GSM-R无线网络冗余架构关键技术的研究

周宇晖

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）



GSM-R无线网络冗余架构关键技术的研究

周宇晖

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

根据铁路移动通信设备维护规则要求及GSM-R网络所承载业务的重要性，现网对GSM-R系统冗余技术的需求越来越大。研究GSM-R系统无线网络的冗余组网方案，并结合工程实际应用，总结GSM-R无线网络多种冗余组网的关键技术。

GSM-R网络；冗余组网；关键技术

1　概述

GSM-R系统无线网络主要涉及BSC/PCU、TRAU、BTS等设备，且由于GSM-R无线网络设备间组网均采用厂家私有协议，因此，GSM-R无线网络的冗余架构研究要整体考虑BSC/PCU、TRAU、BTS等设备。

研究冗余备份方案时，应遵循以下原则：第一，冗余备份方案应满足GSM-R系统承载的各类铁路业务对冗余备份的需求；第二，方案应得到标准协议或者厂家的支持，具有可行性；第三，方案应尽量便于工程实施，降低对现网的改造工作量以及对运维工作的影响，具有可实施性。

2　GSM-R无线网冗余备份需求

2.1BSC/PCU/TRAU设备

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。

BSC故障时，将影响管辖范围内的全部业务。因此，BSC需考虑冗余备份。

由于TRAU设备的配置原则一般比照BSC设备进行，因此TRAU设备的冗余备份需求及原则与BSC一致。

2.2BTS设备

BTS是服务于某小区的无线收发信设备，负责无线信号的接收、发送处理，实现BTS与MS的空中接口功能，是GSM-R系统中最终面向用户的网络单元。

BTS故障时，只影响其控制的一个小区，影响范围较小，因此无需考虑设备的冗余备份，可以通过单网交织及同站址双网等网络备份方案实现可靠性提升。

2.3小结

通过对GSM-R系统各设备功能、业务影响范围的分析，可以看出不同设备对于冗余备份需求的迫切程度是不一样的。HLR、SCP、STP、DNS、RADIUS、GROS、MSC、SGSN、GGSN、GRIS等设备对于冗余备份的需求非常迫切；TMSC、SMSC、BSC需要考虑冗余备份；BTS对于设备层面的冗余备份需求不迫切，可考虑采用网络覆盖冗余的方式提高系统可靠性。

3　GSM-R无线网冗余备份方案研究

3.1BSC/PCU

3.1.1BSC冗余备份方案制定原则

1）当BSC与MSC连接的传输线全部中断，BSC设备电源故障，主备用主控板卡故障等导致BSC设备整机无法进行正常工作的情况下，应实现BSC设备的网络级冗余。

2）冗余备份的BSC应符合原铁道部关于互联互通接口测试的要求。

3）冗余备份的两个BSC可以具备接入环形基站组网的条件，并可接入不同厂家的核心网设备。

3.1.2BSC设备冷备份方案

该方案主要通过传输系统实现BSC的N+1冷备份，系统结构如图1所示。

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。

备用BSC日常可下挂测试基站上电运行或保持断电状态，但定期应对其硬件设备进行健康性检查，对其软件版本和数据库进行人工核查。

2）故障倒换机制

冷备份方案下的故障倒换机制如下：

a.检查备用BSC软件版本与数据库配置是否与主用BSC一致；

b.手动拔插核心网侧DDF架传输线至指定端口；

c.手动拔插无线网侧DDF架传输线至基站环指定传输端口；

d.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；

e.主备用BSC倒接的时间与其所带的基站数量有关，根据国外实际项目运用经验，如果一个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。

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。

4）应用中注意事项

确保备用BSC的硬件配置不小于现网BSC 的配置；确保备用BSC采用的软件版本与现网运行的BSC 软件版本一致；定期对备用BSC进行上电检查；定期对备用BSC数据库进行更新，与现网保持一致。3.1.3 BSC设备热备份方案

BSC热备份方案如图2所示，该方案主备两个BSC同时物理连接相同的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A接口信令链路所在2M的单个时隙进行透传，只需MSC提供信令转接功能。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。上述功能已在“华为GSM-R BSS新版本与诺基亚西门子核心网A、Gb接口互联互通测试”中进行测试。

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。

此方案下BTS与主备用BSC之间的连接方式如图3所示。

该GSM-R无线子系统冗余方案的特点如下：

a.基站环两端基站分别接入主备用BSC，可保证在BSC发生故障时BTS的无缝倒接；

b.BTS需配置4个2 M端口，硬件均支持分别接入两个BSC，无需进行硬件改造或升级，只需增加传输链路即可；

c.网络配置简单，无需对单网交织的网络结构进行改变，只需BTS版本支持即可，但须对基站环上的全部基站进行版本升级；

d.正常情况下，BTS是不和备用BSC建链的；在主用BSC判断出自身故障之后，已经自动降备用，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。

