基于.NET平臺的鐵路GPRS網絡關鍵網元主動監測系統

趙雅昕鄭 偉

(1.北京理工大學附屬中學，北京 100089；2.北京鐵路局北京通信段，北京 100077)

基于.NET平臺的鐵路GPRS網絡關鍵網元主動監測系統

趙雅昕1鄭 偉2

(1.北京理工大學附屬中學，北京 100089；2.北京鐵路局北京通信段，北京 100077)

GPRS網絡為鐵路GSM-R網絡運營提供分組域無線數據傳輸業務，為完善鐵路GPRS網絡中全路共用設備及接口設備等關鍵網元設備的監測手段，開發基于.NET平臺的鐵路GPRS網絡主動監測系統，基于“主動探測”模式，從應用層角度將各受監控關鍵網元的活動性和應答情況進行快速收集與處理，實時檢測網元的活動狀態和業務運行狀態，實現對鐵路全路共用GPRS網絡設備（包括RADIUS、DNS、GROS）及GRIS等重要網元設備的實時、主動監測功能。

GPRS；GSM-R；主動監測；關鍵網元設備

1 概述

GSM-R是GSM通信技術體系在鐵路上的應用，通用分組無線業務（General Packet Radio Service 簡稱GPRS）是在現有GSM/GSM-R網絡基礎上增加的一套分組交換系統，為用戶提供端到端基于分組交換和傳輸技術的移動數據業務，從而提高網絡性能以及優化對無線資源和網絡地面資源的利用率。鐵路GPRS系統主要為鐵路行車等相關業務需求提供移動數據傳輸服務。目前鐵路GPRS系統傳輸信息主要包括：鐵路運行調度信息、鐵路設施維護管理信息、客運站車服務信息等，這些數據業務具有移動性強、業務點分散、突發性強、非周期間斷傳輸、小容量數據但頻繁傳輸等特點。因上述業務直接涉及行車安全，一旦發生故障將對鐵路日常運輸組織管理帶來嚴重影響，因此，如何確保GPRS各重要網元設備的安全穩定運行是鐵路通信管理與維護的重要課題之一。

我國鐵路GPRS網絡采用各局分建本地網、共用設備兩地容災備份的組網模式。目前全路GSM-R網絡核心網建設已基本完成，自2009年至今全路共用的GPRS設備：安全認證服務器（RADIUS）、域名服務器（DNS）、GRIS歸屬服務器（GROS）已在北京、武漢兩地分別建成并形成地理冗余備份結構投入運營。因此，北京局管內維護的GPRS設備大致可以分為兩類：一是全路共用設備，即RADIUS、DNS及GROS；二是本局自用的GPRS接口服務器（GRIS）、支持GPRS業務節點（SGSN）、網關GPRS業務節點（GGSN）等設備，承擔了在本局線路范圍內所有運行機車的GPRS網絡業務核心網元功能。目前，除GSN設備以外的其他GPRS設備，缺乏有效的網絡監控系統進行實時業務層面的監測，難以及時發現設備故障及運行問題，一旦出現業務中斷而未能及時發現和處理，將直接影響全路范圍內鐵路GPRS業務的穩定和行車安全。

為完善GPRS網絡設備（尤其是全路共用設備）的監控、監測手段，及時發現和排除RADIUS、DNS、GROS等全路共用GPRS設備及GRIS等關鍵網元設備運行中存在的異常情況，提高GPRS網絡管理和監測水平，本文構建了基于.NET平臺的GPRS網絡關鍵網元設備主動監測系統，模擬應用層實際業務，對各受監控的GPRS網絡關鍵設備等進行定時業務功能測試，實時監測關鍵網元設備的活動狀態和業務應用狀態，及時發現和排除相關設備存在的運行狀態異常情況，為鐵路通信系統的安全穩定運行提供保障。本文將分別從鐵路GPRS網絡關鍵網元設備主動監測系統的工作原理、方案設計、系統實現及應用等方面進行闡述。

中國鐵路GSM-R網絡由于其網絡規模巨大和應用的復雜性，有必要建設一套綜合性的重要網元主動監測系統，能夠從業務角度及時準確地發現GPRS關鍵設備網元是否正常工作，快速發現網元設備的功能狀態異常情況，由專業網管人員及時進行處理。在國外GSM-R應用中，同中國相比由于其規模過小（用戶數等方面不超過國內一個鐵路局的容量和規模），網絡結構簡單，設備多為單節點建設，沒有國內如此復雜的應用和跨局業務，尚無此類系統投入使用，本文構建了基于.NET平臺的GPRS網絡關鍵網元設備主動監測系統，填補了這一主要空白。

