鐵路GPRS系統(tǒng)冗余備份的研究

高婷婷（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）是一種基于目前世界最成熟、最通用的公共無線通信系統(tǒng)GSM平臺上的、專門為滿足鐵路應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字式無線通信系統(tǒng)。目前我國建成或在建的高速鐵路、客運專線均采用了GSM-R技術(shù)。

鐵路GSM-R數(shù)字移動通信通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）系統(tǒng)（以下簡稱鐵路GPRS系統(tǒng)），是在現(xiàn)有的GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，增加新的分組交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)的。GPRS引入了分組交換的傳輸模式，在這種方式下，用戶共享一個分組數(shù)據(jù)傳輸通道，需要傳輸數(shù)據(jù)時才占用信道，從而提高了資源利用率，特別適用于間斷、突發(fā)性、頻繁、數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。在歐洲GSM-R標(biāo)準(zhǔn)體系中并沒有將GPRS技術(shù)應(yīng)用到鐵路通信中。我國鐵路先于歐洲發(fā)展基于GSM-R的GPRS業(yè)務(wù)，是根據(jù)運輸對通信業(yè)務(wù)需求量大、但頻率資源緊張的實際情況而進(jìn)行的技術(shù)決策。我國鐵路GPRS系統(tǒng)可以為鐵路提供非安全無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)具有業(yè)務(wù)點移動性強(qiáng)、業(yè)務(wù)點分散、非周期間斷傳輸、容量小但頻繁、數(shù)據(jù)傳輸實時性要求不高等特點，如鐵路運行調(diào)度信息、鐵路設(shè)施維護(hù)管理信息、旅客服務(wù)信息以及其他服務(wù)信息。由此可見，一旦鐵路GPRS系統(tǒng)發(fā)生故障，會對鐵路的日常運輸組織帶來嚴(yán)重影響，因此需要考慮對其進(jìn)行有效地冗余保護(hù)。

高婷婷，女，碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)，助理工程師。主要研究方向為無線通信，曾參與京滬客專GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作，擔(dān)任哈大客運通信系統(tǒng)設(shè)計、無線系統(tǒng)集成專業(yè)負(fù)責(zé)人，參與哈大客專無線通信系統(tǒng)集成工作，并參與多項GSM-R系統(tǒng)的相關(guān)科研、設(shè)計工作。

2 鐵路GPRS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

鐵路GPRS系統(tǒng)分為核心層及無線接入層。GGSN、SGSN、DNS和RAD IU S通過GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)（IP網(wǎng)絡(luò)）互聯(lián)，構(gòu)成鐵路GPRS系統(tǒng)的核心層。無線接入層由BSC/PCU、基站、終端等組成。鐵路GPRS系統(tǒng)通過GPRS接口服務(wù)器（GR IS）與鐵路應(yīng)用系統(tǒng)連接，實現(xiàn)與鐵路應(yīng)用系統(tǒng)的互聯(lián)。同時GPRS歸屬服務(wù)器（GROS）與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，配合GPRS接口服務(wù)器實現(xiàn)了車地之間各種分組數(shù)據(jù)信息的傳輸。

鐵路GPRS系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

全路GPRS核心網(wǎng)和移動交換中心同步建設(shè)，共計19個，即18個路局所在地和拉薩。目前北京、武漢、廣州、太原、西安、成都、南昌、濟(jì)南、西寧、拉薩、上海、哈爾濱、沈陽、鄭州等14個GPRS核心網(wǎng)節(jié)點己建成；蘭州、烏魯木齊、昆明、南寧、呼和浩特5個節(jié)點GPRS核心網(wǎng)工程已經(jīng)立項。

在建成的節(jié)點中，武漢、廣州、太原、西安、成都、南昌、濟(jì)南、上海、鄭州、沈陽、哈爾濱等節(jié)點各配置了1套SGSN、GGSN設(shè)備。北京設(shè)置了1套SGSN、2套GGSN設(shè)備，其中1套GGSN為主用，另外1套為備用；青藏線在西寧、拉薩各設(shè)置1套SGSN設(shè)備，在西寧設(shè)置1套GGSN設(shè)備。

