GSM-R网络MSC及BSS容灾方案研究

刘立海

在GSM-R网络中，基站 (BTS)、基站控制器/分组控制单元 (BSC/PCU)与移动交换中心/GPRS业务支持节点 (MSC/SGSN)、归属位置寄存器 (HLR)等组成的网络为树形结构，每个BTS只能被1个BSC/PCU控制，每个BSC也只能被1个MSC控制。鉴于GSM-R网络提供业务的重要性及网络结构特点，我国GSM-R的核心网全路共用的设备，如HLR、业务控制节点 (SCP)等，均采用了异地冗余备份的容灾方案，保障网络安全，提高可靠性。

随着GSM-R网络规模的扩大，各铁路局以MSC/SGSN为中心的本地核心网正在逐步建成，网络互联和基站子系统 (BSS)的接入越来越频繁，中心网络发生故障的概率不可避免地增加。MSC在GSM-R本地网占核心地位，是实现语音调度通信和列控安全数据传输的关键设备。而BSS是直接为用户提供无线接入服务的设备，一套BSS覆盖的铁路长达300 km，BSC或BSC至MSC长途链路出现故障所造成的影响将十分重大。

GSM-R系统的主要设备和设施有GSM-R系统设备、配套传输、电力、机房、铁塔天线等，电力、机房故障超出通信专业范围不作讨论，铁塔天线等故障可通过无线冗余覆盖来解决。

本文仅讨论MSC和BSS故障影响和容灾手段，MSC冗余备份方案，以及BSS的冗余措施，说明冗余方案的实施和考虑因素。考虑到语音及电路域数据业务的重要性和MSC在网络中基础地位，只针对电路域移动交换系统，而不讨论通用分组无线业务 (GPRS)系统。

1 MSC和BSS故障影响及容灾措施

1.1 设备故障及影响

MSC故障，所有管辖范围内GSM-R语音或数据 (含电路域数据)将中断并失效，无线语音(含语音调度通信)业务和列控安全数据传输将无法实现，对行车影响极大，影响范围为一个路局。BSC故障一般影响1条或多条铁路，影响的业务和范围如表1所示。

表1 MSC及BSS设备故障影响的业务和范围

1.2 配套传输故障

引起配套传输故障可能有传输设备板卡、电源模块、光缆中断等原因，这里讨论所有传输链路不可用的情况。

1．MSC长途链路。核心网节点STP、TMSC、MSC间互联的传输链路可能会同时中断，我国19个核心网节点较为分散。核心网节点间或与北京、武汉核心网节点STP间的长途传输链路发生故障时所产生的影响，见表2。

表2 MSC长途传输链路故障影响

2．MSC与BSS及各网元间连接。包括MSC、TRAU、BSC、基站 (BTS)等设备间的传输链路。BTS和BSC之间的Abis连接可以有星型、环形和链型连接，实际应用中较少使用链型连接。传输故障影响见表3，传输中断时间长短不同对业务的影响也不一样。

表3 BSS传输链路故障的影响

1.3 容灾方案和冗余措施

为了提高网络的可靠性和可用性，保证业务的正常运行，GSM-R系统可以采取下列措施。

1．设备配置冗余。MSC及BSS的硬件系统采用单板和模块化设计，采取单板备份、负荷分担、冗余配置等可靠性方法避免单点故障，并通过优化单板和系统的故障检测隔离技术来提高系统的可维护性。对于网管服务器，采用硬盘镜像和数据备份，克服硬盘损坏;服务器配置多个CPU板，个别CPU异常不会对整个服务器带来致命损害。

2．设备整机同址和异地冗余备份。整机备份包括同址和异地冗余备份，由于MSC和BSS系统间是树形结构，需要考虑电路割接倒换或多连接问题，以及MSC之间的数据同步问题。

3．传输链路冗余。为避免因传输造成GSM-R系统故障，应充分利用SDH光传输系统的保护功能，同时在设计上考虑各种冗余手段和措施，如传输系统采用不同地理路径铺设的光纤组织自愈环网;传输系统设备核心板件 (如交叉、时钟、电源等)采用1+1配置，2 Mb/s业务接口板按1∶N保护配置;信令链路、长途业务中继链路，利用多条通道构成负荷分担方式，通道按复用段保护或通道保护方式配置，做到N+1或1+1冗余。

