構(gòu)建新一代GSM-R核心網(wǎng)絡(luò)

■ 余濤

1 概述

GSM-R核心網(wǎng)絡(luò)承載了全部鐵路無線通信業(yè)務(wù)，構(gòu)建一個安全可靠和高性能的核心網(wǎng)是保證鐵路運(yùn)輸安全的重要條件。在歐洲，以控制與承載分離的核心網(wǎng)（BICN）技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代GSM-R核心網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始替代傳統(tǒng)的電路交換節(jié)點(diǎn)，逐步投入商用。2009年歐洲鐵路打通了第一個基于BICN核心網(wǎng)絡(luò)的GSM-R電話；2010年奧地利鐵路建成了全球第一個以BICN為基礎(chǔ)的全I(xiàn)P核心網(wǎng)絡(luò)；2011年7月，德國鐵路公司決定將原有的7臺移動交換機(jī)（M SC），2臺歸屬位置寄存器（HLR），2臺智能業(yè)務(wù)控制節(jié)點(diǎn)（SCP）升級為BICN核心網(wǎng)絡(luò)。歐洲鐵路不但擁有高性能、低能耗的交換平臺，并且正在采用新一代核心網(wǎng)絡(luò)的冗余技術(shù)，大大減少系統(tǒng)不可用時間，進(jìn)一步加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)整體抵抗災(zāi)害的能力。

目前，我國GSM-R交換節(jié)點(diǎn)設(shè)置在每個鐵路局所在地，每個節(jié)點(diǎn)設(shè)置1臺M SC處理電路交換業(yè)務(wù)，設(shè)置1臺SGSN和1臺GGSN處理分組交換業(yè)務(wù)，設(shè)置核心網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管服務(wù)器管理電路域和分組域設(shè)備。北京、武漢、西安3個節(jié)點(diǎn)為匯接局全網(wǎng)采用一對HLR，分別設(shè)置在北京和武漢，HLR之間采用1+1熱備份。全網(wǎng)采用一對SCP，處理智能網(wǎng)業(yè)務(wù)，分別設(shè)置在北京和武漢，SCP之間采用1+1熱備份。

原有核心網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃受到電路交換技術(shù)的限制，基本上沒有考慮交換節(jié)點(diǎn)的冗余備份，隨著GSM-R覆蓋鐵路里程的增加，單個交換節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)生故障，將會導(dǎo)致本鐵路局所有線路的GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)退出服務(wù)，本鐵路局運(yùn)輸行車將受到影響。目前的網(wǎng)絡(luò)中既包含電路交換節(jié)點(diǎn)，也包含BICN交換節(jié)點(diǎn)，而規(guī)劃仍然停留在電路交換技術(shù)，因此規(guī)劃已經(jīng)滯后于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)步伐。

2 BICN的優(yōu)點(diǎn)

BICN結(jié)構(gòu)最早在3GPP R4規(guī)范中定義，把處理承載功能的媒體網(wǎng)關(guān)（M GW）和處理呼叫控制功能的呼叫服務(wù)器（Call Server）分開，并將話音核心網(wǎng)絡(luò)從電路交換演進(jìn)成分組交換；可看作將時分多路復(fù)用（TDM）電路交換節(jié)點(diǎn)分成Call ServerM SC Server和MGW兩部分，可將兩部分同址部署，也可在控制中心部署Call Server，將MGW分散到遠(yuǎn)端，圖1給出BICN分離式結(jié)構(gòu)。以BICN技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代交換平臺具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）更高的可靠性。采用新型先進(jìn)的電信計算平臺（ATCA）硬件，除了具備強(qiáng)大的交換能力和99.999％的可用性，還支持地理冗余配置，大大提高冗災(zāi)能力。

（2）增加新功能。以往固化在TDM交換結(jié)構(gòu)中的功能通過新的軟件在媒體網(wǎng)關(guān)中實現(xiàn)，客戶可以通過配置工具在媒體網(wǎng)關(guān)中靈活配置新功能，如與會議電話相關(guān)配置：擴(kuò)展調(diào)度員數(shù)量、抑制DTMF tone、強(qiáng)拆會議電話端口。這些功能在TDM交換機(jī)中是不能配置的。

