GSM-R承載調度命令信息傳送診斷分析系統

■ 武貴君 蔣文怡

GSM-R承載調度命令信息傳送診斷分析系統

■ 武貴君 蔣文怡

0 引言

根據鐵路部門規劃，我國客運專線、高速鐵路全部采用GSM-R數字移動通信系統作為列車與地面控制中心間的無線通信平臺，并采用調度集中系統（CTC）實現列車調度指揮。隨著國內高速鐵路的大規模建設和陸續開通，CTC系統采用通用分組無線業務（GPRS）方式向機車綜合無線通信設備（CIR）發送調度命令、列車進路預告信息已被廣泛應用，作為行車憑證，調度命令、列車進路預告信息發送的成功與否直接關系行車安全和運輸效率。

在GSM-R網絡應用GPRS業務，具有無線信道利用率高等優點，但同時也存在時延大，可靠性較電路交換（CSD）方式差的缺點。目前由于GPRS分組業務監測分析工具的缺乏，使得運營維護人員不能對調度命令傳送業務進行實時跟蹤監測，業務出現問題或故障后也缺乏有效的故障記錄、分析手段及迅速的解決措施。

1 國內外現狀

歐洲多國雖已采用GSM-R通信系統，但只使用了GSM-R的電路域功能，并沒有將分組域業務應用到鐵路業務中。

我國2006年首次在青藏鐵路上使用GPRS傳輸調度命令等信息。目前我國新建高速鐵路、客運專線、重載鐵路均采用GSM-R承載調度命令信息傳送。

在公眾通信行業，針對GSM的網絡監測技術業已成熟，但是國內外的各種監測設備沒有針對GSM-R專用網絡特點的軟硬件平臺，也沒有針對鐵路調度命令故障診斷分析的產品出現。

信令分析儀不能對采集的信令進行多用戶的識別，對正在傳輸的信令也不具備用戶識別能力，這限制了普通信令分析儀對鐵路特定使用調度命令業務用戶的分析，不利于有針對性地發現問題。

2 技術原理

2.1 概述

CTC與CIR之間交互的數據在傳送過程中，經過的設備與接口較多，并且受無線通信環境的多變性影響較大。目前缺乏監測手段及調度命令故障分析手段。電務部門工作人員在日常維護中發現，針對列車進路預告信息、調度命令信息、無線車次號信息發送失敗的情況，沒有強有力的分析手段，GPRS接口服務器（GRIS）只能判斷出有沒有將CTC的信息發送至網關GPRS支持節點（GGSN），而無法看到之后的信息發送流程，導致維護人員無法準確判斷故障原因。

另外，對于CIR時有發生的附著失敗、分組報文協議（PDP）激活失敗、無法獲取歸屬GRIS IP地址等GSM-R網絡分組域業務故障，也缺乏相應的分析手段，大多數只能采取重啟CIR的方式進行解決，無法深入分析原因，給設備的維護帶來了隱患。

根據GSM-R網絡維修規則要求，需按周、月等時間節點對調度命令、列車進路預告信息的成功率進行統計，并要求對失敗的情況進行具體分析，而目前的設備在這些方面功能較弱，使得維護人員只能通過人工方式進行統計，任務量極大，影響了工作效率。

在此以GPRS網絡的原理分析為基礎，研究GPRS業務流程和信令解碼，對服務GPRS支持節點（SGSN）與基站控制器/分組控制單元（BSC/PCU）之間的接口Gb接口、GGSN與SGSN之間的Gn接口、GGSN與GRIS之間的Gi接口進行協議分析；通過對Gb、Gn、Gi接口進行深入的理論研究、協議棧分析、信令流程分析，結合鐵路運輸實際應用情況，提出適合鐵路業務需求的分組域通信單元跟蹤方案，實現多用戶多目標跟蹤；從調度命令的數據流程和業務特點研究出發，研究故障分析診斷的設計原理和方法；在分析GPRS通信過程、CIR工作流程、CTC調度命令發送工作原理，并根據3GPP協議，對GPRS核心網關鍵接口Gb、Gn、Gi接口信令流程和數據流程進行深入研究，形成調度命令信息傳送智能分析理論。

