我国铁路GSM-R基站子系统从TDM向IP演进的研究

周宏伟

（中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081）

我国铁路GSM-R基站子系统从TDM向IP演进的研究

周宏伟

（中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081）

介绍我国铁路GSM-R承载网的应用情况，讨论基于IP承载的协议和组网，通过对比分析研究，提出基站子系统从时分复用模式（TDM）承载向IP承载演进的可行性，探讨演进过程需要考虑的问题。

GSM-R；基站子系统；TDM；IP；演进

1 背景

随着网络扁平化和带宽需求的日益增长，以及软交换设备在移动通信网络中的推广应用，通信网络逐渐向全IP化网络发展已成定局。目前，我国公网三大运营商已全部或部分完成既有时分复用模式（TDM）承载的IP化改造。我国铁路GSM-R网络建设较晚，Abis、A、C/D、E/G接口仍使用传统2M传输线的TDM方式承载信令、话音和电路交换数据业务，物理接口为E1接口，Gb接口则采用帧中继方式承载分组数据业务和信令。GSM-R所采用的承载方式存在不可避免的弊端，例如，移动到移动的语音呼叫因需要在A接口经过多次编解码而影响话音质量；对于Gb接口，帧中继方式则不能满足数据流量急剧增长的需求。为了解决当前的弊端，鉴于GSM-R网络设备支持IP化承载的情况，目前，与基站子系统关联的各接口IP化成熟度较高，最先部署基站子系统的IP承载最为可行。基站子系统的IP承载是指基站子系统使用IP网络在A、Abis、Gb接口传输信令信号和业务信号，即A over IP、Abis over IP和Gb over IP。

2 基于IP承载的关键技术

IP承载包括信令承载和语音、数据承载。其中，信令承载IP化是实现全网IP化的关键。信令传输协议栈（SIGTRAN协议栈）是一套在IP网络上传送信令的协议栈，分为IP协议层、信令传输层、信令传输适配层和信令应用层。具体为：IP协议层包含IP协议，信令传输层包含流量控制传输协议（SCTP），信令传输适配层包含消息传递部分第三级用户的适配层协议（M3UA）等协议，信令应用层包含7号信令的信令链接控制协议（SCCP）等协议。其中，SCTP协议综合了UDP和TCP两种协议的优点，在无连接、不可靠的IP分组网络上建立了一种面向连接、可靠的传输协议，提供可靠、高效的信令传输服务。不同的信令应用层需要不同的信令传输适配层，但共享IP协议层和信令传输层。

3 基站子系统的IP承载

3.1 A over IP

A接口是基站控制器与移动交换中心之间的接口。在GSM-R中，除Abis私有接口外，A接口数量最多，因此A over IP是实现IP承载的重中之重。较之TDM承载的变化为：呼叫建立流程中，业务请求、指配请求和指配完成这3个消息需要进行信元扩展；基站控制器内切换流程需要在切换前通知移动交换中心给出建议的编解码列表以及A口承载类型；基站控制器间切换流程中的切换请求消息同样需要信元扩展，以上信令流程所需扩展的信元主要是双方的IP地址、端口的传递和编解码的传递等信息。A接口信令面协议栈见图1。

图1 A接口信令面协议栈

A接口用户面协议栈见图2。基站控制器不再保留码速变的功能，编码采用带外协商机制，从而减少编解码次数，以提高语音质量。话路已不再是传统的电路识别码电路，而是引入端口的概念，通过为信令和业务信号打上不同的虚拟局域网标识标签，以区分同一物理链路上的信令信号、语音信号和数据业务信号[1]。

3.2 Abis over IP

Abis接口为基站和基站控制器之间的接口，承载电路域和分组域业务，是私有接口。因此，Abis over IP的实现与推广，取决于网络设备厂商。据了解，各GSM-R设备厂商已推出或即将推出支持Abis over IP的基站子系统产品。Abis over IP是把语音、数据、信令及操作管理维护消息通过IP协议封装成IP数据包进行传输。Abis接口协议栈见图3。使用Abis over IP后，可根据实际承载的数据流量分配带宽，用户在通话和静音时占用不同的带宽，与传统TDM承载相比，极大提高了资源利用率[1]。

