西安地铁既有线无线MSO备份优化的研究

西安地铁无线中心设备MSO备份优化的研究

梅婧君

（西安市地下铁道有限责任公司运营分公司西安710016）

摘要：专用无线通信网络是保障城市轨道交通日常运营和处理突发事件的重要通信手段。随着西安地铁线网的逐步建设，如何打造一张科学、合理、高效的专用无线通信网络已成为重要课题。文章结合西安地铁既有线路无线系统设备情况，讨论无线核心交换中心MSO的备份优化方案，为城市轨道交通无线通信网络的设计、运营维护、升级改造提供参考。

关键词：无线通信系统；MSO；IGR；冗余备份

引言

通信系统是城市轨道交通这个技术密集的多专业、多系统互相支撑复杂有机体的重要组成部分，是运营指挥、服务乘客和传递各种信息的网络平台，是抢修救灾、应急处理的基本保障，是地铁这个有机整体的血管。无线通信系统是地铁中最重要、最与地铁运营行车息息相关的通信系统，是运行中的列车司机与控制中心调度人员和车站行车管理人员之间实时通信的手段，担负着提高运营效率、确保行车安全及乘客安全的重要使命。近年来，城市轨道交通进入了高速发展阶段，运营风险也随之增大。作为为轨道交通运输的安全运营提供高效、可靠的无线通信系统平台在其中也发挥着举足轻重的作用，其中无线系统平台中的集群交换控制中心（简称MSO设备）是重中之重，MSO设备能否平稳运行直接影响着整个无线系统平台的功能。

西安地铁一、二、三号线MSO设备均无冗余备份功能，存在MSO设备故障时影响运营行车安全的重大隐患。对无线系统交换中心MSO的升级改造，可以使无线通信系统的组网方式更加灵活、增加抗干扰能力、扩大系统容量，更重要的是增加了整个无线通信系统的冗余度、抗风险水平以及故障导向安全的能力。

1 城市轨道交通专用无线通信系统现状

1.1 西安地铁无线通信系统现状

西安地铁一、二、三、四号线无线通信系统均采用MOTOROLA设备厂家的800MHz频段TETRA数字集群系统。全线设置控制中心交换设备MSO、基站、调度台、二次开发平台和网管系统等设备，实现控制中心（OCC）、车辆段/停车场的调度人员与列车司机、客运人员、维护人员等不同用户之间进行有效的无线话音和数据通信，是提高运输效率、确保行车安全及应对突发事件的重要通信手段。

目前，西安地铁已运营4条线路，这4条线路共设3个MSO，其中1，，3号线MSO均安装在渭河车辆段OCC中，并已经完成互联互通。网络结构如下：

图1 西安地铁1、2、3号线专用无线通信系统网络结构如图1所示，一、三号线共用一套MSO设备，二号线设置一套单独的MSO 设备。因一、二、三号线MSO设备均无冗余备份功能，存在MSO设备故障时影响运营行车安全的隐患。

1.2西安地铁MSO故障情况

自2011年9月16日二号线首条线开通运营以来， 2套MSO设备共发生了影响运营较大故障6次：

1、二号线ZDS设备故障：自2014年1月至2015年4月，ZDS服务器故障已相继发生7次，此故障现象为摩托罗拉网管功能无法实现，暂不影响无线用户通信，但无法通过网管监控全线所有基站状态，无法对无线用户数据进行配置，

且无线系统设备重启后，无法与ZDS同步数据，部分无线系统设备重启后有无法启动的风险，如无线调度台、无线CAD服务器，存在较大安全隐患。

2、二号线UCS模块故障：2014年1月20日UCS模块软件出现问题，摩托罗拉网管功能无法实现，暂不影响无线用户通信，但无法通过网管监控基站状态，无法对无线用户数据进行配置，远程及现场处理。

3、二号线MSO设备中期评估及ZC2硬盘故障问题：2015年9月，鉴于MSO 设备ZDS服务器前期故障以及运行时间也已4年，对MSO设备进行了中期评估，评估发现ZC2有2块硬盘故障，同时发现ZC重启后全线无线终端设备出现无法越区切换问题，影响行调与电客车司机之间的通信。

4、2013年1月23日，为处理西安地铁2号线手持台无法拨打外线电话的问题，摩托罗拉工程师到达控制中心现场查看系统状态，发现ZC/NM服务器中的UCS、ZDS软件已经掉死无法访问。

5、二号线MSO设备中的NTS服务器于2015年出现无法开机故障，此故障导致二号线范围内手持台时间走时不准，整个周期历史半年。

6、一、三号线共用的MSO设备中的一号线NTS服务器于2017年9月出现故障无法开机，维修期间一号线、三号线手持台时间走时不准，维修周期历时半年。

7、2017年11月28日，三号线多次发生无线调度台车次信息位置归属显示错误故障，经排查故障原因为无线MOXA摩莎交换机故障。

MSO作为三条线无线系统的主设备承载了所有无线集群信号语音、数据处理工作，以及其他重要功能，是支持列车调系统的核心设备。但是在日常维护和抢修中以下3方面难点：

1、因为MOTOROLA交换控制中心设备结构复杂，运行着多个数据库及软件服务器，对于某个逻辑服务器的配置和修改往往会涉及到关联其他相关设备的配置，因此操作及维护技术难度高。

