GSM-R无线网冗余方案研究

李莉

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

GSM-R无线网冗余方案研究

李莉

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

依托铁路总公司重大课题“通信网传输与组网技术研究——通信网传输技术研究”，研究GSM-R无线网的冗余方案，结合无线网功能及其在网络中所处位置分析其冗余的必要性，分别从设备层面、网络层面探讨各种冗余方案，对各种方案的特点和适用性进行总结，为我国GSM-R网络的设计、设备研发等工作提供参考。

GSM-R；无线网；冗余

1 GSM-R无线网冗余的必要性和可行性分析

我国GSM-R网络正在进行大规模建设，GSM-R网络在承载列控系统信息传送、机车同步操控系统信息传送等方面发挥着越来越重要的作用，是保障这些信息有效、可靠传送的重要组成部分，这对GSM-R网络的可靠性提出更高的要求。

GSM-R网络由核心网和无线网构成，无线网是本文的研究重点，其包括BSC、BTS等设备。其中，BSC负责管理其管辖范围内基站，主要功能是进行无线信道管理、实施通信链路的建立和拆除，并控制本区内移动台的越区切换等，BSC是基站和移动交换中心之间的连接点，也为基站和移动交换中心之间交换信息提供接口。BTS是服务于某小区的无线收发设备，负责无线信号的接收、发送处理。

通常情况下，1套BSC管理上百个基站，对于高速线路而言将近400 km的范围，对于普速铁路而言将近1000 km的范围，一旦BSC出现故障，业务影响范围很大。同时，需要定期对BSC进行各种检修（主控模块倒换、性能测试）和重点整治（软件版本升级、隐患整治、更新改造等），这些工作都需要停机，会造成业务停用。基于BSC在无线网络中所处位置、故障时影响业务的范围、维修维护工作的需要，对BSC进行冗余非常必要。

对于BTS而言，BTS故障时，只影响其控制的一个小区，影响范围较小，同时，考虑到BTS本身已实现了关键模块、板卡的备份，因此无需考虑BTS设备层面的冗余。

目前，从国内外GSM-R无线网冗余的实施来看，列控线路、重载线路已通过单网交织、同站址双网等方案提升了BTS网络层面的可靠性，在贵阳枢纽已实现BSC设备级别的冗余，在西班牙等国外ETCS 2级列控线路上采用了BSC网络级冗余方案。这些冗余方案对于提升GSM-R网络的可靠性，保证业务的正常运行发挥着重要作用。从技术的成熟度和国内外应用情况来看，对GSM-R无线网实施冗余是可行的。

本文将对GSM-R无线网各种冗余技术进行深入研究，明确其技术特点和适用条件，使其更好的应用到我国GSM-R网络的建设中。

2 BSC冗余方案

2.1 BSC冷备份

BSC冷备份方案是指：为主用BSC设置1套备用BSC，正常情况下主用BSC在网，处于工作状态；备用BSC处于上电状态，但并未入网，当主用BSC故障时，通过割接传输电路，激活备用BSC与核心网、基站之间的链路，实现备用BSC入网，接替故障BSC。

1）故障检测机制

由于备用BSC采用冷备用机制，因此需通过网管显示BSC故障或人工干预的方式进行故障检测及判决。

2）故障倒换机制

检查备用BSC软件版本与数据库配置是否与主用BSC一致；手动拔插核心网侧DDF架传输线至指定端口；手动拔插无线网侧DDF架传输线至基站环指定传输端口；

人工倒接后，启用备用BSC，并通过网管检查自身及所属BTS状态。

3）倒回机制

由于BSC冷备份方案中主备BSC切换需通过硬件倒接及软件脚本执行，倒换工作量较大、业务倒换时间过长，因此在保证备用BSC的硬件配置、软件版本、工作状态均正常的情况下，不建议进行倒回操作。

