太原鐵路局GSM-R軟交換升級改造

■ 趙爽

GSM-R是專門為鐵路通信設(shè)計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)，起步于GSM，一方面保持了GSM原有的業(yè)務(wù)，另一方面增加了鐵路的特定應(yīng)用，并以此作為信息化平臺，使鐵路用戶可以在此信息平臺上開發(fā)各種鐵路應(yīng)用。鐵路運(yùn)輸?shù)奶厥庑砸驡SM-R系統(tǒng)側(cè)重于系統(tǒng)的安全性、有效性、可靠性和可維護(hù)性。我國鐵路GSM-R的發(fā)展目標(biāo)是在全路建立一張移動通信網(wǎng)絡(luò)，利用通信手段實(shí)現(xiàn)鐵路移動設(shè)施和固定設(shè)施連接，確保列車安全運(yùn)行。太原鐵路局GSM-R網(wǎng)絡(luò)建于2005年，經(jīng)過5年多的運(yùn)行，由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增大逐漸顯現(xiàn)出一些問題，考慮與全路GSM-R大網(wǎng)的鏈接，必須對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。

1 太原鐵路局GSM-R網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

太原鐵路局GSM-R網(wǎng)絡(luò)于2006年3月正式投入商用。建設(shè)初期主要為大秦線運(yùn)煤專線鐵路提供移動無線通信網(wǎng)絡(luò)，是我國第一條建成并投入使用的GSM-R系統(tǒng)的鐵路。大秦線首次將歐洲GSM-R通信技術(shù)和美國機(jī)車同步操控技術(shù)（LOCOTROL）融合在一起，實(shí)現(xiàn)多機(jī)車間同步啟動、同步加速、同步減速、同步制動，使單列列車牽引輛數(shù)從50余輛增加到200余輛，列車全長2.7 km，牽引質(zhì)量2.1萬t，大大提高了運(yùn)輸能力。

大秦線GSM-R系統(tǒng)由GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換基站、傳輸系統(tǒng)等）和FAS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、固定終端設(shè)備（調(diào)度臺、車站臺）、移動終端設(shè)備（機(jī)車綜合通信設(shè)備、列尾設(shè)備、手持臺）等組成（見圖1），全球范圍內(nèi)首次利用GSM-R系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多機(jī)車同步控制，率先使用GPRS分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺，可以提供車次號、列車停穩(wěn)信息傳輸、調(diào)度命令、列車進(jìn)站預(yù)告信息傳輸?shù)辱F路運(yùn)輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

GSM-R核心網(wǎng)由1套MSC，1套HLR，1套SGSN，1套GGSN組成。M SC共配置了3個局向，分別承擔(dān)不同業(yè)務(wù)類型。GPRS網(wǎng)絡(luò)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺為CTC業(yè)務(wù)提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送通道，通過這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線車次號、列車停穩(wěn)信息傳輸、調(diào)度命令、列車進(jìn)站預(yù)告信息傳輸?shù)辱F路運(yùn)輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

無線網(wǎng)絡(luò)：大秦線采用同站址雙網(wǎng)覆蓋；北同蒲、云崗線及遷曹線采用單網(wǎng)交織覆蓋。現(xiàn)全網(wǎng)共設(shè)置了3套BSC，大秦線A網(wǎng)基站與云崗線基站接入BSC1，大秦線B網(wǎng)基站與北同蒲線基站接入BSC2，遷曹縣基站接入BSC3。3套BSC接入1套PCU設(shè)備，由這1套PCU與核心網(wǎng)的SGSN相連完成分組域業(yè)務(wù)的交換（見圖2）。