4．无线覆盖冗余。同址双网、交织双网、交织单网覆盖是普遍应用的BSS冗余方案。

2 MSC冗余备份方案

目前，GSM-R核心网有2种架构:一种是传统的基于电路交换的R99架构，比如诺西公司的在网设备;另一种是基于软交换的R4架构，比如华为的在网设备。R99架构MSC备份是借助R5阶段推出的Iu-Flex技术应用到R99系统形成的AFlex技术，采用MSC pool的方式进行备份。首先讨论从软交换R4架构下基于“双归属”的MSC的冗余备份技术。

2.1 基于“双归属”的冗余备份

GSM-R与公众移动网络有显著的差别，就是具有组呼功能，公网的MSC备份技术在数据备份上均没有考虑组呼寄存器数据的备份，目前诺西、华为均推出了私有方式进行组呼的数据备份。

R4在电路域中引入了控制与承载分离技术，MSC被分拆为2个网元MSC Server和MGW，前者负责控制功能，后者提供承载功能。MGW与MSC Server间采用IP或TDM承载;MSC Server间的链接简称为“心跳线”，采用IP承载，用于MSC间相互检测和同步，结构如图1所示。该冗余备份方式具有以下特点。

图1 基于“双归属”的MSC冗余备份

1．MGW与MSC Server间采用“双归属”冗余备份，即1个MGW同时连接2个MSC Server，MSC Server可以采用话务分担或主备方式工作，可以形成1+1主、备方式、1+1话务分担 (互助)方式，也可以形成N+1的主、备方式，N+1的话务分担方式。正常情况下，每个MGW只注册到主用MSC Server上，当主用MSC Server发生故障时，才可以注册到备用MSC Server上。

2．倒换条件。通过“心跳线”进行实时检测，在规定时间内检测不到对方处于活动状态，或者MGW检测到主用MSC Server断开，则启动备用倒换机制。倒换过程中，正在进行的业务会中断，待倒换完成后业务恢复，倒换时间在5 min以内。

3．VLR数据库 (VDB)动态备份。主用MSC Server的VLR将VDB中的用户数据 (包括组呼数据)实时备份到备用MSC Server的VDB中。在主用MSC Server故障，备用MSC Server接管业务后，可以直接利用备份的用户数据。

4．虚拟MGW或多MGW话务分担模式，允许BSC同时与多个MGW连接，多个MGW之间采用负荷分担的形式进行业务管理，当1个MGW发生故障时，其他MGW能够承担相应的业务。

在“双归属”下，2个MSC Server的信令点相同，无需BSS软件升级就可以连接不同厂家的BSS，避免了基于“MSC pool”备份方式下的“被叫业务恢复”问题。

该方案下的MGW和MSC Server必须为同厂家设备，不能与R99架构的交换机进行相互备份。

2.2 基于“MSC pool”的冗余备份

R99架构只是增加了对WCDMA RNC的接入，基本与原GSM框架一致，因此，要实现MSC备份首先要允许1个BSC连接多个MSC。利用A-Flex技术，采用“MSC pool”共享MSC的方式实现冗余备份，其结构如图2所示。其原理和特点如下。

图2 基于“MSC pool”的MSC冗余备份

1．在GSM-R网络中，多个 MSC组成一个“pool(池)”，共同控制几个位置区，利用A-Flex技术，将1个BSC与“池”内多个MSC连接，池内的MSC采用负荷分担方式工作。如果1个MSC出现故障，其负责的用户立即被另外的MSC接管。该技术同样适用于SGSN冗余备份。

2．需要BSC支持 NNSF(NAS node selection Function)，“MSC pool”方式的理念是通过共享方式实现负荷均衡，但通过NNSF算法的配置，可以实现MSC N+1热备份。即N个交换机和1个备份交换机分别形成N个MSC“池”，正常情况下备份交换机不承担话务，每个池内只有1个激活的MSC，当主用的MSC中任意一个MSC发生宕机时，备份的MSC即时接替宕机的MSC进行工作。

3．NRI(Network Resource Identifier)是新增的网络参数，在VLR分配TMSI时嵌入到TMSI结构中一起发送给移动台并存储到SIM卡中，位于TMSI的14～23比特共10位，用来识别BSC当前应接入的MSC。当用户漫游进“池”服务区时，会进行位置更新，登记到“池”中的某个MSC中。“池”所有的BSC需要定义各MSC的容量因子，该因子对应了各MSC处理能力的大小。当移动台在MSC池中移动时，只要所属的BSC首次注册的MSC具备物理连接，则移动台将一直接入到首次注册的MSC进行业务交换，而无须进行MSC间的越区切换，即使移动台进入的是其他MSC的位置区域。

