換時間。

* 兩套MSC均是激活狀態，信令點不同。

MSC pool技術中兩個MSC均是激活狀態，需要為新設冗余MSC分配單獨的信令點編碼。與MSC相連的其他設備，需要支持同時與新設冗余MSC的連接。

* 兩套MSC之間采用負荷均衡的工作方式。

池內的兩套MSC采用負荷分擔方式，同時工作；BSC被池中兩套MSC管理，并按照負載均衡策略將用戶注冊到池中任意一個節點。用戶在開機注冊后將始終保持登記在同一個MSC上，直到用戶脫網，再次重新選網。

* 池內的兩套MSC互聯，實現組呼數據庫的實時同步，解決組呼在宕機時，能迅速再次成功發起。

在兩個MSC中建立完全相同的兩個組呼寄存器（GCR）靜態數據庫，并同時建立實時同步的組呼動態數據庫，用于標記當前組呼在哪個MSC下活動，一旦另一MSC接收到相同組呼號的呼叫，先發起兩個MSC之間的連接查詢，如果連接正常，則拒絕同一組呼號，并將其轉移給正確的MSC。如果連接異常，則在本MSC下建立組呼。

* 池內的兩套MSC互聯，實現用戶動態數據庫的實時同步，解決被叫用戶在MSC宕機時丟失當前位置信息的情況。

VLR移動備份數據庫將在兩個MSC中建立，其內包含的內容有：TMSI、Cell ID、NRI、上次位置更新的時間等。且兩個動態數據庫互為主備，以保證其實時同步，任一數據庫的狀態有更新，都會在另一數據庫上復制。

* 針對MSC升級維護檢修等作業的MSC主動業務轉移。

有針對性地轉移某一套MSC上的業務負荷，比如MSC升級時，有意將目標MSC上的業務全部轉移到另一MSC上。

2）網元影響

既有MSC：目前既有虹橋MSC采用的軟件版本為SR14。MSC軟件版本不用升級，但需開通4個功能，即“資源池”技術、組呼業務數據備份、用戶動態數據庫備份、MSC主動業務轉移。開通需要重新啟機，因此需要申請天窗時間完成。同時完成與新設MSC的連接。

BSC：需開通A-flex功能，即“資源池”技術，支持同時與兩個MSC連接。由于無線網需要同時連接到兩套MSC，且任何一個MSC宕機，無線網需要具備將自身所有業務量全部轉移到另一套MSC上。因此，BSC與MSC之間的接口容量需要配置為原來的兩倍，其中一半連接既有MSC，一半連接到新設客專調度所MSC。

HLR/SCP/TMSC/其他直連MSC：需支持同時與兩個MSC連接的功能，并支持主備路由，相應數據庫修改。與既有上海MSC相連的各網元硬件配置滿足要求，需增加到新設客專調度所MSC的傳輸通道。

其他非GSM-R網元，如RBC/PSTN等：需支持同時與兩個MSC連接的功能，并支持主備路由，相應數據庫修改。與既有上海MSC相連的各網元需增加到新設客專調度所MSC傳輸通道。

FAS系統：需支持同時與兩個MSC連接的功能，并支持主備路由，相應數據庫修改。FAS主、備系統均分別與既有MSC和新設MSC互聯，FAS主備系統都需增加到新設客專調度所MSC的傳輸通道。

2.1.2 軟交換雙歸屬

1）技術特點

雙歸屬是軟交換架構下采用的一種MSC冗余備份技術，即為主用MSC server設置一套備用MSC server，同一個媒體網關（MGW）歸屬于兩個MSC server，正常運行情況下，MGW只注冊到主用MSC server上，而當該MSC server發生故障時，MGW可注冊到備用MSC server上，繼續為此MGW下管理的用戶提供業務。

上海局GSM-R網絡采用雙歸屬技術實現MSC備份時，采用1+1備份方式，如圖2所示。考慮地理容災，新設兩套軟交換MSC設備，一套主用，一套備用。

MSC雙歸屬1+1備份方式技術特點：

* 熱備份，3 min倒換時間。

每個MGW歸屬于兩個MSC Server，當任意一個MSC Server故障，另一個MSC Server可以快速接管MGW的控制權，完全承擔故障MSC Server的業務，整個過程可在3 min內完成。

* 只有主用MSC是激活狀態，信令點相同。

主用MSC server處于激活狀態，提供業務。備用MSC server為非激活狀態，不提供業務。與MSC相連的其他設備，通過MGW實現與MSC的連接。

* 兩套MSC Server 為1+1熱備用工作方式。

2套MSC Server 為1+1熱備用的工作方式，2套MGW為負荷分擔的工作方式。主、備MSC server配置數據完全相同，但主用MSC server處于激活狀態，提供業務，備用MSC server為非激活狀態，不提供業務，兩個MSC server之間進行心跳線檢測，當主用MSC故障時，備用MSC進行數據加載，提供業務。

