上海局GSM-R核心網(wǎng)、無線網(wǎng)冗余方案研究

李 雪

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

李雪，女，碩士畢業(yè)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(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通方案設(shè)計，參與京滬高速鐵路的施工圖設(shè)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(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用驗證”的研究工作。

1 概述

上海局現(xiàn)有一套MSC設(shè)備，既有線和高速線接入同一MSC，由于天窗時間不統(tǒng)一，難以進行MSC的升級改造及作業(yè)檢修等操作。同時，一旦MSC故障或自然災(zāi)害等原因?qū)е翸SC不可用，其管轄范圍內(nèi)的無線通信業(yè)務(wù)將全部中斷，難以保證不間斷地提供GSM-R業(yè)務(wù)，同時影響CTCS-3級列控業(yè)務(wù)的正常使用。其他核心網(wǎng)設(shè)備，如SGSN、GGSN等存在同樣問題。

根據(jù)GSM-R系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)應(yīng)用，GSM-R無線網(wǎng)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(wǎng)采用了單網(wǎng)交織結(jié)構(gòu)，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(wǎng)結(jié)構(gòu)。在單網(wǎng)交織和普通單網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，均是采用單套BSC設(shè)備提供服務(wù)。雖然BSC設(shè)備內(nèi)部的關(guān)鍵板卡已經(jīng)進行冗余配置，但設(shè)備級的冗余備份未作考慮。在緊急情況下，一旦BSC設(shè)備宕機，則其管轄范圍內(nèi)的各項業(yè)務(wù)將發(fā)生中斷，鐵路工作人員將失去與外界聯(lián)系的通訊手段。

因此，為了進一步提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，減小GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障時對業(yè)務(wù)的影響，急需開展上海局GSM-R核心網(wǎng)、無線網(wǎng)冗余方案的研究。

2 GSM-R核心網(wǎng)、無線網(wǎng)冗余技術(shù)

2.1 MSC冗余備份技術(shù)

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(wǎng)的演進，MSC的版本也發(fā)生相應(yīng)的變化。目前，鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的MSC有兩種版本，基于R99網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)MSC和基于R4網(wǎng)絡(luò)的軟交換MSC。

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

2.1.1 資源池

1）技術(shù)特點

首先，提出A-flex技術(shù)，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(qū)的網(wǎng)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(qū)內(nèi)所有BSC。一旦某一MSC發(fā)生不可用（線纜斷開、MSC故障、MSC升級等）時，BSC可將其信令和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)至MSC池中其他MSC上，從而實現(xiàn)多套MSC間業(yè)務(wù)備份。

上海局GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用資源池技術(shù)實現(xiàn)MSC備份時，采用1+1備份方式，如圖1所示。考慮地理容災(zāi)，在新建客專調(diào)度所新設(shè)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(shù)據(jù)完全相同，都處于激活狀態(tài)，采用負荷分擔方式，各承擔50%的業(yè)務(wù)。當任一MSC不可用時，BSC可將業(yè)務(wù)全部交由可用的MSC來處理。

MSC pool 1+1備份方式技術(shù)特點如下。

* 遵循3GPP標準的資源池技術(shù)，實現(xiàn)1+1冗余。

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

* 熱備份，實現(xiàn)即時切換。

兩套MSC同時工作，當一套MSC發(fā)生宕機，該套MSC上正在發(fā)生的業(yè)務(wù)將被中斷，但重新發(fā)起新業(yè)務(wù)時，所有業(yè)務(wù)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(tài)，信令點不同。

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

* 兩套MSC之間采用負荷均衡的工作方式。

池內(nèi)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(jié)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(wǎng)，再次重新選網(wǎng)。

* 池內(nèi)的兩套MSC互聯(lián)，實現(xiàn)組呼數(shù)據(jù)庫的實時同步，解決組呼在宕機時，能迅速再次成功發(fā)起。

在兩個MSC中建立完全相同的兩個組呼寄存器（GCR）靜態(tài)數(shù)據(jù)庫，并同時建立實時同步的組呼動態(tài)數(shù)據(jù)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(fā)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(zhuǎn)移給正確的MSC。如果連接異常，則在本MSC下建立組呼。

* 池內(nèi)的兩套MSC互聯(lián)，實現(xiàn)用戶動態(tài)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫將在兩個MSC中建立，其內(nèi)包含的內(nèi)容有：TMSI、Cell ID、NRI、上次位置更新的時間等。且兩個動態(tài)數(shù)據(jù)庫互為主備，以保證其實時同步，任一數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)有更新，都會在另一數(shù)據(jù)庫上復(fù)制。

* 針對MSC升級維護檢修等作業(yè)的MSC主動業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移。

有針對性地轉(zhuǎn)移某一套MSC上的業(yè)務(wù)負荷，比如MSC升級時，有意將目標MSC上的業(yè)務(wù)全部轉(zhuǎn)移到另一MSC上。

2）網(wǎng)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(shù)、組呼業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)備份、用戶動態(tài)數(shù)據(jù)庫備份、MSC主動業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移。開通需要重新啟機，因此需要申請?zhí)齑皶r間完成。同時完成與新設(shè)MSC的連接。

