构建新一代GSM-R核心网络

■ 余涛

1 概述

GSM-R核心网络承载了全部铁路无线通信业务，构建一个安全可靠和高性能的核心网是保证铁路运输安全的重要条件。在欧洲，以控制与承载分离的核心网（BICN）技术为基础的新一代GSM-R核心网络已经开始替代传统的电路交换节点，逐步投入商用。2009年欧洲铁路打通了第一个基于BICN核心网络的GSM-R电话；2010年奥地利铁路建成了全球第一个以BICN为基础的全IP核心网络；2011年7月，德国铁路公司决定将原有的7台移动交换机（M SC），2台归属位置寄存器（HLR），2台智能业务控制节点（SCP）升级为BICN核心网络。欧洲铁路不但拥有高性能、低能耗的交换平台，并且正在采用新一代核心网络的冗余技术，大大减少系统不可用时间，进一步加强网络整体抵抗灾害的能力。

目前，我国GSM-R交换节点设置在每个铁路局所在地，每个节点设置1台M SC处理电路交换业务，设置1台SGSN和1台GGSN处理分组交换业务，设置核心网络网管服务器管理电路域和分组域设备。北京、武汉、西安3个节点为汇接局全网采用一对HLR，分别设置在北京和武汉，HLR之间采用1+1热备份。全网采用一对SCP，处理智能网业务，分别设置在北京和武汉，SCP之间采用1+1热备份。

原有核心网络规划受到电路交换技术的限制，基本上没有考虑交换节点的冗余备份，随着GSM-R覆盖铁路里程的增加，单个交换节点一旦发生故障，将会导致本铁路局所有线路的GSM-R通信网络退出服务，本铁路局运输行车将受到影响。目前的网络中既包含电路交换节点，也包含BICN交换节点，而规划仍然停留在电路交换技术，因此规划已经滞后于网络建设步伐。

2 BICN的优点

BICN结构最早在3GPP R4规范中定义，把处理承载功能的媒体网关（M GW）和处理呼叫控制功能的呼叫服务器（Call Server）分开，并将话音核心网络从电路交换演进成分组交换；可看作将时分多路复用（TDM）电路交换节点分成Call ServerM SC Server和MGW两部分，可将两部分同址部署，也可在控制中心部署Call Server，将MGW分散到远端，图1给出BICN分离式结构。以BICN技术为基础的新一代交换平台具有如下优点：

（1）更高的可靠性。采用新型先进的电信计算平台（ATCA）硬件，除了具备强大的交换能力和99.999％的可用性，还支持地理冗余配置，大大提高冗灾能力。

（2）增加新功能。以往固化在TDM交换结构中的功能通过新的软件在媒体网关中实现，客户可以通过配置工具在媒体网关中灵活配置新功能，如与会议电话相关配置：扩展调度员数量、抑制DTMF tone、强拆会议电话端口。这些功能在TDM交换机中是不能配置的。

（3）更长的生命周期。TDM交换技术从1990年开始使用，目前正在被BICN技术全面替换。由于整个工业组织都转向BICN，在TDM平台上开发新功能将更加困难和昂贵。铁路建设GSM-R网络的周期较长，要求网络生命周期也相对较长，现在开始技术更新可以避免将来昂贵的网络升级。

（4）更低的成本。分散的扁平分组网络对比TDM网络，需要更少的设备；分组网络更高效利用带宽资源；通过在媒体网关的本地交换节省了从基站控制器（BSC）到TDM交换机的传输资源；设备体积更小，耗电更少；网络简化，一张分组网络承载所有业务。

3 BICN带来的新型冗余备份方案

GSM-R整体网络的可用性直接影响铁路运输的安全和效率，我国铁路现有的GSM-R网络规划中，已经要求设计方案采用多项冗余备份技术。网络节点层面要求节点内部关键模块冗余备份；终端层面要求车载和手持电台采用备份模式，并具备更换机制；射频覆盖层面要求采用冗余覆盖，如深度冗余覆盖方式；传输层面要求在同步数字体系（SDH）环形保护基础上，在BSC与基站收发信台（BTS）间采用环形连接；用户数据管理层面采用HLR 1+1备份和SCP 1+1备份，在北京和武汉形成异地冗余。以上冗余保护技术虽然很丰富，但没有考虑交换节点的冗余备份。这是因为以TDM技术为基础的GSM R99规范要求一个BSC只能连接到一个交换节点，BSC与交换节点之间的A接口没有很好的备份方式，一旦交换节点宕机，该BSC将丢失业务。BICN分离式结构带来更多的灵活性，A接口的连接关系也实现了突破，厂家也可以在分离式结构中提出新的冗余备份方案。

