鐵路GSM-R系統核心網改造工程方案研究

周海龍

（中國鐵路呼和浩特局集團有限公司，呼和浩特 010050）

1 研究背景

國內鐵路從2006 年隨客專開始大規模建設GSM-R 系統，經過十幾年的發展，全路GSM-R 網絡已形成一定規模，并不斷發展完善，核心網的架構也基本形成。截至2022 年底，已完成全部19 個核心網節點建設，無線網絡覆蓋里程近9 萬 km，用戶近40 萬，覆蓋了高鐵、客專、城際、重載鐵路和部分普速鐵路，提供了列車運行控制類、調度指揮類、列車運行安全監控類、運營維護類等多種業務，適應了當前鐵路快速發展，為鐵路運輸安全、提高運輸效率起到了非常重要的保障作用。GSM-R 核心網作為整個GSM-R 系統的關鍵設備，具備數據管理、接入和移動性管理、鑒權、數據路由等多項核心功能，對GSM-R 業務正常運轉發揮關鍵和基礎作用。

GSM-R 核心網按路局集中部署，部分按全路集中部署，一旦故障將影響整個路局甚至全路的GSM-R 業務。因此GSM-R 核心網的規劃、建設和改造，一直以來備受關注。各路局GSM-R 核心網隨本局GSM-R 網絡工程建設，歷經十余年發展，逐步達到更新改造期限，陸續開展GSM-R 核心網改造工程。GSM-R 核心網改造，除設備老化、故障率升高、備品備件不足等問題引起的改造需求外，還有滿足相關標準要求的改造需求，主要有以下兩方面：

1）《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規范》（TB 10088-2015）提出核心網SGSN、GGSN 設備宜冗余設置[1]；

2）《鐵路通信網絡安全技術要求 第3 部分：鐵路數字移動通信系統（GSM-R）》（Q/CR 783.3-2022）提出路局集中設置的核心網設備宜同城異址部署[2]。

因此，為了GSM-R 線路語音及數據業務正常使用，提高行車安全保障能力，及時消除安全隱患，GSM-R 核心網改造不是簡單的設備更新替換[3]，需要結合運維需求，基于相關標準，在設備功能、組網以及部署等方面提出優化完善的方案。

2 GSM-R核心網冗余組網方案

本文主要針對路局集中設置的移動交換中心（MSC）、服務GPRS 支持節點（SGSN）、網關GPRS 支持節點（GGSN）等核心網設備的冗余組網等提出改造方案。

2.1 MSC冗余組網方案

路局既有MSC 有R99 和R4 兩種架構，R99 架構的MSC 未進行冗余組網，R4 架構的MSC 采用主備冗余組網方式。根據《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）總體技術要求》（TB/T 3324-2021），更新后的MSC 應進行冗余組網，且可采用兩種冗余備份組網方式[4]，方式一：R4 網絡架構主備MSC 方式，方式二：R4 網絡架構MSC Pool 方式。

2.1.1 R4網絡架構主備MSC方式

1）網絡架構

基于R4 網絡架構的MSC 由MSC Server 和媒體網關（MGW）組成，實現控制層面和承載層面的分離。路局核心網設置2 套MSC，每套MSC 由1 套MSC Server 和1 套MGW 組成。

MGW 負責承載層面，通過2 M 鏈路與路局的無線子系統BSC，有線調度通信系統FAS、鐵路電話程控交換網PSTN 等相關通信系統，CTCS-3 級列控系統RBC[5]、機車同步操控系統AN 等應用業務系統互聯；通過2 M 鏈路與全路共用設備北京、武漢STP 互聯，實現與全路共用設備HLR、SCP、SMSC 等互聯；通過2 M 鏈路與相鄰局MSC 互聯。

MSC Server 負責控制層面，通過IP 鏈路與2個MGW 以及對端MSC Server 互聯，實現信令交互及心跳檢測。

網絡結構如圖1 所示。

圖1 R4網絡架構主備MSC方式組網架構示意Fig.1 Network architecture diagram of master/standby MSC mode of R4 network architecture

2）冗余機制

該方案采用雙歸屬和MiNi-Flex 技術，主用、備用兩個MSC Server，同一個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。MSC Server之間的主備倒換通過心跳檢測實現。BSC 通過兩套MGW 連接到主、備MSC Server 上，兩套MGW負荷分擔，提高MGW 層面的可靠性。

2.1.2 R4網絡架構MSC Pool方式

1）網絡架構

基于R4 網絡架構的MSC 由MSC Server 和MGW 組成，實現控制層面和承載層面的分離。路局核心網設置2 套或2 套以上MSC，每套MSC 由1 套MSC Server 和1 套MGW 組成，組成MSC Pool。