BSC：需開通A-flex功能，即“資源池”技術(shù)，支持同時與兩個MSC連接。由于無線網(wǎng)需要同時連接到兩套MSC，且任何一個MSC宕機，無線網(wǎng)需要具備將自身所有業(yè)務(wù)量全部轉(zhuǎn)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(shè)客專調(diào)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(yīng)數(shù)據(jù)庫修改。與既有上海MSC相連的各網(wǎng)元硬件配置滿足要求，需增加到新設(shè)客專調(diào)度所MSC的傳輸通道。

其他非GSM-R網(wǎng)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(yīng)數(shù)據(jù)庫修改。與既有上海MSC相連的各網(wǎng)元需增加到新設(shè)客專調(diào)度所MSC傳輸通道。

FAS系統(tǒng)：需支持同時與兩個MSC連接的功能，并支持主備路由，相應(yīng)數(shù)據(jù)庫修改。FAS主、備系統(tǒng)均分別與既有MSC和新設(shè)MSC互聯(lián)，F(xiàn)AS主備系統(tǒng)都需增加到新設(shè)客專調(diào)度所MSC的傳輸通道。

2.1.2 軟交換雙歸屬

1）技術(shù)特點

雙歸屬是軟交換架構(gòu)下采用的一種MSC冗余備份技術(shù)，即為主用MSC server設(shè)置一套備用MSC server，同一個媒體網(wǎng)關(guān)（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(fā)生故障時，MGW可注冊到備用MSC server上，繼續(xù)為此MGW下管理的用戶提供業(yè)務(wù)。

上海局GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用雙歸屬技術(shù)實現(xiàn)MSC備份時，采用1+1備份方式，如圖2所示。考慮地理容災(zāi)，新設(shè)兩套軟交換MSC設(shè)備，一套主用，一套備用。

MSC雙歸屬1+1備份方式技術(shù)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(quán)，完全承擔故障MSC Server的業(yè)務(wù)，整個過程可在3 min內(nèi)完成。

* 只有主用MSC是激活狀態(tài)，信令點相同。

主用MSC server處于激活狀態(tài)，提供業(yè)務(wù)。備用MSC server為非激活狀態(tài)，不提供業(yè)務(wù)。與MSC相連的其他設(shè)備，通過MGW實現(xiàn)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(shù)據(jù)完全相同，但主用MSC server處于激活狀態(tài)，提供業(yè)務(wù)，備用MSC server為非激活狀態(tài)，不提供業(yè)務(wù)，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(shù)據(jù)加載，提供業(yè)務(wù)。

2）網(wǎng)元影響

既有MSC：既有MSC不是軟交換架構(gòu)，需新設(shè)兩個軟交換MSC，一個放置在虹橋核心網(wǎng)機房替換既有的MSC，做主用MSC；一個設(shè)置在客專調(diào)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(wǎng)新設(shè)的MSC，新增一半連接到新設(shè)客專調(diào)度所MSC。

HLR/SCP/TMSC/其他直連MSC：需支持主備路由，相應(yīng)數(shù)據(jù)庫修改。與既有上海MSC相連的各網(wǎng)元硬件配置滿足要求，與既有MSC的連接倒換到虹橋核心網(wǎng)新設(shè)的MSC，新增一半連接到新設(shè)客專調(diào)度所MSC的傳輸通道。

其他非GSM-R網(wǎng)元，如RBC/PSTN等：需支持主備路由，相應(yīng)數(shù)據(jù)庫修改。與既有MSC的連接倒換到虹橋核心網(wǎng)新設(shè)的MSC，與既有上海MSC相連的各網(wǎng)元新增一半連接到新設(shè)客專調(diào)度所MSC的傳輸通道。

FAS系統(tǒng)：需支持主備路由，相應(yīng)數(shù)據(jù)庫修改。FAS主、備系統(tǒng)均分別與新設(shè)虹橋MSC、客專調(diào)度所MSC互聯(lián)，F(xiàn)AS主、備系統(tǒng)都需增加到新設(shè)客專調(diào)度所MSC的傳輸通道。

2.2 SGSN冗余備份技術(shù)

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

SGSN Pool（SGSN池）基于Gb Flex技術(shù)，SGSN Pool區(qū)內(nèi)包含多個SGSN并行工作，共同分擔區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)，移動臺在區(qū)內(nèi)漫游時，無需改變其服務(wù)的SGSN節(jié)點，減少了核心網(wǎng)節(jié)點間的信令處理。當一個SGSN故障時，由其他SGSN節(jié)點承擔其業(yè)務(wù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

上海局的SGSN備份，采用SGSN pool技術(shù)，在客專調(diào)度所新設(shè)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(shù)據(jù)完全相同，都處于激活狀態(tài)，采用負荷分擔方式，各承擔50%的業(yè)務(wù)。當任一SGSN不可用時，BSC可將業(yè)務(wù)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(shù)。同時，既有的SGSN也需要升級，支持Gb-flex技術(shù)。

