铁路GPRS系统冗余备份的研究

高婷婷（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）是一种基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系统。目前我国建成或在建的高速铁路、客运专线均采用了GSM-R技术。

铁路GSM-R数字移动通信通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）系统（以下简称铁路GPRS系统），是在现有的GSM-R无线网络基础上，增加新的分组交换网络设备实现的。GPRS引入了分组交换的传输模式，在这种方式下，用户共享一个分组数据传输通道，需要传输数据时才占用信道，从而提高了资源利用率，特别适用于间断、突发性、频繁、数据量小的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。在欧洲GSM-R标准体系中并没有将GPRS技术应用到铁路通信中。我国铁路先于欧洲发展基于GSM-R的GPRS业务，是根据运输对通信业务需求量大、但频率资源紧张的实际情况而进行的技术决策。我国铁路GPRS系统可以为铁路提供非安全无线数据传输业务，这些业务具有业务点移动性强、业务点分散、非周期间断传输、容量小但频繁、数据传输实时性要求不高等特点，如铁路运行调度信息、铁路设施维护管理信息、旅客服务信息以及其他服务信息。由此可见，一旦铁路GPRS系统发生故障，会对铁路的日常运输组织带来严重影响，因此需要考虑对其进行有效地冗余保护。

高婷婷，女，硕士毕业于北京交通大学，助理工程师。主要研究方向为无线通信，曾参与京沪客专GSM-R网络优化工作，担任哈大客运通信系统设计、无线系统集成专业负责人，参与哈大客专无线通信系统集成工作，并参与多项GSM-R系统的相关科研、设计工作。

2 铁路GPRS系统网络发展现状

铁路GPRS系统分为核心层及无线接入层。GGSN、SGSN、DNS和RAD IU S通过GPRS数据网（IP网络）互联，构成铁路GPRS系统的核心层。无线接入层由BSC/PCU、基站、终端等组成。铁路GPRS系统通过GPRS接口服务器（GR IS）与铁路应用系统连接，实现与铁路应用系统的互联。同时GPRS归属服务器（GROS）与GPRS网络连接，配合GPRS接口服务器实现了车地之间各种分组数据信息的传输。

铁路GPRS系统的逻辑结构如图1所示。

全路GPRS核心网和移动交换中心同步建设，共计19个，即18个路局所在地和拉萨。目前北京、武汉、广州、太原、西安、成都、南昌、济南、西宁、拉萨、上海、哈尔滨、沈阳、郑州等14个GPRS核心网节点己建成；兰州、乌鲁木齐、昆明、南宁、呼和浩特5个节点GPRS核心网工程已经立项。

在建成的节点中，武汉、广州、太原、西安、成都、南昌、济南、上海、郑州、沈阳、哈尔滨等节点各配置了1套SGSN、GGSN设备。北京设置了1套SGSN、2套GGSN设备，其中1套GGSN为主用，另外1套为备用；青藏线在西宁、拉萨各设置1套SGSN设备，在西宁设置1套GGSN设备。

武汉、广州、太原、西安、郑州、成都、沈阳、南昌、济南、上海、兰州、呼和浩特、哈尔滨等节点各设置了1套GR IS，其中郑州、兰州GR IS接入西安GGSN，呼和浩特GR IS接入北京GGSN，其他节点GR IS接入本局GGSN；北京设置了2套GR IS设备，其中1套用于石太高速线，另外1套用于京津城际；青藏线在西宁设置了1套GRIS。

3 铁路GPRS系统设备冗余方案

随着GSM-R网络的大规模建设，铁路GPRS系统也得到了快速发展，目前除CTCS-3列控、机车同步操控和调车机车监控信息传送等业务外的其他数据业务，均采用分组域数据业务实现。因此急需建立GPRS系统的冗余备份机制提高网络的安全性和可靠性。GPRS系统冗余方案的确定，应考虑以下几方面因素。

1）应能在无法预计的外部事件情况下（如地震、火灾、恐怖袭击）提供冗余；

2）冗余使定期维护不对网络运营产生影响；

3）冗余的GSM-R网络应保证故障对CTCS-3数据业务通信、点对点话音通信及组呼通信影响时间最短；

4）冗余备份方案要结合网络建设的现状；5）研究适合铁路应用的新技术；

6）综合考虑性价比，以较少的投资获得较高的系统性能。

3.1 GGSN冗余方案

目前GPRS核心网络中，GGSN设备已实现了板件级冗余备份，关键单板（路由交换板、业务处理板、电源板等）1+1备份或负荷分担方式，均支持在线插拔和热备份功能，当主用单板故障或拔出时，备用单板立即自动倒换成主用，使得业务流程不受影响。在设备级层面，目前只有北京节点设置两套GGSN，采用1+1备份方式。当主用GGSN故障时，需要切换到备用GGSN，并重新进行DNS注册和无线侧的PDP（分组数据协议）激活，会发生业务中断。除北京外其他节点的GGSN设备并没有设备级的冗余备份机制。

