GSM-R無線網冗余方案研究

李莉

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

GSM-R無線網冗余方案研究

李莉

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

依托鐵路總公司重大課題“通信網傳輸與組網技術研究——通信網傳輸技術研究”，研究GSM-R無線網的冗余方案，結合無線網功能及其在網絡中所處位置分析其冗余的必要性，分別從設備層面、網絡層面探討各種冗余方案，對各種方案的特點和適用性進行總結，為我國GSM-R網絡的設計、設備研發等工作提供參考。

GSM-R；無線網；冗余

1 GSM-R無線網冗余的必要性和可行性分析

我國GSM-R網絡正在進行大規模建設，GSM-R網絡在承載列控系統信息傳送、機車同步操控系統信息傳送等方面發揮著越來越重要的作用，是保障這些信息有效、可靠傳送的重要組成部分，這對GSM-R網絡的可靠性提出更高的要求。

GSM-R網絡由核心網和無線網構成，無線網是本文的研究重點，其包括BSC、BTS等設備。其中，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。BTS是服務于某小區的無線收發設備，負責無線信號的接收、發送處理。

通常情況下，1套BSC管理上百個基站，對于高速線路而言將近400 km的范圍，對于普速鐵路而言將近1000 km的范圍，一旦BSC出現故障，業務影響范圍很大。同時，需要定期對BSC進行各種檢修（主控模塊倒換、性能測試）和重點整治（軟件版本升級、隱患整治、更新改造等），這些工作都需要停機，會造成業務停用。基于BSC在無線網絡中所處位置、故障時影響業務的范圍、維修維護工作的需要，對BSC進行冗余非常必要。

對于BTS而言，BTS故障時，只影響其控制的一個小區，影響范圍較小，同時，考慮到BTS本身已實現了關鍵模塊、板卡的備份，因此無需考慮BTS設備層面的冗余。

目前，從國內外GSM-R無線網冗余的實施來看，列控線路、重載線路已通過單網交織、同站址雙網等方案提升了BTS網絡層面的可靠性，在貴陽樞紐已實現BSC設備級別的冗余，在西班牙等國外ETCS 2級列控線路上采用了BSC網絡級冗余方案。這些冗余方案對于提升GSM-R網絡的可靠性，保證業務的正常運行發揮著重要作用。從技術的成熟度和國內外應用情況來看，對GSM-R無線網實施冗余是可行的。

本文將對GSM-R無線網各種冗余技術進行深入研究，明確其技術特點和適用條件，使其更好的應用到我國GSM-R網絡的建設中。

2 BSC冗余方案

2.1 BSC冷備份

BSC冷備份方案是指：為主用BSC設置1套備用BSC，正常情況下主用BSC在網，處于工作狀態；備用BSC處于上電狀態，但并未入網，當主用BSC故障時，通過割接傳輸電路，激活備用BSC與核心網、基站之間的鏈路，實現備用BSC入網，接替故障BSC。

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。

2）故障倒換機制

檢查備用BSC軟件版本與數據庫配置是否與主用BSC一致；手動拔插核心網側DDF架傳輸線至指定端口；手動拔插無線網側DDF架傳輸線至基站環指定傳輸端口；

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。

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。

本方案中業務恢復時間主要取決于傳輸電路割接時間以及故障BSC管轄的基站數量，恢復時間較長，根據國外實際項目運用經驗，如果1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。

2.2 BSC熱備份

BSC熱備份方案如圖1所示，該方案主備2個 BSC同時連接相同的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MSC轉接。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。

圖1 BSC熱備份組網結構

此方案需要對基站環上的全部基站進行版本升級，BTS配置4個2 M端口，并新增傳輸鏈路，每個基站環兩端基站分別接入主備用BSC。正常情況下，BTS不會和備用BSC建鏈。在主用BSC判斷出自身故障后，自動降至備用，同時切斷和基站的鏈接。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。

a. BSC連接的A接口故障；

b. BSC自身故障。

每個BSC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，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。

熱備份方案對以下情況，不進行倒換。

a.基站故障；

b.鏈接基站和BSC的Abis接口故障；

c.SGSN故障；

d.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接口自然斷鏈。

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。

本方案中，業務恢復時間主要取決于每個基站環上的基站數量。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。與冷備份方案相比，大大減少了業務恢復時間。

此方案已在我國貴陽樞紐GSM-R網絡中得到應用。

2.3 BSC網絡級備份方案一

當GSM-R無線系統采用單網交織的冗余覆蓋方式時，為增強該方案中BSC的冗余備份及容災能力，可以將通常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2所示。

