基于数字集群通信系统的容灾互联方案设计

宣晶 李鹏 吕桐

摘要：针对轨道交通行业，对无线数字集群通信系统的部署方式和建设模式进行了研究探讨，阐述不同建设模式下的无线通信系统架构和通信方式的特点。在面对轨道交通行业中无线通信系统建设中存在的基础设施分散、网络资源浪费、系统安全不高等多种问题，提出了容灾互联的设计方案，描述了多种容灾互联部署的应用场景，通过核心网容灾备份，进一步增强了系统的安全性，扩展支持核心网层的互联互通。

关键词：轨道交通；数字集群通信系统；容灾；互联互通

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）09-56-4

基于数字集群的无线通信系统被广泛应用于地铁、应急、政府和公安等行业，特别是在城市轨道交通领域，无线数字集群通信系统作为地铁列车调度的重要通信系统，提供列车调度通信，是确保行車安全和处理应用应急突发事件的必要手段[3]。

传统的城市轨道交通线路都是单线运营，相互独立。各线路之间数字集群通信系统无法实现互联互通，限制了地铁互联互通网络化共线、跨线运营的发展。无线数字集群通信系统作为专用通信系统，对于系统可靠性要求较高，此系统的不间断工作将是确保城市轨道交通安全的重要一环。

在网络化运营的趋势下，本文以优化轨道交通通信方式提高轨道交通无线通信效率、增强无线通信系统的安全性为目标，提出了基于数字集群通信系统的容灾互联设计方案。

近年来我国城市轨道交通进入建设高潮，轨道交通占城市出行方式的比重越来越高，轨道线路的大量开通运营也驱动了轨道交通相关专业的技术发展，其中无线通信系统的建设模式也呈现多元化和多样化，不再局限于单一功能，更多趋向于安全、便捷、高效方向[6]。

常见的无线通信系统建设模式包括单核心网主备部署模式、双核心网异地容灾部署模式、双核心网互联互通部署模式和多核心网互联互通部署模式。单核心网主备部署模式如图1所示，部署一套独立的核心网，核心网以主备架热备方式运行，主备架之间业务实时同步，主备架切换时业务不中断。

双核心网异地容灾部署模式如图2所示，部署2套独立的核心网，2个核心网采用异地容灾部署架构（热备）[2]，具备基本等同的业务处理能力并通过传输链路实时数据双向同步，但当前只有一个核心网对外提供业务。本地核心网支持热备自动故障倒换，异地核心网远程容灾支持手动或自动故障倒换，进一步提升系统的可靠性。

此模式引入仲裁机制，让切换更安全。当主用核心网发生故障而宕机时，可自动或手动执行容灾切换机制，备用核心网切换为激活状态，继续对外提供服务。当主用核心网出现业务中断故障时，备用核心网可以在1 min内将业务接管过来（理论上可以达到更短，但是为了防止因为网络抖动而导致的业务频繁切换，此时间可以灵活调整）。

一主三备容灾部署模式如图3所示，部署4套独立核心网，采用一主三备架构。此种应用方式下，采用主+备+备+备的方式工作，同时只能有一个核心网设备在提供服务，当某一个核心网设备故障时，多个核心网之间自动完成主备裁决切换。线路侧基站设备和调度台、录音等业务设备不用感知核心网切换的动态，基站和调度无需具备容灾倒切能力，基站和调度只能接入当前的主用核心网。

一主三备方式要求主用核心网和备用核心网保证高度的数据完整性和数据零丢失，对于多套核心设备之间的传输链路以及传输稳定性要求很高。4个核心网在逻辑上是对等的角色，核心网之间互联互通，保持数据同步，其在主用核心网设备正常工作情况下，不会执行主备切换的工作，只有在主用核心网设备故障时，才会重新裁决出新的核心网提供服务，并承担主用工作角色。

双核心网互联互通部署模式如图4所示，2个核心网采用互联互通部署架构，单核心网以主备架热备方式运行，主备架之间业务实时同步，主备架切换时业务不中断。

2个核心网之间提供互联互通功能，实现跨核心网、跨线路全业务的系统级互联互通[4]。跨核心网的互联互通的呼叫延时在500 ms以内[1]。

多核心网互联互通部署模式如图5所示，多个核心网采用互联互通部署架构，单核心网以主备架热备方式运行，主备架之间业务实时同步，主备架切换时业务不中断。

容灾互联的系统部署架构综合了上述建设模式的特点，不仅进一步增强了系统的安全性，还扩展支持跨系统的互联互通功能。容灾互联的部署架构运维管理相对简单、可靠性更高，节省企业的成本和提升运维效率，大幅提升设备的运维可靠度和可用性。

2.1双核心网容灾互联

双核心网容灾互联部署模式如图6所示。双核心网容灾互联由2套核心网组成，完成所有设备的接入，双核心网提供容灾互联功能。在2个核心网正常工作时，可以提供核心网下用户之间的互联互通功能；当任何一个核心网故障时，另外一个核心网可以自动接入故障核心网下的业务设备和基站设备，保证故障核心网下用户的业务使用。