对于未来的GGSN冗余可以考虑两种方案，即邻局备份和GGSN POOL备份。

邻局备份方案中，当本局GGSN故障时，需人工干预，将SGSN路由指向邻局的GGSN，具体实现方式如下。

1）DNS设备上修改APN（接入点名称）的指向，使之前到本局GGSN的路由数据改为指向邻局GGSN，实现GGSN设备层面的冗余；

2）RADIUS设备上修改邻局GGSN所对应的IP地址池，如果GGSN设备上保存有IP地址池，也需要做相应修改。

当本局GGSN设备恢复正常时，在DNS、RADIUS设备上恢复至故障前数据。此备份方法可实现GGSN的冗余备份，不需要对现网设备升级改造，影响范围小。但这种跨局的GGSN互为备份可能需要对GGSN设备的用户容量进行扩容，并在相应的设备侧预留端口、通道，同时也可能会带来终端被叫路由冲突问题，需要对路由方式进行调整。

GGSN POOL方案中，多个GGSN组成一个资源池。在用户激活时，SGSN在GGSN POOL中选择一个GGSN激活用户，当一个GGSN故障时，由POOL中其他的GGSN接管故障GGSN的业务，从而保证终端用户可以通过新的路径建立数据通道，访问业务网络。其技术实现要求主要通过APN的选择功能来选择池中不同的服务GGSN，路由SGSN的消息和数据到特定的GGSN。对于同一个A PN可以设置不同的组对应不同的优先级，从而根据优先级来选择不同的GGSN作为接入点,如图2所示。

其中，GGSN POOL中的每个GGSN可以部署在同一个局点中，也可以部署在不同地点的局点中；GGSN POOL中的GGSN之间，可以运行在负荷分担的方式，也可以运行在主备的方式。需要保证的是SGSN可以访问到GGSN POOL中的所有GGSN，并可以与之正常通信；同样的，GGSN POOL中的GGSN也可以访问到完全一致或者兼容的业务网络。

GGSN POOL方案在公网中已有商用案例。根据铁路业务需求和《铁路移动通信网发展规划》，铁路GPRS系统GGSN冗余可以采取在近期进行邻局备份，远期根据相关标准、应用和分组域承载业务的重要程度考虑是否采用GGSN POOL的冗余方案。

3.2 SGSN冗余方案

目前GPRS核心网络中，SGSN设备也已实现板件级冗余备份，关键单板（控制、电源、时钟、处理单板等）采用1+1备份或负荷分担方式，接口板采用N+1冗余备份方式，提高了系统的可靠性。但全路SGSN设备均没有设备级的冗余备份机制。

SGSN的冗余可以考虑邻局备份、SGSN N+1备份和SGSN Pool备份3种方式。

SGSN的邻局备份方案与GGSN的邻居备份方案类似，邻局SGSN互为备份，本局所有BSC/PCU设备配置到邻局SGSN的备用通道，正常情况下不使用。如果当前服务的SGSN设备或链路发生故障时，将BSC/PCU的Gb接口人工倒换至备用通道；同时，需要在BSC/PCU和备份SGSN设备同时重新配置Gb口数据，并在DNS设备上临时修改路由指向数据。该操作只能在故障发生后执行，当故障设备恢复正常时，重新倒回至原有通道并修改相关数据，同时在备份SGSN上删除故障局的所有用户数据，故障局用户需重新附着。SGSN邻局备份技术实现上不需要改造现网设备，但可能需要对SGSN设备的用户容量进行扩容，同时在BSC/PCU、SGSN侧预留相应端口、通道。

SGSN N＋1备份方案是由n个主用SGSN及其一个备份SGSN组成，该备份SGSN为n个主用SGSN提供备份。备份SGSN自动检测主用SGSN状态，当主用SGSN故障，无需人工干预，备份SGSN会自动接替故障SGSN的业务。该方案同时支持手工倒换模式，如在主用SGSN在版本升级等可能影响业务的情况下，通过操作命令将业务倒换至备用SGSN。N＋1备份方案无需升级现网PCU，只需要PCU分别部署到主备SGSN的Gb接口链路，正常运行时PCU到主备SGSN的链路都正常使用，传输资源利用率高。但备用SGSN出现故障时，该方案将不起作用，如图3所示。

在SGSN POOL备份方案中，多个SGSN共同组成一个资源池，资源池内的所有SGSN可以部署在同一个局点中，也可以部署在不同地点的局点中，采用负荷分担的工作方式实现备份功能。SGSN POOL基于Iu F lex（按照3GPP规范定义，Iu Flex为Iu Flex与Gb Flex的统称）技术，SGSN POOL区内包含多个SGSN并行工作，共同分担区内的业务，移动台在区内漫游时，无需改变其服务的SGSN节点，减少了核心网节点间的信令处理。当一个SGSN故障时，由其他SGSN节点承担其业务，提高了网络的可靠性，如图4所示。

