CN109511099B - 一种tau主备切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种TAU主备切换方法，通过在EPC维护TAU数据表，实现TAU冗余备份时的主备切换，所述TAU数据表包括车载系统IP地址与IMSI号的映射关系、TAU的在线状态、TAU优先级；EPC收到应用服务器下发的数据包后，根据目的地址，查找TAU数据表确定能够下发数据的主备TAU，再根据TAU是否在线和优先级，选择无线链路1或无线链路2，将下发数据发给对应的TAU，再经TAU转发到车载系统；主备TAU依据VRRP协议确定正常工作TAU，TAU收到车载系统发给应用服务器的数据后，通过对应的无线链路，上发到应用服务器；同时，无线链路与有线链路状态实施关联操作，提高切换速度和可靠性。

Description

一种TAU主备切换方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种TAU(Train Access Unit，车载接入单元)与EPC(Evolved Packet Core，演进型分组核心网)配合实现TAU主备切换的方法。

背景技术

LTE(Long Term Evolution，长期演进)系统因其带宽可灵活配置、传输速率高、时延小、系统结构简单以及高移动性、远距离覆盖和无缝切换等特性，越来越受到行业用户的青睐。如城市轨道交通中采用LTE技术，为CBTC(Communication Based Train ControlSystem，列车自动控制系统)、PIS(Passenger Information System，乘客信息系统)、CCTV(Close Circuit Television，无线车载视频监控)提供车地双向无线数据传输。为满足行业应用中高可靠性要求，网络设备及系统须具备在线故障恢复能力，关键设备、线路要做到实时备份和故障自动切换。TAU作为轨道交通车地无线通信系统中的一个重要环节，也必须支持实时备份和故障自动切换。图1为LTE系统在轨道交通中车地无线通信应用示意图。

如图1所示，CBTC、PIS等应用服务器通过交换机与LTE系统的EPC连接，将应用数据接入LTE系统；BBU(Building Baseband Unit基带处理单元)和RRU(Remote Radio Unit射频拉远单元)构成LTE基站系统；根据无线信号的覆盖要求，在隧道内布置RRU设备，延伸无线覆盖，保证与车载无线设备TAU间通信质量；车载CBTC、PIS等系统，通过交换机与TAU连接，接收各应用服务器提供的信息和向服务器发送列车信息，即可通过LTE系统实现车地双向无线数据传输。

图1所示的TAU1、TAU2构成TAU实时备份，提高LTE系统通信可靠性，同时为降低系统容量，主备TAU同时只有一台进行数据传输。

主备TAU的引入，LTE系统在CBTC等服务器与CBTC等车载系统间建立了多条LTE链路：主TAU的链路1(无线链路1+有线链路1)和备TAU的链路2(无线链路2+有线链路2)，如图2所示：

如果链路1中的无线链路1故障，CBTC等车载系统需要将上发数据通过有线链路2发给备TAU，再通过无线链路2发给EPC，最后达到CBTC等服务器；同时EPC必须将CBTC等服务器的下发数据通过无线链路2发给备TAU，再由备TAU通过有线链路2发给CBTC等车载系统。否则，如果CBTC等车载系统继续将上发数据通过有线链路1发给主TAU，因无线链路1故障，必将造成CBTC等服务器与CBTC等车载系统间通信中断。

同理，如果链路1中的有线链路1故障，CBTC等车载系统需要将上发数据通过有线链路2发给备TAU，再通过无线链路2发给EPC，最后到达CBTC等服务器；同时EPC必须将CBTC等服务器的下发数据通过无线链路2发给备TAU，再由备TAU通过有线链路2发给CBTC等车载系统。否则，如果EPC继续将CBTC等服务器的下发数据通过无线链路1发给主TAU，因有线链路1故障，同样必将造成CBTC等服务器与CBTC等车载系统间通信中断。

因此，需要TAU与EPC配合，能根据链路状态，为CBTC等服务器与CBTC等车载系统间通信提供可靠链路，满足CBTC、PIS等业务需求。

现有解决方案是TAU端采用VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol虚拟路由冗余协议)实现有线链路1、2的选择；CBTC等服务器与EPC间的交换机和TAU均支持OSPF(Open Shortest Path First开放式最短路径优先)协议，通过OSPF协议实现无线链路1、2的选择；同时因EPC只能根据TAU的IMSI(International Mobile SubscriberIdentification Number国际移动用户识别码)，确定数据需要发往哪个TAU，不能根据CBTC等服务器下发数据包的目的地址来确定将数据包发往哪个TAU，需要交换机与TAU间采用隧道技术(如GRE，Generic Routing Encapsulation，通用路由封装)等来实现CBTC等服务器与CBTC等车载系统间点对点通信。

