GSM-R無線網絡冗余架構關鍵技術的研究

周宇暉

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

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GSM-R無線網絡冗余架構關鍵技術的研究

周宇暉

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

根據鐵路移動通信設備維護規則要求及GSM-R網絡所承載業務的重要性，現網對GSM-R系統冗余技術的需求越來越大。研究GSM-R系統無線網絡的冗余組網方案，并結合工程實際應用，總結GSM-R無線網絡多種冗余組網的關鍵技術。

GSM-R網絡；冗余組網；關鍵技術

1　概述

GSM-R系統無線網絡主要涉及BSC/PCU、TRAU、BTS等設備，且由于GSM-R無線網絡設備間組網均采用廠家私有協議，因此，GSM-R無線網絡的冗余架構研究要整體考慮BSC/PCU、TRAU、BTS等設備。

研究冗余備份方案時，應遵循以下原則：第一，冗余備份方案應滿足GSM-R系統承載的各類鐵路業務對冗余備份的需求；第二，方案應得到標準協議或者廠家的支持，具有可行性；第三，方案應盡量便于工程實施，降低對現網的改造工作量以及對運維工作的影響，具有可實施性。

2　GSM-R無線網冗余備份需求

2.1BSC/PCU/TRAU設備

BSC負責管理其管轄范圍內基站，主要功能是進行無線信道管理、實施通信鏈路的建立和拆除，并控制本區內移動臺的越區切換等，BSC是基站和移動交換中心之間的連接點，也為基站和移動交換中心之間交換信息提供接口。

BSC故障時，將影響管轄范圍內的全部業務。因此，BSC需考慮冗余備份。

由于TRAU設備的配置原則一般比照BSC設備進行，因此TRAU設備的冗余備份需求及原則與BSC一致。

2.2BTS設備

BTS是服務于某小區的無線收發信設備，負責無線信號的接收、發送處理，實現BTS與MS的空中接口功能，是GSM-R系統中最終面向用戶的網絡單元。

BTS故障時，只影響其控制的一個小區，影響范圍較小，因此無需考慮設備的冗余備份，可以通過單網交織及同站址雙網等網絡備份方案實現可靠性提升。

2.3小結

通過對GSM-R系統各設備功能、業務影響范圍的分析，可以看出不同設備對于冗余備份需求的迫切程度是不一樣的。HLR、SCP、STP、DNS、RADIUS、GROS、MSC、SGSN、GGSN、GRIS等設備對于冗余備份的需求非常迫切；TMSC、SMSC、BSC需要考慮冗余備份；BTS對于設備層面的冗余備份需求不迫切，可考慮采用網絡覆蓋冗余的方式提高系統可靠性。

3　GSM-R無線網冗余備份方案研究

3.1BSC/PCU

3.1.1BSC冗余備份方案制定原則

1）當BSC與MSC連接的傳輸線全部中斷，BSC設備電源故障，主備用主控板卡故障等導致BSC設備整機無法進行正常工作的情況下，應實現BSC設備的網絡級冗余。

2）冗余備份的BSC應符合原鐵道部關于互聯互通接口測試的要求。

3）冗余備份的兩個BSC可以具備接入環形基站組網的條件，并可接入不同廠家的核心網設備。

3.1.2BSC設備冷備份方案

該方案主要通過傳輸系統實現BSC的N+1冷備份，系統結構如圖1所示。

1）故障檢測機制

由于備用BSC采用冷備用機制，因此需通過網管顯示BSC故障或人工干預的方式進行故障檢測及判決。

備用BSC日常可下掛測試基站上電運行或保持斷電狀態，但定期應對其硬件設備進行健康性檢查，對其軟件版本和數據庫進行人工核查。

2）故障倒換機制

冷備份方案下的故障倒換機制如下：

a.檢查備用BSC軟件版本與數據庫配置是否與主用BSC一致；

b.手動拔插核心網側DDF架傳輸線至指定端口；

c.手動拔插無線網側DDF架傳輸線至基站環指定傳輸端口；

d.人工倒接后，啟用備用BSC，并通過網管檢查自身及所屬BTS狀態；

e.主備用BSC倒接的時間與其所帶的基站數量有關，根據國外實際項目運用經驗，如果一個BSC管理100臺基站，排除人工倒接時間，其系統倒換一般在30 min以內。

3）倒回機制

由于BSC冷備份方案中主備BSC切換需通過硬件倒接及軟件腳本執行，倒換工作量較大、業務倒換時間過長，因此在保證備用BSC的硬件配置、軟件版本、工作狀態均正常的情況下，不建議進行倒回操作。