2.3 GGSN冗余備份技術(shù)

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

1）DNS設(shè)備上修改APN（接入點名稱）的指向，使之前到本局GGSN的路由數(shù)據(jù)改為指向其他GGSN，實現(xiàn)GGSN設(shè)備層面的容災(zāi)；

2）RADIUS設(shè)備上修改其他GGSN所對應(yīng)的IP地址池，如果GGSN設(shè)備上保存有IP地址池，也需要做相應(yīng)修改。

當本局GGSN設(shè)備恢復(fù)正常時，在DNS、RADIUS設(shè)備上恢復(fù)至故障前數(shù)據(jù)。此備份方法可實現(xiàn)GGSN的容災(zāi)備份，不需要對現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備升級改造，影響范圍小。

2.4 BSC冗余備份技術(shù)

在無線側(cè)，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(wǎng)覆蓋和交織冗余的覆蓋方式，保證在通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的可靠性。

方案一：新設(shè)冗余BSC，每個基站環(huán)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(wǎng)設(shè)備通信的任務(wù)。通過該功能，盡管倒換時正在進行的業(yè)務(wù)會中斷，但之后網(wǎng)絡(luò)會自動正常運行。從故障到業(yè)務(wù)恢復(fù)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(fā)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(fā)，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(fù)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(jīng)自動降備，同時切斷了和基站的鏈接。此時，基站則會轉(zhuǎn)向嘗試和備用BSC建鏈，直至建鏈成功。

方案二：新設(shè)冗余BSC，采用奇數(shù)站、偶數(shù)站組環(huán)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(shù)基站組成的基站環(huán)，備用BSC連接偶數(shù)基站組成的基站環(huán)，如圖5所示。MS附著在奇數(shù)基站上，奇數(shù)基站配置優(yōu)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(diào)整切換參數(shù)，使MS始終在奇數(shù)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(shù)基站全部無信號發(fā)射，正在進行的業(yè)務(wù)會中斷。此時由偶數(shù)基站覆蓋全部線路，MS通過小區(qū)重選后附著到附近的偶數(shù)基站上。從故障到業(yè)務(wù)恢復(fù)正常的時間小于5 min。

方案一組網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(cè)需逐站調(diào)整，對既有網(wǎng)絡(luò)改動較大，適合于普通單網(wǎng)、交織冗余、同址雙站等無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；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(yīng)用還需要既有MSC開通信令轉(zhuǎn)接功能。方案二在正常情況下是隔基站切換，普通單網(wǎng)及同址雙站的電平覆蓋無法實現(xiàn)，如做BSC備份，需增加一倍的基站數(shù)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(wǎng)絡(luò)承載列控業(yè)務(wù)，從聯(lián)調(diào)聯(lián)試情況來看，半數(shù)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(wǎng)、無線網(wǎng)冗余方案

3.1 冗余方案的確定原則

3.1.1 GSM-R核心網(wǎng)

冗余方案的確定，應(yīng)考慮以下幾方面因素：

1）能在突發(fā)事件情況下（如：火災(zāi)、恐怖襲擊）提供冗余；

2）冗余使定期維護不對網(wǎng)絡(luò)運營產(chǎn)生影響；

3）冗余方案保證故障對CTCS-3數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(jié)合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的現(xiàn)狀；

5）綜合考慮性價比，以較少的投資獲得較高的系統(tǒng)性能。

3.1.2 GSM-R無線網(wǎng)

1）無線網(wǎng)配合核心網(wǎng)冗余備份的相應(yīng)改造

無線網(wǎng)TRAU、BSC與冗余核心網(wǎng)的連接配置需綜合考慮提高系統(tǒng)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(jù)設(shè)備自身特點，基于現(xiàn)網(wǎng)基站設(shè)置情況，從提高系統(tǒng)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(wǎng)

既有上海局MSC為諾西設(shè)備，交換機版本為R99。由于R99和R4兩種版本MSC對數(shù)據(jù)格式等定義不一致，故無法實現(xiàn)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(xiàn)熱備份。

上海局MSC建立冗余備份機制，在客專調(diào)度所新設(shè)一套冗余MSC，實現(xiàn)對上海局MSC的1+1備份。具體實現(xiàn)采用資源池還是軟交換方式應(yīng)根據(jù)鐵道部統(tǒng)一規(guī)劃實施。

上海局的SGSN備份，采用SGSN pool技術(shù)，在客專調(diào)度所新設(shè)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(diào)度所新設(shè)一套冗余GGSN，與現(xiàn)有GGSN實現(xiàn)1+1冷備份，或者與濟南局或南昌局實現(xiàn)鄰局互備。具體采用1+1備份還是鄰局互備應(yīng)根據(jù)鐵道部統(tǒng)一規(guī)劃實施。

3.2.2 GSM-R無線網(wǎng)

新建GSM-R線路，采用普通單網(wǎng)、交織冗余、同址雙站等無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，可采用新設(shè)冗余BSC，每個基站環(huán)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，可采用新設(shè)冗余BSC，采用奇數(shù)站、偶數(shù)站組環(huán)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(shù)創(chuàng)新，2011（增刊）：110-113.