上海局GSM-R核心网、无线网冗余方案研究

李 雪

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

李雪，女，硕士毕业于北京交通大学，工程师。主要从事无线通信的研究工作，多次负责GSM-R网络的互联互通方案设计，参与京沪高速铁路的施工图设计工作，集团公司承担的工信部重大科研项目“基于TD-LTE的高速铁路宽带通信的关键技术研究与应用验证”的研究工作。

1 概述

上海局现有一套MSC设备，既有线和高速线接入同一MSC，由于天窗时间不统一，难以进行MSC的升级改造及作业检修等操作。同时，一旦MSC故障或自然灾害等原因导致MSC不可用，其管辖范围内的无线通信业务将全部中断，难以保证不间断地提供GSM-R业务，同时影响CTCS-3级列控业务的正常使用。其他核心网设备，如SGSN、GGSN等存在同样问题。

根据GSM-R系统承载的业务应用，GSM-R无线网采取了一定的冗余备份机制，如京沪、沪宁、沪杭、杭甬、合蚌、宁杭等300～350 km/h高速线路GSM-R无线网采用了单网交织结构，而合宁、合武、杭深、沪汉蓉、京九等250 km/h以下新建线及既有线均采用普通单网结构。在单网交织和普通单网组网结构下，均是采用单套BSC设备提供服务。虽然BSC设备内部的关键板卡已经进行冗余配置，但设备级的冗余备份未作考虑。在紧急情况下，一旦BSC设备宕机，则其管辖范围内的各项业务将发生中断，铁路工作人员将失去与外界联系的通讯手段。

因此，为了进一步提高网络的安全性，减小GSM-R网络设备故障时对业务的影响，急需开展上海局GSM-R核心网、无线网冗余方案的研究。

2 GSM-R核心网、无线网冗余技术

2.1 MSC冗余备份技术

随着时间的推移，从R99到R4到R5在不断地演进中。随着核心网的演进，MSC的版本也发生相应的变化。目前，铁路GSM-R网络中应用的MSC有两种版本，基于R99网络的传统MSC和基于R4网络的软交换MSC。

基于不同的MSC版本，MSC冗余备份技术也有两种不同的方案，分别是资源池备份技术和双归属备份技术。MSC pool（MSC池）的技术是在3GPP R5版中引入的，其概念同时适用于GSM R99网络和R4网络；双归属是软交换架构下采用的一种MSC冗余备份技术。

2.1.1 资源池

1）技术特点

首先，提出A-flex技术，一个BSC可连接多个MSC；引入池域的概念，一个池域就是由多个MSC组成的共同控制一个或多个位置区的网元集合。具体是指，多套MSC组成一个资源池，每个MSC同等地管辖区内所有BSC。一旦某一MSC发生不可用（线缆断开、MSC故障、MSC升级等）时，BSC可将其信令和业务转至MSC池中其他MSC上，从而实现多套MSC间业务备份。

上海局GSM-R网络采用资源池技术实现MSC备份时，采用1+1备份方式，如图1所示。考虑地理容灾，在新建客专调度所新设一套MSC，与上海局既有虹桥MSC组成一个池，如图2所示。正常情况下两个MSC配置数据完全相同，都处于激活状态，采用负荷分担方式，各承担50%的业务。当任一MSC不可用时，BSC可将业务全部交由可用的MSC来处理。

MSC pool 1+1备份方式技术特点如下。

* 遵循3GPP标准的资源池技术，实现1+1冗余。

标准依据：3GPP TS 23.236 Intra-domain connection of Radio Access Network（RAN）nodes to multipleCore Network（CN）nodes（无线接入网RAN与多个核心网CN节点的域内连接）

* 热备份，实现即时切换。

两套MSC同时工作，当一套MSC发生宕机，该套MSC上正在发生的业务将被中断，但重新发起新业务时，所有业务均实时地由另一套MSC完全承担，不存在MSC之间的特殊倒换时间。

* 两套MSC均是激活状态，信令点不同。

MSC pool技术中两个MSC均是激活状态，需要为新设冗余MSC分配单独的信令点编码。与MSC相连的其他设备，需要支持同时与新设冗余MSC的连接。

* 两套MSC之间采用负荷均衡的工作方式。

池内的两套MSC采用负荷分担方式，同时工作；BSC被池中两套MSC管理，并按照负载均衡策略将用户注册到池中任意一个节点。用户在开机注册后将始终保持登记在同一个MSC上，直到用户脱网，再次重新选网。

