GSM-R無線網(wǎng)冗余方案研究

李莉

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

GSM-R無線網(wǎng)冗余方案研究

李莉

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

依托鐵路總公司重大課題“通信網(wǎng)傳輸與組網(wǎng)技術(shù)研究——通信網(wǎng)傳輸技術(shù)研究”，研究GSM-R無線網(wǎng)的冗余方案，結(jié)合無線網(wǎng)功能及其在網(wǎng)絡(luò)中所處位置分析其冗余的必要性，分別從設(shè)備層面、網(wǎng)絡(luò)層面探討各種冗余方案，對各種方案的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行總結(jié)，為我國GSM-R網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、設(shè)備研發(fā)等工作提供參考。

GSM-R；無線網(wǎng)；冗余

1 GSM-R無線網(wǎng)冗余的必要性和可行性分析

我國GSM-R網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)在承載列控系統(tǒng)信息傳送、機(jī)車同步操控系統(tǒng)信息傳送等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，是保障這些信息有效、可靠傳送的重要組成部分，這對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的可靠性提出更高的要求。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)和無線網(wǎng)構(gòu)成，無線網(wǎng)是本文的研究重點(diǎn)，其包括BSC、BTS等設(shè)備。其中，BSC負(fù)責(zé)管理其管轄范圍內(nèi)基站，主要功能是進(jìn)行無線信道管理、實(shí)施通信鏈路的建立和拆除，并控制本區(qū)內(nèi)移動臺的越區(qū)切換等，BSC是基站和移動交換中心之間的連接點(diǎn)，也為基站和移動交換中心之間交換信息提供接口。BTS是服務(wù)于某小區(qū)的無線收發(fā)設(shè)備，負(fù)責(zé)無線信號的接收、發(fā)送處理。

通常情況下，1套BSC管理上百個基站，對于高速線路而言將近400 km的范圍，對于普速鐵路而言將近1000 km的范圍，一旦BSC出現(xiàn)故障，業(yè)務(wù)影響范圍很大。同時，需要定期對BSC進(jìn)行各種檢修（主控模塊倒換、性能測試）和重點(diǎn)整治（軟件版本升級、隱患整治、更新改造等），這些工作都需要停機(jī)，會造成業(yè)務(wù)停用?；贐SC在無線網(wǎng)絡(luò)中所處位置、故障時影響業(yè)務(wù)的范圍、維修維護(hù)工作的需要，對BSC進(jìn)行冗余非常必要。

對于BTS而言，BTS故障時，只影響其控制的一個小區(qū)，影響范圍較小，同時，考慮到BTS本身已實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵模塊、板卡的備份，因此無需考慮BTS設(shè)備層面的冗余。

目前，從國內(nèi)外GSM-R無線網(wǎng)冗余的實(shí)施來看，列控線路、重載線路已通過單網(wǎng)交織、同站址雙網(wǎng)等方案提升了BTS網(wǎng)絡(luò)層面的可靠性，在貴陽樞紐已實(shí)現(xiàn)BSC設(shè)備級別的冗余，在西班牙等國外ETCS 2級列控線路上采用了BSC網(wǎng)絡(luò)級冗余方案。這些冗余方案對于提升GSM-R網(wǎng)絡(luò)的可靠性，保證業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。從技術(shù)的成熟度和國內(nèi)外應(yīng)用情況來看，對GSM-R無線網(wǎng)實(shí)施冗余是可行的。

本文將對GSM-R無線網(wǎng)各種冗余技術(shù)進(jìn)行深入研究，明確其技術(shù)特點(diǎn)和適用條件，使其更好的應(yīng)用到我國GSM-R網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中。

2 BSC冗余方案

2.1 BSC冷備份

BSC冷備份方案是指：為主用BSC設(shè)置1套備用BSC，正常情況下主用BSC在網(wǎng)，處于工作狀態(tài)；備用BSC處于上電狀態(tài)，但并未入網(wǎng)，當(dāng)主用BSC故障時，通過割接傳輸電路，激活備用BSC與核心網(wǎng)、基站之間的鏈路，實(shí)現(xiàn)備用BSC入網(wǎng)，接替故障BSC。