2.2 GPRS網絡關鍵接口監測及診斷分析技術原理

調度命令信息發送過程中，經過Gb、Gi、Gn三大關鍵信令節點（見圖1）。

通過對GSM-R網絡分組域關鍵接口Gb接口、Gn接口、Gi接口進行信令監測和用戶跟蹤，可實現對CIR的分組域業務狀態及車-地間調度命令傳輸過程的實時跟蹤和監測。從而實現對GSM-R承載調度命令信息的診斷分析。

在理論分析的基礎上，開發GSM-R承載調度命令信息傳送診斷分析系統（簡稱系統）功能軟件，并集成系統的硬件結構。通過對Gb、Gi、Gn接口信令及數據的采集、分析、存儲，實現對車載CIR設備分組域模塊的狀態監測、調度命令信息傳送故障診斷分析、GPRS網絡關鍵技術指標統計功能。本系統是集信令采集分析、應用數據采集分析、在線用戶監視、查詢分析、中斷統計、日志圖表和綜合分析等多種功能為一體的監測分析系統。

3 系統實現方案

技術方案總體結構見圖2。

3.1 信令采集方案

3.1.1 高阻跨接

信令高阻跨接是對七號信令進行采集的方式，在E1（有75 Ω、120 Ω兩種電阻規格）鏈路上加1個電阻遠超過E1本身電阻的高阻設備，以保證在基本不影響信令質量的情況下獲得微弱的信令信號，并加以放大用于監測信令。

高阻跨接的作用就是保證原信令系統的安全，信令監測系統不對主設備產生任何影響：（1）完全獨立于信令網絡及交換設備；（2）不對現有網絡產生任何影響或增加任何負擔。但高阻跨接出來的信號強度會有所降低。

Gb接口為SGSN與PCU之間的2M接口。物理鏈接通過采用標準的2.048 Mb/s脈沖編碼調制（PCM）數字傳輸鏈路。

Gb接口采集設備使用高阻隔離適配器跨接的方式從數字配線架（DDF）一端SGSN與PCU之間的2M接口進行采集，采集設備通過UDP/IP方式將數據和信令發送至處理服務器進行處理。

3.1.2 交換機鏡像

圖1 GSM-R系統GPRS關鍵接口

圖2 技術方案總體結構

端口鏡像（Port Mirroring）是把交換機一個端口或一個虛擬局域網（VLAN）的數據鏡像到一個或多個端口的方法。交換機把某一個端口接收或發送的數據幀完全相同地復制給另一個端口，其中被復制的端口稱為鏡像源端口，復制的端口稱為鏡像目的端口。

當交換機端口被設置為鏡像端口后，接到該端口的主機將無法發送數據包到網內其他機器，為“單向接受”模式。

Gn、Gi接口為RJ45接口。對Gn和Gi接口進行監測時，將GSM-R核心網中分組域GGSN交換機的Gn、Gi VLAN使用交換機鏡像技術映射到單獨的端口。本系統通過網線與鏡像端口進行連接，從而實現對Gn接口和Gi接口數據的采集。

3.2 信令解碼方案

3.2.1 Gb接口信令分析

Gb接口的協議棧見圖3。Gb接口各層定義如下：

（1）第一層：物理層可采用多種接口協議。該層定義了所使用媒體的傳輸特性，Gb接口的物理層是幀中繼網絡，Gb接口的兩端可使用不同類型的物理接口。在我國GSM-R網絡中，Gb接口物理層一般采用E1傳輸，符合G.703規范。

（2）第二層：該層基于幀中繼，在基站子系統（BSS）和SGSN之間要建立幀中繼的虛電路，多個用戶的LLC PDU就建立在虛電路上，虛電路采用永久虛電路（PVC）。

（3）第三層：基站子系統GPRS協議（BSSGP），主要用于提供與無線相關的信息（如QoS、路由信息等），為SGSN和PCU之間的數據傳輸提供流量控制，并提供PCU和SGSN的節點管理功能。

在BSSGP中，還包括BSS部分透傳的移動臺（MS）與SGSN之間交互的邏輯鏈路控制（LLC）、GPRS移動性管理（GMM）、子網匯聚協議（SNDCP）和短消息服務（SMS）等消息。

LLC是基于高速數據鏈路（HDLC）的無線鏈路協議，能夠在MS與SGSN之間提供一條可靠的、加密的邏輯鏈路用于數據傳輸。

SNDCP作為網絡層與鏈路層的過渡，可將網絡級特性映射到底層網絡特性中，完成對用戶數據分段、打包。在該層移動臺和SGSN之間傳遞的數據被分割成一個或多個SNDCP數據分組單元后送入LLC層進行傳輸。