2、从MSO设备对于整个无线系统的重要性来看，一旦出现硬件损坏、系统崩溃或其他未知问题时，人员无法及时处理恢复则直接影响整个无线调度通信以及应急指挥。

3、通过多年的运营维护，西安地铁能对大部分无线设备，特别是二次开发设备进行维修维护，但是对于无线MSO中心设备本身比较复杂，技术含量较高，

西安地铁应急处理能力有限。

1.3 其他城市地铁无线系统组网情况

为适应轨道交通网络化建设和运营发展的需求，增强无线通信系统的网络安全性和可靠性，上海、成都、昆明地铁通过新建设和对既有线的改造，实现所有线路无线通信系统均采用具备异地冗余热切换功能的IGR无线系统。北京地铁线网无线通信系统采用单中心双机备份方式。

上海采用Motorola基于TETRA的Dimetra IP系统，由三个区域（ZONE）组成一个大区，一个大区最多可包含7个区域，大区中部署了系统级服务器负责控制大区的运行；一个区域中包含一个移动交换局、区域级服务器和最多100个收发系统（BTS）站点,BTS为移动台提供RF接口。移动交换局（MSO）分主、备用，主用MSO设置在3号线东宝兴路控制中心，备用MSO设置在8号线西藏北路控制中心。MSO依托上海地铁上层网传输系统连接区域内的各个基站。

广州的TETRA系统是通过交换机节点异地同步配置实现容灾备份的。通常情况下，其交换控制中心 (MSO) 内部冗余配置的节点控制器 (ZC)，安装在同一座建筑的同一个机房的同一个机柜内。为实现异地容灾备份，可以将一个 MSO 交换机分解成位于不同地理位置的 2部分设备，分为主用节点交换机和备用节点交换机，不仅能够应对链路中断、部分功能模块的故障，并且能够实现灾备，即实现双交换中心异地容灾备份。将原本一套冗余配置的节点控制器 (zC)及网关路由器分拆2个不同位置的交现本地和异地双重备份。而其他非冗余配置的网关设备，包括电话网关、数据网关、边界路由器、鉴权服务器等，也在2个交换机柜中分别配备，实现异地备份。分解后的机柜为主用节点 1交换机和备用节点 1．1交换机，并通过光纤连接。基站和调度台双路由至2个节点交换机。主用节点交换机和备用节点交换机 2个机柜，相对于互为备份的完全的 2个节点交换机机柜的配置方案要更经济节省。

2 西安地铁既有线MSO备份优化方式

2.1 优化方式

2.1.1 异地温备方式

针对西安地铁一、二、三号线无线系统组网，可以使用温备方式实现MSO

的备份。该方式需要在备份地点新增一个备份MSO，其配置与既有MSO完全一致。当既有MSO故障时，需要手工调整基站和调度台链路到备份MSO。

技术改造所需增加的设备和配置如下：

（1）新增加一个MSO，与既有2号线MSO完全镜像配置，并配置2号线所有系统数据和用户数据；

（2）新增加一个MSO，与既有1、3号线MSO完全镜像配置，并配置1、3号线所有系统数据和用户数据；

（3）定期手动同步备份MSO和既有MSO的数据；

（4）故障时需要手动切换（调整传输）链路将基站和调度台连接到备份MSO。

2.1.2 异地冗余IGR热备方式

摩托罗拉的TETRA系统具有高可靠性，并能够提供独特的IGR异地冗余交换机，采用IP技术的异地镜像热备份交换机和自动切换系统为用户提供的是一个全面的、切实可行的交换机异地备份和切换技术。它将一个交换机的所有网元设备设计在两个机柜上（A和A’），两个机柜通过光纤连接可安置在不同的交换设备机房从而形成异地备份，最远距离可达70公里。

IGR方式是将一、二、三号线改造成异地冗余配置（同4号线结构），以最大限度的提高系统可靠性。由于目前这3条线路总的基站数量不超过100，因此它们可以共享一套MSO。改造完成后，系统结构图如下：

图2 西安地铁1、2、3号线IGR MSO网络结构

如图2所示，改造后具备IGR功能配置的MSO由主备两个机柜组成，两个机

柜通过光纤或千兆以太网连接，可安置在不同的交换机房从而形成异地备份。基站和调度台配置双链路同时接入的主备机柜。如果主机柜设备出现故障，无线基站将在1-2秒时间内完成切换连接，而基站下的全部用户机无须重新登记，并且所有的故障切换均由系统自动判断，无须人工干预。

改造后一、二、三号线共用一个IGR配置的MSO，以单条线路为例，系统结构示意图如下：

图3 西安地铁单条既有线路IGR MSO网络结构

IGR技术改造所需增加的设备和配置如下：

（1）新建一套具备IGR功能配置的MSO，用于连接一、二、三号线的无线基站、调度台、二次开发平台和网管系统等设备。并将这一套MSO交换机的所有网元设备设计在两个机柜上（A和A’），两个机柜通过光纤连接安置在不同的设备机房从而形成异地备份。

