■ 趙爽

GSM-R是專門為鐵路通信設計的綜合專用數(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，另一方面增加了鐵路的特定應用，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)各種鐵路應用。鐵路運輸?shù)奶厥庑砸驡SM-R系統(tǒng)側重于系統(tǒng)的安全性、有效性、可靠性和可維護性。我國鐵路GSM-R的發(fā)展目標是在全路建立一張移動通信網(wǎng)絡，利用通信手段實現(xiàn)鐵路移動設施和固定設施連接，確保列車安全運行。太原鐵路局GSM-R網(wǎng)絡建于2005年，經(jīng)過5年多的運行，由于網(wǎng)絡負荷增大逐漸顯現(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)絡進行改造。

1 太原鐵路局GSM-R網(wǎng)絡現(xiàn)狀

太原鐵路局GSM-R網(wǎng)絡于2006年3月正式投入商用。建設初期主要為大秦線運煤專線鐵路提供移動無線通信網(wǎng)絡，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通信技術和美國機車同步操控技術（LOCOTROL）融合在一起，實現(xiàn)多機車間同步啟動、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，大大提高了運輸能力。

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

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，分別承擔不同業(yè)務類型。GPRS網(wǎng)絡分組數(shù)據(jù)業(yè)務平臺為CTC業(yè)務提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務傳送通道，通過這套系統(tǒng)實現(xiàn)無線車次號、列車停穩(wěn)信息傳輸、調(diào)度命令、列車進站預告信息傳輸?shù)辱F路運輸數(shù)據(jù)業(yè)務。

無線網(wǎng)絡：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?，F(xiàn)全網(wǎng)共設置了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設備，由這1套PCU與核心網(wǎng)的SGSN相連完成分組域業(yè)務的交換（見圖2）。

圖1 大秦線GSM-R網(wǎng)絡結構圖

大秦線建設初期的設計運量為2億t/年，而到2010年運輸任務已達4億t/年，增加的運量主要靠縮短發(fā)車時間間隔、增加發(fā)車密度實現(xiàn)，導致網(wǎng)絡業(yè)務量成倍增長，網(wǎng)絡話務量增多。在對網(wǎng)絡運行指標進行分析的過程中，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，直接影響機車同步操控技術業(yè)務，增加網(wǎng)絡的不穩(wěn)定性，給運輸安全帶來隱患。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)絡負荷已經(jīng)變得非常大，網(wǎng)絡質(zhì)量嚴重惡化，很難保證繼續(xù)增長的業(yè)務需求（見圖3）。太原鐵路局GSM-R實施核心網(wǎng)進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（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)全部為單套設置未建立冗余備份機制。因此，建立M SC網(wǎng)絡冗余備份機制是GSM-R網(wǎng)絡不中斷的必要保證，是提高運輸效率，保證運輸安全的必要手段。建立冗余備份機制，可以采用基于軟交換雙歸屬組網(wǎng)的方案增強網(wǎng)絡安全性。雙歸屬是一種防止交換機癱瘓或出現(xiàn)突發(fā)災害事故時能夠緊急提供通信的容災機制，利用雙歸屬冗余備份機制在極端異常的情況發(fā)生時，提供迅速恢復設備通信能力。

隨著GSM-R技術的發(fā)展，M SC技術有了很大的進步和發(fā)展，尤其是軟交換M SC在實時熱備份功能上取得了巨大的進步。由于軟交換采用控制和承載分離的架構，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負責完成所有信令和協(xié)議的處理，而MGW在M SC Server的控制下完成所有業(yè)務的接入和承載。承載和控制分離結構使M SC雙歸屬技術與A接口M INI-Flex技術的實現(xiàn)成為可能。

M SC雙歸屬技術：每個M GW可歸屬于2個M SC Se rve r，當任意一個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，完全承擔故障M SC Se rve r的業(yè)務，整個過程可在3 m in內(nèi)完成。雙歸屬技術有M SC Se rve r的1+1互助備份和N+1備份2種實現(xiàn)方式，保證任意MSC Server故障，不影響業(yè)務進行。

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

圖2 現(xiàn)網(wǎng)設備組網(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冗余備份機制

改造工程需要新建2套軟交換核心網(wǎng)設備（2套M SC Se rve r，2套MGW）、1套HLR設備（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)及換卡工作結束后退網(wǎng)），替換現(xiàn)網(wǎng)使用的MSC，HLR設備。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)絡改造實施后無線網(wǎng)絡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)擴容需要同步實施。

3 網(wǎng)絡改造中遇到的問題

網(wǎng)絡改造設計中充分考慮更多的重疊覆蓋，確保網(wǎng)絡安全可靠。而太原鐵路局原有GSM-R網(wǎng)絡無線覆蓋采用同站址雙網(wǎng)，移動交換中心M SC為單套設置，留有安全隱患，網(wǎng)絡升級改造對核心網(wǎng)的網(wǎng)絡設備采用冗余備份的工作機制，共設置2套MSC Server，2套MGW。網(wǎng)絡新的規(guī)劃需要對既有的3套基站控制器BSC進行調(diào)整，分別接入新建的2套MGW中。改造后網(wǎng)絡結構見圖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)運行業(yè)務，可以在天窗點外完成核心網(wǎng)部分的數(shù)據(jù)制作等工作，但對于無線側割接Ab is接口直接影響每個基站，需要在天窗點內(nèi)進行倒接，并且在割接完成后需要有專人在基站現(xiàn)場對設備進行復位操作，即每個基站都需要有人盯控，而且存在基站設備復位失敗的風險；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內(nèi)進行。經(jīng)過多次對比論證，最終選定第二套方案。經(jīng)過反復模擬實驗，優(yōu)化實施方案，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)機房，以及沿線選取有代表性的站點設置測試人員，在天窗時間進行割接操作，操作完成后馬上進行各項業(yè)務測試，順利完成BSC的割接，最大限度減少對運輸生產(chǎn)的影響。

圖5 核心網(wǎng)改造后結構圖

4 結束語

自2010年3月機房開始改造及設備安裝調(diào)試，軟交換核心網(wǎng)設備8月加電進行模擬業(yè)務測試，模擬各種極端情況下設備的容災機制是否能保障業(yè)務的使用，9月第三方測試公司對新建核心網(wǎng)進行測試驗收，10月業(yè)務割接正式入網(wǎng)承擔業(yè)務，同時原有交換機退網(wǎng)。無線部分，重點對大秦線進行基站加密補強，新建基站162個，現(xiàn)仍在對網(wǎng)絡進行優(yōu)化，通過調(diào)整小區(qū)參數(shù)設置將網(wǎng)絡性能調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)。通過分析網(wǎng)絡運行指標，全網(wǎng)運行良好，較網(wǎng)絡改造前有了大幅提高，基本達到預期目標。

GSM-R網(wǎng)絡主要為鐵路運輸生產(chǎn)服務，網(wǎng)絡性能的優(yōu)劣直接影響運輸安全，必須要確保網(wǎng)絡有效、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升級為基于軟交換的雙歸屬系統(tǒng)，實施中解決問題的方法為其他節(jié)點的網(wǎng)絡改造提供了借鑒。

[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[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)點軟交換實施方案[R]，2010