鐵路GSM-R系統(tǒng)核心網(wǎng)改造工程方案研究

周海龍

（中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司，呼和浩特 010050）

1 研究背景

國內(nèi)鐵路從2006 年隨客專開始大規(guī)模建設(shè)GSM-R 系統(tǒng)，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，全路GSM-R 網(wǎng)絡(luò)已形成一定規(guī)模，并不斷發(fā)展完善，核心網(wǎng)的架構(gòu)也基本形成。截至2022 年底，已完成全部19 個核心網(wǎng)節(jié)點建設(shè)，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋里程近9 萬 km，用戶近40 萬，覆蓋了高鐵、客專、城際、重載鐵路和部分普速鐵路，提供了列車運行控制類、調(diào)度指揮類、列車運行安全監(jiān)控類、運營維護(hù)類等多種業(yè)務(wù)，適應(yīng)了當(dāng)前鐵路快速發(fā)展，為鐵路運輸安全、提高運輸效率起到了非常重要的保障作用。GSM-R 核心網(wǎng)作為整個GSM-R 系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，具備數(shù)據(jù)管理、接入和移動性管理、鑒權(quán)、數(shù)據(jù)路由等多項核心功能，對GSM-R 業(yè)務(wù)正常運轉(zhuǎn)發(fā)揮關(guān)鍵和基礎(chǔ)作用。

GSM-R 核心網(wǎng)按路局集中部署，部分按全路集中部署，一旦故障將影響整個路局甚至全路的GSM-R 業(yè)務(wù)。因此GSM-R 核心網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)和改造，一直以來備受關(guān)注。各路局GSM-R 核心網(wǎng)隨本局GSM-R 網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)，歷經(jīng)十余年發(fā)展，逐步達(dá)到更新改造期限，陸續(xù)開展GSM-R 核心網(wǎng)改造工程。GSM-R 核心網(wǎng)改造，除設(shè)備老化、故障率升高、備品備件不足等問題引起的改造需求外，還有滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的改造需求，主要有以下兩方面：

1）《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)計規(guī)范》（TB 10088-2015）提出核心網(wǎng)SGSN、GGSN 設(shè)備宜冗余設(shè)置[1]；

2）《鐵路通信網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)要求 第3 部分：鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）》（Q/CR 783.3-2022）提出路局集中設(shè)置的核心網(wǎng)設(shè)備宜同城異址部署[2]。

因此，為了GSM-R 線路語音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)正常使用，提高行車安全保障能力，及時消除安全隱患，GSM-R 核心網(wǎng)改造不是簡單的設(shè)備更新替換[3]，需要結(jié)合運維需求，基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)備功能、組網(wǎng)以及部署等方面提出優(yōu)化完善的方案。

2 GSM-R核心網(wǎng)冗余組網(wǎng)方案

本文主要針對路局集中設(shè)置的移動交換中心（MSC）、服務(wù)GPRS 支持節(jié)點（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS 支持節(jié)點（GGSN）等核心網(wǎng)設(shè)備的冗余組網(wǎng)等提出改造方案。

2.1 MSC冗余組網(wǎng)方案

路局既有MSC 有R99 和R4 兩種架構(gòu)，R99 架構(gòu)的MSC 未進(jìn)行冗余組網(wǎng)，R4 架構(gòu)的MSC 采用主備冗余組網(wǎng)方式。根據(jù)《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）總體技術(shù)要求》（TB/T 3324-2021），更新后的MSC 應(yīng)進(jìn)行冗余組網(wǎng)，且可采用兩種冗余備份組網(wǎng)方式[4]，方式一：R4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主備MSC 方式，方式二：R4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)MSC Pool 方式。

2.1.1 R4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主備MSC方式

1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于R4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的MSC 由MSC Server 和媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）組成，實現(xiàn)控制層面和承載層面的分離。路局核心網(wǎng)設(shè)置2 套MSC，每套MSC 由1 套MSC Server 和1 套MGW 組成。

MGW 負(fù)責(zé)承載層面，通過2 M 鏈路與路局的無線子系統(tǒng)BSC，有線調(diào)度通信系統(tǒng)FAS、鐵路電話程控交換網(wǎng)PSTN 等相關(guān)通信系統(tǒng)，CTCS-3 級列控系統(tǒng)RBC[5]、機車同步操控系統(tǒng)AN 等應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)；通過2 M 鏈路與全路共用設(shè)備北京、武漢STP 互聯(lián)，實現(xiàn)與全路共用設(shè)備HLR、SCP、SMSC 等互聯(lián)；通過2 M 鏈路與相鄰局MSC 互聯(lián)。