（3）更長的生命周期。TDM交換技術(shù)從1990年開始使用，目前正在被BICN技術(shù)全面替換。由于整個工業(yè)組織都轉(zhuǎn)向BICN，在TDM平臺上開發(fā)新功能將更加困難和昂貴。鐵路建設(shè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)的周期較長，要求網(wǎng)絡(luò)生命周期也相對較長，現(xiàn)在開始技術(shù)更新可以避免將來昂貴的網(wǎng)絡(luò)升級。

（4）更低的成本。分散的扁平分組網(wǎng)絡(luò)對比TDM網(wǎng)絡(luò)，需要更少的設(shè)備；分組網(wǎng)絡(luò)更高效利用帶寬資源；通過在媒體網(wǎng)關(guān)的本地交換節(jié)省了從基站控制器（BSC）到TDM交換機(jī)的傳輸資源；設(shè)備體積更小，耗電更少；網(wǎng)絡(luò)簡化，一張分組網(wǎng)絡(luò)承載所有業(yè)務(wù)。

3 BICN帶來的新型冗余備份方案

GSM-R整體網(wǎng)絡(luò)的可用性直接影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托?，我國鐵路現(xiàn)有的GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，已經(jīng)要求設(shè)計方案采用多項冗余備份技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層面要求節(jié)點(diǎn)內(nèi)部關(guān)鍵模塊冗余備份；終端層面要求車載和手持電臺采用備份模式，并具備更換機(jī)制；射頻覆蓋層面要求采用冗余覆蓋，如深度冗余覆蓋方式；傳輸層面要求在同步數(shù)字體系（SDH）環(huán)形保護(hù)基礎(chǔ)上，在BSC與基站收發(fā)信臺（BTS）間采用環(huán)形連接；用戶數(shù)據(jù)管理層面采用HLR 1+1備份和SCP 1+1備份，在北京和武漢形成異地冗余。以上冗余保護(hù)技術(shù)雖然很豐富，但沒有考慮交換節(jié)點(diǎn)的冗余備份。這是因為以TDM技術(shù)為基礎(chǔ)的GSM R99規(guī)范要求一個BSC只能連接到一個交換節(jié)點(diǎn)，BSC與交換節(jié)點(diǎn)之間的A接口沒有很好的備份方式，一旦交換節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，該BSC將丟失業(yè)務(wù)。BICN分離式結(jié)構(gòu)帶來更多的靈活性，A接口的連接關(guān)系也實現(xiàn)了突破，廠家也可以在分離式結(jié)構(gòu)中提出新的冗余備份方案。

3.1 BSC雙址歸屬

此方案基于一個BSC歸屬于一個交換節(jié)點(diǎn)，由于采用分離式結(jié)構(gòu)，BSC和M GW的連接方式可以更加靈活。一個BSC可以分別連接到2臺放置在不同地理位置的MGW，邏輯上，這2臺MGW相關(guān)模塊可以配置成一個MGW。如圖2所示，每一臺BSC通過2臺交叉復(fù)用設(shè)備M UX連接到部署在2個地理位置的MGW 1和MGW 2上，雖然位于不同地理位置，但可以將M GW 1和M GW 2中的模塊在邏輯上配置成一個M GW，對于BSC而言，邏輯上還是連接到一個M GW上。這種方案保護(hù)了A接口的鏈路，同時抵御單個MGW故障導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷。

當(dāng)M GW 1或M GW 2中任何一個故障時，BSC將全部控制消息和承載數(shù)據(jù)路由到存活的M GW上，核心網(wǎng)絡(luò)完好無損。將這個功能定義為BSC雙址歸屬。

3.2 Flex網(wǎng)絡(luò)配置

基于3GPP規(guī)范TR23.236，BSC不在只受單一的移動業(yè)務(wù)交換中心（M SC）或業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）控制，一個BSC可以連接到多個M SC或SGSN，可以同時保持多個關(guān)聯(lián)到多個M SC，并工作在負(fù)荷分擔(dān)模式。當(dāng)BSC至M SC連接故障或某個M SC故障，BSC可以使用剩余的鏈路找尋存活的M SC，業(yè)務(wù)不受影響。