武漢、廣州、太原、西安、鄭州、成都、沈陽、南昌、濟(jì)南、上海、蘭州、呼和浩特、哈爾濱等節(jié)點各設(shè)置了1套GR IS，其中鄭州、蘭州GR IS接入西安GGSN，呼和浩特GR IS接入北京GGSN，其他節(jié)點GR IS接入本局GGSN；北京設(shè)置了2套GR IS設(shè)備，其中1套用于石太高速線，另外1套用于京津城際；青藏線在西寧設(shè)置了1套GRIS。

3 鐵路GPRS系統(tǒng)設(shè)備冗余方案

隨著GSM-R網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，鐵路GPRS系統(tǒng)也得到了快速發(fā)展，目前除CTCS-3列控、機(jī)車同步操控和調(diào)車機(jī)車監(jiān)控信息傳送等業(yè)務(wù)外的其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，均采用分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)。因此急需建立GPRS系統(tǒng)的冗余備份機(jī)制提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。GPRS系統(tǒng)冗余方案的確定，應(yīng)考慮以下幾方面因素。

1）應(yīng)能在無法預(yù)計的外部事件情況下（如地震、火災(zāi)、恐怖襲擊）提供冗余；

2）冗余使定期維護(hù)不對網(wǎng)絡(luò)運營產(chǎn)生影響；

3）冗余的GSM-R網(wǎng)絡(luò)應(yīng)保證故障對CTCS-3數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信、點對點話音通信及組呼通信影響時間最短；

4）冗余備份方案要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的現(xiàn)狀；5）研究適合鐵路應(yīng)用的新技術(shù)；

6）綜合考慮性價比，以較少的投資獲得較高的系統(tǒng)性能。

3.1 GGSN冗余方案

目前GPRS核心網(wǎng)絡(luò)中，GGSN設(shè)備已實現(xiàn)了板件級冗余備份，關(guān)鍵單板（路由交換板、業(yè)務(wù)處理板、電源板等）1+1備份或負(fù)荷分擔(dān)方式，均支持在線插拔和熱備份功能，當(dāng)主用單板故障或拔出時，備用單板立即自動倒換成主用，使得業(yè)務(wù)流程不受影響。在設(shè)備級層面，目前只有北京節(jié)點設(shè)置兩套GGSN，采用1+1備份方式。當(dāng)主用GGSN故障時，需要切換到備用GGSN，并重新進(jìn)行DNS注冊和無線側(cè)的PDP（分組數(shù)據(jù)協(xié)議）激活，會發(fā)生業(yè)務(wù)中斷。除北京外其他節(jié)點的GGSN設(shè)備并沒有設(shè)備級的冗余備份機(jī)制。

對于未來的GGSN冗余可以考慮兩種方案，即鄰局備份和GGSN POOL備份。

鄰局備份方案中，當(dāng)本局GGSN故障時，需人工干預(yù)，將SGSN路由指向鄰局的GGSN，具體實現(xiàn)方式如下。

1）DNS設(shè)備上修改APN（接入點名稱）的指向，使之前到本局GGSN的路由數(shù)據(jù)改為指向鄰局GGSN，實現(xiàn)GGSN設(shè)備層面的冗余；

2）RADIUS設(shè)備上修改鄰局GGSN所對應(yīng)的IP地址池，如果GGSN設(shè)備上保存有IP地址池，也需要做相應(yīng)修改。

當(dāng)本局GGSN設(shè)備恢復(fù)正常時，在DNS、RADIUS設(shè)備上恢復(fù)至故障前數(shù)據(jù)。此備份方法可實現(xiàn)GGSN的冗余備份，不需要對現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備升級改造，影響范圍小。但這種跨局的GGSN互為備份可能需要對GGSN設(shè)備的用戶容量進(jìn)行擴(kuò)容，并在相應(yīng)的設(shè)備側(cè)預(yù)留端口、通道，同時也可能會帶來終端被叫路由沖突問題，需要對路由方式進(jìn)行調(diào)整。

