太原鐵路局GSM-R軟交換升級改造

■ 趙爽

GSM-R是專門為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統，起步于GSM，一方面保持了GSM原有的業務，另一方面增加了鐵路的特定應用，并以此作為信息化平臺，使鐵路用戶可以在此信息平臺上開發各種鐵路應用。鐵路運輸的特殊性要求GSM-R系統側重于系統的安全性、有效性、可靠性和可維護性。我國鐵路GSM-R的發展目標是在全路建立一張移動通信網絡，利用通信手段實現鐵路移動設施和固定設施連接，確保列車安全運行。太原鐵路局GSM-R網絡建于2005年，經過5年多的運行，由于網絡負荷增大逐漸顯現出一些問題，考慮與全路GSM-R大網的鏈接，必須對現有網絡進行改造。

1 太原鐵路局GSM-R網絡現狀

太原鐵路局GSM-R網絡于2006年3月正式投入商用。建設初期主要為大秦線運煤專線鐵路提供移動無線通信網絡，是我國第一條建成并投入使用的GSM-R系統的鐵路。大秦線首次將歐洲GSM-R通信技術和美國機車同步操控技術（LOCOTROL）融合在一起，實現多機車間同步啟動、同步加速、同步減速、同步制動，使單列列車牽引輛數從50余輛增加到200余輛，列車全長2.7 km，牽引質量2.1萬t，大大提高了運輸能力。

大秦線GSM-R系統由GSM-R網絡設備（交換基站、傳輸系統等）和FAS網絡設備、固定終端設備（調度臺、車站臺）、移動終端設備（機車綜合通信設備、列尾設備、手持臺）等組成（見圖1），全球范圍內首次利用GSM-R系統實現多機車同步控制，率先使用GPRS分組數據業務平臺，可以提供車次號、列車停穩信息傳輸、調度命令、列車進站預告信息傳輸等鐵路運輸數據業務。

GSM-R核心網由1套MSC，1套HLR，1套SGSN，1套GGSN組成。M SC共配置了3個局向，分別承擔不同業務類型。GPRS網絡分組數據業務平臺為CTC業務提供分組數據業務傳送通道，通過這套系統實現無線車次號、列車停穩信息傳輸、調度命令、列車進站預告信息傳輸等鐵路運輸數據業務。

無線網絡：大秦線采用同站址雙網覆蓋；北同蒲、云崗線及遷曹線采用單網交織覆蓋?，F全網共設置了3套BSC，大秦線A網基站與云崗線基站接入BSC1，大秦線B網基站與北同蒲線基站接入BSC2，遷曹縣基站接入BSC3。3套BSC接入1套PCU設備，由這1套PCU與核心網的SGSN相連完成分組域業務的交換（見圖2）。

圖1 大秦線GSM-R網絡結構圖

大秦線建設初期的設計運量為2億t/年，而到2010年運輸任務已達4億t/年，增加的運量主要靠縮短發車時間間隔、增加發車密度實現，導致網絡業務量成倍增長，網絡話務量增多。在對網絡運行指標進行分析的過程中，發現各無線小區不同程度出現掉話率增高、無線信道擁塞的現象，核心網系統接通率連續下降，直接影響機車同步操控技術業務，增加網絡的不穩定性，給運輸安全帶來隱患。通過對2008年7—12月與2009年7—12月間的系統接通率比較可知，網絡負荷已經變得非常大，網絡質量嚴重惡化，很難保證繼續增長的業務需求（見圖3）。太原鐵路局GSM-R實施核心網進行升級改造顯得尤為重要。

2 核心網升級改造方案

在GSM-R系統中移動數字交換機（M SC）處于核心地位，其故障影響面最大，對其本身的可靠性、冗余度要求也最高，而既有的核心網全部為單套設置未建立冗余備份機制。因此，建立M SC網絡冗余備份機制是GSM-R網絡不中斷的必要保證，是提高運輸效率，保證運輸安全的必要手段。建立冗余備份機制，可以采用基于軟交換雙歸屬組網的方案增強網絡安全性。雙歸屬是一種防止交換機癱瘓或出現突發災害事故時能夠緊急提供通信的容災機制，利用雙歸屬冗余備份機制在極端異常的情況發生時，提供迅速恢復設備通信能力。

隨著GSM-R技術的發展，M SC技術有了很大的進步和發展，尤其是軟交換M SC在實時熱備份功能上取得了巨大的進步。由于軟交換采用控制和承載分離的架構，將M SC分離成具有控制功能的M SC Serve r和具有承載功能的M GW。M SC Se rve r負責完成所有信令和協議的處理，而MGW在M SC Server的控制下完成所有業務的接入和承載。承載和控制分離結構使M SC雙歸屬技術與A接口M INI-Flex技術的實現成為可能。

