基于數(shù)字集群通信系統(tǒng)的容災(zāi)互聯(lián)方案設(shè)計(jì)

宣晶 李鵬 呂桐

摘要：針對(duì)軌道交通行業(yè)，對(duì)無(wú)線數(shù)字集群通信系統(tǒng)的部署方式和建設(shè)模式進(jìn)行了研究探討，闡述不同建設(shè)模式下的無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)和通信方式的特點(diǎn)。在面對(duì)軌道交通行業(yè)中無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)中存在的基礎(chǔ)設(shè)施分散、網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)、系統(tǒng)安全不高等多種問(wèn)題，提出了容災(zāi)互聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，描述了多種容災(zāi)互聯(lián)部署的應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)核心網(wǎng)容災(zāi)備份，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，擴(kuò)展支持核心網(wǎng)層的互聯(lián)互通。

關(guān)鍵詞：軌道交通；數(shù)字集群通信系統(tǒng)；容災(zāi)；互聯(lián)互通

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）09-56-4

基于數(shù)字集群的無(wú)線通信系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于地鐵、應(yīng)急、政府和公安等行業(yè)，特別是在城市軌道交通領(lǐng)域，無(wú)線數(shù)字集群通信系統(tǒng)作為地鐵列車調(diào)度的重要通信系統(tǒng)，提供列車調(diào)度通信，是確保行車安全和處理應(yīng)用應(yīng)急突發(fā)事件的必要手段[3]。

傳統(tǒng)的城市軌道交通線路都是單線運(yùn)營(yíng)，相互獨(dú)立。各線路之間數(shù)字集群通信系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，限制了地鐵互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)化共線、跨線運(yùn)營(yíng)的發(fā)展。無(wú)線數(shù)字集群通信系統(tǒng)作為專用通信系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)可靠性要求較高，此系統(tǒng)的不間斷工作將是確保城市軌道交通安全的重要一環(huán)。

在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的趨勢(shì)下，本文以優(yōu)化軌道交通通信方式提高軌道交通無(wú)線通信效率、增強(qiáng)無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性為目標(biāo)，提出了基于數(shù)字集群通信系統(tǒng)的容災(zāi)互聯(lián)設(shè)計(jì)方案。

近年來(lái)我國(guó)城市軌道交通進(jìn)入建設(shè)高潮，軌道交通占城市出行方式的比重越來(lái)越高，軌道線路的大量開通運(yùn)營(yíng)也驅(qū)動(dòng)了軌道交通相關(guān)專業(yè)的技術(shù)發(fā)展，其中無(wú)線通信系統(tǒng)的建設(shè)模式也呈現(xiàn)多元化和多樣化，不再局限于單一功能，更多趨向于安全、便捷、高效方向[6]。

常見的無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)模式包括單核心網(wǎng)主備部署模式、雙核心網(wǎng)異地容災(zāi)部署模式、雙核心網(wǎng)互聯(lián)互通部署模式和多核心網(wǎng)互聯(lián)互通部署模式。單核心網(wǎng)主備部署模式如圖1所示，部署一套獨(dú)立的核心網(wǎng)，核心網(wǎng)以主備架熱備方式運(yùn)行，主備架之間業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)同步，主備架切換時(shí)業(yè)務(wù)不中斷。

雙核心網(wǎng)異地容災(zāi)部署模式如圖2所示，部署2套獨(dú)立的核心網(wǎng)，2個(gè)核心網(wǎng)采用異地容災(zāi)部署架構(gòu)（熱備）[2]，具備基本等同的業(yè)務(wù)處理能力并通過(guò)傳輸鏈路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙向同步，但當(dāng)前只有一個(gè)核心網(wǎng)對(duì)外提供業(yè)務(wù)。本地核心網(wǎng)支持熱備自動(dòng)故障倒換，異地核心網(wǎng)遠(yuǎn)程容災(zāi)支持手動(dòng)或自動(dòng)故障倒換，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性。