2个核心网都处于独立工作状态，每一个核心网下都存在单独的调度台、网管、录音等业务设备以及线路侧基站设备。2个核心网之间支持容灾倒切功能和互联互通功能。

（1）核心网的处理机制

2个核心网保持不同业务独立运行（双活），数据双向同步，可快速构建异地容灾系统。“双活”核心网如果断了任一个核心网，其业务可以快速切换到另外一个正在运行的核心网。2个核心网互相为主备用角色，互为本异地角色，异地核心网远程容灾支持手动或自动故障倒换[5]。

（2）容灾冗余裁决机制

2个核心网分别独立提供服务，对于不同线路侧其主备用角色不同；当主用核心网故障时，备用核心网可以支持手动或自动故障倒换，接管故障核心网的业务。

核心网与核心网之间除了有主备用角色容灾冗余裁决机制，还支持互联互通功能。互联互通功能可以为2个核心网下的用户提供互联互通功能，可以实现跨核心网、跨线路的通话服务。

（3）业务设备调度台、网管、录音的处理机制

上层业务设备需要配置主备用核心网信息，保证首选接入主用核心网，并且同时需要与2个核心网保持网络连接并会同时探测，但是只会向一个核心网保持业务连接，当其检测到主用交换中心异常时，会自动倒切到备用交换中心。

（4）线路侧基站的处理机制

线路侧的基站需要配置主备用核心网信息，保证同一线路的基站接入同一个核心网。线路侧的基站会同时与2个核心网保持网络连接并会同时探测，但是只会与一个核心网保持业务连接，当其检测到主用交换中心异常时，会自动倒切到备用交换中心。

此应用场景最大程度上复用了另外一个核心网的功能，在不额外增加设备的前提下，能够提供异地容灾倒切功能和跨系统的互联互通功能。

2.2多核心网容灾互联

由多套核心网组成，两两核心网采用异地容灾模式部署，为每一个核心网提供单独的备用核心网，保证任一核心网故障后，还可以为故障核心网下业务设备和基站设备提供接入功能，并且在上述容灾基础上对外提供互联互通功能。

多核心网容灾互联部署模式如图7所示，此应用场景在优先保证系统稳定性的前提下，通过额外增加独立的备用核心网设备，为每一个核心网提供容灾倒切功能。在提供容灾倒切能力，保证提升系统安全的基础上，为用户提供跨核心网的互联互通功能。

（1）核心网的处理机制

核心网的容灾机制和互联機制进行隔离，一条线路的2个核心网以主备容灾的模式运行，同一时刻只有一个核心网对外提供业务，另外一个核心网以备用的工作模式运行。处于激活状态的核心网对外提供互联互通功能，可以与其他线路的核心网进行系统间的互联互通。

（2）业务设备调度台、网管、录音的处理机制

上层业务设备需要配置主备用核心网信息，保证首选接入主用核心网，并且同时需要与2个核心网保持网络连接并会同时探测，但是只会与一个核心网保持业务连接，当其检测到主用交换中心异常时，会自动倒切到备用交换中心。

（3）线路侧基站的处理机制

线路侧的基站需要配置主备用核心网信息，保证同一线路的基站接入同一个核心网。线路侧的基站会同时与2个核心网保持网络连接并会同时探测，但是只会与一个核心网保持业务连接，当其检测到主用交换中心异常时，会自动倒切到备用交换中心。

双核心网容灾互联和多核心网容灾互联的系统部署架构，充分考虑了用户在系统安全上的需求，设计了多种容灾部署方式，保证每一个主用核心网均包含另外一个核心网作为备份容灾使用，当主用核心网出现故障后，备用核心网可以代替原主用核心网提供服务。同时又考虑到用户对跨线线运营，线路间互联互通的需求。在原容灾架构上，扩展支持系统间的互联互通，满足业务多样化需求。

城市轨道交通的建设以如火如荼的态势迅猛发展，城市轨道交通的建设规模越来越大，但是存在基础设施分散、网络资源浪费、系统安全没有强有力的保障、运维管理复杂等问题。为解决以上问题，提出容灾互联的数字集群系统部署方案，本方案有更多的可拓展性，能为客户提供安全、可靠、便捷的无线通信。

参考文献

[1] ETSI.Terrestrial Trunked Radio（TETRA）； Voice plus Data（V+D）； Part 1： General Network Design： ETSI EN 300 392-1[S].European：European Telecommunication Standard Institute， 2020.

[2]姜彬.地铁TETRA双交换中心冗余热备负荷分担方案研究[J].电气化铁道，2020，31（2）： 58-60，63.

[3]郑祖辉，陆锦华，丁锐，等.数字集群移动通信系统：第3版[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4]张成斌，康志杰.基于数字集群异系统的互联互通设计[J].计算机与网络，2020，46（5）：65-67.

[5]宋雅，曾沂粲.TETRA数字集群系统的容灾备份方案探讨[J].移动通信，2011，35（1）：85-87.

[6]李艳芳.基于TETRA无线通信系统在城市轨道交通中的应用[J].自动化技术与应用，2019，38（12）：75-77，149.