2 系統方案設計

2.1 系統組成

鐵路GPRS網絡主動監測系統對GPRS網絡關鍵網元設備進行24 h不間斷主動監測，包括全路共用設備RADIUS/DNS/GROS以及本局或其他局GPRS接口設備GRIS等。該監測系統能夠實時地監測上述關鍵網元設備是否在線、是否能夠正常提供業務，及時發現與行車相關的GPRS關鍵功能設備運行是否正常；當設備存在問題時，及時給出告警提示，以便維護人員迅速處理，最大程度地壓縮障礙延時，為鐵路通信系統的安全穩定運行提供保障。

鐵路GPRS網絡主動監測系統由服務端和客戶端組成，其中，服務端包括數據采集服務器、匯聚分析服務器、通信接口服務器、數據庫服務器以及系統監測服務器等。圖1是主動監測系統的物理部署與網絡連接示意圖。

圖1 GPRS網絡主動監測系統物理部署與網絡連接示意圖

服務端各設備功能如下。

1）數據采集服務器負責向GPRS網絡業務系統的關鍵網元設備發送功能性或網絡連通性測試信息，并將對關鍵網元設備的測試結果轉發給匯聚分析服務器。

2）匯聚分析服務器根據數據采集服務器的測試結果，分析判斷是否有故障發生，同時處理監測客戶端發送的用戶服務請求。

3）通信接口服務器負責提供匯聚分析服務器和監測客戶端之間的通信接口服務，將匯聚分析服務器的分析結果廣播推送給各個監測客戶端，同時將監測客戶端的用戶服務請求轉發給匯聚分析服務器。

4）數據庫服務器主要負責存儲系統所監測關鍵網元設備信息、實時監測設備告警信息以及用戶處理操作信息等。

5）系統監測服務器主要負責監測主動監測系統內部各功能服務器的運行狀態。

6）監測客戶端負責可視化實時顯示鐵路GPRS網絡關鍵網元設備運行狀態監測結果，并為用戶提供對實時監測告警信息進行處理，對網元設備監測告警歷史記錄查詢以及對系統所監測關鍵網元設備信息配置等操作界面。

2.2 系統工作原理

GPRS網絡主動監測系統實現對關鍵網元設備網絡連通性進行主動監測、告警和統計分析，包括網絡是否連通、時延等指標；同時，主動監測系統實現對GPRS網絡中關鍵網元設備業務的實時主動監測和監測告警判斷，具體功能如下。

1）DNS應用服務

通過符合RFC規范的標準DNS服務查詢及應答測試，對GPRS網絡關鍵網元DNS服務器上運行的DNS服務的運行狀態、響應結果是否符合預期等進行監測、告警和統計分析，如圖2所示。

圖2 主動監測系統對NS服務器進行業務測試

2）RADIUS應用服務

通過符合RFC/3GPP規范的標準RADIUS服務請求及應答測試，對GPRS網絡關鍵網元RADIUS服務器上運行的RADIUS服務的運行狀態、響應結果是否符合預期等進行監測、告警和統計分析，如圖3所示。

圖3 主動監測系統對RADIUS服務器進行業務測試

3）GROS/GRIS系統服務

通過對GRIS服務器、GROS服務器設備狀態及業務進行模擬測試和響應分析，對GROS、GRIS服務器上運行的應用服務運行狀態、響應結果是否符合預期等進行監測、告警和統計分析，如圖4、5所示。

圖4 主動監測系統對GROS服務器進行業務測試

圖5 主動監測系統對GRIS服務器進行業務測試

3 系統實現

3.1 系統軟件設計

從軟件功能設計的角度，系統軟件由采集分析中心和業務監測中心兩部分組成，底層是監測系統專用網絡。采集分析中心由數據采集服務器、匯聚分析服務器和數據庫服務器組成，主要負責測試鐵路GPRS網絡關鍵網元設備，接收關鍵網元設備測試響應數據，分析判斷關鍵網元設備運行狀態，以及存儲設備故障告警信息；業務監測中心將由監測客戶端、通信接口服務器和系統監測服務器組成，主要負責實時可視化顯示鐵路GPRS網絡關鍵設備運行狀態及故障告警信息，用戶處理故障告警信息，查詢故障告警歷史記錄，以及監測主動監測系統內部各功能服務器程序運行狀態。另外，為了保證GPRS網絡主動監測系統的實現，且不影響GPRS系統業務正常運行和信息安全，專門搭建監測系統專用網絡。圖6是主動監測系統軟件功能結構示意圖。