此模式引入仲裁機(jī)制，讓切換更安全。當(dāng)主用核心網(wǎng)發(fā)生故障而宕機(jī)時(shí)，可自動(dòng)或手動(dòng)執(zhí)行容災(zāi)切換機(jī)制，備用核心網(wǎng)切換為激活狀態(tài)，繼續(xù)對(duì)外提供服務(wù)。當(dāng)主用核心網(wǎng)出現(xiàn)業(yè)務(wù)中斷故障時(shí)，備用核心網(wǎng)可以在1 min內(nèi)將業(yè)務(wù)接管過(guò)來(lái)（理論上可以達(dá)到更短，但是為了防止因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)而導(dǎo)致的業(yè)務(wù)頻繁切換，此時(shí)間可以靈活調(diào)整）。

一主三備容災(zāi)部署模式如圖3所示，部署4套獨(dú)立核心網(wǎng)，采用一主三備架構(gòu)。此種應(yīng)用方式下，采用主+備+備+備的方式工作，同時(shí)只能有一個(gè)核心網(wǎng)設(shè)備在提供服務(wù)，當(dāng)某一個(gè)核心網(wǎng)設(shè)備故障時(shí)，多個(gè)核心網(wǎng)之間自動(dòng)完成主備裁決切換。線路側(cè)基站設(shè)備和調(diào)度臺(tái)、錄音等業(yè)務(wù)設(shè)備不用感知核心網(wǎng)切換的動(dòng)態(tài)，基站和調(diào)度無(wú)需具備容災(zāi)倒切能力，基站和調(diào)度只能接入當(dāng)前的主用核心網(wǎng)。

一主三備方式要求主用核心網(wǎng)和備用核心網(wǎng)保證高度的數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)零丟失，對(duì)于多套核心設(shè)備之間的傳輸鏈路以及傳輸穩(wěn)定性要求很高。4個(gè)核心網(wǎng)在邏輯上是對(duì)等的角色，核心網(wǎng)之間互聯(lián)互通，保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，其在主用核心網(wǎng)設(shè)備正常工作情況下，不會(huì)執(zhí)行主備切換的工作，只有在主用核心網(wǎng)設(shè)備故障時(shí)，才會(huì)重新裁決出新的核心網(wǎng)提供服務(wù)，并承擔(dān)主用工作角色。

雙核心網(wǎng)互聯(lián)互通部署模式如圖4所示，2個(gè)核心網(wǎng)采用互聯(lián)互通部署架構(gòu)，單核心網(wǎng)以主備架熱備方式運(yùn)行，主備架之間業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)同步，主備架切換時(shí)業(yè)務(wù)不中斷。

2個(gè)核心網(wǎng)之間提供互聯(lián)互通功能，實(shí)現(xiàn)跨核心網(wǎng)、跨線路全業(yè)務(wù)的系統(tǒng)級(jí)互聯(lián)互通[4]?？绾诵木W(wǎng)的互聯(lián)互通的呼叫延時(shí)在500 ms以內(nèi)[1]。

多核心網(wǎng)互聯(lián)互通部署模式如圖5所示，多個(gè)核心網(wǎng)采用互聯(lián)互通部署架構(gòu)，單核心網(wǎng)以主備架熱備方式運(yùn)行，主備架之間業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)同步，主備架切換時(shí)業(yè)務(wù)不中斷。

容災(zāi)互聯(lián)的系統(tǒng)部署架構(gòu)綜合了上述建設(shè)模式的特點(diǎn)，不僅進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，還擴(kuò)展支持跨系統(tǒng)的互聯(lián)互通功能。容災(zāi)互聯(lián)的部署架構(gòu)運(yùn)維管理相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠性更高，節(jié)省企業(yè)的成本和提升運(yùn)維效率，大幅提升設(shè)備的運(yùn)維可靠度和可用性。

2.1雙核心網(wǎng)容災(zāi)互聯(lián)