MGW 負責承載層面，通過2 M 鏈路與路局的無線子系統BSC，有線調度通信系統FAS、鐵路電話程控交換網PSTN 等相關通信系統，CTCS-3 級列控系統RBC、機車同步操控系統AN 等應用業務系統互聯；通過2 M 鏈路與全路共用設備北京、武漢STP 互聯，實現與全路共用設備HLR、SCP、SMSC 等互聯；通過2 M 鏈路與相鄰局MSC 互聯。

網絡結構如圖2 所示。

圖2 R4網絡架構MSC Pool方式組網架構示意Fig.2 Network architecture diagram of MSC Pool mode of R4 network architecture

2）冗余機制

該方式采用A-Flex 技術，互為冗余的MSC組成MSC Pool，BSC 能夠同時連接兩個MSC Server，MSC 間采用負荷分擔，從而能夠實現MSC 級別的容災。該方式的關鍵技術在于實現負載均衡，可以通過BSC 或MGW 實現負載均衡。位于MSC Pool 內的兩個MSC 互相備份各自的內容，當某個MSC 中存儲的用戶信息發生變化時，會將此信息傳送到池內另一個MSC 中。兩個MSC 的數據實時同步，當池內某個MSC 故障時，被叫將送到池內另一個MSC 處理。

MSC Pool 方案中一個Pool 內的兩個MSC 之間沒有心跳檢測，當BSC、STP、FAS 等外部網元檢測到主用MSC 的鏈路故障時（傳輸通道故障或主用MSC 故障），會自動選擇到備用MSC 的鏈路，實現主備MSC 的倒換。

2.1.3 方案比選

方式一的優勢與既有方式相同，編號方案簡單，由于備用MSC 為非激活狀態，與主用MSC使用同一個信令點碼，故不需為其再分配信令點碼，目前此方式在路內應用較為廣泛、成熟，技術支撐有保障；不足之處在于存在當采用數據同步功能倒換時有短暫業務中斷的情況，大約5 min 后方可恢復正常。

方式二的優勢在于網絡容災和合理分配網絡資源方面，在一定程度上網絡可以自動調整負載；不足之處為數據配置復雜，2 套MSC 均需要設置信令點編碼，且池內每個MSC 需要配置池內所有位置區信息。

上述兩種方案均能滿足核心網MSC 設備的冗余需求，在核心網改造過程中需根據路局需求、設備供應、既有設備支持能力等情況進行選擇。

2.2 SGSN冗余組網方案

路局既有SGSN 大部分未采用冗余組網，《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規范》（TB 10088-2015）要求SGSN 宜進行冗余組網，因此，更新改造后的SGSN 需依據標準采用冗余組網方案。SGSN 的冗余組網有兩種方式，取決于無線子系統BSC/PCU。

1）BSC/PCU 不支持Gb Flex 功能的情況下，BSC/PCU 只能連接到一個SGSN，SGSN 故障時，人工倒接至備用SGSN，該方式為冗余SGSN 的冷備工作方式。

2）BSC/PCU 支持Gb Flex 功能的情況下，BSC/PCU 可以連接到2 個SGSN，2 個SGSN 組成SGSN Pool，為負荷分擔的工作方式。BSC/PCU按照預置的負荷分擔原則選擇池組內一個SGSN 服務，某個SGSN 故障時，正在建立的業務，BSC/PCU 可以選擇Pool 內另一個SGSN 完成業務，已經在故障SGSN 建立業務的用戶可通過手動遷移方式由池組內其他SGSN 接入[6-7]，該方式為冗余SGSN 的熱備工作方式。

在SGSN 進行了冗余改造，接入既有BSC/PCU（不支持Gb Flex 功能）和未來新設BSC/PCU（支持Gb Flex 功能），可考慮以下兩種組網方式。

方案一：冗余的SGSN 分擔冷備+熱備

方案一的網絡結構如圖3 所示：不支持Gb Flex 功能的BSC/PCU，一部分（圖3 中BSC/PCU1 和BSC/PCU2）通過幀中繼方式連接到1 個SGSN，另外一部分（圖3 中BSC/PCU3 和BSC/PCU4）通過幀中繼方式連接到另外1 個SGSN，為分擔冷備方式；新設的BSC/PCU（圖3 中BSC/PCU5）通過IP 方式連接到2 個SGSN，為熱備工作方式。

圖3 BSC/PCU與冗余SGSN的組網架構（分擔冷備+熱備）Fig.3 BSC/PCU and redundant SGSN network architecture(shared cold standby+hot standby)

在這種方式下，SGSN1 和SGSN2 分配獨立的RAI（路由區標識）[8]和IP 地址，相互之間獨立工作，其冷備和熱備的工作方式互不影響。SGSN1 和SGSN2 較為均勻的分擔了網內BSC/PCU 的業務，尤其在路局內沒有支持Gb Flex 功能的BSC/PCU情況下，2 個SGSN 均能對外提供服務，不存在單純冷備的情況，設備的利用率比較高，且故障風險有所分擔。

