鐵路GPRS系統冗余備份的研究

高婷婷（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

鐵路綜合數字移動通信系統（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GSM平臺上的、專門為滿足鐵路應用而開發的數字式無線通信系統。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。

鐵路GSM-R數字移動通信通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）系統（以下簡稱鐵路GPRS系統），是在現有的GSM-R無線網絡基礎上，增加新的分組交換網絡設備實現的。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據傳輸通道，需要傳輸數據時才占用信道，從而提高了資源利用率，特別適用于間斷、突發性、頻繁、數據量小的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。在歐洲GSM-R標準體系中并沒有將GPRS技術應用到鐵路通信中。我國鐵路先于歐洲發展基于GSM-R的GPRS業務，是根據運輸對通信業務需求量大、但頻率資源緊張的實際情況而進行的技術決策。我國鐵路GPRS系統可以為鐵路提供非安全無線數據傳輸業務，這些業務具有業務點移動性強、業務點分散、非周期間斷傳輸、容量小但頻繁、數據傳輸實時性要求不高等特點，如鐵路運行調度信息、鐵路設施維護管理信息、旅客服務信息以及其他服務信息。由此可見，一旦鐵路GPRS系統發生故障，會對鐵路的日常運輸組織帶來嚴重影響，因此需要考慮對其進行有效地冗余保護。

高婷婷，女，碩士畢業于北京交通大學，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網絡優化工作，擔任哈大客運通信系統設計、無線系統集成專業負責人，參與哈大客專無線通信系統集成工作，并參與多項GSM-R系統的相關科研、設計工作。

2 鐵路GPRS系統網絡發展現狀

鐵路GPRS系統分為核心層及無線接入層。GGSN、SGSN、DNS和RAD IU S通過GPRS數據網（IP網絡）互聯，構成鐵路GPRS系統的核心層。無線接入層由BSC/PCU、基站、終端等組成。鐵路GPRS系統通過GPRS接口服務器（GR IS）與鐵路應用系統連接，實現與鐵路應用系統的互聯。同時GPRS歸屬服務器（GROS）與GPRS網絡連接，配合GPRS接口服務器實現了車地之間各種分組數據信息的傳輸。

鐵路GPRS系統的邏輯結構如圖1所示。

全路GPRS核心網和移動交換中心同步建設，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、濟南、西寧、拉薩、上海、哈爾濱、沈陽、鄭州等14個GPRS核心網節點己建成；蘭州、烏魯木齊、昆明、南寧、呼和浩特5個節點GPRS核心網工程已經立項。

在建成的節點中，武漢、廣州、太原、西安、成都、南昌、濟南、上海、鄭州、沈陽、哈爾濱等節點各配置了1套SGSN、GGSN設備。北京設置了1套SGSN、2套GGSN設備，其中1套GGSN為主用，另外1套為備用；青藏線在西寧、拉薩各設置1套SGSN設備，在西寧設置1套GGSN設備。

武漢、廣州、太原、西安、鄭州、成都、沈陽、南昌、濟南、上海、蘭州、呼和浩特、哈爾濱等節點各設置了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，其他節點GR IS接入本局GGSN；北京設置了2套GR IS設備，其中1套用于石太高速線，另外1套用于京津城際；青藏線在西寧設置了1套GRIS。

3 鐵路GPRS系統設備冗余方案

隨著GSM-R網絡的大規模建設，鐵路GPRS系統也得到了快速發展，目前除CTCS-3列控、機車同步操控和調車機車監控信息傳送等業務外的其他數據業務，均采用分組域數據業務實現。因此急需建立GPRS系統的冗余備份機制提高網絡的安全性和可靠性。GPRS系統冗余方案的確定，應考慮以下幾方面因素。