圖2 BSC網絡級備份方案一（對應單網交織網絡）

該GSM-R無線子系統冗余方案的特點如下。

1） 整個線路的GSM-R無線子系統中奇數號基站接入一套BSC，偶數號基站接入另一套BSC。

2）系統正常工作時，小區切換變為BSC間切換，會增加Ater與A接口的7號信令負荷。

3）當某一套BSC單點故障時，系統變為單層網絡，可正常提供業務。

該方案從網絡組網方面實現BSC的冗余備份，但是運用中會出現大量BSC間切換的情況。針對此種情況，西班牙ETCS 2線路網絡運用方式做了如下修改。

1）通過無線參數的設置與調整，將奇數號基站與偶數號基站分為兩層網絡，上行與下行列車分別由一層網絡提供無線覆蓋。正常情況下切換為BSC內切換，并且切換次數比單網交織冗余方案減少，切換發生的間距比單網交織大，從這個角度來看，有利于GSM-R系統QoS中某些指標要求。

2）任何方向上的網絡設備如BTS故障，另一層網的相應基站將會彌補相應的覆蓋區域，切換將會在兩層網絡之間發生，隨后再切回到原網絡層，以保證兩層網絡容量負荷分擔的相對均勻。

3）對每列列車上的終端來說，都是單網提供服務，正常情況下每套基站比單網交織基站提供服務的區域大，小區邊緣的場強有所下降，對網絡內外的干擾容忍度會有所下降，可能在部分區段造成服務質量劣化。

采用此方案時，需進行較多的參數調整及網絡優化工作，建議實際組網時，可先期建立試驗段進行測試試驗。

2.4 BSC網絡級備份方案二

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BSC的冗余備份及容災能力，可以將通常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3所示。

圖3 BSC網絡級備份方案二（對應同站址雙層網絡）

該GSM-R無線子系統冗余方案的特點如下。

1）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。

2）當某一層網的某個BTS故障時，通過無線參數設置，終端會自動選擇到另一層網的對應BTS。

3）當某一層網的BSC故障時，單層網失效，只有另一層網絡提供無線覆蓋。

4）兩個BSC可設置在同一地點，也可設置在不同地點。

目前，我國大秦線、青藏線采用了這樣的冗余方案。

2.5 BSC冗余方案對比

BSC冗余方案如表1所示。

3 BTS冗余方案

3.1 單網交織方案

在平原地段，主要通過在沿鐵路線設置密集的基站，提供高度冗余的空間覆蓋，在冗余度上需要能避免單基站故障，即每個BTS的覆蓋范圍要越過兩邊相鄰的基站，與隔一個站點的BTS一起提供無縫覆蓋，如圖4所示。當相鄰的基站發生故障時能接管其通信業務?；痉制鏀岛团紨到尤刖€路兩側光纜組成的Abis環上，這樣的設置并配套雙外電方案可以避免以下非連續點故障。

表1 BSC冗余方案比選

1）單個BTS故障；

2）單天線、饋纜故障；

3）單個鐵塔故障；

4）單站點電源、電力故障。

圖4 單網交織無線網絡結構示意圖

在以上非連續基站故障的情況下，可保證GSM-R業務基本不受影響（由當前基站提供的電路域業務中斷，但重新發起呼叫后業務可恢復）。相對于普通網絡而言，交織單網方案在正常通信時提高了切換門限電平，提高了抵抗外界干擾的能力，提供了抗設備單點失效的能力。缺點是小區規劃比較復雜，頻率規劃難度較大，而且由于增加了站址，投資也相應較大；并且，由于小區加密一倍使得通信過程中的小區切換次數增加，對QoS有一定的影響。

3.2 同站址雙網方案

此方案下，在同一站址（鐵塔）設置2套獨立基站，分別接入不同的BSC，形成雙層網絡，如圖5所示。雙層網絡一般采用主備用的工作方式，即雙層網絡中的一層作為主用層，另一層作為備用層。正常情況下，網絡業務由主用層提供。在主用層故障（降級模式下）或業務擁塞時，由備用層來提供服務。

圖5 同址雙網無線網絡結構示意圖

圖5 同址雙網無線網絡結構示意圖

3.3 BTS冗余方案對比

BTS冗余方案對比如表2所示。

表2 BTS冗余方案比選

4 結束語

本文介紹BSC及BTS冗余技術，研究各種技術的設置方案、技術特點，包括正常工作時狀態、故障監測機制、故障倒換機制及倒回機制等，并對技術進行了比較，文中提出的結論可供工程實施參考。但實際建設BSC及BTS冗余網絡時，還應進行更全面深入的思考，結合設備廠家對技術的支持程度，必要時進行試驗測試，制定切實可行的冗余方案，以期提高GSM-R網絡的可靠性。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/T 3324-2013 GSM-R數字移動通信系統總體技術要求[S].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2]中國鐵路GSM-R移動通信系統設計指南[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

On the basis of the Chinese Railway Corporation's important project (Research on Transmission and Networking Technologies of Communication Network — Research on Transmission Technology of Communication Network), this paper studies the redundancy schemes of the GSM-R radio network. Firstly, the paper analyzes the necessity of radio network redundancy considering its functions and the position in the GSM-R network, then it summarizes characteristics and applicability of the several redundancy schemes from the aspects of equipment and network, for providing reference for system design and equipment development of the GSM-R network.

GSM-R; radio network; redundancy

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.008

2015-01-03）

中國鐵路總公司科技研究開發重大課題項目（2013X003-A1-1）