MSC Server 負(fù)責(zé)控制層面，通過IP 鏈路與2個MGW 以及對端MSC Server 互聯(lián)，實現(xiàn)信令交互及心跳檢測。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 R4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主備MSC方式組網(wǎng)架構(gòu)示意Fig.1 Network architecture diagram of master/standby MSC mode of R4 network architecture

2）冗余機制

該方案采用雙歸屬和MiNi-Flex 技術(shù)，主用、備用兩個MSC Server，同一個MGW 歸屬于兩個MSC Server，正常運行情況下，MGW 只注冊到主用MSC Server 上，而當(dāng)該MSC Server 發(fā)生故障時，MGW 可注冊到備用MSC Server 上，繼續(xù)為此MGW 下管理的用戶提供業(yè)務(wù)。MSC Server之間的主備倒換通過心跳檢測實現(xiàn)。BSC 通過兩套MGW 連接到主、備MSC Server 上，兩套MGW負(fù)荷分擔(dān)，提高M(jìn)GW 層面的可靠性。

2.1.2 R4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)MSC Pool方式

1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于R4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的MSC 由MSC Server 和MGW 組成，實現(xiàn)控制層面和承載層面的分離。路局核心網(wǎng)設(shè)置2 套或2 套以上MSC，每套MSC 由1 套MSC Server 和1 套MGW 組成，組成MSC Pool。

MGW 負(fù)責(zé)承載層面，通過2 M 鏈路與路局的無線子系統(tǒng)BSC，有線調(diào)度通信系統(tǒng)FAS、鐵路電話程控交換網(wǎng)PSTN 等相關(guān)通信系統(tǒng)，CTCS-3 級列控系統(tǒng)RBC、機車同步操控系統(tǒng)AN 等應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)；通過2 M 鏈路與全路共用設(shè)備北京、武漢STP 互聯(lián)，實現(xiàn)與全路共用設(shè)備HLR、SCP、SMSC 等互聯(lián)；通過2 M 鏈路與相鄰局MSC 互聯(lián)。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 R4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)MSC Pool方式組網(wǎng)架構(gòu)示意Fig.2 Network architecture diagram of MSC Pool mode of R4 network architecture

2）冗余機制

該方式采用A-Flex 技術(shù)，互為冗余的MSC組成MSC Pool，BSC 能夠同時連接兩個MSC Server，MSC 間采用負(fù)荷分擔(dān)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)MSC 級別的容災(zāi)。該方式的關(guān)鍵技術(shù)在于實現(xiàn)負(fù)載均衡，可以通過BSC 或MGW 實現(xiàn)負(fù)載均衡。位于MSC Pool 內(nèi)的兩個MSC 互相備份各自的內(nèi)容，當(dāng)某個MSC 中存儲的用戶信息發(fā)生變化時，會將此信息傳送到池內(nèi)另一個MSC 中。兩個MSC 的數(shù)據(jù)實時同步，當(dāng)池內(nèi)某個MSC 故障時，被叫將送到池內(nèi)另一個MSC 處理。

MSC Pool 方案中一個Pool 內(nèi)的兩個MSC 之間沒有心跳檢測，當(dāng)BSC、STP、FAS 等外部網(wǎng)元檢測到主用MSC 的鏈路故障時（傳輸通道故障或主用MSC 故障），會自動選擇到備用MSC 的鏈路，實現(xiàn)主備MSC 的倒換。

2.1.3 方案比選

方式一的優(yōu)勢與既有方式相同，編號方案簡單，由于備用MSC 為非激活狀態(tài)，與主用MSC使用同一個信令點碼，故不需為其再分配信令點碼，目前此方式在路內(nèi)應(yīng)用較為廣泛、成熟，技術(shù)支撐有保障；不足之處在于存在當(dāng)采用數(shù)據(jù)同步功能倒換時有短暫業(yè)務(wù)中斷的情況，大約5 min 后方可恢復(fù)正常。

方式二的優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)和合理分配網(wǎng)絡(luò)資源方面，在一定程度上網(wǎng)絡(luò)可以自動調(diào)整負(fù)載；不足之處為數(shù)據(jù)配置復(fù)雜，2 套MSC 均需要設(shè)置信令點編碼，且池內(nèi)每個MSC 需要配置池內(nèi)所有位置區(qū)信息。

上述兩種方案均能滿足核心網(wǎng)MSC 設(shè)備的冗余需求，在核心網(wǎng)改造過程中需根據(jù)路局需求、設(shè)備供應(yīng)、既有設(shè)備支持能力等情況進(jìn)行選擇。