圖1 大秦線GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

大秦線建設(shè)初期的設(shè)計運(yùn)量為2億t/年，而到2010年運(yùn)輸任務(wù)已達(dá)4億t/年，增加的運(yùn)量主要靠縮短發(fā)車時間間隔、增加發(fā)車密度實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量成倍增長，網(wǎng)絡(luò)話務(wù)量增多。在對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行分析的過程中，發(fā)現(xiàn)各無線小區(qū)不同程度出現(xiàn)掉話率增高、無線信道擁塞的現(xiàn)象，核心網(wǎng)系統(tǒng)接通率連續(xù)下降，直接影響機(jī)車同步操控技術(shù)業(yè)務(wù)，增加網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，給運(yùn)輸安全帶來隱患。通過對2008年7—12月與2009年7—12月間的系統(tǒng)接通率比較可知，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷已經(jīng)變得非常大，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量嚴(yán)重惡化，很難保證繼續(xù)增長的業(yè)務(wù)需求（見圖3）。太原鐵路局GSM-R實(shí)施核心網(wǎng)進(jìn)行升級改造顯得尤為重要。

2 核心網(wǎng)升級改造方案

在GSM-R系統(tǒng)中移動數(shù)字交換機(jī)（M SC）處于核心地位，其故障影響面最大，對其本身的可靠性、冗余度要求也最高，而既有的核心網(wǎng)全部為單套設(shè)置未建立冗余備份機(jī)制。因此，建立M SC網(wǎng)絡(luò)冗余備份機(jī)制是GSM-R網(wǎng)絡(luò)不中斷的必要保證，是提高運(yùn)輸效率，保證運(yùn)輸安全的必要手段。建立冗余備份機(jī)制，可以采用基于軟交換雙歸屬組網(wǎng)的方案增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性。雙歸屬是一種防止交換機(jī)癱瘓或出現(xiàn)突發(fā)災(zāi)害事故時能夠緊急提供通信的容災(zāi)機(jī)制，利用雙歸屬冗余備份機(jī)制在極端異常的情況發(fā)生時，提供迅速恢復(fù)設(shè)備通信能力。

隨著GSM-R技術(shù)的發(fā)展，M SC技術(shù)有了很大的進(jìn)步和發(fā)展，尤其是軟交換M SC在實(shí)時熱備份功能上取得了巨大的進(jìn)步。由于軟交換采用控制和承載分離的架構(gòu)，將M SC分離成具有控制功能的M SC Serve r和具有承載功能的M GW。M SC Se rve r負(fù)責(zé)完成所有信令和協(xié)議的處理，而MGW在M SC Server的控制下完成所有業(yè)務(wù)的接入和承載。承載和控制分離結(jié)構(gòu)使M SC雙歸屬技術(shù)與A接口M INI-Flex技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

M SC雙歸屬技術(shù)：每個M GW可歸屬于2個M SC Se rve r，當(dāng)任意一個M SC Se rve r故障，另一個M SC Serve r可以立刻接管MGW的控制權(quán)，完全承擔(dān)故障M SC Se rve r的業(yè)務(wù)，整個過程可在3 m in內(nèi)完成。雙歸屬技術(shù)有M SC Se rve r的1+1互助備份和N+1備份2種實(shí)現(xiàn)方式，保證任意MSC Server故障，不影響業(yè)務(wù)進(jìn)行。

A接口M INI-Flex技術(shù)：每個BSC接入到多個MGW，多個M GW是負(fù)荷分擔(dān)方式工作，相互備份，當(dāng)任何一個M GW故障，BSC可以通過另外的M GW開展業(yè)務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)能夠正常提供業(yè)務(wù)。軟交換M SC冗余備份機(jī)制見圖4。

圖2 現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備組網(wǎng)圖

圖3 2008年與2009年下半年同期系統(tǒng)接通率柱狀圖

圖4 軟交換MSC冗余備份機(jī)制

改造工程需要新建2套軟交換核心網(wǎng)設(shè)備（2套M SC Se rve r，2套MGW）、1套HLR設(shè)備（過渡期間使用，待完成太原鐵路局與北京鐵路局G網(wǎng)互聯(lián)及換卡工作結(jié)束后退網(wǎng)），替換現(xiàn)網(wǎng)使用的MSC，HLR設(shè)備。新建軟交換核心網(wǎng)采用雙歸屬組網(wǎng)，配置為冗余備份工作方式。為保證此次網(wǎng)絡(luò)改造實(shí)施后無線網(wǎng)絡(luò)能順利接入新建軟交換核心網(wǎng)，所以核心網(wǎng)的新建、無線網(wǎng)擴(kuò)容需要同步實(shí)施。