1）故障檢測機(jī)制

由于備用BSC采用冷備用機(jī)制，因此需通過網(wǎng)管顯示BSC故障或人工干預(yù)的方式進(jìn)行故障檢測及判決。

2）故障倒換機(jī)制

檢查備用BSC軟件版本與數(shù)據(jù)庫配置是否與主用BSC一致；手動拔插核心網(wǎng)側(cè)DDF架傳輸線至指定端口；手動拔插無線網(wǎng)側(cè)DDF架傳輸線至基站環(huán)指定傳輸端口；

人工倒接后，啟用備用BSC，并通過網(wǎng)管檢查自身及所屬BTS狀態(tài)。

3）倒回機(jī)制

由于BSC冷備份方案中主備BSC切換需通過硬件倒接及軟件腳本執(zhí)行，倒換工作量較大、業(yè)務(wù)倒換時間過長，因此在保證備用BSC的硬件配置、軟件版本、工作狀態(tài)均正常的情況下，不建議進(jìn)行倒回操作。

本方案中業(yè)務(wù)恢復(fù)時間主要取決于傳輸電路割接時間以及故障BSC管轄的基站數(shù)量，恢復(fù)時間較長，根據(jù)國外實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，如果1個BSC管理100臺基站，排除人工倒接時間，其系統(tǒng)倒換一般在30 min以內(nèi)。

2.2 BSC熱備份

BSC熱備份方案如圖1所示，該方案主備2個 BSC同時連接相同的MSC（MGW）/SGSN和BTS。正常情況下，主用BSC與MSC/SGSN和BTS通信，承擔(dān)全部工作；備用BSC與MSC/ SGSN和BTS僅保持物理連接。主備用BSC之間沒有直接的物理連接，兩者之間的心跳消息通過MSC轉(zhuǎn)接。當(dāng)滿足倒換條件后，備用BSC可以自動完成倒換，接替原主用BSC，管理BTS和與核心網(wǎng)設(shè)備通信的任務(wù)。通過該功能，盡管倒換時正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)會中斷，但之后網(wǎng)絡(luò)會自動正常運(yùn)行。

圖1 BSC熱備份組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

此方案需要對基站環(huán)上的全部基站進(jìn)行版本升級，BTS配置4個2 M端口，并新增傳輸鏈路，每個基站環(huán)兩端基站分別接入主備用BSC。正常情況下，BTS不會和備用BSC建鏈。在主用BSC判斷出自身故障后，自動降至備用，同時切斷和基站的鏈接。此時，基站則會轉(zhuǎn)向嘗試和備用BSC建鏈，直至建鏈成功。

1）故障檢測機(jī)制

BSC熱備份方案僅在以下故障情況下倒換。

a. BSC連接的A接口故障；

b. BSC自身故障。

每個BSC通過檢測本端的A接口狀態(tài)，來判定本端到MSC的通道是否故障；通過本設(shè)備自身的維護(hù)告警，來檢查設(shè)備本身是否故障；通過檢測是否正常接收到對端發(fā)送過來的心跳信號來確定對端BSC是否故障。如果連續(xù)丟失的心跳信號次數(shù)超出丟失門限，則認(rèn)為對端BSC故障，進(jìn)行主備BSC間倒換；否則，認(rèn)為對端BSC正常，不進(jìn)行倒換。

熱備份方案對以下情況，不進(jìn)行倒換。

a.基站故障；

b.鏈接基站和BSC的Abis接口故障；

c.SGSN故障；

d.Gb接口故障。

2）故障倒換機(jī)制

BSC連接的A接口故障：BSC會停止向MSC發(fā)送心跳消息，并且會禁止基站與自身建鏈。

BSC自身故障：心跳自然停發(fā)，而Abis接口自然斷鏈。

當(dāng)備用BSC判斷出對端BSC故障后，首先會激活自身的MTP3信令鏈路；其次，通過A接口的CIC復(fù)位流程要求MSC激活配置給自身的CIC電路；同時要求MSC閉塞配置給原BSC的CIC電路；最后，允許基站與本BSC建鏈。

3）倒回機(jī)制

當(dāng)原主用BSC恢復(fù)正常時，該BSC可按照已配置的策略（立即進(jìn)行倒回、延遲一段時間倒回、到某絕對時間倒回或者人工倒回）重新取得基站和小區(qū)的管理權(quán)。