2.2 SGSN冗余組網(wǎng)方案

路局既有SGSN 大部分未采用冗余組網(wǎng)，《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)計規(guī)范》（TB 10088-2015）要求SGSN 宜進(jìn)行冗余組網(wǎng)，因此，更新改造后的SGSN 需依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采用冗余組網(wǎng)方案。SGSN 的冗余組網(wǎng)有兩種方式，取決于無線子系統(tǒng)BSC/PCU。

1）BSC/PCU 不支持Gb Flex 功能的情況下，BSC/PCU 只能連接到一個SGSN，SGSN 故障時，人工倒接至備用SGSN，該方式為冗余SGSN 的冷備工作方式。

2）BSC/PCU 支持Gb Flex 功能的情況下，BSC/PCU 可以連接到2 個SGSN，2 個SGSN 組成SGSN Pool，為負(fù)荷分擔(dān)的工作方式。BSC/PCU按照預(yù)置的負(fù)荷分擔(dān)原則選擇池組內(nèi)一個SGSN 服務(wù)，某個SGSN 故障時，正在建立的業(yè)務(wù)，BSC/PCU 可以選擇Pool 內(nèi)另一個SGSN 完成業(yè)務(wù)，已經(jīng)在故障SGSN 建立業(yè)務(wù)的用戶可通過手動遷移方式由池組內(nèi)其他SGSN 接入[6-7]，該方式為冗余SGSN 的熱備工作方式。

在SGSN 進(jìn)行了冗余改造，接入既有BSC/PCU（不支持Gb Flex 功能）和未來新設(shè)BSC/PCU（支持Gb Flex 功能），可考慮以下兩種組網(wǎng)方式。

方案一：冗余的SGSN 分擔(dān)冷備+熱備

方案一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示：不支持Gb Flex 功能的BSC/PCU，一部分（圖3 中BSC/PCU1 和BSC/PCU2）通過幀中繼方式連接到1 個SGSN，另外一部分（圖3 中BSC/PCU3 和BSC/PCU4）通過幀中繼方式連接到另外1 個SGSN，為分擔(dān)冷備方式；新設(shè)的BSC/PCU（圖3 中BSC/PCU5）通過IP 方式連接到2 個SGSN，為熱備工作方式。

圖3 BSC/PCU與冗余SGSN的組網(wǎng)架構(gòu)（分擔(dān)冷備+熱備）Fig.3 BSC/PCU and redundant SGSN network architecture(shared cold standby+hot standby)

在這種方式下，SGSN1 和SGSN2 分配獨立的RAI（路由區(qū)標(biāo)識）[8]和IP 地址，相互之間獨立工作，其冷備和熱備的工作方式互不影響。SGSN1 和SGSN2 較為均勻的分擔(dān)了網(wǎng)內(nèi)BSC/PCU 的業(yè)務(wù)，尤其在路局內(nèi)沒有支持Gb Flex 功能的BSC/PCU情況下，2 個SGSN 均能對外提供服務(wù)，不存在單純冷備的情況，設(shè)備的利用率比較高，且故障風(fēng)險有所分擔(dān)。

方案二：冗余的SGSN 冷備+熱備

方案二的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示：不支持Gb Flex 功能的BSC/PCU（圖4 中BSC/PCU1～BSC/PCU4）通過幀中繼方式全部連接到1 個SGSN，另外1 個SGSN 冷備；新設(shè)的BSC/PCU（圖4 中BSC/PCU5）通過IP 方式連接到2 個SGSN，為熱備工作方式。

圖4 BSC/PCU與冗余SGSN的組網(wǎng)架構(gòu)（冷備+熱備）Fig.4 BSC/PCU and redundant SGSN network architecture(cold standby+hot standby)

在這種方式下，SGSN1 和SGSN2 分配獨立的RAI 和IP 地址，相互之間獨立工作，其冷備和熱備的工作方式互不影響。SGSN1 承載業(yè)務(wù)較多，在路局內(nèi)沒有支持Gb Flex 功能的BSC/PCU 情況下，SGSN2 只作冷備，設(shè)備的利用率比較低，且一旦SGSN1 故障，風(fēng)險較為集中。

上述兩種方案均能滿足SGSN 冗余組網(wǎng)的需求，需針對BSC/PCU 支持Gb Flex 功能的情況、維護(hù)工作量等方面綜合考慮方案的選取。

2.3 GGSN冗余組網(wǎng)方案

GGSN 同SGSN 類似，路局既有GGSN 大部分未采用冗余組網(wǎng)，《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)計規(guī)范》（TB 10088-2015）要求GGSN 宜進(jìn)行冗余組網(wǎng)，因此，更新改造后的GGSN 需依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采用冗余組網(wǎng)方案。