1）應能在無法預計的外部事件情況下（如地震、火災、恐怖襲擊）提供冗余；

2）冗余使定期維護不對網絡運營產生影響；

3）冗余的GSM-R網絡應保證故障對CTCS-3數據業務通信、點對點話音通信及組呼通信影響時間最短；

4）冗余備份方案要結合網絡建設的現狀；5）研究適合鐵路應用的新技術；

6）綜合考慮性價比，以較少的投資獲得較高的系統性能。

3.1 GGSN冗余方案

目前GPRS核心網絡中，GGSN設備已實現了板件級冗余備份，關鍵單板（路由交換板、業務處理板、電源板等）1+1備份或負荷分擔方式，均支持在線插拔和熱備份功能，當主用單板故障或拔出時，備用單板立即自動倒換成主用，使得業務流程不受影響。在設備級層面，目前只有北京節點設置兩套GGSN，采用1+1備份方式。當主用GGSN故障時，需要切換到備用GGSN，并重新進行DNS注冊和無線側的PDP（分組數據協議）激活，會發生業務中斷。除北京外其他節點的GGSN設備并沒有設備級的冗余備份機制。

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，當本局GGSN故障時，需人工干預，將SGSN路由指向鄰局的GGSN，具體實現方式如下。

1）DNS設備上修改APN（接入點名稱）的指向，使之前到本局GGSN的路由數據改為指向鄰局GGSN，實現GGSN設備層面的冗余；

2）RADIUS設備上修改鄰局GGSN所對應的IP地址池，如果GGSN設備上保存有IP地址池，也需要做相應修改。

當本局GGSN設備恢復正常時，在DNS、RADIUS設備上恢復至故障前數據。此備份方法可實現GGSN的冗余備份，不需要對現網設備升級改造，影響范圍小。但這種跨局的GGSN互為備份可能需要對GGSN設備的用戶容量進行擴容，并在相應的設備側預留端口、通道，同時也可能會帶來終端被叫路由沖突問題，需要對路由方式進行調整。

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，當一個GGSN故障時，由POOL中其他的GGSN接管故障GGSN的業務，從而保證終端用戶可以通過新的路徑建立數據通道，訪問業務網絡。其技術實現要求主要通過APN的選擇功能來選擇池中不同的服務GGSN，路由SGSN的消息和數據到特定的GGSN。對于同一個A PN可以設置不同的組對應不同的優先級，從而根據優先級來選擇不同的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，可以運行在負荷分擔的方式，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務網絡。

GGSN POOL方案在公網中已有商用案例。根據鐵路業務需求和《鐵路移動通信網發展規劃》，鐵路GPRS系統GGSN冗余可以采取在近期進行鄰局備份，遠期根據相關標準、應用和分組域承載業務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核心網絡中，SGSN設備也已實現板件級冗余備份，關鍵單板（控制、電源、時鐘、處理單板等）采用1+1備份或負荷分擔方式，接口板采用N+1冗余備份方式，提高了系統的可靠性。但全路SGSN設備均沒有設備級的冗余備份機制。

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設備配置到鄰局SGSN的備用通道，正常情況下不使用。如果當前服務的SGSN設備或鏈路發生故障時，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設備同時重新配置Gb口數據，并在DNS設備上臨時修改路由指向數據。該操作只能在故障發生后執行，當故障設備恢復正常時，重新倒回至原有通道并修改相關數據，同時在備份SGSN上刪除故障局的所有用戶數據，故障局用戶需重新附著。SGSN鄰局備份技術實現上不需要改造現網設備，但可能需要對SGSN設備的用戶容量進行擴容，同時在BSC/PCU、SGSN側預留相應端口、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，當主用SGSN故障，無需人工干預，備份SGSN會自動接替故障SGSN的業務。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務的情況下，通過操作命令將業務倒換至備用SGSN。N＋1備份方案無需升級現網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，采用負荷分擔的工作方式實現備份功能。SGSN POOL基于Iu F lex（按照3GPP規范定義，Iu Flex為Iu Flex與Gb Flex的統稱）技術，SGSN POOL區內包含多個SGSN并行工作，共同分擔區內的業務，移動臺在區內漫游時，無需改變其服務的SGSN節點，減少了核心網節點間的信令處理。當一個SGSN故障時，由其他SGSN節點承擔其業務，提高了網絡的可靠性，如圖4所示。

SGSN POOL技術實現了實時容災備份能力，增大了每個SGSN的服務區域，信令流程減少，減少了系統負荷，系統間路由區更新減少，有利于提升系統性能；對于無線側設備來說，可同時連接多個SGSN，提高了系統的可靠性，實現設備間的負荷均衡，減少了維護升級的影響。現有設備升級后即可實現，不需要考慮新上設備及配套工程，對現有核心網其他設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，如果仍然采用E1方式，SGSN上所需的E1接口數量將增加一倍至數倍，將會極大的浪費傳輸資源，然而目前現網PCU都不支持Gb over IP，這勢必又帶來大規模的PCU升級。