雙核心網(wǎng)容災(zāi)互聯(lián)部署模式如圖6所示。雙核心網(wǎng)容災(zāi)互聯(lián)由2套核心網(wǎng)組成，完成所有設(shè)備的接入，雙核心網(wǎng)提供容災(zāi)互聯(lián)功能。在2個(gè)核心網(wǎng)正常工作時(shí)，可以提供核心網(wǎng)下用戶之間的互聯(lián)互通功能；當(dāng)任何一個(gè)核心網(wǎng)故障時(shí)，另外一個(gè)核心網(wǎng)可以自動(dòng)接入故障核心網(wǎng)下的業(yè)務(wù)設(shè)備和基站設(shè)備，保證故障核心網(wǎng)下用戶的業(yè)務(wù)使用。

2個(gè)核心網(wǎng)都處于獨(dú)立工作狀態(tài)，每一個(gè)核心網(wǎng)下都存在單獨(dú)的調(diào)度臺(tái)、網(wǎng)管、錄音等業(yè)務(wù)設(shè)備以及線路側(cè)基站設(shè)備。2個(gè)核心網(wǎng)之間支持容災(zāi)倒切功能和互聯(lián)互通功能。

（1）核心網(wǎng)的處理機(jī)制

2個(gè)核心網(wǎng)保持不同業(yè)務(wù)獨(dú)立運(yùn)行（雙活），數(shù)據(jù)雙向同步，可快速構(gòu)建異地容災(zāi)系統(tǒng)?！半p活”核心網(wǎng)如果斷了任一個(gè)核心網(wǎng)，其業(yè)務(wù)可以快速切換到另外一個(gè)正在運(yùn)行的核心網(wǎng)。2個(gè)核心網(wǎng)互相為主備用角色，互為本異地角色，異地核心網(wǎng)遠(yuǎn)程容災(zāi)支持手動(dòng)或自動(dòng)故障倒換[5]。

（2）容災(zāi)冗余裁決機(jī)制

2個(gè)核心網(wǎng)分別獨(dú)立提供服務(wù)，對(duì)于不同線路側(cè)其主備用角色不同；當(dāng)主用核心網(wǎng)故障時(shí)，備用核心網(wǎng)可以支持手動(dòng)或自動(dòng)故障倒換，接管故障核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)。

核心網(wǎng)與核心網(wǎng)之間除了有主備用角色容災(zāi)冗余裁決機(jī)制，還支持互聯(lián)互通功能?；ヂ?lián)互通功能可以為2個(gè)核心網(wǎng)下的用戶提供互聯(lián)互通功能，可以實(shí)現(xiàn)跨核心網(wǎng)、跨線路的通話服務(wù)。

（3）業(yè)務(wù)設(shè)備調(diào)度臺(tái)、網(wǎng)管、錄音的處理機(jī)制

上層業(yè)務(wù)設(shè)備需要配置主備用核心網(wǎng)信息，保證首選接入主用核心網(wǎng)，并且同時(shí)需要與2個(gè)核心網(wǎng)保持網(wǎng)絡(luò)連接并會(huì)同時(shí)探測(cè)，但是只會(huì)向一個(gè)核心網(wǎng)保持業(yè)務(wù)連接，當(dāng)其檢測(cè)到主用交換中心異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)倒切到備用交換中心。

（4）線路側(cè)基站的處理機(jī)制

線路側(cè)的基站需要配置主備用核心網(wǎng)信息，保證同一線路的基站接入同一個(gè)核心網(wǎng)。線路側(cè)的基站會(huì)同時(shí)與2個(gè)核心網(wǎng)保持網(wǎng)絡(luò)連接并會(huì)同時(shí)探測(cè)，但是只會(huì)與一個(gè)核心網(wǎng)保持業(yè)務(wù)連接，當(dāng)其檢測(cè)到主用交換中心異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)倒切到備用交換中心。

此應(yīng)用場(chǎng)景最大程度上復(fù)用了另外一個(gè)核心網(wǎng)的功能，在不額外增加設(shè)備的前提下，能夠提供異地容災(zāi)倒切功能和跨系統(tǒng)的互聯(lián)互通功能。

2.2多核心網(wǎng)容災(zāi)互聯(lián)