本方案中业务恢复时间主要取决于传输电路割接时间以及故障BSC管辖的基站数量，恢复时间较长，根据国外实际项目运用经验，如果1个BSC管理100台基站，排除人工倒接时间，其系统倒换一般在30 min以内。

2.2 BSC热备份

BSC热备份方案如图1所示，该方案主备2个 BSC同时连接相同的MSC（MGW）/SGSN和BTS。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转接。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和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。

图1 BSC热备份组网结构

此方案需要对基站环上的全部基站进行版本升级，BTS配置4个2 M端口，并新增传输链路，每个基站环两端基站分别接入主备用BSC。正常情况下，BTS不会和备用BSC建链。在主用BSC判断出自身故障后，自动降至备用，同时切断和基站的链接。此时，基站则会转向尝试和备用BSC建链，直至建链成功。

1）故障检测机制

BSC热备份方案仅在以下故障情况下倒换。

a. BSC连接的A接口故障；

b. BSC自身故障。

每个BSC通过检测本端的A接口状态，来判定本端到MSC的通道是否故障；通过本设备自身的维护告警，来检查设备本身是否故障；通过检测是否正常接收到对端发送过来的心跳信号来确定对端BSC是否故障。如果连续丢失的心跳信号次数超出丢失门限，则认为对端BSC故障，进行主备BSC间倒换；否则，认为对端BSC正常，不进行倒换。

热备份方案对以下情况，不进行倒换。

a.基站故障；

b.链接基站和BSC的Abis接口故障；

c.SGSN故障；

d.Gb接口故障。

2）故障倒换机制

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接口自然断链。

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。

3）倒回机制

当原主用BSC恢复正常时，该BSC可按照已配置的策略（立即进行倒回、延迟一段时间倒回、到某绝对时间倒回或者人工倒回）重新取得基站和小区的管理权。

由于备用BSC在网运行时间较短，部分临时数据可能未被加载，因此建议在主用BSC故障恢复后，人工倒回，备用BSC仍保持热备状态。

本方案中，业务恢复时间主要取决于每个基站环上的基站数量。根据实验室测试情况，单基站环（带5个基站）从故障到业务恢复正常的时间不超过17 min，每减少一级基站减少3 min。与冷备份方案相比，大大减少了业务恢复时间。

此方案已在我国贵阳枢纽GSM-R网络中得到应用。

2.3 BSC网络级备份方案一

当GSM-R无线系统采用单网交织的冗余覆盖方式时，为增强该方案中BSC的冗余备份及容灾能力，可以将通常单网交织方案中接入同一个BSC的奇数基站与偶数基站分别接入到不同的BSC，如图2所示。

图2 BSC网络级备份方案一（对应单网交织网络）

该GSM-R无线子系统冗余方案的特点如下。

1） 整个线路的GSM-R无线子系统中奇数号基站接入一套BSC，偶数号基站接入另一套BSC。

2）系统正常工作时，小区切换变为BSC间切换，会增加Ater与A接口的7号信令负荷。

3）当某一套BSC单点故障时，系统变为单层网络，可正常提供业务。

该方案从网络组网方面实现BSC的冗余备份，但是运用中会出现大量BSC间切换的情况。针对此种情况，西班牙ETCS 2线路网络运用方式做了如下修改。

1）通过无线参数的设置与调整，将奇数号基站与偶数号基站分为两层网络，上行与下行列车分别由一层网络提供无线覆盖。正常情况下切换为BSC内切换，并且切换次数比单网交织冗余方案减少，切换发生的间距比单网交织大，从这个角度来看，有利于GSM-R系统QoS中某些指标要求。

2）任何方向上的网络设备如BTS故障，另一层网的相应基站将会弥补相应的覆盖区域，切换将会在两层网络之间发生，随后再切回到原网络层，以保证两层网络容量负荷分担的相对均匀。