3.3 Gb over IP

Gb接口是基站控制器与服务GPRS支持节点（SGSN）之间的接口，是GPRS网络中承载用户业务数据的唯一非IP接口。无论从网络配置还是从数据负荷上，Gb接口现有承载方式都不如Gb over IP承载方式具有优越性。Gb over IP简化了基站控制器与服务GPRS业务节点间的连接，摆脱了对2M电路的依赖，只需部署在既有的GPRS承载网上即可。Gb over IP不但提高了GPRS网络的组网灵活性，同时更适用于数据业务的不对称特性，可提高SGSN的吞吐能力。Gb over IP的协议栈仅在网络服务层改变了原有的帧中继承载协议，通过基于IP的路由寻址完成Gb接口的信令和数据传输，对应用层的基站子系统GPRS协议（BSSGP）、逻辑链路控制（LLC）等协议保持不变。Gb接口协议栈见图4[1]。

综合A、Abis、Gb接口IP承载的演进不难看出，信令和话音、数据的协议栈并没有发生很大的变化，仅仅是底层承载协议的改变，高层的应用协议仍保留原有协议继续使用，这种方式不但简化了组网与数据规划，还减轻了运维人员的负担，不必学习新的通信协议，使TDM承载向IP承载的转变更易操作和维护。

图2 A接口用户面协议栈

图3 Abis接口协议栈

图4 Gb接口协议栈

4 建设GSM-R IP承载网面临的问题

4.1 GSM-R IP承载网的搭载平台

目前各铁路局、客专公司都建设了数据通信网，GSM-R的IP承载可参考GPRS组网的接入方式，依托既有的数据通信网，采用逻辑隔离的方式，将GSM-R IP承载网叠加到数据通信网之上，充分利用既有投资，统一维护平台。IP承载网组网示意见图5。

4.2 IP承载网的QoS指标

通过IP承载来传输信令、话音和数据，要保证业务正常运行，特别是列控数据的可靠传送，IP承载网需要达到一定的QoS指标，QoS主要关注时延、抖动和丢包率3项指标。若以数据通信网为搭载平台，则需保证数据通信网的QoS指标满足GSM-R IP承载网的要求[2]。

4.3 对GSM-R网络信令监测的影响

各铁路局、客专公司均为GSM-R网络配置了接口监测系统，目前接口监测系统采用高阻隔离器跨接在A、Gb等接口的配线架上，通过监控信令时隙采集接口间的信令消息，便于网络故障的定位与分析。采用IP承载后，接口监测系统对信令的监测方式需做出相应调整。

5 结束语

从我国铁路无线通信网演进策略来看，GSM-R向LTE-R的演进已成为大势所趋，而LTE网络从设计之初就是基于全IP的网络架构。在LTE-R技术成熟之前，我国铁路无线通信网络建设仍会以GSM-R为主，而且必将出现GSM-R与LTE-R长期共存的局面。为此，在新建或扩容的GSM-R线路中部署IP承载，不但提升了GSM-R网络自身的传输承载效率，还可为将来建设LTE-R提供共享的承载资源，保护既有投资，节约网络演进成本，使传输承载平滑过渡[3]。

图5 IP承载网组网示意图

[1] 贺彬. 中国移动陕西公司BSS IP化演进探讨[J]. 移动通信，2008(5)：17-21.

[2] 蒋志勇，王开锋，高媛，等. 高速铁路GSM-R分组域数据传输特性研究[J]. 中国铁路，2013(8)：31-34.

[3] 刘立海. 我国GSM-R系统向铁路下一代移动通信系统演进的思考[J]. 中国铁路，2013(5)：42-45.

责任编辑 卢敏

On Evolution of GSM-R Base Station Subsystems from TDM to IP in China

ZHOU Hongwei
（Signal & Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

This paper introduces the application of GSM-R bearer networks in China, analyzes the protocols and networking based on IP bearer, proposes the feasibility of evolution of base station subsystems from timedivision multiplexing (TDM) bearer to IP bearer through comparative analysis, and puts forward issues to be considered during the evolution process.

GSM-R；base station subsystem；TDM；IP；evolution

U285

A

1001-683X（2017）02-0048-03

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.02.048

2016-04-08

周宏伟（1982—），女，助理研究员。E-mail：309709286@qq.com