由于備用BSC在網(wǎng)運(yùn)行時間較短，部分臨時數(shù)據(jù)可能未被加載，因此建議在主用BSC故障恢復(fù)后，人工倒回，備用BSC仍保持熱備狀態(tài)。

本方案中，業(yè)務(wù)恢復(fù)時間主要取決于每個基站環(huán)上的基站數(shù)量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試情況，單基站環(huán)（帶5個基站）從故障到業(yè)務(wù)恢復(fù)正常的時間不超過17 min，每減少一級基站減少3 min。與冷備份方案相比，大大減少了業(yè)務(wù)恢復(fù)時間。

此方案已在我國貴陽樞紐GSM-R網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。

2.3 BSC網(wǎng)絡(luò)級備份方案一

當(dāng)GSM-R無線系統(tǒng)采用單網(wǎng)交織的冗余覆蓋方式時，為增強(qiáng)該方案中BSC的冗余備份及容災(zāi)能力，可以將通常單網(wǎng)交織方案中接入同一個BSC的奇數(shù)基站與偶數(shù)基站分別接入到不同的BSC，如圖2所示。

圖2 BSC網(wǎng)絡(luò)級備份方案一（對應(yīng)單網(wǎng)交織網(wǎng)絡(luò)）

該GSM-R無線子系統(tǒng)冗余方案的特點(diǎn)如下。

1） 整個線路的GSM-R無線子系統(tǒng)中奇數(shù)號基站接入一套BSC，偶數(shù)號基站接入另一套BSC。

2）系統(tǒng)正常工作時，小區(qū)切換變?yōu)锽SC間切換，會增加Ater與A接口的7號信令負(fù)荷。

3）當(dāng)某一套BSC單點(diǎn)故障時，系統(tǒng)變?yōu)閱螌泳W(wǎng)絡(luò)，可正常提供業(yè)務(wù)。

該方案從網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方面實(shí)現(xiàn)BSC的冗余備份，但是運(yùn)用中會出現(xiàn)大量BSC間切換的情況。針對此種情況，西班牙ETCS 2線路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用方式做了如下修改。

1）通過無線參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整，將奇數(shù)號基站與偶數(shù)號基站分為兩層網(wǎng)絡(luò)，上行與下行列車分別由一層網(wǎng)絡(luò)提供無線覆蓋。正常情況下切換為BSC內(nèi)切換，并且切換次數(shù)比單網(wǎng)交織冗余方案減少，切換發(fā)生的間距比單網(wǎng)交織大，從這個角度來看，有利于GSM-R系統(tǒng)QoS中某些指標(biāo)要求。

2）任何方向上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如BTS故障，另一層網(wǎng)的相應(yīng)基站將會彌補(bǔ)相應(yīng)的覆蓋區(qū)域，切換將會在兩層網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生，隨后再切回到原網(wǎng)絡(luò)層，以保證兩層網(wǎng)絡(luò)容量負(fù)荷分擔(dān)的相對均勻。

3）對每列列車上的終端來說，都是單網(wǎng)提供服務(wù)，正常情況下每套基站比單網(wǎng)交織基站提供服務(wù)的區(qū)域大，小區(qū)邊緣的場強(qiáng)有所下降，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的干擾容忍度會有所下降，可能在部分區(qū)段造成服務(wù)質(zhì)量劣化。

采用此方案時，需進(jìn)行較多的參數(shù)調(diào)整及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作，建議實(shí)際組網(wǎng)時，可先期建立試驗(yàn)段進(jìn)行測試試驗(yàn)。

2.4 BSC網(wǎng)絡(luò)級備份方案二

當(dāng)GSM-R系統(tǒng)采用同站址雙網(wǎng)的冗余覆蓋方式時，為增強(qiáng)該方案中BSC的冗余備份及容災(zāi)能力，可以將通常同站址雙網(wǎng)方案中接入同一個BSC的兩層網(wǎng)基站，分別接入到不同的BSC，如圖3所示。

