■ 許深興

GSM-R系統(tǒng)BSC安全冗余方案探討

■ 許深興

通過分析GSM-R網(wǎng)絡(luò)BSC的設(shè)置現(xiàn)狀，提出改善BSC安全性的方案，比較方案，對提高GSM-R網(wǎng)絡(luò)的安全性有一定的意義。

GSM-R；基站控制器；設(shè)備冗余；安全性

近年來，隨著我國鐵路客運(yùn)專線、城際鐵路的建設(shè)與運(yùn)營及既有線電氣化改造的實(shí)施，鐵路專用移動通信網(wǎng)絡(luò)GSM-R的大規(guī)模建設(shè)與運(yùn)用，GSM-R網(wǎng)絡(luò)為鐵路運(yùn)行維護(hù)提供的業(yè)務(wù)越來越多，影響也越來越大。特別是采用CTCS-3級列控系統(tǒng)（簡稱C3）的線路及客貨混跑線路的GSM-R系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可維護(hù)性與穩(wěn)定性將直接影響鐵路運(yùn)營效率。保障GSM-R網(wǎng)絡(luò)的安全性是維護(hù)人員重點(diǎn)關(guān)注和研究的方向。

圖1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

圖2 C3線路的無線覆蓋

1 基站控制器的設(shè)置及存在的問題

1.1基站控制器的設(shè)置現(xiàn)狀

目前我國各鐵路線路的GSM-R系統(tǒng)均通過沿線設(shè)置基站（BTS）滿足無線覆蓋要求。各個基站通過基站控制器（BSC）、碼型轉(zhuǎn)換和速率適配單元（TRAU）接入移動交換中心（MSC）；分組域業(yè)務(wù)通過BSC接入GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）（見圖1）。

每條線路各個基站所接的BSC都是單個設(shè)置，該BSC管轄著整條或某段線路的基站（線路過長基站數(shù)量過多時，可設(shè)置2個或多個BSC分段控制以解決設(shè)備接入能力問題，但各個基站只接入一個BSC）。

1.1.1對C3線路的覆蓋

目前我國C3線路的GSM-R無線子系統(tǒng)均采用單網(wǎng)深度交織冗余覆蓋（見圖2），通過奇偶基站形成小區(qū)重疊覆蓋（Loop1和Loop2）。深度交織冗余從網(wǎng)絡(luò)層面實(shí)現(xiàn)了很好的網(wǎng)絡(luò)安全性。單個基站發(fā)生故障仍能滿足覆蓋要求。但控制該線路或該區(qū)段內(nèi)的所有基站工作的BSC僅有一個。

1.1.2對非C3線路的覆蓋

采用普通單網(wǎng)覆蓋，網(wǎng)絡(luò)無冗余設(shè)置。所有基站通過1個基站環(huán)（Loop）接入一個BSC（見圖3）。

1.2存在的問題

每條線路上的BSC等核心設(shè)備都是單套配置，從網(wǎng)絡(luò)層面來看是單設(shè)備工作。盡管BSC的核心控制板件都采用了1+1的熱備機(jī)制，但在各條線路中的單套BSC運(yùn)行對維護(hù)工作仍然帶來壓力，存在著一定的安全隱患。

1.2.1BSC缺乏冗余備份

一旦BSC出現(xiàn)故障，其下掛的所有基站將不能提供服務(wù)，線路將沒有無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。不能提供相應(yīng)的GSM-R通信業(yè)務(wù)將直接影響行車。

1.2.2BSC接入基站過多

部分BSC接入的基站設(shè)備數(shù)量多，已接近BSC允許最大容量的95%以上，加大了信令和話務(wù)處理量，加重了BSC的負(fù)荷。BSC出現(xiàn)故障時，影響范圍也大。

1.2.3BSC的維護(hù)難度大

各線BSC一般布置在鐵路沿線附近的大中城市甚至中小城市，遠(yuǎn)離GSM-R系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行維護(hù)人員技術(shù)力量相對較弱，設(shè)備的備品備件配備不足等，發(fā)生故障時處理時間較長。