3.1 BSC双址归属

此方案基于一个BSC归属于一个交换节点，由于采用分离式结构，BSC和M GW的连接方式可以更加灵活。一个BSC可以分别连接到2台放置在不同地理位置的MGW，逻辑上，这2台MGW相关模块可以配置成一个MGW。如图2所示，每一台BSC通过2台交叉复用设备M UX连接到部署在2个地理位置的MGW 1和MGW 2上，虽然位于不同地理位置，但可以将M GW 1和M GW 2中的模块在逻辑上配置成一个M GW，对于BSC而言，逻辑上还是连接到一个M GW上。这种方案保护了A接口的链路，同时抵御单个MGW故障导致的业务中断。

当M GW 1或M GW 2中任何一个故障时，BSC将全部控制消息和承载数据路由到存活的M GW上，核心网络完好无损。将这个功能定义为BSC双址归属。

3.2 Flex网络配置

基于3GPP规范TR23.236，BSC不在只受单一的移动业务交换中心（M SC）或业务支持节点（SGSN）控制，一个BSC可以连接到多个M SC或SGSN，可以同时保持多个关联到多个M SC，并工作在负荷分担模式。当BSC至M SC连接故障或某个M SC故障，BSC可以使用剩余的链路找寻存活的M SC，业务不受影响。

被划分在CS poo l area 1的无线接入节点受M SC1，M SC2，M SC3 3台交换机控制，业务负荷分担；被划分在PS poo l area 1的无线接入节点受SGSN1，SGSN2控制，业务负荷分担。

这种方案可以实现核心网的自动冗灾恢复。目前该方案在规范中没有定义组呼管理部分，BSC至M SC这种灵活关联要求动态定义跨M SC的组呼区域，工业组织正在完善有关组呼功能的标准，一旦标准制定完成，“Flex网络配置”将是最佳的冗灾备份方案。欧洲主要的铁路公司已经选定这种核心网备份方案，要求在中长期支持组呼功能，在短期内可以接受组呼受限的情况。

3.3 双激活备份

短期内可以实现的核心网备份方案。2套M S C Se rve r+MGW都处于激活状态，分别承载业务，当一套M SC Server+MGW故障时，可采用人工或自动方式将它控制的BSC业务转接到另一套M SC Se rver+MGW上。这种方案可以保证一半的业务不受灾害影响。对比冷备份方式，备用设备不需要进行健康检查，随时可以接受新增加的业务。

4 从TDM向BICN的演进策略

我国铁路已经建成的交换节点升级为B ICN交换节点需要制定详尽稳妥的演进策略，尽可能减少对现网运输业务的影响。基本原则包括：将整个升级过程分成几个独立的功能升级阶段，每个阶段明确升级主题，如HLR升级，避免交叉升级造成混乱；为了维持网络的稳定，每个升级阶段应该考虑在升级过程中出现重大问题时，可以退回到原有状态或原有系统；要考虑与GSM-R系统相连接的其他系统在升级过程中进行必要的配合和调整，来保证通信功能不受影响；升级过程应符合铁路管理规范和流程。

具体升级过程可以分为几个独立的功能升级阶段，按照次序为：引入新的BICN平台，割接智能网系统，割接HLR，割接MSC以及相关联的铁路应用系统。

5 结论与展望

BICN的引入带来新的网络冗余方案，铁路客户有条件加强对A接口的保护，实现交换节点的备份，并且可以调整以TDM交换为基础的网络规划，提高网络整体可靠性，简化网络结构，降低运行成本。具体规划中需要考虑以下方面：全网MSC Server和MGW的数量及选址原则、MSC Server备份方式、是否允许MSC Server跨铁路局控制BSC、MGW备份方式、A接口保护方式、SGSN备份方式的选择等、全网SCP和HLR的数量调整、网管服务器的数量和管理覆盖范围的确定、如何调整全网传输层面来支持BICN全分组交换网络、如何调整网络运维体制以适应新的核心网结构。