SGSN POOL技术实现了实时容灾备份能力，增大了每个SGSN的服务区域，信令流程减少，减少了系统负荷，系统间路由区更新减少，有利于提升系统性能；对于无线侧设备来说，可同时连接多个SGSN，提高了系统的可靠性，实现设备间的负荷均衡，减少了维护升级的影响。现有设备升级后即可实现，不需要考虑新上设备及配套工程，对现有核心网其他设备硬件配置影响较小。但该方案的实施需要以Gb传输IP化为前提，因为每个PCU要与POOL中所有SGSN互联，如果仍然采用E1方式，SGSN上所需的E1接口数量将增加一倍至数倍，将会极大的浪费传输资源，然而目前现网PCU都不支持Gb over IP，这势必又带来大规模的PCU升级。

综上考虑，建议全网首先考虑进行邻局备份或者N＋1备份方案，同时研究SGSN POOL技术，待技术成熟后可考虑采用SGSN POOL备份方案。

3.3 DNS冗余方案

铁路GPRS系统的DNS设备采用异地冗余设置，北京、武汉各设置1套，每套DN S配置双台服务器、一台数据库，正常情况下主用服务器工作，备用服务器热备；两地DN S设备采用主备方式工作，全网SGSN、GR IS将北京DN S设置为首选DNS，将武汉DNS设置为次选DNS，如图5所示。

当北京DNS故障时，SGSN、GR IS自动尝试向武汉DNS请求，转由武汉DNS负责处理全网业务。为减少终端设备对故障DNS设备访问，由北京核心网机房负责断开北京DNS与GPRS网络连接，故障恢复后再将北京DNS设备入网。

未来DN S的冗余和工作方案需要随着SGSN冗余方案进行相应的调整，完善并改进DNS功能，增设DNS网管设备，增加统计分析功能。

3.4 RADIUS冗余方案

铁路GPRS系统的RAD IU S设备采用异地冗余设置，北京、武汉各设置1套，每套RAD IU S配置双台A A A服务器、一套数据库，正常情况下主用服务器工作，备用服务器热备；RA D IU S设备采用主备方式，全网GGSN将北京RADIUS设置为首选RADIUS，将武汉RADIUS设置为次选RADIUS，如图6所示。

当北京RADIUS故障，即GGSN向RADIUS请求没有响应时，终端设备自动尝试向武汉RADIUS请求，转由武汉RADIUS负责处理全网业务。为终端设备减少对故障RAD IU S访问请求，由北京核心网机房负责断开北京RADIUS与GPRS网络连接，故障恢复后再将北京RADIUS入网。

未来RADIUS的冗余和工作方案需要随着GGSN冗余方案进行相应地调整，并需要对RADIUS设备进行功能升级和补强。

3.5 GROS冗余方案

GROS设备的冗余可维持现网结构不变。现网GROS设备采用异地冗余设置，北京、武汉各设置1套。每套GROS服务器配置双台服务器、双台数据库，两台服务器采用浮动地址机制，主用服务器/数据库故障时，备用服务器/数据库自动切换为主用，如图7所示。

系统数据采用主从单向实时同步方式。正常情况下，由北京GROS负责处理全网业务，当北京GROS发生故障后，由武汉GROS判断并自动成为主用，保证业务处理不受影响，此时武汉GROS接替北京GROS工作；当北京GROS故障恢复后，自动恢复为主用，并自动完成故障发生期间的数据库更新。各路局GRIS设置北京和武汉两个GROS IP地址，当判断CIR越界或收到CIR查询当前GRIS IP消息时，同时向北京、武汉GROS发送C IR当前GR IS IP地址查询业务数据，主用GROS对查询业务进行响应，备用GROS除记录日志外不作业务处理。

3.6 GRIS冗余方案

铁路现网中，所有GRIS设备均有热备份机制，未来可考虑在已建GR IS设备的节点（除北京外）增设一套GR IS设备，在未建节点新设两套GR IS设备，其中一套用于连接CTC等行车有关的系统，另一套用于连接维护监测类系统。

4 结束语

对铁路GPRS系统进行冗余备份可以大幅提高网络的可靠性，并且可以给网络的维护管理提供极大的方便。在研究其冗余备份时，仍有许多问题需要进一步解决，比如若采用了SGSN POOL和GGSN POOL方案，Gb接口和Gn接口协议规范都会发生重大变化，对现有的传输方式很难满足这种变化，从而从客观上提出全网IP化的需求，这将会是个规模大周期长的改造工程，此外，还需要进行新的互联互通测试等。这些问题都为未来铁路GPRS系统的发展提出了挑战。

[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]韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社, 2003.

[3]钟章队,李旭,蒋文怡.铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)[M].北京：中国铁道出版社, 2003.

[4]铁路移动通信网发展规划.

[5] GSM-R数字移动通信通用分组无线业务（GPRS）系统技术条件.

[6]尹毅.铁路GSM_R通信网冗余保护与业务应用研究[D]. 北京：北京邮电大学，2010.