现有方案的主要缺点有：1)OSPF需要交换机与TAU之间通过OSPF协议报文来维护和检测无线链路，占用LTE空口带宽，影响CBTC、PIS等业务；2)OSPF路由算法收敛速度慢，切换造成CBTC、PIS业务中断时间长。本专利可无需额外链路状态检测报文，实现链路状态的实时检测和切换。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提供了一种TAU与EPC配合实现TAU主备快速切换的方法。

本发明技术方案提供一种TAU主备切换方法，通过在EPC维护TAU数据表，实现TAU冗余备份时的主备切换，所述TAU数据表包括车载系统IP地址与IMSI号的映射关系、TAU的在线状态、TAU优先级；

EPC收到应用服务器下发的数据包后，根据目的地址，查找TAU数据表确定能够下发数据的主备TAU，再根据TAU是否在线和优先级，选择无线链路1或无线链路2，将下发数据发给对应的TAU，再经TAU转发到车载系统；

主备TAU依据VRRP协议确定正常工作TAU，TAU收到车载系统发给应用服务器的数据后，通过对应的无线链路，上发到应用服务器；

同时，无线链路与有线链路状态实施关联操作，提高切换速度和可靠性。

而且，所述无线链路与有线链路状态实施关联操作，包括在主TAU检测到无线链路1故障时，主动关闭有线链路1；主TAU在检测到有线链路1故障时，主动关闭无线链路1，实现有线链路和无线连接间的关联。

而且，EPC无线链路选择流程实现如下，

EPC首先根据TAU是否在线，再根据TAU优先级选择下发数据的TAU，EPC根据LTE信令和收到的上行数据包来源，确定TAU是否在线；当数据来自备TAU，说明TAU发生了主备切换，主TAU修改为不在线，备TAU为在线；当数据来自主TAU，主TAU为在线，备TAU为不在线。

而且，备TAU链路选择流程实现如下，

系统正常时，备TAU一直处于VRRP报文侦听状态，能收到VRRP报文，说明主TAU工作正常，收不到VRRP报文，判断为主TAU异常，备TAU升级为主TAU，承担数据收发工作。

而且，系统正常时，主TAU承担数据收发工作，并向备TAU周期发送VRRP报文，同时检查无线链路和有线链路状态，实现两者间关联，

如果TAU不能接入LTE网络，说明无线链路异常，需要关闭有线链路，停止向备TAU发送VRRP报文，使备TAU升级为主TAU，承担数据收发；

如果有线链路异常，备TAU无法接收VRRP报文，会升级为主TAU，则原主TAU向EPC发去附着命令，通知EPC，下行无线链路需要切换。

而且，EPC维护的TAU数据表如下，

本发明的技术方案的优点在于：

1)根据LTE系统信令，判断无线链路状态，与OSPF方案相比，无需增加额外的链路状态维护和检测报文，不增加LTE系统空口业务负担；

2)根据LTE系统信令，判断无线链路状态后，可实时完成无线链路的切换，切换速度快于OSPF路由算法的收敛速度，切换对CBTC等业务的影响小；

3)无需支持OSFP协议，降低对交换机要求，简化TAU设计，降低系统成本。

附图说明

图1为LTE车地无线通信系统示意图。

图2为本发明实施例的应用场景示意图。

图3为本发明实施例的EPC无线链路选择流程图。

图4为本发明实施例的备TAU链路选择流程图。

图5为本发明实施例的主TAU链路选择流程图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

TAU继续采用VRRP实现有线链路1、2的选择。

本专利的创新点是在EPC中增加CBTC等车载系统IP地址与IMSI号的映射关系、TAU是否在线、TAU优先级等数据，参见表1，实现无线链路1、2的选择，替代目前的OSPF、隧道技术，实现TAU冗余备份时的主备切换。

EPC收到CBTC等应用服务器下发给CBTC等车载系统的数据包后，根据目的地址，查找TAU数据表确定可下发数据的主备TAU，再根据TAU是否在线和优先级，选择无线链路1、2，将下发数据发给对应的TAU，再经TAU转发到CBTC等车载系统。

主备TAU依据VRRP协议确定正常工作TAU，TAU收到CBTC等车载系统发给CBTC等服务器的数据后，通过对应的无线链路，上发到CBTC等应用服务器。

同时，无线链路与有线链路状态实施关联操作，提高切换速度和可靠性。主TAU检测到无线链路1故障时，主动关闭有线链路1；主TAU在检测到有线链路1故障时，主动关闭无线链路1，实现有线链路和无线连接间的关联。当有线链路1故障，即使主TAU不能检测出故障，也因备TAU收不到主TAU发送的VRRP周期报文，升级为主TAU后，上发CBTC等车载系统发给CBTC等服务器的数据，EPC会根据数据包的来源，修改TAU在线状态，实现有线链路和无线连接间的关联。如果主备TAU均不在线，可通过网管系统发出告警提示。