1）故障检测机制

BSC热备份方案仅在以下故障情况下倒换：

BSC连接的A接口故障； BSC自身故障。

每个BSC分别通过检测本端的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（可以设定定时器作为门限，也可以用心跳计数的方式设置门限），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。

为防止因心跳信号故障导致BSC信令点双激活，因此需在所有A接口双归属信令点配置的传输链路上同时配置BSC间心跳通信的链路，两者在同一2 M链路的不同时隙，这样既可以保证A接口信令链路状态与BSC间通信链路状态一致，也保证BSC间通信的可靠性。

心跳信息传送时，将信令链路看做一个链路集，每次传送其中一个2 M通道的单个时隙，采用轮询方式进行，当某个时隙故障时选择其他2 M链路的时隙通信。

热备份方案对以下情况，不进行倒换：

基站故障；链接基站和BSC的Abis接口故障； SGSN故障； 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。

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。

3.1.4 BSC网络级冗余备份方案（单网交织）

当GSM-R系统采用单网交织的冗余覆盖方式时，为增强该方案中GSM-R系统基站控制器BSC的冗余备份及容灾能力，从而进一步提高整个GSM-R系统的可靠性、可用性及可维护性，可以将一般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4所示。

该GSM-R无线子系统冗余方案的特点如下：

整个线路的GSM-R无线子系统由两套相同的设备包括BSC与BTS组成，无线子系统设备单节点故障对业务层面没有影响。

系统正常工作时，小区切换为Inter-BSC（BSC间）的切换，将会大量增加Asub与A接口的CCS7信令负荷。

当BSC或BTS单点故障时，系统变为单网覆盖，仍能保证正常使用。

方案实施简单，不用对现网的BSC配置参数进行修改。

该方案从网络组网方面实现了BSC的冗余备份，但是运用中会出现大量BSC间切换的情况，为避免此情况，建议参考西班牙方案实行。

3.1.5BSC网络级冗余备份方案（同站址双网）

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GSM-R系统基站控制器BSC的冗余备份及容灾能力，从而进一步提高整个GSM-R系统的可靠性、可用性及可维护性，可以将一般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5所示。

该GSM-R无线子系统冗余方案的特点如下：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。

正常情况下，主用小区所有载频均正常发射功率；备用小区只有BCCH载频发射，业务载频不占用频点，不发射功率；通过网络无线参数规划使得终端优先驻留在主用小区上，发起业务时优先使用主用小区信道。

当A网的基站故障时，A网BSC报给B网进行倒换，倒换时A网BSC通信会携带相应基站的可靠性资源模式和资源状态，向对端BSC发送。

当A网的BSC掉电时，B网通过MSC传来的心跳信息判断A网故障，自动激活其B网的所有非主B载频。

3.1.6隧道无线网冗余备份方案

对于隧道、明洞等弱场区主要采用基站、光纤直放站（或分布式基站）结合漏泄同轴电缆/天线的覆盖方案来解决。为了提供冗余覆盖，每个直放站远端机可接入相邻两个BTS的信号，经过放大后，输出两路合成的信号并分别馈送至两边与直放站连接的漏缆或天线；通过调节放大来自两个BTS信号的强度，合理安排切换区；每段漏缆两端均连接直放站，即漏缆两端同时接收不同直放站的信号。

隧道区段的覆盖方案在以下非连续点故障情况下系统仍然能正常工作。

单个基站故障；单个直放站故障（两个直放站之间漏缆小于1.5 km）；漏缆单点中断（两个直放站之间漏缆小于1.5 km）。

根据隧道长度不同，有不同的解决方案，对于连续的隧道群，可将其视为一个隧道考虑，隧道间隙使用漏缆贯通后进行覆盖。

4　结束语

综上所述，GSM-R网络在铁路运输安全中起到了越来越大的作用，为了保证这些应用业务的安全性和可靠性，除GSM-R设备本身所具备的可靠性外，我们还应从系统组网、数据库配置等其他层面来考虑整个GSM-R网络的冗余设置。

［1］科技运［2008］128号 CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范［S］.

［2］科技运［2008］127号 CTCS-3级列控系统需求规范（SRS）（V1.0）［S］.

［3］ 3GPP TS 04.21 V8.3.0 Rate adaption on the Mobile Station Base Station System （MS-BSS） Interface:chapter6-8.

［4］ 3GPP TS 08.60 V8.2.1 Inband control of remote transcoders and rate adaptors for Enhanced Full Rate （EFR） and full rate traffic channels: chapter3.

［5］ 3GPP TS 23.236 V9.0.0 （2009-12） Intra-domain connection of Radio Access Network （RAN） nodes to multiple Core Network（CN） nodes（Release 9）.

According to the requirements of maintenance code for railway mobile communication equipment and significance of bearer services over GSM-R network， the existing network has more requirements for redundant techniques of GSM-R system. The paper studies the redundant networking schemes for GSM-R wireless network and summarizes key techniques of several redundant networking.

GSM-R network； redundant networking； key technique

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.007

2015-04-13）