M SC雙歸屬技術：每個M GW可歸屬于2個M SC Se rve r，當任意一個M SC Se rve r故障，另一個M SC Serve r可以立刻接管MGW的控制權，完全承擔故障M SC Se rve r的業務，整個過程可在3 m in內完成。雙歸屬技術有M SC Se rve r的1+1互助備份和N+1備份2種實現方式，保證任意MSC Server故障，不影響業務進行。

A接口M INI-Flex技術：每個BSC接入到多個MGW，多個M GW是負荷分擔方式工作，相互備份，當任何一個M GW故障，BSC可以通過另外的M GW開展業務，保證網絡能夠正常提供業務。軟交換M SC冗余備份機制見圖4。

圖2 現網設備組網圖

圖3 2008年與2009年下半年同期系統接通率柱狀圖

圖4 軟交換MSC冗余備份機制

改造工程需要新建2套軟交換核心網設備（2套M SC Se rve r，2套MGW）、1套HLR設備（過渡期間使用，待完成太原鐵路局與北京鐵路局G網互聯及換卡工作結束后退網），替換現網使用的MSC，HLR設備。新建軟交換核心網采用雙歸屬組網，配置為冗余備份工作方式。為保證此次網絡改造實施后無線網絡能順利接入新建軟交換核心網，所以核心網的新建、無線網擴容需要同步實施。

3 網絡改造中遇到的問題

網絡改造設計中充分考慮更多的重疊覆蓋，確保網絡安全可靠。而太原鐵路局原有GSM-R網絡無線覆蓋采用同站址雙網，移動交換中心M SC為單套設置，留有安全隱患，網絡升級改造對核心網的網絡設備采用冗余備份的工作機制，共設置2套MSC Server，2套MGW。網絡新的規劃需要對既有的3套基站控制器BSC進行調整，分別接入新建的2套MGW中。改造后網絡結構見圖5。

對于基站控制器BSC的調整，制定2套割接方案。第一種方案是從BTS與BSC間的Abis接口入手，涉及M SC的部分不影響現網運行業務，可以在天窗點外完成核心網部分的數據制作等工作，但對于無線側割接Ab is接口直接影響每個基站，需要在天窗點內進行倒接，并且在割接完成后需要有專人在基站現場對設備進行復位操作，即每個基站都需要有人盯控，而且存在基站設備復位失敗的風險；第二種方案是從BSC與M SC間的A接口入手，割接工作完全在中心機房，這樣便于控制解決割接中可能出現的問題，割接時間可控。由于割接涉及BSC與M SC之間的對接，所以數據制作工作全部要在天窗點內進行。經過多次對比論證，最終選定第二套方案。經過反復模擬實驗，優化實施方案，將操作時間由原有的5 h縮短至3 h 50 m in。割接之前在核心網機房，以及沿線選取有代表性的站點設置測試人員，在天窗時間進行割接操作，操作完成后馬上進行各項業務測試，順利完成BSC的割接，最大限度減少對運輸生產的影響。

圖5 核心網改造后結構圖

4 結束語

自2010年3月機房開始改造及設備安裝調試，軟交換核心網設備8月加電進行模擬業務測試，模擬各種極端情況下設備的容災機制是否能保障業務的使用，9月第三方測試公司對新建核心網進行測試驗收，10月業務割接正式入網承擔業務，同時原有交換機退網。無線部分，重點對大秦線進行基站加密補強，新建基站162個，現仍在對網絡進行優化，通過調整小區參數設置將網絡性能調整到最優狀態。通過分析網絡運行指標，全網運行良好，較網絡改造前有了大幅提高，基本達到預期目標。

GSM-R網絡主要為鐵路運輸生產服務，網絡性能的優劣直接影響運輸安全，必須要確保網絡有效、安全、可靠。太原鐵路局GSM-R核心網改造是為了滿足太原鐵路局鐵路運輸的快速發展。此次核心網升級是全國首次將在用的基于電路型的移動交換機升級為基于軟交換的雙歸屬系統，實施中解決問題的方法為其他節點的網絡改造提供了借鑒。

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R）[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003

[2] 蔣笑冰，盧燕飛，吳昊. 現代鐵路通信新技術[M]. 北京：中國鐵道出版社，2006

[3] 北京全路通信信號研究院. 太原節點軟交換實施方案[R]，2010