GGSN POOL方案中，多個GGSN組成一個資源池。在用戶激活時，SGSN在GGSN POOL中選擇一個GGSN激活用戶，當(dāng)一個GGSN故障時，由POOL中其他的GGSN接管故障GGSN的業(yè)務(wù)，從而保證終端用戶可以通過新的路徑建立數(shù)據(jù)通道，訪問業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。其技術(shù)實現(xiàn)要求主要通過APN的選擇功能來選擇池中不同的服務(wù)GGSN，路由SGSN的消息和數(shù)據(jù)到特定的GGSN。對于同一個A PN可以設(shè)置不同的組對應(yīng)不同的優(yōu)先級，從而根據(jù)優(yōu)先級來選擇不同的GGSN作為接入點,如圖2所示。

其中，GGSN POOL中的每個GGSN可以部署在同一個局點中，也可以部署在不同地點的局點中；GGSN POOL中的GGSN之間，可以運行在負(fù)荷分擔(dān)的方式，也可以運行在主備的方式。需要保證的是SGSN可以訪問到GGSN POOL中的所有GGSN，并可以與之正常通信；同樣的，GGSN POOL中的GGSN也可以訪問到完全一致或者兼容的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

GGSN POOL方案在公網(wǎng)中已有商用案例。根據(jù)鐵路業(yè)務(wù)需求和《鐵路移動通信網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，鐵路GPRS系統(tǒng)GGSN冗余可以采取在近期進(jìn)行鄰局備份，遠(yuǎn)期根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用和分組域承載業(yè)務(wù)的重要程度考慮是否采用GGSN POOL的冗余方案。

3.2 SGSN冗余方案

目前GPRS核心網(wǎng)絡(luò)中，SGSN設(shè)備也已實現(xiàn)板件級冗余備份，關(guān)鍵單板（控制、電源、時鐘、處理單板等）采用1+1備份或負(fù)荷分擔(dān)方式，接口板采用N+1冗余備份方式，提高了系統(tǒng)的可靠性。但全路SGSN設(shè)備均沒有設(shè)備級的冗余備份機(jī)制。

SGSN的冗余可以考慮鄰局備份、SGSN N+1備份和SGSN Pool備份3種方式。

SGSN的鄰局備份方案與GGSN的鄰居備份方案類似，鄰局SGSN互為備份，本局所有BSC/PCU設(shè)備配置到鄰局SGSN的備用通道，正常情況下不使用。如果當(dāng)前服務(wù)的SGSN設(shè)備或鏈路發(fā)生故障時，將BSC/PCU的Gb接口人工倒換至備用通道；同時，需要在BSC/PCU和備份SGSN設(shè)備同時重新配置Gb口數(shù)據(jù)，并在DNS設(shè)備上臨時修改路由指向數(shù)據(jù)。該操作只能在故障發(fā)生后執(zhí)行，當(dāng)故障設(shè)備恢復(fù)正常時，重新倒回至原有通道并修改相關(guān)數(shù)據(jù)，同時在備份SGSN上刪除故障局的所有用戶數(shù)據(jù)，故障局用戶需重新附著。SGSN鄰局備份技術(shù)實現(xiàn)上不需要改造現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備，但可能需要對SGSN設(shè)備的用戶容量進(jìn)行擴(kuò)容，同時在BSC/PCU、SGSN側(cè)預(yù)留相應(yīng)端口、通道。

SGSN N＋1備份方案是由n個主用SGSN及其一個備份SGSN組成，該備份SGSN為n個主用SGSN提供備份。備份SGSN自動檢測主用SGSN狀態(tài)，當(dāng)主用SGSN故障，無需人工干預(yù)，備份SGSN會自動接替故障SGSN的業(yè)務(wù)。該方案同時支持手工倒換模式，如在主用SGSN在版本升級等可能影響業(yè)務(wù)的情況下，通過操作命令將業(yè)務(wù)倒換至備用SGSN。N＋1備份方案無需升級現(xiàn)網(wǎng)PCU，只需要PCU分別部署到主備SGSN的Gb接口鏈路，正常運行時PCU到主備SGSN的鏈路都正常使用，傳輸資源利用率高。但備用SGSN出現(xiàn)故障時，該方案將不起作用，如圖3所示。

