基于數字集群通信系統的容災互聯方案設計

宣晶 李鵬 呂桐

摘要：針對軌道交通行業，對無線數字集群通信系統的部署方式和建設模式進行了研究探討，闡述不同建設模式下的無線通信系統架構和通信方式的特點。在面對軌道交通行業中無線通信系統建設中存在的基礎設施分散、網絡資源浪費、系統安全不高等多種問題，提出了容災互聯的設計方案，描述了多種容災互聯部署的應用場景，通過核心網容災備份，進一步增強了系統的安全性，擴展支持核心網層的互聯互通。

關鍵詞：軌道交通；數字集群通信系統；容災；互聯互通

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）09-56-4

基于數字集群的無線通信系統被廣泛應用于地鐵、應急、政府和公安等行業，特別是在城市軌道交通領域，無線數字集群通信系統作為地鐵列車調度的重要通信系統，提供列車調度通信，是確保行車安全和處理應用應急突發事件的必要手段[3]。

傳統的城市軌道交通線路都是單線運營，相互獨立。各線路之間數字集群通信系統無法實現互聯互通，限制了地鐵互聯互通網絡化共線、跨線運營的發展。無線數字集群通信系統作為專用通信系統，對于系統可靠性要求較高，此系統的不間斷工作將是確保城市軌道交通安全的重要一環。

在網絡化運營的趨勢下，本文以優化軌道交通通信方式提高軌道交通無線通信效率、增強無線通信系統的安全性為目標，提出了基于數字集群通信系統的容災互聯設計方案。

近年來我國城市軌道交通進入建設高潮，軌道交通占城市出行方式的比重越來越高，軌道線路的大量開通運營也驅動了軌道交通相關專業的技術發展，其中無線通信系統的建設模式也呈現多元化和多樣化，不再局限于單一功能，更多趨向于安全、便捷、高效方向[6]。

常見的無線通信系統建設模式包括單核心網主備部署模式、雙核心網異地容災部署模式、雙核心網互聯互通部署模式和多核心網互聯互通部署模式。單核心網主備部署模式如圖1所示，部署一套獨立的核心網，核心網以主備架熱備方式運行，主備架之間業務實時同步，主備架切換時業務不中斷。

雙核心網異地容災部署模式如圖2所示，部署2套獨立的核心網，2個核心網采用異地容災部署架構（熱備）[2]，具備基本等同的業務處理能力并通過傳輸鏈路實時數據雙向同步，但當前只有一個核心網對外提供業務。本地核心網支持熱備自動故障倒換，異地核心網遠程容災支持手動或自動故障倒換，進一步提升系統的可靠性。

此模式引入仲裁機制，讓切換更安全。當主用核心網發生故障而宕機時，可自動或手動執行容災切換機制，備用核心網切換為激活狀態，繼續對外提供服務。當主用核心網出現業務中斷故障時，備用核心網可以在1 min內將業務接管過來（理論上可以達到更短，但是為了防止因為網絡抖動而導致的業務頻繁切換，此時間可以靈活調整）。

一主三備容災部署模式如圖3所示，部署4套獨立核心網，采用一主三備架構。此種應用方式下，采用主+備+備+備的方式工作，同時只能有一個核心網設備在提供服務，當某一個核心網設備故障時，多個核心網之間自動完成主備裁決切換。線路側基站設備和調度臺、錄音等業務設備不用感知核心網切換的動態，基站和調度無需具備容災倒切能力，基站和調度只能接入當前的主用核心網。

一主三備方式要求主用核心網和備用核心網保證高度的數據完整性和數據零丟失，對于多套核心設備之間的傳輸鏈路以及傳輸穩定性要求很高。4個核心網在邏輯上是對等的角色，核心網之間互聯互通，保持數據同步，其在主用核心網設備正常工作情況下，不會執行主備切換的工作，只有在主用核心網設備故障時，才會重新裁決出新的核心網提供服務，并承擔主用工作角色。

雙核心網互聯互通部署模式如圖4所示，2個核心網采用互聯互通部署架構，單核心網以主備架熱備方式運行，主備架之間業務實時同步，主備架切換時業務不中斷。

2個核心網之間提供互聯互通功能，實現跨核心網、跨線路全業務的系統級互聯互通[4]。跨核心網的互聯互通的呼叫延時在500 ms以內[1]。

多核心網互聯互通部署模式如圖5所示，多個核心網采用互聯互通部署架構，單核心網以主備架熱備方式運行，主備架之間業務實時同步，主備架切換時業務不中斷。

容災互聯的系統部署架構綜合了上述建設模式的特點，不僅進一步增強了系統的安全性，還擴展支持跨系統的互聯互通功能。容災互聯的部署架構運維管理相對簡單、可靠性更高，節省企業的成本和提升運維效率，大幅提升設備的運維可靠度和可用性。

2.1雙核心網容災互聯

雙核心網容災互聯部署模式如圖6所示。雙核心網容災互聯由2套核心網組成，完成所有設備的接入，雙核心網提供容災互聯功能。在2個核心網正常工作時，可以提供核心網下用戶之間的互聯互通功能；當任何一個核心網故障時，另外一個核心網可以自動接入故障核心網下的業務設備和基站設備，保證故障核心網下用戶的業務使用。