3 網(wǎng)絡(luò)改造中遇到的問題

網(wǎng)絡(luò)改造設(shè)計中充分考慮更多的重疊覆蓋，確保網(wǎng)絡(luò)安全可靠。而太原鐵路局原有GSM-R網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋采用同站址雙網(wǎng)，移動交換中心M SC為單套設(shè)置，留有安全隱患，網(wǎng)絡(luò)升級改造對核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用冗余備份的工作機(jī)制，共設(shè)置2套MSC Server，2套MGW。網(wǎng)絡(luò)新的規(guī)劃需要對既有的3套基站控制器BSC進(jìn)行調(diào)整，分別接入新建的2套MGW中。改造后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖5。

對于基站控制器BSC的調(diào)整，制定2套割接方案。第一種方案是從BTS與BSC間的Abis接口入手，涉及M SC的部分不影響現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行業(yè)務(wù)，可以在天窗點(diǎn)外完成核心網(wǎng)部分的數(shù)據(jù)制作等工作，但對于無線側(cè)割接Ab is接口直接影響每個基站，需要在天窗點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行倒接，并且在割接完成后需要有專人在基站現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行復(fù)位操作，即每個基站都需要有人盯控，而且存在基站設(shè)備復(fù)位失敗的風(fēng)險；第二種方案是從BSC與M SC間的A接口入手，割接工作完全在中心機(jī)房，這樣便于控制解決割接中可能出現(xiàn)的問題，割接時間可控。由于割接涉及BSC與M SC之間的對接，所以數(shù)據(jù)制作工作全部要在天窗點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行。經(jīng)過多次對比論證，最終選定第二套方案。經(jīng)過反復(fù)模擬實(shí)驗，優(yōu)化實(shí)施方案，將操作時間由原有的5 h縮短至3 h 50 m in。割接之前在核心網(wǎng)機(jī)房，以及沿線選取有代表性的站點(diǎn)設(shè)置測試人員，在天窗時間進(jìn)行割接操作，操作完成后馬上進(jìn)行各項業(yè)務(wù)測試，順利完成BSC的割接，最大限度減少對運(yùn)輸生產(chǎn)的影響。

圖5 核心網(wǎng)改造后結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

自2010年3月機(jī)房開始改造及設(shè)備安裝調(diào)試，軟交換核心網(wǎng)設(shè)備8月加電進(jìn)行模擬業(yè)務(wù)測試，模擬各種極端情況下設(shè)備的容災(zāi)機(jī)制是否能保障業(yè)務(wù)的使用，9月第三方測試公司對新建核心網(wǎng)進(jìn)行測試驗收，10月業(yè)務(wù)割接正式入網(wǎng)承擔(dān)業(yè)務(wù)，同時原有交換機(jī)退網(wǎng)。無線部分，重點(diǎn)對大秦線進(jìn)行基站加密補(bǔ)強(qiáng)，新建基站162個，現(xiàn)仍在對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整小區(qū)參數(shù)設(shè)置將網(wǎng)絡(luò)性能調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)。通過分析網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)，全網(wǎng)運(yùn)行良好，較網(wǎng)絡(luò)改造前有了大幅提高，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)主要為鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣直接影響運(yùn)輸安全，必須要確保網(wǎng)絡(luò)有效、安全、可靠。太原鐵路局GSM-R核心網(wǎng)改造是為了滿足太原鐵路局鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展。此次核心網(wǎng)升級是全國首次將在用的基于電路型的移動交換機(jī)升級為基于軟交換的雙歸屬系統(tǒng)，實(shí)施中解決問題的方法為其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)改造提供了借鑒。

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003

[2] 蔣笑冰，盧燕飛，吳昊. 現(xiàn)代鐵路通信新技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2006

[3] 北京全路通信信號研究院. 太原節(jié)點(diǎn)軟交換實(shí)施方案[R]，2010