我國鐵路GSM-R基站子系統(tǒng)從TDM向IP演進(jìn)的研究

周宏偉

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

我國鐵路GSM-R基站子系統(tǒng)從TDM向IP演進(jìn)的研究

周宏偉

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

介紹我國鐵路GSM-R承載網(wǎng)的應(yīng)用情況，討論基于IP承載的協(xié)議和組網(wǎng)，通過對(duì)比分析研究，提出基站子系統(tǒng)從時(shí)分復(fù)用模式（TDM）承載向IP承載演進(jìn)的可行性，探討演進(jìn)過程需要考慮的問題。

GSM-R；基站子系統(tǒng)；TDM；IP；演進(jìn)

1 背景

隨著網(wǎng)絡(luò)扁平化和帶寬需求的日益增長，以及軟交換設(shè)備在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的推廣應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)逐漸向全I(xiàn)P化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已成定局。目前，我國公網(wǎng)三大運(yùn)營商已全部或部分完成既有時(shí)分復(fù)用模式（TDM）承載的IP化改造。我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較晚，Abis、A、C/D、E/G接口仍使用傳統(tǒng)2M傳輸線的TDM方式承載信令、話音和電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，物理接口為E1接口，Gb接口則采用幀中繼方式承載分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和信令。GSM-R所采用的承載方式存在不可避免的弊端，例如，移動(dòng)到移動(dòng)的語音呼叫因需要在A接口經(jīng)過多次編解碼而影響話音質(zhì)量；對(duì)于Gb接口，幀中繼方式則不能滿足數(shù)據(jù)流量急劇增長的需求。為了解決當(dāng)前的弊端，鑒于GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持IP化承載的情況，目前，與基站子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的各接口IP化成熟度較高，最先部署基站子系統(tǒng)的IP承載最為可行?；咀酉到y(tǒng)的IP承載是指基站子系統(tǒng)使用IP網(wǎng)絡(luò)在A、Abis、Gb接口傳輸信令信號(hào)和業(yè)務(wù)信號(hào)，即A over IP、Abis over IP和Gb over IP。

2 基于IP承載的關(guān)鍵技術(shù)

IP承載包括信令承載和語音、數(shù)據(jù)承載。其中，信令承載IP化是實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)IP化的關(guān)鍵。信令傳輸協(xié)議棧（SIGTRAN協(xié)議棧）是一套在IP網(wǎng)絡(luò)上傳送信令的協(xié)議棧，分為IP協(xié)議層、信令傳輸層、信令傳輸適配層和信令應(yīng)用層。具體為：IP協(xié)議層包含IP協(xié)議，信令傳輸層包含流量控制傳輸協(xié)議（SCTP），信令傳輸適配層包含消息傳遞部分第三級(jí)用戶的適配層協(xié)議（M3UA）等協(xié)議，信令應(yīng)用層包含7號(hào)信令的信令鏈接控制協(xié)議（SCCP）等協(xié)議。其中，SCTP協(xié)議綜合了UDP和TCP兩種協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，在無連接、不可靠的IP分組網(wǎng)絡(luò)上建立了一種面向連接、可靠的傳輸協(xié)議，提供可靠、高效的信令傳輸服務(wù)。不同的信令應(yīng)用層需要不同的信令傳輸適配層，但共享IP協(xié)議層和信令傳輸層。

3 基站子系統(tǒng)的IP承載

3.1 A over IP

A接口是基站控制器與移動(dòng)交換中心之間的接口。在GSM-R中，除Abis私有接口外，A接口數(shù)量最多，因此A over IP是實(shí)現(xiàn)IP承載的重中之重。較之TDM承載的變化為：呼叫建立流程中，業(yè)務(wù)請(qǐng)求、指配請(qǐng)求和指配完成這3個(gè)消息需要進(jìn)行信元擴(kuò)展；基站控制器內(nèi)切換流程需要在切換前通知移動(dòng)交換中心給出建議的編解碼列表以及A口承載類型；基站控制器間切換流程中的切換請(qǐng)求消息同樣需要信元擴(kuò)展，以上信令流程所需擴(kuò)展的信元主要是雙方的IP地址、端口的傳遞和編解碼的傳遞等信息。A接口信令面協(xié)議棧見圖1。

圖1 A接口信令面協(xié)議棧

A接口用戶面協(xié)議棧見圖2?；究刂破鞑辉俦Ａ舸a速變的功能，編碼采用帶外協(xié)商機(jī)制，從而減少編解碼次數(shù)，以提高語音質(zhì)量。話路已不再是傳統(tǒng)的電路識(shí)別碼電路，而是引入端口的概念，通過為信令和業(yè)務(wù)信號(hào)打上不同的虛擬局域網(wǎng)標(biāo)識(shí)標(biāo)簽，以區(qū)分同一物理鏈路上的信令信號(hào)、語音信號(hào)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信號(hào)[1]。

3.2 Abis over IP

Abis接口為基站和基站控制器之間的接口，承載電路域和分組域業(yè)務(wù)，是私有接口。因此，Abis over IP的實(shí)現(xiàn)與推廣，取決于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商。據(jù)了解，各GSM-R設(shè)備廠商已推出或即將推出支持Abis over IP的基站子系統(tǒng)產(chǎn)品。Abis over IP是把語音、數(shù)據(jù)、信令及操作管理維護(hù)消息通過IP協(xié)議封裝成IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。Abis接口協(xié)議棧見圖3。使用Abis over IP后，可根據(jù)實(shí)際承載的數(shù)據(jù)流量分配帶寬，用戶在通話和靜音時(shí)占用不同的帶寬，與傳統(tǒng)TDM承載相比，極大提高了資源利用率[1]。