圖3 BSC網(wǎng)絡(luò)級備份方案二（對應(yīng)同站址雙層網(wǎng)絡(luò)）

該GSM-R無線子系統(tǒng)冗余方案的特點(diǎn)如下。

1）采用同站址雙網(wǎng)覆蓋，同一路段由主、備用兩個小區(qū)同時覆蓋，主備小區(qū)所屬基站分別部署在兩個BSC下，主備小區(qū)之間的對應(yīng)關(guān)系為1對1。

2）當(dāng)某一層網(wǎng)的某個BTS故障時，通過無線參數(shù)設(shè)置，終端會自動選擇到另一層網(wǎng)的對應(yīng)BTS。

3）當(dāng)某一層網(wǎng)的BSC故障時，單層網(wǎng)失效，只有另一層網(wǎng)絡(luò)提供無線覆蓋。

4）兩個BSC可設(shè)置在同一地點(diǎn)，也可設(shè)置在不同地點(diǎn)。

目前，我國大秦線、青藏線采用了這樣的冗余方案。

2.5 BSC冗余方案對比

BSC冗余方案如表1所示。

3 BTS冗余方案

3.1 單網(wǎng)交織方案

在平原地段，主要通過在沿鐵路線設(shè)置密集的基站，提供高度冗余的空間覆蓋，在冗余度上需要能避免單基站故障，即每個BTS的覆蓋范圍要越過兩邊相鄰的基站，與隔一個站點(diǎn)的BTS一起提供無縫覆蓋，如圖4所示。當(dāng)相鄰的基站發(fā)生故障時能接管其通信業(yè)務(wù)?；痉制鏀?shù)和偶數(shù)接入線路兩側(cè)光纜組成的Abis環(huán)上，這樣的設(shè)置并配套雙外電方案可以避免以下非連續(xù)點(diǎn)故障。

表1 BSC冗余方案比選

1）單個BTS故障；

2）單天線、饋纜故障；

3）單個鐵塔故障；

4）單站點(diǎn)電源、電力故障。

圖4 單網(wǎng)交織無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

在以上非連續(xù)基站故障的情況下，可保證GSM-R業(yè)務(wù)基本不受影響（由當(dāng)前基站提供的電路域業(yè)務(wù)中斷，但重新發(fā)起呼叫后業(yè)務(wù)可恢復(fù)）。相對于普通網(wǎng)絡(luò)而言，交織單網(wǎng)方案在正常通信時提高了切換門限電平，提高了抵抗外界干擾的能力，提供了抗設(shè)備單點(diǎn)失效的能力。缺點(diǎn)是小區(qū)規(guī)劃比較復(fù)雜，頻率規(guī)劃難度較大，而且由于增加了站址，投資也相應(yīng)較大；并且，由于小區(qū)加密一倍使得通信過程中的小區(qū)切換次數(shù)增加，對QoS有一定的影響。

3.2 同站址雙網(wǎng)方案

此方案下，在同一站址（鐵塔）設(shè)置2套獨(dú)立基站，分別接入不同的BSC，形成雙層網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。雙層網(wǎng)絡(luò)一般采用主備用的工作方式，即雙層網(wǎng)絡(luò)中的一層作為主用層，另一層作為備用層。正常情況下，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)由主用層提供。在主用層故障（降級模式下）或業(yè)務(wù)擁塞時，由備用層來提供服務(wù)。

圖5 同址雙網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 同址雙網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 BTS冗余方案對比

BTS冗余方案對比如表2所示。

表2 BTS冗余方案比選

4 結(jié)束語

本文介紹BSC及BTS冗余技術(shù)，研究各種技術(shù)的設(shè)置方案、技術(shù)特點(diǎn)，包括正常工作時狀態(tài)、故障監(jiān)測機(jī)制、故障倒換機(jī)制及倒回機(jī)制等，并對技術(shù)進(jìn)行了比較，文中提出的結(jié)論可供工程實(shí)施參考。但實(shí)際建設(shè)BSC及BTS冗余網(wǎng)絡(luò)時，還應(yīng)進(jìn)行更全面深入的思考，結(jié)合設(shè)備廠家對技術(shù)的支持程度，必要時進(jìn)行試驗(yàn)測試，制定切實(shí)可行的冗余方案，以期提高GSM-R網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/T 3324-2013 GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)總體技術(shù)要求[S].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2]中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[S].北京：中國鐵道出版社，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）

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)重大課題項(xiàng)目（2013X003-A1-1）