太原铁路局GSM-R软交换升级改造

■ 赵爽

GSM-R是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，起步于GSM，一方面保持了GSM原有的业务，另一方面增加了铁路的特定应用，并以此作为信息化平台，使铁路用户可以在此信息平台上开发各种铁路应用。铁路运输的特殊性要求GSM-R系统侧重于系统的安全性、有效性、可靠性和可维护性。我国铁路GSM-R的发展目标是在全路建立一张移动通信网络，利用通信手段实现铁路移动设施和固定设施连接，确保列车安全运行。太原铁路局GSM-R网络建于2005年，经过5年多的运行，由于网络负荷增大逐渐显现出一些问题，考虑与全路GSM-R大网的链接，必须对现有网络进行改造。

1 太原铁路局GSM-R网络现状

太原铁路局GSM-R网络于2006年3月正式投入商用。建设初期主要为大秦线运煤专线铁路提供移动无线通信网络，是我国第一条建成并投入使用的GSM-R系统的铁路。大秦线首次将欧洲GSM-R通信技术和美国机车同步操控技术（LOCOTROL）融合在一起，实现多机车间同步启动、同步加速、同步减速、同步制动，使单列列车牵引辆数从50余辆增加到200余辆，列车全长2.7 km，牵引质量2.1万t，大大提高了运输能力。

大秦线GSM-R系统由GSM-R网络设备（交换基站、传输系统等）和FAS网络设备、固定终端设备（调度台、车站台）、移动终端设备（机车综合通信设备、列尾设备、手持台）等组成（见图1），全球范围内首次利用GSM-R系统实现多机车同步控制，率先使用GPRS分组数据业务平台，可以提供车次号、列车停稳信息传输、调度命令、列车进站预告信息传输等铁路运输数据业务。

GSM-R核心网由1套MSC，1套HLR，1套SGSN，1套GGSN组成。M SC共配置了3个局向，分别承担不同业务类型。GPRS网络分组数据业务平台为CTC业务提供分组数据业务传送通道，通过这套系统实现无线车次号、列车停稳信息传输、调度命令、列车进站预告信息传输等铁路运输数据业务。

无线网络：大秦线采用同站址双网覆盖；北同蒲、云岗线及迁曹线采用单网交织覆盖。现全网共设置了3套BSC，大秦线A网基站与云岗线基站接入BSC1，大秦线B网基站与北同蒲线基站接入BSC2，迁曹县基站接入BSC3。3套BSC接入1套PCU设备，由这1套PCU与核心网的SGSN相连完成分组域业务的交换（见图2）。

图1 大秦线GSM-R网络结构图

大秦线建设初期的设计运量为2亿t/年，而到2010年运输任务已达4亿t/年，增加的运量主要靠缩短发车时间间隔、增加发车密度实现，导致网络业务量成倍增长，网络话务量增多。在对网络运行指标进行分析的过程中，发现各无线小区不同程度出现掉话率增高、无线信道拥塞的现象，核心网系统接通率连续下降，直接影响机车同步操控技术业务，增加网络的不稳定性，给运输安全带来隐患。通过对2008年7—12月与2009年7—12月间的系统接通率比较可知，网络负荷已经变得非常大，网络质量严重恶化，很难保证继续增长的业务需求（见图3）。太原铁路局GSM-R实施核心网进行升级改造显得尤为重要。

2 核心网升级改造方案

在GSM-R系统中移动数字交换机（M SC）处于核心地位，其故障影响面最大，对其本身的可靠性、冗余度要求也最高，而既有的核心网全部为单套设置未建立冗余备份机制。因此，建立M SC网络冗余备份机制是GSM-R网络不中断的必要保证，是提高运输效率，保证运输安全的必要手段。建立冗余备份机制，可以采用基于软交换双归属组网的方案增强网络安全性。双归属是一种防止交换机瘫痪或出现突发灾害事故时能够紧急提供通信的容灾机制，利用双归属冗余备份机制在极端异常的情况发生时，提供迅速恢复设备通信能力。

随着GSM-R技术的发展，M SC技术有了很大的进步和发展，尤其是软交换M SC在实时热备份功能上取得了巨大的进步。由于软交换采用控制和承载分离的架构，将M SC分离成具有控制功能的M SC Serve r和具有承载功能的M GW。M SC Se rve r负责完成所有信令和协议的处理，而MGW在M SC Server的控制下完成所有业务的接入和承载。承载和控制分离结构使M SC双归属技术与A接口M INI-Flex技术的实现成为可能。