* 池内的两套MSC互联，实现组呼数据库的实时同步，解决组呼在宕机时，能迅速再次成功发起。

在两个MSC中建立完全相同的两个组呼寄存器（GCR）静态数据库，并同时建立实时同步的组呼动态数据库，用于标记当前组呼在哪个MSC下活动，一旦另一MSC接收到相同组呼号的呼叫，先发起两个MSC之间的连接查询，如果连接正常，则拒绝同一组呼号，并将其转移给正确的MSC。如果连接异常，则在本MSC下建立组呼。

* 池内的两套MSC互联，实现用户动态数据库的实时同步，解决被叫用户在MSC宕机时丢失当前位置信息的情况。

VLR移动备份数据库将在两个MSC中建立，其内包含的内容有：TMSI、Cell ID、NRI、上次位置更新的时间等。且两个动态数据库互为主备，以保证其实时同步，任一数据库的状态有更新，都会在另一数据库上复制。

* 针对MSC升级维护检修等作业的MSC主动业务转移。

有针对性地转移某一套MSC上的业务负荷，比如MSC升级时，有意将目标MSC上的业务全部转移到另一MSC上。

2）网元影响

既有MSC：目前既有虹桥MSC采用的软件版本为SR14。MSC软件版本不用升级，但需开通4个功能，即“资源池”技术、组呼业务数据备份、用户动态数据库备份、MSC主动业务转移。开通需要重新启机，因此需要申请天窗时间完成。同时完成与新设MSC的连接。

BSC：需开通A-flex功能，即“资源池”技术，支持同时与两个MSC连接。由于无线网需要同时连接到两套MSC，且任何一个MSC宕机，无线网需要具备将自身所有业务量全部转移到另一套MSC上。因此，BSC与MSC之间的接口容量需要配置为原来的两倍，其中一半连接既有MSC，一半连接到新设客专调度所MSC。

HLR/SCP/TMSC/其他直连MSC：需支持同时与两个MSC连接的功能，并支持主备路由，相应数据库修改。与既有上海MSC相连的各网元硬件配置满足要求，需增加到新设客专调度所MSC的传输通道。

其他非GSM-R网元，如RBC/PSTN等：需支持同时与两个MSC连接的功能，并支持主备路由，相应数据库修改。与既有上海MSC相连的各网元需增加到新设客专调度所MSC传输通道。

FAS系统：需支持同时与两个MSC连接的功能，并支持主备路由，相应数据库修改。FAS主、备系统均分别与既有MSC和新设MSC互联，FAS主备系统都需增加到新设客专调度所MSC的传输通道。

2.1.2 软交换双归属

1）技术特点

双归属是软交换架构下采用的一种MSC冗余备份技术，即为主用MSC server设置一套备用MSC server，同一个媒体网关（MGW）归属于两个MSC server，正常运行情况下，MGW只注册到主用MSC server上，而当该MSC server发生故障时，MGW可注册到备用MSC server上，继续为此MGW下管理的用户提供业务。

上海局GSM-R网络采用双归属技术实现MSC备份时，采用1+1备份方式，如图2所示。考虑地理容灾，新设两套软交换MSC设备，一套主用，一套备用。

MSC双归属1+1备份方式技术特点：

* 热备份，3 min倒换时间。

每个MGW归属于两个MSC Server，当任意一个MSC Server故障，另一个MSC Server可以快速接管MGW的控制权，完全承担故障MSC Server的业务，整个过程可在3 min内完成。

* 只有主用MSC是激活状态，信令点相同。

主用MSC server处于激活状态，提供业务。备用MSC server为非激活状态，不提供业务。与MSC相连的其他设备，通过MGW实现与MSC的连接。

* 两套MSC Server 为1+1热备用工作方式。

2套MSC Server 为1+1热备用的工作方式，2套MGW为负荷分担的工作方式。主、备MSC server配置数据完全相同，但主用MSC server处于激活状态，提供业务，备用MSC server为非激活状态，不提供业务，两个MSC server之间进行心跳线检测，当主用MSC故障时，备用MSC进行数据加载，提供业务。