4．由于是标准化的技术，既适用于R99架构的交换机，也适用于R4及以后版本架构的交换机。但需要对MSC及BSC进行软件升级，以支持NNSF功能及NRI参数。

5．主用MSC通过移动数据备份功能将主用MSC VLR中数据实时备份到备用MSC，并且在主用MSC故障时能实时接管业务。GSM-R在GCR的组呼参考数据同步是在组呼数据写入时，同时加载到主、备用或相关的“池”内MSC的GCR中。

6．该冗余备份技术存在“被叫业务恢复”的问题。由于HLR不能随MSC状态动态配套修改，因此其保存的位置信息只能记录用户当前接入MSC。当MSC故障后，HLR也就无法向该MSC成功索要用户的漫游号码，以致当该MSC分配TMSI的用户时被叫均不可达，直到用户发起新的位置更新，将HLR的位置信息更改以后被叫业务方能恢复。另外虽然通过“缺损MSC”或称为“VLR备份方案”可以解决，但是这需要私有信令支持。

该技术已经标准化，在公网中大量使用，但是组呼问题没有引起足够的重视，主要表现为当一个BSS与主用MSC的链接故障而启用备用MSC后，可能引起组呼混乱。因此实际中只能实现N+1主备方式，以避免组呼混乱的问题。由于一个BSS至MSC的链接故障会引起所有BSS系统跟着一起倒换，“被叫业务恢复”问题影响面就更大，从这个角度来说该技术更适合于对MSC的本身备份。

2.3 基于A接口电路割接的MSC冗余备份

此方案直接将故障MSC下所有A接口割接到另一个MSC上，为了简单，不进行MSC间的数据同步，在新的MSC中配套加载所有的静态数据，如组呼数据、路由数据等，强制所有的用户进行位置更新。由于GSM-R的用户数量不多，通常一个MSC的容量能满足好几个路局的接入需要，因此这种方式非常实用也适合中国铁路。

前2种冗余措施都需要进行设备升级改造，投资较大。而第3种方案投资小，但割接工作量较大，时间较长，属于冷备份方案。如果可以利用传输设备的电路交叉连接功能对电路进行割接，可减少工作量加快实施，这种方式在国外也有采用。

3 BSS系统容灾

BSS容灾包括BSC、TRAU、BTS设备故障下的容灾。BSC/TRAU/BTS设备通过单板冗余、话务分担、接口冗余配置可以避免设备整机故障，但是无法抵抗MSC和BTS的传输链路故障，以及MSC等上级设备故障。Abis接口采用环形连接同样是为了提供冗余、容灾功能。对BSC冗余，除设备级冗余外可采取以下冗余方案。

1．采用同址双网、交织单网覆盖等进行无线覆盖冗余，在铁路中应用非常成熟，但投资较高。

2．同机房或异地整机 (包括数据配置)备份，采用人工进行电路割接，设备故障时，将A接口电路和Abis接口由人工进行割接，连接MSC和基站。当然可以利用传输设备的电路交叉连接功能实现电路割接，减少工作量，如果A接口和Abis接口实行了IP化，则可以减少工作量。这种方式看起来简单，但成本较高而且恢复比较慢。

3．利用既有在用BSC进行备份，故障时将Abis接口全部倒入到备份的BSC，启用备用数据，增加BSC的A接口数量。此方式实施比较复杂，需要制作的数据较多。同样如果A接口和Abis接口实行了IP化，则可以减少工作量。但是目前在网的BSC设备容量均有限，余量较小。

4．利用BSC的“Fallback”模式启动应急功能，在出现MSC故障或传输中断时，BSC模拟MSC的部分功能，提供有限的小区内语音组呼通信功能，特别适合铁路紧急情况的专用通信需求。这种方式在GSM-R设备供应商中只有华为支持。

4 结束语

MSC及BSS的冗余的各种措施需要相互配合，如设备级的冗余需要配套传输冗余。实际的冗余方案需要综合考虑故障概率大小、危害等级、成本等因素。任何系统不可能做到零故障，而且成本总是有限的，那么就要将三者结合起来综合分析，给出建议供决策部门参考。MSC的冗余需要结合我国既有设备、管理现状进行考虑，同时要考虑与PSTN、FAS交换机、RBC的连接倒换的可能性和必要性。随着技术的演进，软交换必然替代电路交换，而IP化成为趋势，因此MSC和BSS备份方式将更为方便，但是GSM-R网络采用“双归属”和“MSC pool”方式备份由于没有成功实施的商用案例，因此均需要充分规模试验后才可推广。

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(责任编辑:诸 红)