4）應用中注意事項

確保備用BSC的硬件配置不小于現網BSC 的配置；確保備用BSC采用的軟件版本與現網運行的BSC 軟件版本一致；定期對備用BSC進行上電檢查；定期對備用BSC數據庫進行更新，與現網保持一致。3.1.3 BSC設備熱備份方案

BSC熱備份方案如圖2所示，該方案主備兩個BSC同時物理連接相同的MSC（MGW）/SGSN和BTS。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A接口信令鏈路所在2M的單個時隙進行透傳，只需MSC提供信令轉接功能。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和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。上述功能已在“華為GSM-R BSS新版本與諾基亞西門子核心網A、Gb接口互聯互通測試”中進行測試。

根據實驗室測試情況，單基站環（帶5個基站）從故障到業務恢復正常的時間不超過17 min，每減少一級基站減少3 min。

此方案下BTS與主備用BSC之間的連接方式如圖3所示。

該GSM-R無線子系統冗余方案的特點如下：

a.基站環兩端基站分別接入主備用BSC，可保證在BSC發生故障時BTS的無縫倒接；

b.BTS需配置4個2 M端口，硬件均支持分別接入兩個BSC，無需進行硬件改造或升級，只需增加傳輸鏈路即可；

c.網絡配置簡單，無需對單網交織的網絡結構進行改變，只需BTS版本支持即可，但須對基站環上的全部基站進行版本升級；

d.正常情況下，BTS是不和備用BSC建鏈的；在主用BSC判斷出自身故障之后，已經自動降備用，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。

1）故障檢測機制

BSC熱備份方案僅在以下故障情況下倒換：

BSC連接的A接口故障； BSC自身故障。

每個BSC分別通過檢測本端的A接口狀態，來判定本端到MSC的通道是否故障；通過本設備自身的維護告警，來檢查設備本身是否故障；通過檢測是否正常接收到對端發送過來的心跳信號來確定對端BSC是否故障。如果連續丟失的心跳信號次數超出丟失門限（可以設定定時器作為門限，也可以用心跳計數的方式設置門限），則認為對端BSC故障，進行主備BSC間倒換；否則，認為對端BSC正常，不進行倒換。

為防止因心跳信號故障導致BSC信令點雙激活，因此需在所有A接口雙歸屬信令點配置的傳輸鏈路上同時配置BSC間心跳通信的鏈路，兩者在同一2 M鏈路的不同時隙，這樣既可以保證A接口信令鏈路狀態與BSC間通信鏈路狀態一致，也保證BSC間通信的可靠性。

心跳信息傳送時，將信令鏈路看做一個鏈路集，每次傳送其中一個2 M通道的單個時隙，采用輪詢方式進行，當某個時隙故障時選擇其他2 M鏈路的時隙通信。

熱備份方案對以下情況，不進行倒換：

基站故障；鏈接基站和BSC的Abis接口故障； SGSN故障； Gb接口故障。

2）故障倒換機制

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。

3）倒回機制

當原主用BSC恢復正常時，該BSC可按照已配置的策略（立即進行倒回、延遲一段時間倒回、到某絕對時間倒回或者人工倒回）重新取得基站和小區的管理權。

由于備用BSC在網運行時間較短，部分臨時數據可能未被加載，因此建議在主用BSC故障恢復后人工倒回，備用BSC仍保持熱備狀態。

3.1.4 BSC網絡級冗余備份方案（單網交織）

當GSM-R系統采用單網交織的冗余覆蓋方式時，為增強該方案中GSM-R系統基站控制器BSC的冗余備份及容災能力，從而進一步提高整個GSM-R系統的可靠性、可用性及可維護性，可以將一般單網交織方案中接入同一個BSC的奇數基站與偶數基站分別接入到不同的BSC，如圖4所示。