2）网元影响

既有MSC：既有MSC不是软交换架构，需新设两个软交换MSC，一个放置在虹桥核心网机房替换既有的MSC，做主用MSC；一个设置在客专调度所，做备份MSC。

BSC： BSC与MSC之间的接口容量需要配置为原来的两倍，与既有MSC的连接倒换到虹桥核心网新设的MSC，新增一半连接到新设客专调度所MSC。

HLR/SCP/TMSC/其他直连MSC：需支持主备路由，相应数据库修改。与既有上海MSC相连的各网元硬件配置满足要求，与既有MSC的连接倒换到虹桥核心网新设的MSC，新增一半连接到新设客专调度所MSC的传输通道。

其他非GSM-R网元，如RBC/PSTN等：需支持主备路由，相应数据库修改。与既有MSC的连接倒换到虹桥核心网新设的MSC，与既有上海MSC相连的各网元新增一半连接到新设客专调度所MSC的传输通道。

FAS系统：需支持主备路由，相应数据库修改。FAS主、备系统均分别与新设虹桥MSC、客专调度所MSC互联，FAS主、备系统都需增加到新设客专调度所MSC的传输通道。

2.2 SGSN冗余备份技术

SGSN备份方案利用SGSN Pool技术，即多个SGSN共同组成一个资源池，资源池内的所有SGSN采用负荷分担的工作方式实现备份功能，即“SGSN Pool”方式。池内的BSC需要与池内所有的SGSN连接。

SGSN Pool（SGSN池）基于Gb Flex技术，SGSN Pool区内包含多个SGSN并行工作，共同分担区内的业务，移动台在区内漫游时，无需改变其服务的SGSN节点，减少了核心网节点间的信令处理。当一个SGSN故障时，由其他SGSN节点承担其业务，提高了网络的可靠性。

上海局的SGSN备份，采用SGSN pool技术，在客专调度所新设一套SGSN，与上海局既有SGSN组成一个资源池，如图3所示。正常情况下两个SGSN配置数据完全相同，都处于激活状态，采用负荷分担方式，各承担50%的业务。当任一SGSN不可用时，BSC可将业务全部交由可用的SGSN来处理。此时需要对上海局所有的BSC升级，以支持Gb-flex技术。同时，既有的SGSN也需要升级，支持Gb-flex技术。

2.3 GGSN冗余备份技术

GGSN采用邻局备份或1+1冷备份技术，当本局GGSN故障时，需人工干预，将SGSN路由指向其他的GGSN，具体实现方式如下。

1）DNS设备上修改APN（接入点名称）的指向，使之前到本局GGSN的路由数据改为指向其他GGSN，实现GGSN设备层面的容灾；

2）RADIUS设备上修改其他GGSN所对应的IP地址池，如果GGSN设备上保存有IP地址池，也需要做相应修改。

当本局GGSN设备恢复正常时，在DNS、RADIUS设备上恢复至故障前数据。此备份方法可实现GGSN的容灾备份，不需要对现网设备升级改造，影响范围小。

2.4 BSC冗余备份技术

在无线侧，针对可靠性要求较高的线路采取了必要的无线冗余机制，包括采用共站址双网覆盖和交织冗余的覆盖方式，保证在通信网络沿线，每一点均有双层覆盖互为备份。BSC控制众多的BTS，一旦BSC故障，对沿线通信的影响非常大。制定BSC冗余备份方案，可以进一步提升网络的可靠性。

方案一：新设冗余BSC，每个基站环同时连接主备BSC。

此方案中，主备两个BSC同时物理连接相同的MSC（MGW）/ SGSN和BTS，如图4所示。正常情况下，主用BSC与MSC/SGSN和BTS通信，承担全部工作；备用BSC与MSC/SGSN和BTS仅保持物理连接。主备用BSC之间没有直接的物理连接，两者之间的心跳消息通过MSC进行透传。当满足倒换条件后，备用BSC可以自动完成倒换，接替原主用BSC管理BTS及与核心网设备通信的任务。通过该功能，尽管倒换时正在进行的业务会中断，但之后网络会自动正常运行。从故障到业务恢复正常的时间小于5 min。

倒换条件如下。

BSC连接的A接口故障：BSC会停止向MSC发送心跳消息，并且会禁止基站与自身建链。

BSC自身故障：心跳自然停发，而Abis口也自然断链。

当备用BSC判断出对端BSC故障后，首先会激活自身的MTP3信令链路；其次，通过A接口的CIC的复位流程要求MSC激活配置给自身的CIC电路；同时要求MSC闭塞配置给原BSC的CIC电路；最后，允许基站与本BSC建链。对于基站而言，前期是不会和备用BSC建链的；在主用BSC判断出自身故障之后，已经自动降备，同时切断了和基站的链接。此时，基站则会转向尝试和备用BSC建链，直至建链成功。