2）網元影響

既有MSC：既有MSC不是軟交換架構，需新設兩個軟交換MSC，一個放置在虹橋核心網機房替換既有的MSC，做主用MSC；一個設置在客專調度所，做備份MSC。

BSC： BSC與MSC之間的接口容量需要配置為原來的兩倍，與既有MSC的連接倒換到虹橋核心網新設的MSC，新增一半連接到新設客專調度所MSC。

HLR/SCP/TMSC/其他直連MSC：需支持主備路由，相應數據庫修改。與既有上海MSC相連的各網元硬件配置滿足要求，與既有MSC的連接倒換到虹橋核心網新設的MSC，新增一半連接到新設客專調度所MSC的傳輸通道。

其他非GSM-R網元，如RBC/PSTN等：需支持主備路由，相應數據庫修改。與既有MSC的連接倒換到虹橋核心網新設的MSC，與既有上海MSC相連的各網元新增一半連接到新設客專調度所MSC的傳輸通道。

FAS系統：需支持主備路由，相應數據庫修改。FAS主、備系統均分別與新設虹橋MSC、客專調度所MSC互聯，FAS主、備系統都需增加到新設客專調度所MSC的傳輸通道。

2.2 SGSN冗余備份技術

SGSN備份方案利用SGSN Pool技術，即多個SGSN共同組成一個資源池，資源池內的所有SGSN采用負荷分擔的工作方式實現備份功能，即“SGSN Pool”方式。池內的BSC需要與池內所有的SGSN連接。

SGSN Pool（SGSN池）基于Gb Flex技術，SGSN Pool區內包含多個SGSN并行工作，共同分擔區內的業務，移動臺在區內漫游時，無需改變其服務的SGSN節點，減少了核心網節點間的信令處理。當一個SGSN故障時，由其他SGSN節點承擔其業務，提高了網絡的可靠性。

上海局的SGSN備份，采用SGSN pool技術，在客專調度所新設一套SGSN，與上海局既有SGSN組成一個資源池，如圖3所示。正常情況下兩個SGSN配置數據完全相同，都處于激活狀態，采用負荷分擔方式，各承擔50%的業務。當任一SGSN不可用時，BSC可將業務全部交由可用的SGSN來處理。此時需要對上海局所有的BSC升級，以支持Gb-flex技術。同時，既有的SGSN也需要升級，支持Gb-flex技術。

2.3 GGSN冗余備份技術

GGSN采用鄰局備份或1+1冷備份技術，當本局GGSN故障時，需人工干預，將SGSN路由指向其他的GGSN，具體實現方式如下。

1）DNS設備上修改APN（接入點名稱）的指向，使之前到本局GGSN的路由數據改為指向其他GGSN，實現GGSN設備層面的容災；

2）RADIUS設備上修改其他GGSN所對應的IP地址池，如果GGSN設備上保存有IP地址池，也需要做相應修改。

當本局GGSN設備恢復正常時，在DNS、RADIUS設備上恢復至故障前數據。此備份方法可實現GGSN的容災備份，不需要對現網設備升級改造，影響范圍小。

2.4 BSC冗余備份技術

在無線側，針對可靠性要求較高的線路采取了必要的無線冗余機制，包括采用共站址雙網覆蓋和交織冗余的覆蓋方式，保證在通信網絡沿線，每一點均有雙層覆蓋互為備份。BSC控制眾多的BTS，一旦BSC故障，對沿線通信的影響非常大。制定BSC冗余備份方案，可以進一步提升網絡的可靠性。

方案一：新設冗余BSC，每個基站環同時連接主備BSC。

此方案中，主備兩個BSC同時物理連接相同的MSC（MGW）/ SGSN和BTS，如圖4所示。正常情況下，主用BSC與MSC/SGSN和BTS通信，承擔全部工作；備用BSC與MSC/SGSN和BTS僅保持物理連接。主備用BSC之間沒有直接的物理連接，兩者之間的心跳消息通過MSC進行透傳。當滿足倒換條件后，備用BSC可以自動完成倒換，接替原主用BSC管理BTS及與核心網設備通信的任務。通過該功能，盡管倒換時正在進行的業務會中斷，但之后網絡會自動正常運行。從故障到業務恢復正常的時間小于5 min。

倒換條件如下。

BSC連接的A接口故障：BSC會停止向MSC發送心跳消息，并且會禁止基站與自身建鏈。

BSC自身故障：心跳自然停發，而Abis口也自然斷鏈。

當備用BSC判斷出對端BSC故障后，首先會激活自身的MTP3信令鏈路；其次，通過A接口的CIC的復位流程要求MSC激活配置給自身的CIC電路；同時要求MSC閉塞配置給原BSC的CIC電路；最后，允許基站與本BSC建鏈。對于基站而言，前期是不會和備用BSC建鏈的；在主用BSC判斷出自身故障之后，已經自動降備，同時切斷了和基站的鏈接。此時，基站則會轉向嘗試和備用BSC建鏈，直至建鏈成功。