在SGSN POOL備份方案中，多個SGSN共同組成一個資源池，資源池內(nèi)的所有SGSN可以部署在同一個局點中，也可以部署在不同地點的局點中，采用負(fù)荷分擔(dān)的工作方式實現(xiàn)備份功能。SGSN POOL基于Iu F lex（按照3GPP規(guī)范定義，Iu Flex為Iu Flex與Gb Flex的統(tǒng)稱）技術(shù)，SGSN POOL區(qū)內(nèi)包含多個SGSN并行工作，共同分擔(dān)區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)，移動臺在區(qū)內(nèi)漫游時，無需改變其服務(wù)的SGSN節(jié)點，減少了核心網(wǎng)節(jié)點間的信令處理。當(dāng)一個SGSN故障時，由其他SGSN節(jié)點承擔(dān)其業(yè)務(wù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，如圖4所示。

SGSN POOL技術(shù)實現(xiàn)了實時容災(zāi)備份能力，增大了每個SGSN的服務(wù)區(qū)域，信令流程減少，減少了系統(tǒng)負(fù)荷，系統(tǒng)間路由區(qū)更新減少，有利于提升系統(tǒng)性能；對于無線側(cè)設(shè)備來說，可同時連接多個SGSN，提高了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)設(shè)備間的負(fù)荷均衡，減少了維護(hù)升級的影響?，F(xiàn)有設(shè)備升級后即可實現(xiàn)，不需要考慮新上設(shè)備及配套工程，對現(xiàn)有核心網(wǎng)其他設(shè)備硬件配置影響較小。但該方案的實施需要以Gb傳輸IP化為前提，因為每個PCU要與POOL中所有SGSN互聯(lián)，如果仍然采用E1方式，SGSN上所需的E1接口數(shù)量將增加一倍至數(shù)倍，將會極大的浪費傳輸資源，然而目前現(xiàn)網(wǎng)PCU都不支持Gb over IP，這勢必又帶來大規(guī)模的PCU升級。

綜上考慮，建議全網(wǎng)首先考慮進(jìn)行鄰局備份或者N＋1備份方案，同時研究SGSN POOL技術(shù)，待技術(shù)成熟后可考慮采用SGSN POOL備份方案。

3.3 DNS冗余方案

鐵路GPRS系統(tǒng)的DNS設(shè)備采用異地冗余設(shè)置，北京、武漢各設(shè)置1套，每套DN S配置雙臺服務(wù)器、一臺數(shù)據(jù)庫，正常情況下主用服務(wù)器工作，備用服務(wù)器熱備；兩地DN S設(shè)備采用主備方式工作，全網(wǎng)SGSN、GR IS將北京DN S設(shè)置為首選DNS，將武漢DNS設(shè)置為次選DNS，如圖5所示。

當(dāng)北京DNS故障時，SGSN、GR IS自動嘗試向武漢DNS請求，轉(zhuǎn)由武漢DNS負(fù)責(zé)處理全網(wǎng)業(yè)務(wù)。為減少終端設(shè)備對故障DNS設(shè)備訪問，由北京核心網(wǎng)機(jī)房負(fù)責(zé)斷開北京DNS與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，故障恢復(fù)后再將北京DNS設(shè)備入網(wǎng)。

未來DN S的冗余和工作方案需要隨著SGSN冗余方案進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，完善并改進(jìn)DNS功能，增設(shè)DNS網(wǎng)管設(shè)備，增加統(tǒng)計分析功能。

3.4 RADIUS冗余方案

鐵路GPRS系統(tǒng)的RAD IU S設(shè)備采用異地冗余設(shè)置，北京、武漢各設(shè)置1套，每套RAD IU S配置雙臺A A A服務(wù)器、一套數(shù)據(jù)庫，正常情況下主用服務(wù)器工作，備用服務(wù)器熱備；RA D IU S設(shè)備采用主備方式，全網(wǎng)GGSN將北京RADIUS設(shè)置為首選RADIUS，將武漢RADIUS設(shè)置為次選RADIUS，如圖6所示。