M SC双归属技术：每个M GW可归属于2个M SC Se rve r，当任意一个M SC Se rve r故障，另一个M SC Serve r可以立刻接管MGW的控制权，完全承担故障M SC Se rve r的业务，整个过程可在3 m in内完成。双归属技术有M SC Se rve r的1+1互助备份和N+1备份2种实现方式，保证任意MSC Server故障，不影响业务进行。

A接口M INI-Flex技术：每个BSC接入到多个MGW，多个M GW是负荷分担方式工作，相互备份，当任何一个M GW故障，BSC可以通过另外的M GW开展业务，保证网络能够正常提供业务。软交换M SC冗余备份机制见图4。

图2 现网设备组网图

图3 2008年与2009年下半年同期系统接通率柱状图

图4 软交换MSC冗余备份机制

改造工程需要新建2套软交换核心网设备（2套M SC Se rve r，2套MGW）、1套HLR设备（过渡期间使用，待完成太原铁路局与北京铁路局G网互联及换卡工作结束后退网），替换现网使用的MSC，HLR设备。新建软交换核心网采用双归属组网，配置为冗余备份工作方式。为保证此次网络改造实施后无线网络能顺利接入新建软交换核心网，所以核心网的新建、无线网扩容需要同步实施。

3 网络改造中遇到的问题

网络改造设计中充分考虑更多的重叠覆盖，确保网络安全可靠。而太原铁路局原有GSM-R网络无线覆盖采用同站址双网，移动交换中心M SC为单套设置，留有安全隐患，网络升级改造对核心网的网络设备采用冗余备份的工作机制，共设置2套MSC Server，2套MGW。网络新的规划需要对既有的3套基站控制器BSC进行调整，分别接入新建的2套MGW中。改造后网络结构见图5。

对于基站控制器BSC的调整，制定2套割接方案。第一种方案是从BTS与BSC间的Abis接口入手，涉及M SC的部分不影响现网运行业务，可以在天窗点外完成核心网部分的数据制作等工作，但对于无线侧割接Ab is接口直接影响每个基站，需要在天窗点内进行倒接，并且在割接完成后需要有专人在基站现场对设备进行复位操作，即每个基站都需要有人盯控，而且存在基站设备复位失败的风险；第二种方案是从BSC与M SC间的A接口入手，割接工作完全在中心机房，这样便于控制解决割接中可能出现的问题，割接时间可控。由于割接涉及BSC与M SC之间的对接，所以数据制作工作全部要在天窗点内进行。经过多次对比论证，最终选定第二套方案。经过反复模拟实验，优化实施方案，将操作时间由原有的5 h缩短至3 h 50 m in。割接之前在核心网机房，以及沿线选取有代表性的站点设置测试人员，在天窗时间进行割接操作，操作完成后马上进行各项业务测试，顺利完成BSC的割接，最大限度减少对运输生产的影响。

图5 核心网改造后结构图

4 结束语

自2010年3月机房开始改造及设备安装调试，软交换核心网设备8月加电进行模拟业务测试，模拟各种极端情况下设备的容灾机制是否能保障业务的使用，9月第三方测试公司对新建核心网进行测试验收，10月业务割接正式入网承担业务，同时原有交换机退网。无线部分，重点对大秦线进行基站加密补强，新建基站162个，现仍在对网络进行优化，通过调整小区参数设置将网络性能调整到最优状态。通过分析网络运行指标，全网运行良好，较网络改造前有了大幅提高，基本达到预期目标。

GSM-R网络主要为铁路运输生产服务，网络性能的优劣直接影响运输安全，必须要确保网络有效、安全、可靠。太原铁路局GSM-R核心网改造是为了满足太原铁路局铁路运输的快速发展。此次核心网升级是全国首次将在用的基于电路型的移动交换机升级为基于软交换的双归属系统，实施中解决问题的方法为其他节点的网络改造提供了借鉴。

[1] 钟章队，李旭，蒋文怡，等. 铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）[M]. 北京：中国铁道出版社，2003

[2] 蒋笑冰，卢燕飞，吴昊. 现代铁路通信新技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2006

[3] 北京全路通信信号研究院. 太原节点软交换实施方案[R]，2010