3）对每列列车上的终端来说，都是单网提供服务，正常情况下每套基站比单网交织基站提供服务的区域大，小区边缘的场强有所下降，对网络内外的干扰容忍度会有所下降，可能在部分区段造成服务质量劣化。

采用此方案时，需进行较多的参数调整及网络优化工作，建议实际组网时，可先期建立试验段进行测试试验。

2.4 BSC网络级备份方案二

当GSM-R系统采用同站址双网的冗余覆盖方式时，为增强该方案中BSC的冗余备份及容灾能力，可以将通常同站址双网方案中接入同一个BSC的两层网基站，分别接入到不同的BSC，如图3所示。

图3 BSC网络级备份方案二（对应同站址双层网络）

该GSM-R无线子系统冗余方案的特点如下。

1）采用同站址双网覆盖，同一路段由主、备用两个小区同时覆盖，主备小区所属基站分别部署在两个BSC下，主备小区之间的对应关系为1对1。

2）当某一层网的某个BTS故障时，通过无线参数设置，终端会自动选择到另一层网的对应BTS。

3）当某一层网的BSC故障时，单层网失效，只有另一层网络提供无线覆盖。

4）两个BSC可设置在同一地点，也可设置在不同地点。

目前，我国大秦线、青藏线采用了这样的冗余方案。

2.5 BSC冗余方案对比

BSC冗余方案如表1所示。

3 BTS冗余方案

3.1 单网交织方案

在平原地段，主要通过在沿铁路线设置密集的基站，提供高度冗余的空间覆盖，在冗余度上需要能避免单基站故障，即每个BTS的覆盖范围要越过两边相邻的基站，与隔一个站点的BTS一起提供无缝覆盖，如图4所示。当相邻的基站发生故障时能接管其通信业务。基站分奇数和偶数接入线路两侧光缆组成的Abis环上，这样的设置并配套双外电方案可以避免以下非连续点故障。

表1 BSC冗余方案比选

1）单个BTS故障；

2）单天线、馈缆故障；

3）单个铁塔故障；

4）单站点电源、电力故障。

图4 单网交织无线网络结构示意图

在以上非连续基站故障的情况下，可保证GSM-R业务基本不受影响（由当前基站提供的电路域业务中断，但重新发起呼叫后业务可恢复）。相对于普通网络而言，交织单网方案在正常通信时提高了切换门限电平，提高了抵抗外界干扰的能力，提供了抗设备单点失效的能力。缺点是小区规划比较复杂，频率规划难度较大，而且由于增加了站址，投资也相应较大；并且，由于小区加密一倍使得通信过程中的小区切换次数增加，对QoS有一定的影响。

3.2 同站址双网方案

此方案下，在同一站址（铁塔）设置2套独立基站，分别接入不同的BSC，形成双层网络，如图5所示。双层网络一般采用主备用的工作方式，即双层网络中的一层作为主用层，另一层作为备用层。正常情况下，网络业务由主用层提供。在主用层故障（降级模式下）或业务拥塞时，由备用层来提供服务。

图5 同址双网无线网络结构示意图

图5 同址双网无线网络结构示意图

3.3 BTS冗余方案对比

BTS冗余方案对比如表2所示。

表2 BTS冗余方案比选

4 结束语

本文介绍BSC及BTS冗余技术，研究各种技术的设置方案、技术特点，包括正常工作时状态、故障监测机制、故障倒换机制及倒回机制等，并对技术进行了比较，文中提出的结论可供工程实施参考。但实际建设BSC及BTS冗余网络时，还应进行更全面深入的思考，结合设备厂家对技术的支持程度，必要时进行试验测试，制定切实可行的冗余方案，以期提高GSM-R网络的可靠性。

[1]中华人民共和国铁道部.TB/T 3324-2013 GSM-R数字移动通信系统总体技术要求[S].北京：中国铁道出版社，2013.

[2]中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南[S].北京：中国铁道出版社，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）

中国铁路总公司科技研究开发重大课题项目（2013X003-A1-1）