隧道施工集群系統消息服務功能設計

張瑩 康志杰 牛清正 蔣國華

摘要：針對隧道施工場景中需實時傳輸用戶狀態、位置和短數據這一需求，基于TD-LTE寬帶集群技術，設計了一款支持高并發、高可用的集群消息服務軟件。介紹了寬帶無線集群通信系統的總體架構，詳細描述了集群消息服務軟件整體架構及軟件實現的關鍵技術并進行了實驗驗證。測試結果表明，設計的集群消息服務軟件可有效滿足上述集群消息通信需求。

關鍵詞：集群通信；消息服務；高并發

中圖分類號：TN929.52文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2023）02-52-5

0引言

近年來，隨著國內交通行業的快速發展，全國隧道建設規模空前，取得了舉世矚目的成果。但與此同時，隧道建設期間頻繁發生的安全生產事故，對人民生命財產安全造成了重大威脅。TD-LTE寬帶無線集群通信系統以其高速率、高頻譜效率和低時延等諸多優點，在政務、應急、公安和軌道交通等行業應用越來越廣泛[1-2]。集群消息服務作為集群通信系統基礎功能的重要組成部分，在集群通信系統中，發揮著重要作用。除基本的短消息功能外，終端位置上報、狀態上報和多媒體短消息等功能均需依托集群消息服務完成。基于以上論述，本文提出一種高可用、高效的集群消息服務軟件實現方案。通過搭建TD-LTE無線集群通信系統測試環境，對本文設計的集群消息服務軟件的功能和性能進行了驗證。

1總體設計

1.1寬帶集群核心網

TD-LTE寬帶集群核心網為寬帶集群系統提供終端接入、呼叫控制、消息服務和資源管理等功能，主要由eMME，eHSS，eSGW，ePGW，TCF五部分組成[3]。系統架構如圖1所示。

各部分功能如下：

①eMME：終端接入控制管理實體，負責終端接入控制和承載管理；

②eSGW/ePGW：終端數據接入網關；

③eHSS：系統用戶簽約數據中心，負責用戶簽約數據管理和用戶鑒權；

④TCF：集群功能控制管理實體，負責呼叫/短消息等集群功能邏輯控制。

本文提出的集群消息服務為TCF的重要組成部分，為集群通信系統提供短消息轉發服務。

1.2消息服務功能實體軟件架構設計

集群消息服務作為集群功能的重要組成部分，主要功能包括文本/多媒體短消息轉發、終端位置上報和狀態上報等。以上功能除文本短消息和多媒體短消息外，均對系統實時性具有一定要求，因此該集群消息服務需具備高效的處理能力。根據上述內容，設計集群消息服務軟件架構如圖2所示。

本軟件由不同功能模塊組成，通過各功能模塊協調配合完成消息轉發功能。具體功能模塊介紹如下：

①配置管理模塊：連接外部網管設備，負責軟件配置、告警等消息處理等；

②信令收發模塊：與外部通信，負責信令收、發及傳輸鏈路管理；

③消息預處理模塊：對接收到的消息進行分類預處理，完成后交由相應轉發處理模塊處理；

④消息鑒權、處理、轉發模塊：負責對消息收發用戶進行鑒權、狀態查詢和轉發等處理；

⑤服務高可用模塊：配合外部HAF高可用設備提供數據冗余、角色切換等高可用服務；

⑥DB數據模塊：負責處理轉發失敗的消息存儲、維護工作。

本軟件采用單進程、多線程模式。其中配置管理模塊、高可用模塊、信令收發模塊和消息預處理模塊位于主線程；消息鑒權轉發模塊位于工作線程；DB數據模塊位于數據處理線程。

1.3關鍵點設計

1.3.1高并發處理

當系統大量終端用戶同時在線時，系統需準確、實時獲取終端位置等信息，進行位置、狀態顯示。在系統處于高負荷運行狀態時，多終端同時周期性地進行位置、狀態等信息上報，對集群消息服務軟件的并發處理能力有較高要求。

針對上述需求，軟件設計采用高并發處理架構。

①多線程處理工作模式

本軟件采用多線程處理工作模式，對系統并發消息進行負載均衡處理，如圖3所示。短消息在轉發過程中，系統內采用統一Event_id對其進行標識。因此，可以通過對Event_id進行處理，將不同Event_id標識的短消息映射到不同的工作線程進行消息的轉發處理，達到負載均衡效果[4]。

②負載均衡策略

在系統內，Event_id取值為32位整形數據，消息服務軟件配置工作線程個數為。由于Event_id采用遞增的分配方式，用工作線程個數除Event_id，取余數作為工作線程編號CEI，即可有效實現負載均衡處理。CEI與工作線程的對應關系如表1所示。