3.2 系統關鍵技術

系統軟件整體上采用C/S架構，服務端由各功能服務器組成，負責向GPRS網絡關鍵網元設備發送測試數據，對所監測設備返回的應答信息進行分析，判斷設備是否存在運行故障，同時將實時監測分析結果數據推送到監控客戶端；客戶端通過可視化圖形繪制方式，實時展示鐵路GPRS網絡關鍵網元設備運行狀態圖，顯示實時對所監測網元設備測試分析結果以及設備故障告警信息，實現用戶對設備故障告警處理、對故障歷史記錄查詢以及管理配置所監測網元設備信息等交互操作。

圖6 GPRS網絡主動監測系統軟件功能結構示意圖

系統使用C#作為主要編程語言，基于.NET平臺并結合多種編程技術開發，軟件開發關鍵技術包括：基于Socket編程技術實現網元測試數據收發，使用ADO.NET技術對系統數據庫進行訪問操作，使用消息隊列機制存儲對關鍵網元設備測試分析結果數據，基于WCF框架實現系統內部各個功能服務器之間數據通信，使用WPF編程技術以及GDI+實現客戶端交互界面與圖形繪制，使用多線程以及線程池技術實現系統中異步消息數據的處理等。

4 系統部署與運行

4.1 系統部署

服務端建議部署在高性能服務器上，硬盤容量1 TB以上，系統運行內存8 GB以上，使用安裝.NET Framework 4.5的Windows Server操作系統，同時保證足夠網絡帶寬。服務端將同時運行數據掃描服務器、監測數據分析服務器、通信接口服務器程序以及數據庫服務器等，可根據具體監測業務負載和性能需求，將各功能服務器部署配置在單主機，或分布式部署在多主機設備上，以確保服務端穩定運行。客戶端建議硬盤容量為500 GB以上，系統運行內存大小為4 GB以上，使用安裝.NET Framework 4.5的Windows操作系統。

4.2 系統啟動運行

主動監測系統啟動時，按以下順序啟動各個功能服務器。

1）啟動數據庫服務器，確保正確啟動系統數據庫。

2）啟動匯聚分析服務器，從數據庫服務器讀取系統所監測鐵路GPRS網絡關鍵設備信息列表，并進行初始化配置。

3）啟動通信接口服務器，建立匯聚分析服務器與監測客戶端通信連接。

4）啟動數據采集服務器，從匯聚分析服務器讀取所監測網元設備信息，創建測試線程。

5）啟動系統監測服務器，監測各功能服務器運行狀態。

4.3 系統運行界面

鐵路GPRS網絡關鍵網元設備主動監測系統運行時，用戶操作集中在監測客戶端。圖7是監測客戶端主界面。監測客戶端主要包括6個頁面：網元狀態頁面、系統網管頁面、實時監測頁面、歷史記錄頁面、網元設置頁面、用戶管理頁面。

監測客戶端默認顯示網元狀態頁面。網元狀態頁面負責可視化繪制系統所監測關鍵設備實時運行狀態拓撲圖，如圖7所示。當發生網元設備故障，且監測客戶端接收到故障告警信息時，拓撲圖中該故障設備圖標或連接線用紅色高亮標記，對于網絡連通性故障，該故障網元設備連接線顯示為紅色；對于業務功能性故障，該故障網元設備圖標顯示為紅色，如圖8所示。

圖7 監測客戶端網元狀態頁面

系統網管頁面可視化繪制系統內部各功能服務器的運行狀態拓撲圖，當主動監測系統內部發生異常時，拓撲圖中與該故障設備相關的系統內部設備圖標或連接線將用紅色高亮標記。

實時監測頁面實時滾動顯示測試分析結果數據以及故障告警信息，并提供故障告警信息處理操作。該頁面包括監測記錄列表和告警記錄列表兩部分，監測記錄列表顯示測試網元設備對象、設備所屬局、測試類型、測試結果以及測試時間等信息；告警記錄列表顯示故障設備、設備所屬局、故障類型、故障監測時間以及故障恢復時間等，如圖9所示。設備故障信息以紅色高亮顯示，當設備故障恢復后，該設備故障信息從告警記錄列表中移除。