該GSM-R無線子系統冗余方案的特點如下：

整個線路的GSM-R無線子系統由兩套相同的設備包括BSC與BTS組成，無線子系統設備單節點故障對業務層面沒有影響。

系統正常工作時，小區切換為Inter-BSC（BSC間）的切換，將會大量增加Asub與A接口的CCS7信令負荷。

當BSC或BTS單點故障時，系統變為單網覆蓋，仍能保證正常使用。

方案實施簡單，不用對現網的BSC配置參數進行修改。

該方案從網絡組網方面實現了BSC的冗余備份，但是運用中會出現大量BSC間切換的情況，為避免此情況，建議參考西班牙方案實行。

3.1.5BSC網絡級冗余備份方案（同站址雙網）

當GSM-R系統采用同站址雙網的冗余覆蓋方式時，為增強該方案中GSM-R系統基站控制器BSC的冗余備份及容災能力，從而進一步提高整個GSM-R系統的可靠性、可用性及可維護性，可以將一般同站址雙網方案中接入同一個BSC的兩層網基站分別接入到不同的BSC，如圖5所示。

該GSM-R無線子系統冗余方案的特點如下：采用同站址雙網覆蓋，同一路段由主、備用兩個小區同時覆蓋，主備小區所屬基站分別部署在兩個BSC下，主備小區之間的對應關系為1對1。

正常情況下，主用小區所有載頻均正常發射功率；備用小區只有BCCH載頻發射，業務載頻不占用頻點，不發射功率；通過網絡無線參數規劃使得終端優先駐留在主用小區上，發起業務時優先使用主用小區信道。

當A網的基站故障時，A網BSC報給B網進行倒換，倒換時A網BSC通信會攜帶相應基站的可靠性資源模式和資源狀態，向對端BSC發送。

當A網的BSC掉電時，B網通過MSC傳來的心跳信息判斷A網故障，自動激活其B網的所有非主B載頻。

3.1.6隧道無線網冗余備份方案

對于隧道、明洞等弱場區主要采用基站、光纖直放站（或分布式基站）結合漏泄同軸電纜/天線的覆蓋方案來解決。為了提供冗余覆蓋，每個直放站遠端機可接入相鄰兩個BTS的信號，經過放大后，輸出兩路合成的信號并分別饋送至兩邊與直放站連接的漏纜或天線；通過調節放大來自兩個BTS信號的強度，合理安排切換區；每段漏纜兩端均連接直放站，即漏纜兩端同時接收不同直放站的信號。

隧道區段的覆蓋方案在以下非連續點故障情況下系統仍然能正常工作。

單個基站故障；單個直放站故障（兩個直放站之間漏纜小于1.5 km）；漏纜單點中斷（兩個直放站之間漏纜小于1.5 km）。

根據隧道長度不同，有不同的解決方案，對于連續的隧道群，可將其視為一個隧道考慮，隧道間隙使用漏纜貫通后進行覆蓋。

4　結束語

綜上所述，GSM-R網絡在鐵路運輸安全中起到了越來越大的作用，為了保證這些應用業務的安全性和可靠性，除GSM-R設備本身所具備的可靠性外，我們還應從系統組網、數據庫配置等其他層面來考慮整個GSM-R網絡的冗余設置。

［1］科技運［2008］128號 CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范［S］.

［2］科技運［2008］127號 CTCS-3級列控系統需求規范（SRS）（V1.0）［S］.

［3］ 3GPP TS 04.21 V8.3.0 Rate adaption on the Mobile Station Base Station System （MS-BSS） Interface:chapter6-8.

［4］ 3GPP TS 08.60 V8.2.1 Inband control of remote transcoders and rate adaptors for Enhanced Full Rate （EFR） and full rate traffic channels: chapter3.

［5］ 3GPP TS 23.236 V9.0.0 （2009-12） Intra-domain connection of Radio Access Network （RAN） nodes to multiple Core Network（CN） nodes（Release 9）.

According to the requirements of maintenance code for railway mobile communication equipment and significance of bearer services over GSM-R network， the existing network has more requirements for redundant techniques of GSM-R system. The paper studies the redundant networking schemes for GSM-R wireless network and summarizes key techniques of several redundant networking.

GSM-R network； redundant networking； key technique

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.007

2015-04-13）