當(dāng)北京RADIUS故障，即GGSN向RADIUS請求沒有響應(yīng)時，終端設(shè)備自動嘗試向武漢RADIUS請求，轉(zhuǎn)由武漢RADIUS負(fù)責(zé)處理全網(wǎng)業(yè)務(wù)。為終端設(shè)備減少對故障RAD IU S訪問請求，由北京核心網(wǎng)機(jī)房負(fù)責(zé)斷開北京RADIUS與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，故障恢復(fù)后再將北京RADIUS入網(wǎng)。

未來RADIUS的冗余和工作方案需要隨著GGSN冗余方案進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，并需要對RADIUS設(shè)備進(jìn)行功能升級和補(bǔ)強(qiáng)。

3.5 GROS冗余方案

GROS設(shè)備的冗余可維持現(xiàn)網(wǎng)結(jié)構(gòu)不變?，F(xiàn)網(wǎng)GROS設(shè)備采用異地冗余設(shè)置，北京、武漢各設(shè)置1套。每套GROS服務(wù)器配置雙臺服務(wù)器、雙臺數(shù)據(jù)庫，兩臺服務(wù)器采用浮動地址機(jī)制，主用服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫故障時，備用服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫自動切換為主用，如圖7所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用主從單向?qū)崟r同步方式。正常情況下，由北京GROS負(fù)責(zé)處理全網(wǎng)業(yè)務(wù)，當(dāng)北京GROS發(fā)生故障后，由武漢GROS判斷并自動成為主用，保證業(yè)務(wù)處理不受影響，此時武漢GROS接替北京GROS工作；當(dāng)北京GROS故障恢復(fù)后，自動恢復(fù)為主用，并自動完成故障發(fā)生期間的數(shù)據(jù)庫更新。各路局GRIS設(shè)置北京和武漢兩個GROS IP地址，當(dāng)判斷CIR越界或收到CIR查詢當(dāng)前GRIS IP消息時，同時向北京、武漢GROS發(fā)送C IR當(dāng)前GR IS IP地址查詢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，主用GROS對查詢業(yè)務(wù)進(jìn)行響應(yīng)，備用GROS除記錄日志外不作業(yè)務(wù)處理。

3.6 GRIS冗余方案

鐵路現(xiàn)網(wǎng)中，所有GRIS設(shè)備均有熱備份機(jī)制，未來可考慮在已建GR IS設(shè)備的節(jié)點（除北京外）增設(shè)一套GR IS設(shè)備，在未建節(jié)點新設(shè)兩套GR IS設(shè)備，其中一套用于連接CTC等行車有關(guān)的系統(tǒng)，另一套用于連接維護(hù)監(jiān)測類系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

對鐵路GPRS系統(tǒng)進(jìn)行冗余備份可以大幅提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并且可以給網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理提供極大的方便。在研究其冗余備份時，仍有許多問題需要進(jìn)一步解決，比如若采用了SGSN POOL和GGSN POOL方案，Gb接口和Gn接口協(xié)議規(guī)范都會發(fā)生重大變化，對現(xiàn)有的傳輸方式很難滿足這種變化，從而從客觀上提出全網(wǎng)IP化的需求，這將會是個規(guī)模大周期長的改造工程，此外，還需要進(jìn)行新的互聯(lián)互通測試等。這些問題都為未來鐵路GPRS系統(tǒng)的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。

[1] 3GPP TS 23.236 V9.0.0 (2009-12) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects;Intra-domain connection of Radio Access Network (RAN) nodes to multiple Core Network (CN) nodes (Release 9）[S].

[2]韓斌杰.GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[3]鐘章隊,李旭,蔣文怡.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.

[4]鐵路移動通信網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃.

[5] GSM-R數(shù)字移動通信通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）系統(tǒng)技術(shù)條件.

[6]尹毅.鐵路GSM_R通信網(wǎng)冗余保護(hù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2010.