GMM和會話管理（SM）位于BSSGP之上，用于控制SGSN和PCU之間的移動性消息和網絡相關的接入控制。

系統對位于BSSGP之上的GMM和SM信令進行詳細解碼分析，實現對CIR數據模塊的狀態診斷、用戶跟蹤、調度命令業務傳送故障分析。

3.2.2 Gi接口數據分析

Gi接口為分組域數據接口，均傳輸與應用業務相關的數據，無相關信令。其數據協議結構見圖4。

在GSM-R網絡中，Gi接口包含GGSN與GRIS之間接口、GRIS與動態域名解析系統（DNS）之間接口、GGSN與遠程用戶撥號認證系統（RADIUS）之間接口。系統對如上3個接口的信令進行協議分析、用戶跟蹤，實現對GRIS請求DNS業務的分析和成功率統計，實現對GGSN請求RADIUS鑒權業務的分析和成功率統計。

圖3 Gb接口協議棧

圖4 Gi接口協議棧

3.2.3 Gn接口信令分析

Gn接口是GPRS支持節點（GSN）之間的接口。GPRS隧道協議（GTP）是用于GPRS骨干網中GSN節點之間的接口協議。GTP協議由GTP信令和數據傳輸程序組成。GTP協議分類見圖5。

GPRS規范規定了采用無連接路徑協議UDP/IP傳送GTP信令信息，并建議選取UDP/IP無連接路徑或TCP/IP面向連接路徑上建立的隧道傳送用戶分組數據。同時GPRS規范還規定了以GTP為基礎的IP組網技術，包括：SGSN、GGSN、骨干路由器，實現對用戶分組數據的分段處理和執行GTP、UDP或TCP和IP字頭封裝功能。

系統對GTP隧道協議棧進行研究，對Gn接口的信令進行協議分析、用戶跟蹤，實現對GTP隧道協議的解析，對CIR數據模塊的PDP激活事件進行分析和成功率統計。

3.3 診斷分析方案

在調度命令信息傳送系統中，調度命令信息傳送成功與否主要取決于以下幾個方面：

（1）CIR分組數據模塊的GPRS狀態是否正常；

（2）調度命令信息傳送過程中經過的各個接口信令流程是否正常；

（3）CIR分組數據模塊信令的鑒權信息是否正確；

（4）CIR分組數據模塊傳輸的應用信息格式及內容是否正確。

因此，本系統診斷分析技術方案也依據以上情景進行分析。

4 總結

4.1 提出基于數據流跟蹤的故障診斷解決方案

針對調度命令傳輸過程點多面廣、經過設備分散的特殊情況，在深入研究CTC調度集中工作原理、GSM-R網絡分組域信令協議、GRPS接口服務器工作原理和調度命令信息等數據傳輸流程的基礎上，提出通過監測Gb、Gn、Gi接口，實現基于調度命令業務數據流跟蹤的故障診斷方法，將調度命令數據傳輸過程與GPRS分組域網絡性能及CIR狀態相關聯，給出了故障的判斷依據和故障分析方法。

4.2 實現多目標、多用戶實時跟蹤技術

針對在線CIR用戶眾多、調度命令信息傳輸的突發性和隨機性大、CIR用戶與其他用戶共享GPRS無線資源等難題，采用關鍵信息元索引、數據過濾和篩選、多種物理資源映射等技術，提出多目標、多用戶智能檢測與實時跟蹤方法，解決了用戶數據或信令遺漏、亂序、重復等問題，實現了多維并發海量數據的采集、存儲與分離。

4.3 多個接口的聯合診斷與故障定位

針對多個接口、不同通信信令流程和數據傳輸協議，采用分散采集和集中處理思路、智能專家分析技術、機車號/車次號與物理資源映射的方式，提出時間、空間、對象和內容的四元事件描述方法，解決了故障表示問題，實現了對調度命令發送故障的分析和診斷。

圖5 GTP協議分類

武貴君：北京交通大學電子信息工程學院，講師，北京，100044

蔣文怡：北京交通大學電子信息工程學院，副研究員，北京，100044

責任編輯 盧敏