方案二：冗余的SGSN 冷備+熱備

方案二的網絡結構如圖4 所示：不支持Gb Flex 功能的BSC/PCU（圖4 中BSC/PCU1～BSC/PCU4）通過幀中繼方式全部連接到1 個SGSN，另外1 個SGSN 冷備；新設的BSC/PCU（圖4 中BSC/PCU5）通過IP 方式連接到2 個SGSN，為熱備工作方式。

圖4 BSC/PCU與冗余SGSN的組網架構（冷備+熱備）Fig.4 BSC/PCU and redundant SGSN network architecture(cold standby+hot standby)

在這種方式下，SGSN1 和SGSN2 分配獨立的RAI 和IP 地址，相互之間獨立工作，其冷備和熱備的工作方式互不影響。SGSN1 承載業務較多，在路局內沒有支持Gb Flex 功能的BSC/PCU 情況下，SGSN2 只作冷備，設備的利用率比較低，且一旦SGSN1 故障，風險較為集中。

上述兩種方案均能滿足SGSN 冗余組網的需求，需針對BSC/PCU 支持Gb Flex 功能的情況、維護工作量等方面綜合考慮方案的選取。

2.3 GGSN冗余組網方案

GGSN 同SGSN 類似，路局既有GGSN 大部分未采用冗余組網，《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規范》（TB 10088-2015）要求GGSN 宜進行冗余組網，因此，更新改造后的GGSN 需依據標準采用冗余組網方案。

冗余的GGSN 采用熱備工作方式，2 套GGSN使用相同的邏輯地址、不同的物理地址，同時接入網絡，可采用兩種工作方式：在負荷分擔的工作方式下，2 套GGSN 配置相同的權重，均對外提供服務；在主/備工作方式下，可配置主用GGSN 的優先級更高，負責承擔業務。2 套GGSN 間建立心跳以及數據備份通道，當檢測到1 套GGSN 故障時，業務自動倒換至另1 套GGSN。

3 其他提高可靠性策略

1）同城異址部署

根據《鐵路通信網絡安全技術要求 第3 部分：鐵路數字移動通信系統（GSM-R）》（Q/CR 783.3-2022）提出路局集中設置的核心網設備宜同城異址部署的要求，核心網在改造過程中，在具備條件的情況下，需考慮將冗余的2 套核心網設備部署在同一城市不同站址的2 個機房，從集中維護力量的角度考慮，應選擇路局所在地城市，具有外部冗余供電、承載網資源豐富的機房。

2）承載網通道冗余

核心網設備需要與局內無線子系統、FAS、應用業務系統互聯，與其他局核心網設備互聯，互聯通道由傳輸系統和鐵路數據網提供。為保障互聯網元之間的可靠連接，網元之間的互聯通道應冗余考慮，并由不同的物理路由提供。

4 設備入網割接方案

每個路局的核心網設備（MSC、SGSN、GGSN）承擔了本局所有的GSM-R 業務，涉及的業務系統較多，新設核心網設備替換既有核心網設備的割接工作也非常關鍵且復雜，從時間上大概可分為入網調測、業務割接兩個階段進行。

1）入網調測

入網測試即新設核心網設備利用新分配的網絡數據接入GSM-R 網絡，實現與其他相關核心網設備的互聯互通。在此階段，新設核心網設備不承擔現網業務，需要利用測試基站進行各類業務測試，驗證設備功能和性能。

2）業務割接

待入網調測完成后，即可進入業務割接階段。業務割接即為將既有設備業務逐步割接至新設設備的過程，主要是既有無線子系統接入新設核心網設備、新設核心網設備與相關通信系統、應用業務系統的互聯。為保障割接的安全可靠，盡量減少對業務運用的影響，業務割接[9]需要申請天窗點，并分批次完成，可以分為各線無線子系統接入新設MSC、SGSN（包括MSC 與RBC、AN 等既有電路域應用業務系統的互聯），新設MSC 與FAS 互聯，新設MSC 與PSTN 互聯，GGSN 與分組域應用業務系統互聯等幾部分逐一割接[10]。新舊核心網在網內并存過渡的時間較長，待所有業務割接完成，既有核心網設備即可退網。

5 結論與建議

鐵路GSM-R 核心網在十余年的發展過程中，積累了豐富的運營維護經驗，因此對核心網改造的需求更加明確，思路更加清晰，進行優化完善后，形成一個互聯互通、安全可靠的GSM-R 核心網絡，能夠更好地滿足鐵路運輸生產指揮的需求，進一步為鐵路下一代移動通信系統的發展奠定基礎。