方案二：新設冗余BSC，采用奇數站、偶數站組環分別連接主備BSC。

此方案中，主備兩個BSC同時物理連接相同的MSC（MGW）/ SGSN，主用BSC連接奇數基站組成的基站環，備用BSC連接偶數基站組成的基站環，如圖5所示。MS附著在奇數基站上，奇數基站配置優先的切換層級，為了避免頻繁BSC間切換帶來的高信令負荷，正常情況下，通過調整切換參數，使MS始終在奇數基站上通信。主備用BSC之間無心跳信息傳送。當主用BSC故障后，奇數基站全部無信號發射，正在進行的業務會中斷。此時由偶數基站覆蓋全部線路，MS通過小區重選后附著到附近的偶數基站上。從故障到業務恢復正常的時間小于5 min。

方案一組網結構清晰，只有華為廠家支持，適合對華為BSC備份，但需進行IOT測試，并增加基站到BSC的傳輸鏈路，基站側需逐站調整，對既有網絡改動較大，適合于普通單網、交織冗余、同址雙站等無線網絡結構；同時，對于諾西的MSC，目前不支持與BSC之間心跳消息的傳輸，所以方案一的應用還需要既有MSC開通信令轉接功能。方案二在正常情況下是隔基站切換，普通單網及同址雙站的電平覆蓋無法實現，如做BSC備份，需增加一倍的基站數量，電平覆蓋才能達到切換要求，投資較大，因此方案二只適合與交織冗余的覆蓋方式一起使用，但目前采用交織冗余覆蓋的線路大部分為CTCS-3級線路，GSM-R網絡承載列控業務，從聯調聯試情況來看，半數站的“傳輸干擾時間”只有個別線路達標，如采用方案二做BSC備份，尚存在不安全因素。

從以上分析來看，已開通GSM-R的線路，BSC冗余備份方案還有待進一步研究，新建GSM-R線路可適當考慮。

3 上海局GSM-R核心網、無線網冗余方案

3.1 冗余方案的確定原則

3.1.1 GSM-R核心網

冗余方案的確定，應考慮以下幾方面因素：

1）能在突發事件情況下（如：火災、恐怖襲擊）提供冗余；

2）冗余使定期維護不對網絡運營產生影響；

3）冗余方案保證故障對CTCS-3數據業務通信、點對點話音通信及組呼通信影響時間最短；

4）冗余備份方案要結合網絡建設的現狀；

5）綜合考慮性價比，以較少的投資獲得較高的系統性能。

3.1.2 GSM-R無線網

1）無線網配合核心網冗余備份的相應改造

無線網TRAU、BSC與冗余核心網的連接配置需綜合考慮提高系統可靠性及投資、操作難易程度等因素。

2）BSC冗余備份方案

BSC的冗余備份需根據設備自身特點，基于現網基站設置情況，從提高系統可靠性及操作難易程度等方面綜合考慮。

3.2 冗余方案

3.2.1 GSM-R核心網

既有上海局MSC為諾西設備，交換機版本為R99。由于R99和R4兩種版本MSC對數據格式等定義不一致，故無法實現兩種版本MSC之間的熱備份。而且對于不同廠家的交換機之間，也無法實現熱備份。

上海局MSC建立冗余備份機制，在客專調度所新設一套冗余MSC，實現對上海局MSC的1+1備份。具體實現采用資源池還是軟交換方式應根據鐵道部統一規劃實施。

上海局的SGSN備份，采用SGSN pool技術，在客專調度所新設一套冗余SGSN，與上海局既有SGSN組成一個資源池。

上海局的GGSN冗余，可在客專調度所新設一套冗余GGSN，與現有GGSN實現1+1冷備份，或者與濟南局或南昌局實現鄰局互備。具體采用1+1備份還是鄰局互備應根據鐵道部統一規劃實施。

3.2.2 GSM-R無線網

新建GSM-R線路，采用普通單網、交織冗余、同址雙站等無線網絡結構時，可采用新設冗余BSC，每個基站環同時連接主備BSC的冗余方案；新建GSM-R線路，采用交織冗余的無線網絡結構時，可采用新設冗余BSC，采用奇數站、偶數站組環分別連接主備BSC的BSC冗余方案；已開通GSM-R的線路，BSC冗余備份方案還有待進一步研究。

[1] 李莉.GSM-R MSC備份方案研究[J].鐵路技術創新，2011（增刊）：110-113.