所以從GSM-R系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)角度探討與實(shí)現(xiàn)BSC的冗余備份，避免GSM-R系統(tǒng)中BSC單節(jié)點(diǎn)故障對系統(tǒng)的可用性及承載業(yè)務(wù)的影響至關(guān)重要勢在必行。

圖3 非C3線路的無線覆蓋

2 基站控制器的安全冗余方案

2.1BSC熱備份冗余方案

2.1.1BSC雙網(wǎng)熱備份方案

利用單網(wǎng)冗余交織覆蓋的特點(diǎn)，將原方案中接入同一個BSC的奇數(shù)位基站與偶數(shù)位基站分別接入不同的BSC，將單網(wǎng)冗余覆蓋優(yōu)化為雙網(wǎng)覆蓋。雙BSC工作可起到冗余保護(hù)作用，增強(qiáng)了BSC的安全性（見圖4）。

2.1.2方案特點(diǎn)

整條線路的無線子系統(tǒng)由2套BSC與相互交織覆蓋的基站環(huán)組成，無線子系統(tǒng)BSC或BTS設(shè)備單節(jié)點(diǎn)故障對業(yè)務(wù)層面沒有影響（見圖5）。

圖4 雙網(wǎng)冗余覆蓋方式

圖5 雙網(wǎng)冗余覆蓋的特點(diǎn)

2.1.3方案的進(jìn)一步優(yōu)化

由于線路上的無線覆蓋是雙網(wǎng)冗余交織，終端運(yùn)行時將頻繁發(fā)生小區(qū)切換，小區(qū)切換將由原來的Intra-BSC（BSC內(nèi)）的切換變?yōu)镮nter-BSC（BSC間）的切換，這將大量增加Asub與A接口的CCS7信令負(fù)荷。

為了降低網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)層面比較敏感的Inter-BSC切換的發(fā)生，同時從網(wǎng)絡(luò)層面實(shí)現(xiàn)GSM-R無線子系統(tǒng)設(shè)備BSC與BTS冗余備份，可以通過無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)分層的相關(guān)設(shè)定將2層網(wǎng)絡(luò)分成上下行網(wǎng)絡(luò)（見圖6）。

進(jìn)一步優(yōu)化后的特點(diǎn)如下：

上行與下行的列車由不同的GSM-R無線子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)A或B來提供無線覆蓋，正常情況下的切換基本上都是intra-BSC切換，由于切換發(fā)生的間距比單網(wǎng)深度冗余交織大，所以切換的次數(shù)比單網(wǎng)交織冗余的切換次數(shù)少；任一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如BSC或BTS故障，另一網(wǎng)絡(luò)基站將會彌補(bǔ)原故障設(shè)備所覆蓋區(qū)域（見圖7、圖8）；對每個列車終端來說，都是單網(wǎng)提供服務(wù)，正常情況下每套基站比單網(wǎng)深度交織冗余方式的基站提供服務(wù)區(qū)域大，小區(qū)邊緣場強(qiáng)有所下降，對網(wǎng)內(nèi)外的干擾容忍度會有所下降；通過無線參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整來實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的分層，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方式相對較復(fù)雜。

圖6 上下行網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式

圖7 單BTS故障時的冗余覆蓋

圖8 單BSC故障時的冗余覆蓋

2.1.4方案的實(shí)施條件

該方案適用于采用單網(wǎng)交織覆蓋方式的C3線路；非C3線路上的GSM-R系統(tǒng)一般采用普通單網(wǎng)覆蓋方式，無雙基站環(huán)保護(hù)的組網(wǎng)方式，所以不適合采用BSC熱備份方案；對投入運(yùn)營后的C3線路實(shí)現(xiàn)BSC熱備份冗余方案調(diào)整的數(shù)據(jù)量、影響面較大，需慎重考慮該方案。

2.2BSC冷備份冗余方案

2.2.1BSC的1+1冷備份方案

每個主用BSC配置1個備用BSC，通過傳輸系統(tǒng)進(jìn)行連接。當(dāng)主用BSC發(fā)生故障時，備用BSC轉(zhuǎn)為主用，在較短時間內(nèi)恢復(fù)業(yè)務(wù)（見圖9）。