被劃分在CS poo l area 1的無線接入節(jié)點(diǎn)受M SC1，M SC2，M SC3 3臺交換機(jī)控制，業(yè)務(wù)負(fù)荷分擔(dān)；被劃分在PS poo l area 1的無線接入節(jié)點(diǎn)受SGSN1，SGSN2控制，業(yè)務(wù)負(fù)荷分擔(dān)。

這種方案可以實現(xiàn)核心網(wǎng)的自動冗災(zāi)恢復(fù)。目前該方案在規(guī)范中沒有定義組呼管理部分，BSC至M SC這種靈活關(guān)聯(lián)要求動態(tài)定義跨M SC的組呼區(qū)域，工業(yè)組織正在完善有關(guān)組呼功能的標(biāo)準(zhǔn)，一旦標(biāo)準(zhǔn)制定完成，“Flex網(wǎng)絡(luò)配置”將是最佳的冗災(zāi)備份方案。歐洲主要的鐵路公司已經(jīng)選定這種核心網(wǎng)備份方案，要求在中長期支持組呼功能，在短期內(nèi)可以接受組呼受限的情況。

3.3 雙激活備份

短期內(nèi)可以實現(xiàn)的核心網(wǎng)備份方案。2套M S C Se rve r+MGW都處于激活狀態(tài)，分別承載業(yè)務(wù)，當(dāng)一套M SC Server+MGW故障時，可采用人工或自動方式將它控制的BSC業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)接到另一套M SC Se rver+MGW上。這種方案可以保證一半的業(yè)務(wù)不受災(zāi)害影響。對比冷備份方式，備用設(shè)備不需要進(jìn)行健康檢查，隨時可以接受新增加的業(yè)務(wù)。

4 從TDM向BICN的演進(jìn)策略

我國鐵路已經(jīng)建成的交換節(jié)點(diǎn)升級為B ICN交換節(jié)點(diǎn)需要制定詳盡穩(wěn)妥的演進(jìn)策略，盡可能減少對現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)輸業(yè)務(wù)的影響。基本原則包括：將整個升級過程分成幾個獨(dú)立的功能升級階段，每個階段明確升級主題，如HLR升級，避免交叉升級造成混亂；為了維持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，每個升級階段應(yīng)該考慮在升級過程中出現(xiàn)重大問題時，可以退回到原有狀態(tài)或原有系統(tǒng)；要考慮與GSM-R系統(tǒng)相連接的其他系統(tǒng)在升級過程中進(jìn)行必要的配合和調(diào)整，來保證通信功能不受影響；升級過程應(yīng)符合鐵路管理規(guī)范和流程。

具體升級過程可以分為幾個獨(dú)立的功能升級階段，按照次序為：引入新的BICN平臺，割接智能網(wǎng)系統(tǒng)，割接HLR，割接MSC以及相關(guān)聯(lián)的鐵路應(yīng)用系統(tǒng)。

5 結(jié)論與展望

BICN的引入帶來新的網(wǎng)絡(luò)冗余方案，鐵路客戶有條件加強(qiáng)對A接口的保護(hù)，實現(xiàn)交換節(jié)點(diǎn)的備份，并且可以調(diào)整以TDM交換為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，提高網(wǎng)絡(luò)整體可靠性，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低運(yùn)行成本。具體規(guī)劃中需要考慮以下方面：全網(wǎng)MSC Server和MGW的數(shù)量及選址原則、MSC Server備份方式、是否允許MSC Server跨鐵路局控制BSC、MGW備份方式、A接口保護(hù)方式、SGSN備份方式的選擇等、全網(wǎng)SCP和HLR的數(shù)量調(diào)整、網(wǎng)管服務(wù)器的數(shù)量和管理覆蓋范圍的確定、如何調(diào)整全網(wǎng)傳輸層面來支持BICN全分組交換網(wǎng)絡(luò)、如何調(diào)整網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維體制以適應(yīng)新的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)。