3.3 Gb over IP

Gb接口是基站控制器與服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）之間的接口，是GPRS網(wǎng)絡(luò)中承載用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的唯一非IP接口。無論從網(wǎng)絡(luò)配置還是從數(shù)據(jù)負(fù)荷上，Gb接口現(xiàn)有承載方式都不如Gb over IP承載方式具有優(yōu)越性。Gb over IP簡化了基站控制器與服務(wù)GPRS業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)間的連接，擺脫了對(duì)2M電路的依賴，只需部署在既有的GPRS承載網(wǎng)上即可。Gb over IP不但提高了GPRS網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)靈活性，同時(shí)更適用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不對(duì)稱特性，可提高SGSN的吞吐能力。Gb over IP的協(xié)議棧僅在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層改變了原有的幀中繼承載協(xié)議，通過基于IP的路由尋址完成Gb接口的信令和數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)應(yīng)用層的基站子系統(tǒng)GPRS協(xié)議（BSSGP）、邏輯鏈路控制（LLC）等協(xié)議保持不變。Gb接口協(xié)議棧見圖4[1]。

綜合A、Abis、Gb接口IP承載的演進(jìn)不難看出，信令和話音、數(shù)據(jù)的協(xié)議棧并沒有發(fā)生很大的變化，僅僅是底層承載協(xié)議的改變，高層的應(yīng)用協(xié)議仍保留原有協(xié)議繼續(xù)使用，這種方式不但簡化了組網(wǎng)與數(shù)據(jù)規(guī)劃，還減輕了運(yùn)維人員的負(fù)擔(dān)，不必學(xué)習(xí)新的通信協(xié)議，使TDM承載向IP承載的轉(zhuǎn)變更易操作和維護(hù)。

圖2 A接口用戶面協(xié)議棧

圖3 Abis接口協(xié)議棧

圖4 Gb接口協(xié)議棧

4 建設(shè)GSM-R IP承載網(wǎng)面臨的問題

4.1 GSM-R IP承載網(wǎng)的搭載平臺(tái)

目前各鐵路局、客專公司都建設(shè)了數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，GSM-R的IP承載可參考GPRS組網(wǎng)的接入方式，依托既有的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，采用邏輯隔離的方式，將GSM-R IP承載網(wǎng)疊加到數(shù)據(jù)通信網(wǎng)之上，充分利用既有投資，統(tǒng)一維護(hù)平臺(tái)。IP承載網(wǎng)組網(wǎng)示意見圖5。

4.2 IP承載網(wǎng)的QoS指標(biāo)

通過IP承載來傳輸信令、話音和數(shù)據(jù)，要保證業(yè)務(wù)正常運(yùn)行，特別是列控?cái)?shù)據(jù)的可靠傳送，IP承載網(wǎng)需要達(dá)到一定的QoS指標(biāo)，QoS主要關(guān)注時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率3項(xiàng)指標(biāo)。若以數(shù)據(jù)通信網(wǎng)為搭載平臺(tái)，則需保證數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的QoS指標(biāo)滿足GSM-R IP承載網(wǎng)的要求[2]。

4.3 對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)信令監(jiān)測的影響

各鐵路局、客專公司均為GSM-R網(wǎng)絡(luò)配置了接口監(jiān)測系統(tǒng)，目前接口監(jiān)測系統(tǒng)采用高阻隔離器跨接在A、Gb等接口的配線架上，通過監(jiān)控信令時(shí)隙采集接口間的信令消息，便于網(wǎng)絡(luò)故障的定位與分析。采用IP承載后，接口監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)信令的監(jiān)測方式需做出相應(yīng)調(diào)整。

5 結(jié)束語

從我國鐵路無線通信網(wǎng)演進(jìn)策略來看，GSM-R向LTE-R的演進(jìn)已成為大勢(shì)所趨，而LTE網(wǎng)絡(luò)從設(shè)計(jì)之初就是基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在LTE-R技術(shù)成熟之前，我國鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)仍會(huì)以GSM-R為主，而且必將出現(xiàn)GSM-R與LTE-R長期共存的局面。為此，在新建或擴(kuò)容的GSM-R線路中部署IP承載，不但提升了GSM-R網(wǎng)絡(luò)自身的傳輸承載效率，還可為將來建設(shè)LTE-R提供共享的承載資源，保護(hù)既有投資，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)成本，使傳輸承載平滑過渡[3]。

圖5 IP承載網(wǎng)組網(wǎng)示意圖

[1] 賀彬. 中國移動(dòng)陜西公司BSS IP化演進(jìn)探討[J]. 移動(dòng)通信，2008(5)：17-21.

[2] 蔣志勇，王開鋒，高媛，等. 高速鐵路GSM-R分組域數(shù)據(jù)傳輸特性研究[J]. 中國鐵路，2013(8)：31-34.

[3] 劉立海. 我國GSM-R系統(tǒng)向鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)的思考[J]. 中國鐵路，2013(5)：42-45.

責(zé)任編輯 盧敏

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

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