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

3.3 DNS冗余方案

鐵路GPRS系統的DNS設備采用異地冗余設置，北京、武漢各設置1套，每套DN S配置雙臺服務器、一臺數據庫，正常情況下主用服務器工作，備用服務器熱備；兩地DN S設備采用主備方式工作，全網SGSN、GR IS將北京DN S設置為首選DNS，將武漢DNS設置為次選DNS，如圖5所示。

當北京DNS故障時，SGSN、GR IS自動嘗試向武漢DNS請求，轉由武漢DNS負責處理全網業務。為減少終端設備對故障DNS設備訪問，由北京核心網機房負責斷開北京DNS與GPRS網絡連接，故障恢復后再將北京DNS設備入網。

未來DN S的冗余和工作方案需要隨著SGSN冗余方案進行相應的調整，完善并改進DNS功能，增設DNS網管設備，增加統計分析功能。

3.4 RADIUS冗余方案

鐵路GPRS系統的RAD IU S設備采用異地冗余設置，北京、武漢各設置1套，每套RAD IU S配置雙臺A A A服務器、一套數據庫，正常情況下主用服務器工作，備用服務器熱備；RA D IU S設備采用主備方式，全網GGSN將北京RADIUS設置為首選RADIUS，將武漢RADIUS設置為次選RADIUS，如圖6所示。

當北京RADIUS故障，即GGSN向RADIUS請求沒有響應時，終端設備自動嘗試向武漢RADIUS請求，轉由武漢RADIUS負責處理全網業務。為終端設備減少對故障RAD IU S訪問請求，由北京核心網機房負責斷開北京RADIUS與GPRS網絡連接，故障恢復后再將北京RADIUS入網。

未來RADIUS的冗余和工作方案需要隨著GGSN冗余方案進行相應地調整，并需要對RADIUS設備進行功能升級和補強。

3.5 GROS冗余方案

GROS設備的冗余可維持現網結構不變。現網GROS設備采用異地冗余設置，北京、武漢各設置1套。每套GROS服務器配置雙臺服務器、雙臺數據庫，兩臺服務器采用浮動地址機制，主用服務器/數據庫故障時，備用服務器/數據庫自動切換為主用，如圖7所示。

系統數據采用主從單向實時同步方式。正常情況下，由北京GROS負責處理全網業務，當北京GROS發生故障后，由武漢GROS判斷并自動成為主用，保證業務處理不受影響，此時武漢GROS接替北京GROS工作；當北京GROS故障恢復后，自動恢復為主用，并自動完成故障發生期間的數據庫更新。各路局GRIS設置北京和武漢兩個GROS IP地址，當判斷CIR越界或收到CIR查詢當前GRIS IP消息時，同時向北京、武漢GROS發送C IR當前GR IS IP地址查詢業務數據，主用GROS對查詢業務進行響應，備用GROS除記錄日志外不作業務處理。

3.6 GRIS冗余方案

鐵路現網中，所有GRIS設備均有熱備份機制，未來可考慮在已建GR IS設備的節點（除北京外）增設一套GR IS設備，在未建節點新設兩套GR IS設備，其中一套用于連接CTC等行車有關的系統，另一套用于連接維護監測類系統。

4 結束語

對鐵路GPRS系統進行冗余備份可以大幅提高網絡的可靠性，并且可以給網絡的維護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接口協議規范都會發生重大變化，對現有的傳輸方式很難滿足這種變化，從而從客觀上提出全網IP化的需求，這將會是個規模大周期長的改造工程，此外，還需要進行新的互聯互通測試等。這些問題都為未來鐵路GPRS系統的發展提出了挑戰。

[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原理及其網絡優化[M].北京：機械工業出版社, 2003.

[3]鐘章隊,李旭,蔣文怡.鐵路綜合數字移動通信系統(GSM-R)[M].北京：中國鐵道出版社, 2003.

[4]鐵路移動通信網發展規劃.

[5] GSM-R數字移動通信通用分組無線業務（GPRS）系統技術條件.

[6]尹毅.鐵路GSM_R通信網冗余保護與業務應用研究[D]. 北京：北京郵電大學，2010.