方案二：新设冗余BSC，采用奇数站、偶数站组环分别连接主备BSC。

此方案中，主备两个BSC同时物理连接相同的MSC（MGW）/ SGSN，主用BSC连接奇数基站组成的基站环，备用BSC连接偶数基站组成的基站环，如图5所示。MS附着在奇数基站上，奇数基站配置优先的切换层级，为了避免频繁BSC间切换带来的高信令负荷，正常情况下，通过调整切换参数，使MS始终在奇数基站上通信。主备用BSC之间无心跳信息传送。当主用BSC故障后，奇数基站全部无信号发射，正在进行的业务会中断。此时由偶数基站覆盖全部线路，MS通过小区重选后附着到附近的偶数基站上。从故障到业务恢复正常的时间小于5 min。

方案一组网结构清晰，只有华为厂家支持，适合对华为BSC备份，但需进行IOT测试，并增加基站到BSC的传输链路，基站侧需逐站调整，对既有网络改动较大，适合于普通单网、交织冗余、同址双站等无线网络结构；同时，对于诺西的MSC，目前不支持与BSC之间心跳消息的传输，所以方案一的应用还需要既有MSC开通信令转接功能。方案二在正常情况下是隔基站切换，普通单网及同址双站的电平覆盖无法实现，如做BSC备份，需增加一倍的基站数量，电平覆盖才能达到切换要求，投资较大，因此方案二只适合与交织冗余的覆盖方式一起使用，但目前采用交织冗余覆盖的线路大部分为CTCS-3级线路，GSM-R网络承载列控业务，从联调联试情况来看，半数站的“传输干扰时间”只有个别线路达标，如采用方案二做BSC备份，尚存在不安全因素。

从以上分析来看，已开通GSM-R的线路，BSC冗余备份方案还有待进一步研究，新建GSM-R线路可适当考虑。

3 上海局GSM-R核心网、无线网冗余方案

3.1 冗余方案的确定原则

3.1.1 GSM-R核心网

冗余方案的确定，应考虑以下几方面因素：

1）能在突发事件情况下（如：火灾、恐怖袭击）提供冗余；

2）冗余使定期维护不对网络运营产生影响；

3）冗余方案保证故障对CTCS-3数据业务通信、点对点话音通信及组呼通信影响时间最短；

4）冗余备份方案要结合网络建设的现状；

5）综合考虑性价比，以较少的投资获得较高的系统性能。

3.1.2 GSM-R无线网

1）无线网配合核心网冗余备份的相应改造

无线网TRAU、BSC与冗余核心网的连接配置需综合考虑提高系统可靠性及投资、操作难易程度等因素。

2）BSC冗余备份方案

BSC的冗余备份需根据设备自身特点，基于现网基站设置情况，从提高系统可靠性及操作难易程度等方面综合考虑。

3.2 冗余方案

3.2.1 GSM-R核心网

既有上海局MSC为诺西设备，交换机版本为R99。由于R99和R4两种版本MSC对数据格式等定义不一致，故无法实现两种版本MSC之间的热备份。而且对于不同厂家的交换机之间，也无法实现热备份。

上海局MSC建立冗余备份机制，在客专调度所新设一套冗余MSC，实现对上海局MSC的1+1备份。具体实现采用资源池还是软交换方式应根据铁道部统一规划实施。

上海局的SGSN备份，采用SGSN pool技术，在客专调度所新设一套冗余SGSN，与上海局既有SGSN组成一个资源池。

上海局的GGSN冗余，可在客专调度所新设一套冗余GGSN，与现有GGSN实现1+1冷备份，或者与济南局或南昌局实现邻局互备。具体采用1+1备份还是邻局互备应根据铁道部统一规划实施。

3.2.2 GSM-R无线网

新建GSM-R线路，采用普通单网、交织冗余、同址双站等无线网络结构时，可采用新设冗余BSC，每个基站环同时连接主备BSC的冗余方案；新建GSM-R线路，采用交织冗余的无线网络结构时，可采用新设冗余BSC，采用奇数站、偶数站组环分别连接主备BSC的BSC冗余方案；已开通GSM-R的线路，BSC冗余备份方案还有待进一步研究。

[1] 李莉.GSM-R MSC备份方案研究[J].铁路技术创新，2011（增刊）：110-113.