方案特點(diǎn)：投資大，實(shí)用性不強(qiáng)，需預(yù)先制作好ADM與ADM2將時隙交叉連接腳本，倒接時運(yùn)行該腳本。

2.2.2BSC的N+1冷備份方案

在鐵路局管內(nèi)新增1臺BSC，借助于傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)BSC的N+1的冷備份。具體為：在GSM-R核心網(wǎng)機(jī)房或附近機(jī)房新建一套BSC，作為鐵路局管轄范圍內(nèi)所有BSC的冷備份。當(dāng)鐵路局管內(nèi)某一臺BSC出現(xiàn)故障時，該BSC轉(zhuǎn)為主用BSC代替故障BSC的業(yè)務(wù)，保證業(yè)務(wù)不中斷（見圖10）。

2.2.3N+1冷備份方案的實(shí)施條件

備用BSC的硬件配置不小于現(xiàn)網(wǎng)配置最大的BSC的配置，且需支持不同軟件版本的BTS；備用BSC采用的軟件版本與現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的BSC軟件版本一致；需定期對現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行BSC數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份更新；該備份方案為借助于傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的冷備份，需預(yù)先制作各線路相關(guān)傳輸網(wǎng)元時隙交叉連接腳本；BSC主備用間的切換可以在切換需求確定后，通過手工或腳本文件來完成，在較短的時間內(nèi)恢復(fù)業(yè)務(wù)。

圖9 BSC的1+1冷備份

圖10 BSC的N+1冷備份方案

2.2.4N+1冷備份方案的特點(diǎn)

方案不影響已經(jīng)投入運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過相關(guān)節(jié)點(diǎn)的傳輸系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)；采用N+1備份方案，主要在BSC發(fā)生嚴(yán)重故障短時間無法恢復(fù)業(yè)務(wù)的特殊場景，以提高備份方案的性價比；該方案中的備用BSC接入測試BTS后，正常情況下可用作本地進(jìn)行各種測試、運(yùn)行維護(hù)培訓(xùn)等。

2.2.5N+1冷備份方案實(shí)施操作流程

準(zhǔn)備好各主用與備用側(cè)相關(guān)傳輸網(wǎng)元的數(shù)據(jù)更改腳本文件；定期更新備用BSC上各個主用BSC的數(shù)據(jù)庫；某個BSC故障，在主用與備用側(cè)傳輸網(wǎng)元運(yùn)行相應(yīng)的腳本文件；在備用BSC上修改相應(yīng)的BSC備用數(shù)據(jù)庫屬性并Load該數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)主備轉(zhuǎn)換。

2.3各方案比較

2.3.1適用范圍

熱備份方案適用于雙基站環(huán)組網(wǎng)方式的交織覆蓋線路，冷備份方案適用于所有線路。

2.3.2安全性

2種方案都實(shí)現(xiàn)BSC的安全冗余。當(dāng)某一BSC故障不能提供服務(wù)時，熱備份方案能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的不中斷，而冷備份方案在業(yè)務(wù)中斷后，需通過運(yùn)行腳本和數(shù)據(jù)庫，將冷備份的BSC轉(zhuǎn)為主用使業(yè)務(wù)恢復(fù)。

2.3.3實(shí)施的可行性

熱備份方案較為復(fù)雜，需對整個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋進(jìn)行重新設(shè)計。按上下行網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式實(shí)施，需要對BSC和MSC修改大量的數(shù)據(jù)，調(diào)整后也需要做相應(yīng)測試，實(shí)施難度較大；冷備份方式實(shí)施相對容易，新建一套備用的BSC對現(xiàn)網(wǎng)影響不大，但需基于傳輸網(wǎng)承載方式，對傳輸有一定的要求。

3 結(jié)束語

GSM-R系統(tǒng)BSC安全冗余方案的實(shí)現(xiàn)將大大提高GSM-R系統(tǒng)的安全性，維護(hù)人員可以根據(jù)鐵路局管內(nèi)的BSC配置現(xiàn)狀，結(jié)合不同線路的業(yè)務(wù)負(fù)荷及運(yùn)營特點(diǎn)統(tǒng)籌規(guī)劃，采用不同的冗余方案以提高GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全，使網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定。

許深興：廣州鐵路（集團(tuán)）公司電務(wù)處，副科長，廣東廣州，510088

責(zé)任編輯陳曉云

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