圖9 監測客戶端實時監測頁面

歷史記錄頁面提供對設備故障告警歷史信息查詢操作，查詢條件包括：故障設備、故障類型、起始時間以及終止時間等。

網元設置頁面可配置系統所監測關鍵網元設備信息，包括：網元類型、所屬局、網元IP地址、發送字段、返回字段、測試間隔以及忽略設置時間等。用戶可在該頁面添加、編輯或刪除系統所監測關鍵網元設備，如圖10所示。

5 總結

本文構建了基于“主動探測”模式的GPRS網絡關鍵網元節點功能綜合監測系統，能夠從實際應用層面及時、準確地將各受監控關鍵網元的活動性和應答情況進行快速收集處理，實時監測關鍵網元設備的活動狀態和業務應用狀態。借助可視化的集中展現方式，將所監測關鍵網元設備實時運行狀況準確、及時地展現給用戶。當所監測關鍵網元設備出現故障時，能夠及時給出告警提示，以便維護人員迅速處理，最大程度地壓縮障礙延時，為鐵路通信系統的安全穩定運行提供保障。

系統已在北京鐵路局北京通信段進行了試運行，通過測試使用，系統可對北京、武漢兩地GPRS全路共用設備及各局GRIS設備業務運行狀態進行監測。系統采用部頒標準技術體制，不受被監測網元設備廠家及型號限制，具有較強的通用性。現場試用情況表明，系統功能實用，界面友好、直觀，監測數據準確，實時性較強，為GPRS網絡重要設備的運行監測和業務安全提供了有效監測手段，在對鐵路GPRS網絡關鍵網元設備的實時運行狀態監測手段和技術應用方面取得創新，填補了GPRS通信設備運行維護檢監測方面的空白。

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公式（4）表達的是一個調幅調相波，其中Un（1+m0cosΩt）相當于一個調幅波，m0為調制幅度，Ω為調制頻率；而Uncos（ωnt+sinΩt）可以認為是調相波。

從公式（4）可知，一個弱有用信號和一個強干擾信號疊加后，合成信號是一個以強信號的載波頻率為中心的調幅調相波，其幅度變化反映弱信號的包絡調制規律。

當兩個信號同時被接收機接收到時，一個是強干擾信號，而另外一個是弱有用信號，兩個信號的合成信號會由于接收機的非線性被削掉大部分的信號包絡，只有調相部分被保留下來。從公式（4）可以看出，因為Un≥Us，故m0很小，干擾信號所占的比重卻很大，造成接收機輸出信噪比大幅度的降低，形成阻塞。Un越大，影響越嚴重。

將相應的原理應用到案例中，發現在13號信道上的強TCH信號，信號最大強度達到-21 dBm，遠遠大于GSM-R系統的兩個正在使用的BCCH信號，初步認為正是該強信號對GSM-R系統造成了阻塞干擾，使GSM-R終端在該信號的覆蓋范圍內發生掉話、脫網等問題。通過與移動協商，短暫關閉該基站后，GSM-R網絡恢復正常，也驗證了我們的猜測。

5 現階段的解決方法

目前，阻塞干擾的主要特征有：1）在GSM-R頻段內不存在干擾信號，但是網絡使用時出現脫網、掉話等異常現象；2）在GSM-R系統頻段外存在強信號且強信號的來源不會遠離高速鐵路。

針對阻塞干擾的特點，根據實際情況提出解決方案。在發現沿線有發射強信號的移動基站后，協調移動公司降低強信號的發射功率，一般情況下移動公司會降低3～4 dB的信號強度，如果對干擾情況沒有什么改善，此時可以采取將使用強信號的小號頻點（一般在1～25號頻點范圍內）更改至60號頻點以后頻率的處理方法，加大強信號與鐵路GSM-R頻段的頻率間隔來改善干擾情況，降低干擾。

參考文獻

[1]翁木云，張其星，謝紹斌.頻譜管理與監測[M].北京：電子工業出版社，2009.

（收稿日期：2014-09-12）

GPRS network provides wireless data transmission service for railway GSM-R network. For improving the means of monitoring key net element equipment of railway GPRS network such as equipment and interfaces shared by national railways, an active monitoring system for GPRS network is developed based on .NET framework, which can rapidly collect and process operation and response conditions of the key net elements from application layer by means of detecting active state and running status of equipment in real time, in order to realize functions of monitoring actively key element equipment in real time, including RADIUS, DNS, GROS, GRIS, etc.

GPRS; GSM-R; active monitoring; key net element equipment

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.011

2015-05-31）