由多套核心網(wǎng)組成，兩兩核心網(wǎng)采用異地容災(zāi)模式部署，為每一個(gè)核心網(wǎng)提供單獨(dú)的備用核心網(wǎng)，保證任一核心網(wǎng)故障后，還可以為故障核心網(wǎng)下業(yè)務(wù)設(shè)備和基站設(shè)備提供接入功能，并且在上述容災(zāi)基礎(chǔ)上對(duì)外提供互聯(lián)互通功能。

多核心網(wǎng)容災(zāi)互聯(lián)部署模式如圖7所示，此應(yīng)用場(chǎng)景在優(yōu)先保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，通過(guò)額外增加獨(dú)立的備用核心網(wǎng)設(shè)備，為每一個(gè)核心網(wǎng)提供容災(zāi)倒切功能。在提供容災(zāi)倒切能力，保證提升系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)上，為用戶提供跨核心網(wǎng)的互聯(lián)互通功能。

（1）核心網(wǎng)的處理機(jī)制

核心網(wǎng)的容災(zāi)機(jī)制和互聯(lián)機(jī)制進(jìn)行隔離，一條線路的2個(gè)核心網(wǎng)以主備容災(zāi)的模式運(yùn)行，同一時(shí)刻只有一個(gè)核心網(wǎng)對(duì)外提供業(yè)務(wù)，另外一個(gè)核心網(wǎng)以備用的工作模式運(yùn)行。處于激活狀態(tài)的核心網(wǎng)對(duì)外提供互聯(lián)互通功能，可以與其他線路的核心網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。

（2）業(yè)務(wù)設(shè)備調(diào)度臺(tái)、網(wǎng)管、錄音的處理機(jī)制

上層業(yè)務(wù)設(shè)備需要配置主備用核心網(wǎng)信息，保證首選接入主用核心網(wǎng)，并且同時(shí)需要與2個(gè)核心網(wǎng)保持網(wǎng)絡(luò)連接并會(huì)同時(shí)探測(cè)，但是只會(huì)與一個(gè)核心網(wǎng)保持業(yè)務(wù)連接，當(dāng)其檢測(cè)到主用交換中心異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)倒切到備用交換中心。

（3）線路側(cè)基站的處理機(jī)制

線路側(cè)的基站需要配置主備用核心網(wǎng)信息，保證同一線路的基站接入同一個(gè)核心網(wǎng)。線路側(cè)的基站會(huì)同時(shí)與2個(gè)核心網(wǎng)保持網(wǎng)絡(luò)連接并會(huì)同時(shí)探測(cè)，但是只會(huì)與一個(gè)核心網(wǎng)保持業(yè)務(wù)連接，當(dāng)其檢測(cè)到主用交換中心異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)倒切到備用交換中心。

雙核心網(wǎng)容災(zāi)互聯(lián)和多核心網(wǎng)容災(zāi)互聯(lián)的系統(tǒng)部署架構(gòu)，充分考慮了用戶在系統(tǒng)安全上的需求，設(shè)計(jì)了多種容災(zāi)部署方式，保證每一個(gè)主用核心網(wǎng)均包含另外一個(gè)核心網(wǎng)作為備份容災(zāi)使用，當(dāng)主用核心網(wǎng)出現(xiàn)故障后，備用核心網(wǎng)可以代替原主用核心網(wǎng)提供服務(wù)。同時(shí)又考慮到用戶對(duì)跨線線運(yùn)營(yíng)，線路間互聯(lián)互通的需求。在原容災(zāi)架構(gòu)上，擴(kuò)展支持系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，滿足業(yè)務(wù)多樣化需求。

城市軌道交通的建設(shè)以如火如荼的態(tài)勢(shì)迅猛發(fā)展，城市軌道交通的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，但是存在基礎(chǔ)設(shè)施分散、網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)、系統(tǒng)安全沒(méi)有強(qiáng)有力的保障、運(yùn)維管理復(fù)雜等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，提出容災(zāi)互聯(lián)的數(shù)字集群系統(tǒng)部署方案，本方案有更多的可拓展性，能為客戶提供安全、可靠、便捷的無(wú)線通信。

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