2個核心網都處于獨立工作狀態，每一個核心網下都存在單獨的調度臺、網管、錄音等業務設備以及線路側基站設備。2個核心網之間支持容災倒切功能和互聯互通功能。

（1）核心網的處理機制

2個核心網保持不同業務獨立運行（雙活），數據雙向同步，可快速構建異地容災系統。“雙活”核心網如果斷了任一個核心網，其業務可以快速切換到另外一個正在運行的核心網。2個核心網互相為主備用角色，互為本異地角色，異地核心網遠程容災支持手動或自動故障倒換[5]。

（2）容災冗余裁決機制

2個核心網分別獨立提供服務，對于不同線路側其主備用角色不同；當主用核心網故障時，備用核心網可以支持手動或自動故障倒換，接管故障核心網的業務。

核心網與核心網之間除了有主備用角色容災冗余裁決機制，還支持互聯互通功能。互聯互通功能可以為2個核心網下的用戶提供互聯互通功能，可以實現跨核心網、跨線路的通話服務。

（3）業務設備調度臺、網管、錄音的處理機制

上層業務設備需要配置主備用核心網信息，保證首選接入主用核心網，并且同時需要與2個核心網保持網絡連接并會同時探測，但是只會向一個核心網保持業務連接，當其檢測到主用交換中心異常時，會自動倒切到備用交換中心。

（4）線路側基站的處理機制

線路側的基站需要配置主備用核心網信息，保證同一線路的基站接入同一個核心網。線路側的基站會同時與2個核心網保持網絡連接并會同時探測，但是只會與一個核心網保持業務連接，當其檢測到主用交換中心異常時，會自動倒切到備用交換中心。

此應用場景最大程度上復用了另外一個核心網的功能，在不額外增加設備的前提下，能夠提供異地容災倒切功能和跨系統的互聯互通功能。

2.2多核心網容災互聯

由多套核心網組成，兩兩核心網采用異地容災模式部署，為每一個核心網提供單獨的備用核心網，保證任一核心網故障后，還可以為故障核心網下業務設備和基站設備提供接入功能，并且在上述容災基礎上對外提供互聯互通功能。

多核心網容災互聯部署模式如圖7所示，此應用場景在優先保證系統穩定性的前提下，通過額外增加獨立的備用核心網設備，為每一個核心網提供容災倒切功能。在提供容災倒切能力，保證提升系統安全的基礎上，為用戶提供跨核心網的互聯互通功能。

（1）核心網的處理機制

核心網的容災機制和互聯機制進行隔離，一條線路的2個核心網以主備容災的模式運行，同一時刻只有一個核心網對外提供業務，另外一個核心網以備用的工作模式運行。處于激活狀態的核心網對外提供互聯互通功能，可以與其他線路的核心網進行系統間的互聯互通。

（2）業務設備調度臺、網管、錄音的處理機制

上層業務設備需要配置主備用核心網信息，保證首選接入主用核心網，并且同時需要與2個核心網保持網絡連接并會同時探測，但是只會與一個核心網保持業務連接，當其檢測到主用交換中心異常時，會自動倒切到備用交換中心。

（3）線路側基站的處理機制

線路側的基站需要配置主備用核心網信息，保證同一線路的基站接入同一個核心網。線路側的基站會同時與2個核心網保持網絡連接并會同時探測，但是只會與一個核心網保持業務連接，當其檢測到主用交換中心異常時，會自動倒切到備用交換中心。

雙核心網容災互聯和多核心網容災互聯的系統部署架構，充分考慮了用戶在系統安全上的需求，設計了多種容災部署方式，保證每一個主用核心網均包含另外一個核心網作為備份容災使用，當主用核心網出現故障后，備用核心網可以代替原主用核心網提供服務。同時又考慮到用戶對跨線線運營，線路間互聯互通的需求。在原容災架構上，擴展支持系統間的互聯互通，滿足業務多樣化需求。

城市軌道交通的建設以如火如荼的態勢迅猛發展，城市軌道交通的建設規模越來越大，但是存在基礎設施分散、網絡資源浪費、系統安全沒有強有力的保障、運維管理復雜等問題。為解決以上問題，提出容災互聯的數字集群系統部署方案，本方案有更多的可拓展性，能為客戶提供安全、可靠、便捷的無線通信。

參考文獻

[1] ETSI.Terrestrial Trunked Radio（TETRA）； Voice plus Data（V+D）； Part 1： General Network Design： ETSI EN 300 392-1[S].European：European Telecommunication Standard Institute， 2020.

[2]姜彬.地鐵TETRA雙交換中心冗余熱備負荷分擔方案研究[J].電氣化鐵道，2020，31（2）： 58-60，63.

[3]鄭祖輝，陸錦華，丁銳，等.數字集群移動通信系統：第3版[M].北京：電子工業出版社，2008.

[4]張成斌，康志杰.基于數字集群異系統的互聯互通設計[J].計算機與網絡，2020，46（5）：65-67.

[5]宋雅，曾沂粲.TETRA數字集群系統的容災備份方案探討[J].移動通信，2011，35（1）：85-87.

[6]李艷芳.基于TETRA無線通信系統在城市軌道交通中的應用[J].自動化技術與應用，2019，38（12）：75-77，149.