（2）传输系统为基站和调度台提供双链路，分别连接到MSO的主备机柜。

（3）二次开发平台厂商配合调试升级

（4）既有一、二、三号线的基站和调度台软件升级后，割接到新建的IGR 功能配置的MSO设备上。

（5）新建的IGR功能配置的MSO与新线4号线完成互联互通。

（6）因目前在用的两套MSO不具备IGR功能，待改造完成后作备品备件使用。

2.2 优化方式的比较

针对西安地铁一、二、三号线MSO的备份需求，摩托罗拉无线设备可以提供异地冗余热备（IGR）和异地温备两种方式。

表1 两种优化方式对比

3 IGR交换机的故障切换功能

3.1 传输链路故障

IGR交换机采用异地冗余技术，在正常状态下，系统的所有服务将由主用机柜提供，备用机柜中的设备为备份工作状态。基站及调度台通过主用侧链路，由主用机柜A的设备提供系统服务。当该侧链路故障时，基站及调度台会自动启用备用侧链路，连接到备用MSO机柜B。此时，MSO仍由主用侧设备A提供服务，基站则通过备用侧的核心路由器及备用侧链路接入到MSO。

图4 传输链路中断切换示意图

3.2 主用机柜模块故障

当主用机柜内的某个或某些模块故障时，备用机柜中的相应功能模块启动并接替工作。此时，基站及调度台仍通过主用链路连接到MSO。

图5 主用机柜模块故障切换示意图

3.3 主用机柜完全故障

在某些极端状况下，主用机柜完全不可用时，系统功能将由备用机柜中的所有模块承担，基站及调度台也自动切换链路到备用机柜，系统仍可以支持全部的语音呼叫功能以及短数据功能。

图6 主用机柜完全故障切换示意图

4 IGR优化方式实施前的注意事项

4.1 链路准备

IGR冗余备份系统的基站和远端调度台要有条链路分别连接到不同的交换机柜。目前从基站和远端调度台到既有交换中心机柜是有一条传输链路的，如果IGR交换机柜的其中一个安装到既有交换中心机柜旁边该链路可以使用，只需要另外准备一条从基站和远端调度台到另外一个交换中心机柜的链路即可。

基站到IGR两个机柜各1条E1链路，由于目前基站的E1接口只有1个，实际上该接口是支持双链路的，届时需增加一个接口一分二的转接头。（基站E1接口中的1，2，4，5针为第一条E1链路，3，6，7，8为第二条链路，基站TSC 上有相应的指示灯体现着两条链路的状态）

远端调度路由器到IGR两个机柜各1条E1链路，目前调度路由器都只有一个E1接口，届时会另外增加一个E1接口板。

二次开发交换机到IGR两个机柜的边界路由器的以太网链路各1条。

IGR两个机柜间的互联通道需要2条光路。

4.2 基站调度台预配置

由于既有的交换中心设备版本与新的IGR交换中心设备的版本不一致，IGR 将为最新的版本，所有基站及调度台等都要进行升级。只是基站和调度台的配置是要跟新的IGR系统相适应的配置文件，才具备连接IGR系统的能力。

4.3 系统和用户数据同步

系统和用户数据要手动的从既有MSO同步到IGR MSO，包括基站的配置，调度台的配置，用户数据的配置。

4.4 预割接测试

为了保证能够平滑的进行最终的割接到IGR系统，相关的预割接测试及相关的功能测试也是必要的。

基站：所有的基站APP和配置文件切换到相应版本，并手动切换基站链路割接到IGR系统的两个MSO，并进行功能测试。测试通过后割接回既有MSO。基站的APP和配置文件的切换工作可以在网管上远程进行。

调度台：将调度台软件版本升级到与IGR相应的版本。并通过重新连接链路将所有调度台割接到IGR MSO，并进行功能测试。测试通过后割接回既有MSO。调度台的升级工作需要现场进行，远端调度台的软件和配置的切换可以远程进行。

二次开发设备：包括二次开发调度服务器，二次开发调度台，二次开发网管在内的所有设备也要割接到备份MSO并进行测试。测试通过后割接回既有MSO。

5 结束语

为适应轨道交通网络化建设和运营发展的需求，增强无线通信系统的网络安全性和可靠性，上海、成都、昆明地铁通过新建设和对既有线的改造，实现所有线路无线通信系统具备异地冗余热切换功能。结合西安地铁4号线的无线系统规划建设，既有线的MSO备份优化改造增加了无线系统的冗余度，提高了系统的抗风险能力以及故障导向安全的能力。

加上西安地铁三期规划中，要上全自动驾驶，其中，通信中就要加备灾中心，并且要对无线进行全功能备份，所以研究有比较现实的意义。

[参考文献]

[1]郑祖辉．数字集群移动通信系统．北京：电子工业出版社，2008。

[2]李伟章．城市轨道交通通信[M]．北京：中国铁道出版社，2008。