EPC无线链路选择流程参见图3：EPC首先根据TAU是否在线，再根据TAU优先级选择下发数据的TAU，EPC根据LTE信令，如：TAU附着/去附着，判断TAU是否在线，并修改在线状态。同时也根据收到的上行数据包来源，确定TAU是否在线。数据来自备TAU，说明TAU发生了主备切换，主TAU修改为不在线，备TAU为在线；数据来自主TAU，主TAU为在线，备TAU为不在线。

备TAU链路选择流程参见图4：系统正常时，备TAU一直处于VRRP报文侦听状态，能收到VRRP报文，说明主TAU工作正常，收不到VRRP报文，判断为主TAU异常，备TAU升级为主TAU，承担数据收发工作。

主TAU链路选择流程参见图5：系统正常时，主TAU承担数据收发工作，并向备TAU周期发送VRRP报文，同时检查无线链路和有线链路状态，实现两者间关联：如果TAU不能接入LTE网络，说明无线链路异常，需要关闭有线链路，停止向备TAU发送VRRP报文，使备TAU升级为主TAU，承担数据收发。如果有线链路异常，备TAU无法接收VRRP报文，会升级为主TAU，则原主TAU向EPC发去附着命令，通知EPC，下行无线链路需要切换。

具体实施时，本领域技术人员可采用软件方式实现以上方案的自动运行。

实施例中，为实现无线链路的选择，对EPC维护的TAU数据参见表1：

表1EPC维护的TAU数据表

其中，

TAU组号：EPC将互为主备的TAU划分到同一组，并编号；

IMSI号：TAU的IMSI号；

TAU IP地址：EPC为每个TAU分配的IP；

优先级：主TAU优先级比备TAU的高；

车载系统IP地址：为TAU后接的CBTC、PIS等车载系统的IP地址。

为便于实施参考起见，提供实施例的实现场景说明，包括如下几种情况：

1.主TAU的链路1(无线链路1+有线链路1)和备TAU的链路2(无线链路2+有线链路2)均正常，EPC收到CBTC等服务器下发给CBTC等车载系统的数据包后，根据目的地址，查表，找到可下发数据的主备TAU，这时主备TAU均在线，再根据优先级，将下发数据发给优先级高的主TAU。CBTC等车载系统发给CBTC等服务器的数据，依托TAU端的VRRP协议，可保证数据通过主TAU上发；

2.无线链路1故障，主TAU无法接入LTE网络，关闭有线链路1，主动停止向备TAU发送VRRP周期报文，备TAU收不到VRRP周期报文，升级为主TAU，CBTC等车载系统的上发数据将通过已升级为主TAU的原备TAU上发。同时无线链路1故障，EPC判断主TAU不在线，修改TAU数据表中主TAU在线标识为不在线，EPC收到CBTC等服务器的下发数据后，查表，找到可下发数据的主备TAU，这时主TAU不在线，将下发数据发给备TAU，完成TAU主备切换；

3.无线链路1恢复，主TAU正常接入LTE网络后，向备TAU发送VRRP周期报文，备TAU收到VRRP周期报文后，降级为备TAU，CBTC等车载系统的上发数据将通过已恢复的主TAU上发。无线链路1恢复，主TAU重新接入LTE网络，EPC在主TAU正常接入后，修改TAU数据表中主TAU在线标识为在线，EPC收到CBTC等服务器的下发数据后，查表，找到可下发数据的主备TAU，这时主备TAU均在线，将下发数据发给优先级高的主TAU，完成TAU备到主的恢复；

4.有线链路1故障，如果主TAU可判断出有线链路1出现故障，如：因TAU有线链路网线没接好或断开，网络接口关闭。主动向LTE系统发去附着信令，通知EPC主TAU已不在线，EPC修改TAU数据表中主TAU在线标识为不在线。因有线链路1故障，备TAU收不到VRRP周期报文，升级为主TAU，CBTC等车载系统的上发数据将通过已升级为主TAU的原备TAU上发。EPC收到CBTC等服务器的下发数据后，查表，找到可下发数据的主备TAU，这时主TAU不在线，将下发数据发给备TAU，完成TAU主备切换；