冗余的GGSN 采用熱備工作方式，2 套GGSN使用相同的邏輯地址、不同的物理地址，同時接入網(wǎng)絡(luò)，可采用兩種工作方式：在負(fù)荷分擔(dān)的工作方式下，2 套GGSN 配置相同的權(quán)重，均對外提供服務(wù)；在主/備工作方式下，可配置主用GGSN 的優(yōu)先級更高，負(fù)責(zé)承擔(dān)業(yè)務(wù)。2 套GGSN 間建立心跳以及數(shù)據(jù)備份通道，當(dāng)檢測到1 套GGSN 故障時，業(yè)務(wù)自動倒換至另1 套GGSN。

3 其他提高可靠性策略

1）同城異址部署

根據(jù)《鐵路通信網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)要求 第3 部分：鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）》（Q/CR 783.3-2022）提出路局集中設(shè)置的核心網(wǎng)設(shè)備宜同城異址部署的要求，核心網(wǎng)在改造過程中，在具備條件的情況下，需考慮將冗余的2 套核心網(wǎng)設(shè)備部署在同一城市不同站址的2 個機房，從集中維護(hù)力量的角度考慮，應(yīng)選擇路局所在地城市，具有外部冗余供電、承載網(wǎng)資源豐富的機房。

2）承載網(wǎng)通道冗余

核心網(wǎng)設(shè)備需要與局內(nèi)無線子系統(tǒng)、FAS、應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)，與其他局核心網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)，互聯(lián)通道由傳輸系統(tǒng)和鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)提供。為保障互聯(lián)網(wǎng)元之間的可靠連接，網(wǎng)元之間的互聯(lián)通道應(yīng)冗余考慮，并由不同的物理路由提供。

4 設(shè)備入網(wǎng)割接方案

每個路局的核心網(wǎng)設(shè)備（MSC、SGSN、GGSN）承擔(dān)了本局所有的GSM-R 業(yè)務(wù)，涉及的業(yè)務(wù)系統(tǒng)較多，新設(shè)核心網(wǎng)設(shè)備替換既有核心網(wǎng)設(shè)備的割接工作也非常關(guān)鍵且復(fù)雜，從時間上大概可分為入網(wǎng)調(diào)測、業(yè)務(wù)割接兩個階段進(jìn)行。

1）入網(wǎng)調(diào)測

入網(wǎng)測試即新設(shè)核心網(wǎng)設(shè)備利用新分配的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入GSM-R 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與其他相關(guān)核心網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)互通。在此階段，新設(shè)核心網(wǎng)設(shè)備不承擔(dān)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)，需要利用測試基站進(jìn)行各類業(yè)務(wù)測試，驗證設(shè)備功能和性能。

2）業(yè)務(wù)割接

待入網(wǎng)調(diào)測完成后，即可進(jìn)入業(yè)務(wù)割接階段。業(yè)務(wù)割接即為將既有設(shè)備業(yè)務(wù)逐步割接至新設(shè)設(shè)備的過程，主要是既有無線子系統(tǒng)接入新設(shè)核心網(wǎng)設(shè)備、新設(shè)核心網(wǎng)設(shè)備與相關(guān)通信系統(tǒng)、應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的互聯(lián)。為保障割接的安全可靠，盡量減少對業(yè)務(wù)運用的影響，業(yè)務(wù)割接[9]需要申請?zhí)齑包c，并分批次完成，可以分為各線無線子系統(tǒng)接入新設(shè)MSC、SGSN（包括MSC 與RBC、AN 等既有電路域應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的互聯(lián)），新設(shè)MSC 與FAS 互聯(lián)，新設(shè)MSC 與PSTN 互聯(lián)，GGSN 與分組域應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)等幾部分逐一割接[10]。新舊核心網(wǎng)在網(wǎng)內(nèi)并存過渡的時間較長，待所有業(yè)務(wù)割接完成，既有核心網(wǎng)設(shè)備即可退網(wǎng)。

5 結(jié)論與建議

鐵路GSM-R 核心網(wǎng)在十余年的發(fā)展過程中，積累了豐富的運營維護(hù)經(jīng)驗，因此對核心網(wǎng)改造的需求更加明確，思路更加清晰，進(jìn)行優(yōu)化完善后，形成一個互聯(lián)互通、安全可靠的GSM-R 核心網(wǎng)絡(luò)，能夠更好地滿足鐵路運輸生產(chǎn)指揮的需求，進(jìn)一步為鐵路下一代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。