5.有线链路1故障，即使主TAU无法判断有线链路1故障，如：TAU有线链路网线连接正常，网络接口正常，但主备TAU间通信异常。不能主动向LTE系统发起去附着信令，但备TAU因收不到VRRP周期报文，升级为主TAU，CBTC等车载系统的上发数据将通过已升级为主TAU的原备TAU上发。EPC在收到车载设备数据包后，根据数据来自哪个TAU，检查TAU数据表，这时主备TAU均在线，但数据却来自备TAU，将主TAU在线标识修改为不在线，EPC收到CBTC等服务器的下发数据后，查表，找到可下发数据的主备TAU，这时主TAU不在线，将下发数据发给备TAU，完成TAU主备切换；

6.有线链路1恢复，备TAU收到VRRP周期报文后，降级为备TAU，CBTC等车载系统的上发数据将通过已恢复的主TAU上发。这时如果主TAU能检查到有线链路1恢复，如TAU有线链路网线恢复，网络接口启动，则主动向LTE网络发起接入，重新接入LTE网络，EPC在主TAU接入网络后，修改TAU数据表中主TAU在线标识为在线，EPC收到CBTC等服务器的下发数据后，查表，找到可下发数据的主备TAU，这时主备TAU均在线，根据优先级将下发数据发给主TAU，完成TAU备到主的恢复；

7.有线链路1恢复，备TAU收到VRRP周期报文后，降级为备TAU，CBTC等车载系统的上发数据将通过已恢复的主TAU上发。这时即使主TAU不能检查到有线链路1恢复，如：TAU有线链路网线连接正常，网络接口正常，主备TAU间通信恢复。EPC在收到车载设备数据包后，根据数据来自哪个TAU，查表，这时主TAU不在线，但数据来自主TAU，将主TAU在线标识修改为在线，EPC收到CBTC等服务器的下发数据后，查表，找到可下发数据的主备TAU，这时主备TAU均在线，将下发数据发给优先级高的主TAU，完成TAU备到主的恢复；

具体实施时，可以采用软件技术实现本发明技术方案的自动运行。

以上所述仅为本发明的若干实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种TAU主备切换方法，其特征在于：通过在EPC维护TAU数据表，实现TAU冗余备份时的主备切换，所述TAU数据表包括车载系统IP地址与IMSI号的映射关系、TAU的在线状态、TAU优先级；

EPC收到应用服务器下发的数据包后，根据目的地址，查找TAU数据表确定能够下发数据的主备TAU，再根据TAU是否在线和优先级，选择无线链路1或无线链路2，将下发数据发给对应的TAU，再经TAU转发到车载系统；

主备TAU依据VRRP协议确定正常工作TAU，TAU收到车载系统发给应用服务器的数据后，通过对应的无线链路，上发到应用服务器；

同时，无线链路与有线链路状态实施关联操作，提高切换速度和可靠性；

所述无线链路与有线链路状态实施关联操作，包括在主TAU检测到无线链路1故障时，主动关闭有线链路1；主TAU在检测到有线链路1故障时，主动关闭无线链路1，实现有线链路和无线连接间的关联。

2.根据权利要求1所述TAU主备切换方法，其特征在于：EPC无线链路选择流程实现如下，

EPC首先根据TAU是否在线，再根据TAU优先级选择下发数据的TAU，EPC根据LTE信令和收到的上行数据包来源，确定TAU是否在线；当数据来自备TAU，说明TAU发生了主备切换，主TAU修改为不在线，备TAU为在线；当数据来自主TAU，主TAU为在线，备TAU为不在线。

3.根据权利要求1所述TAU主备切换方法，其特征在于：备TAU链路选择流程实现如下，

系统正常时，备TAU一直处于VRRP报文侦听状态，能收到VRRP报文，说明主TAU工作正常，收不到VRRP报文，判断为主TAU异常，备TAU升级为主TAU，承担数据收发工作。

4.根据权利要求1所述TAU主备切换方法，其特征在于：主TAU链路选择流程如下，

系统正常时，主TAU承担数据收发工作，并向备TAU周期发送VRRP报文，同时检查无线链路和有线链路状态，实现两者间关联，

如果TAU不能接入LTE网络，说明无线链路异常，需要关闭有线链路，停止向备TAU发送VRRP报文，使备TAU升级为主TAU，承担数据收发；

如果有线链路异常，备TAU无法接收VRRP报文，会升级为主TAU，则原主TAU向EPC发去附着命令，通知EPC，下行无线链路需要切换。

5.根据权利要求1或2或3或4所述TAU主备切换方法，其特征在于：EPC维护的TAU数据表包括如下内容，

TAU组号、IMSI号、TAU IP地址、优先级、在线状态和车载系统IP地址。

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