重載鐵路公專網車-地通信監測技術研究

蔡 軍

(國能新朔準池鐵路（山西）有限責任公司，山西朔州 036002)

1 概述

隨著國內貨運線路不斷發展及運營水平的不斷提高，“貨運重載化”成為一大重要發展趨勢[1]。為解決兩萬噸級重載列車的通信業務需求，國能朔黃鐵路公司首次將 LTE-R專網(Long Term Evaluation-Railways)技術引入重載鐵路車-地通信領域。LTE-R專網能夠滿足車-地通信的應用需求，但其建設及維護成本相對較高，為此國能集團開始LTE公網專用方案的研究，以達到降低運維成本并確保車-地可靠通信的需求。為保障基于公專網承載重載鐵路列控系統車地間的可靠通信，需要掌握重載鐵路LTE公專網通信鏈路的工作狀態，以便及時發現LTE公專網存在的問題，對故障隱患做出預警，故需對重載鐵路LTE公專網（簡稱LTE公專網）進行監測。

2 LTE公專網監測系統結構

2.1 LTE公專網組網方案

按照LTE公網與用戶專網間關系的不同，目前LTE公專網的架構分為5種類型：運營商代建代維的全套專網設備、普通4G卡和虛擬專線、普通4G卡和物理專線、專用物聯網卡和虛擬專線、專用物聯網卡和物理專線[2]。在重載鐵路領域，為滿足高安全性和高可靠性要求，采用專用物聯網卡和物理專線的架構進行建設。其架構如圖1所示[3]。

圖1 基于LTE公專網的車-地通信架構Fig.1 The architecture of vehicle-ground communication based on LTE public and private networks

無線接入設備為車載電臺，業務數據通過省LTE公網、物聯網業務專網、電信多業務承載網絡（China Net Next Carrying Network，CN2）專網、公專網接入認證設備，最終連接到地面列控設備。

為確保LTE公專網承載重載列控系統車-地通信的數據安全性及可靠性，采用第二層隧道協議(Layer Two Tunneling Protocol，L2TP)和互聯網安全協議(Internet Protocol Security，IPSec)創建虛擬私有網絡(Virtual Private Network，VPN)的方式為車地間創建虛擬專用通信鏈路。

2.2 LTE公專網監測系統架構

如上文2.1所述，LTE公專網由車載側、網絡側及列控系統地面公專網側的設備組成。為了實現車-網-地的全鏈條監測，LTE公專網監測系統由車載監測設備、基站監測設備和監測中心組成。車載監測設備包括Trace信息采集模塊、鏡像端口采集模塊、空口監測模塊和干擾監測模塊等；基站監測設備包括空口監測模塊和干擾監測模塊等。系統結構如圖2所示。

圖2 LTE公專網監測系統結構Fig.2 The architecture of LTE public and private network monitoring system

1）車載監測設備通過端口鏡像方式采集車載業務終端與車載電臺交互的數據，通過簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol，SNMP）提供的接口獲取電臺Trace信息[4]；通過射頻接口采集車載側Uu接口的信令；通過射頻接口采集車載側頻譜信息及干擾數據，所有信令采集后可在車載側實時解析處理并在本地保存，同時可通過無線單元將數據上傳到監測中心。

2）基站側監測設備通過射頻接口采集基站側Uu接口的信令，通過射頻接口采集基站側頻譜信息及干擾數據，并通過無線單元將數據上傳到監測中心。基站側監測設備可根據需要進行部署。

3）監測中心側通過Restful接口收集公專網的運維信息[5]。而后對所有采集到的數據進行解析、關聯處理，將數據入庫，并能進行多角度的查詢統計分析以及監測系統自身的維護管理。

3 LTE公專網監測技術概述

3.1 數據采集技術

1）車載側數據采集

采集車載業務終端與車載電臺交互數據，包括列車運行控制數據及行車調度指揮數據。

通過SNMP協議由電臺對外網口獲取電臺的Trace信息，主要包括車載電臺與網絡交互的信令、車載電臺與網絡交互的業務數據以及車載電臺與車載業務終端交互的業務數據[6]。

采集途經網絡Uu接口的網絡信令以及途經的網絡頻譜數據，通過頻譜數據分析識別干擾信息。

2）基站側數據采集

采集移動臺與基站的Uu接口網絡信令以及基站周邊網絡頻譜數據。

3）中心側數據采集

收集公專網的運維信息，主要包括公專網設備的告警信息、公專網的性能數據及公專網設備的狀態信息。

4）數據上報通道

車載側監測設備配備無線接入模塊，通過公共移動通信4G/5G網絡、LTE公專網或車載電臺按照指定格式將數據實時上報到監測中心，將車載側保存的數據文件定時上傳到監測中心，或接收監測中心的數據下載請求按需將數據上傳到監測中心。

基站監測設備配備無線接入模塊，通過公共移動通信4G/5G網絡或LTE公專網按照指定格式將數據實時上報到監測中心。

中心側數據采集及收集單元通過局域網按照指定格式將數據實時上報到處理單元。

3.2 基于多源數據管理的分析技術

通過中心側和車載側的數據庫和文件系統管理為網絡維護人員提供數據支持。

維護人員可以便捷地設定機車號、車次號、時間段等信息對網絡信令、業務數據、電臺Trace信息、通信記錄、車載電臺上線及鑒權記錄、通信及業務異常等數據進行查詢。

通過時間域、車號、基站等限定條件回放頻譜數據，進行人工分析，分析信號干擾原因。

通過人工設置篩選條件，對車載電臺的收發信號強度、基站信號強度進行趨勢統計，可盡早發現電臺和基站的性能隱患。

通過將多源數據融合在一個系統平臺內，為業務人員聯合多方數據進行分析提供便利。

3.3 重載鐵路LTE公專網監測關鍵技術

在車-網-地分布式全流程監測設備采集的原始數據支持下，通過如下3個關鍵技術對網絡質量、網絡故障等進行深入分析。

1）基于地面無線接入網（UTRAN）接口的監測技術

主要基于接口信令實現，其中S1空口、X2基站間接口是LTE公網中最重要的接口。通過S1-U、S1-MME空口信令，結合LTE-R車載終端和基站的測量報告（Measurement Report，MR），可關聯得到網絡覆蓋情況。

2）基于頻譜分析的干擾監測技術

可通過功分器由車頂通信天線引出射頻信號或基于基站側監測天線獲取射頻信號，進而掃描分析頻譜和頻點。

3）基于數據關聯融合分析的異常識別

基于采集的多源數據，可實現基于數據的關聯分析和異常識別。

數據的關聯分析技術主要基于各層次的交互協議將信令和業務數據依據需要進行拆分、組合，最終實現數據的關聯與異常分析。

4 基于無線接入網接口的監測技術

S1空口協議棧包含用戶面協議和控制面協議兩部分，車-地通信業務數據通過S1-U空口傳輸至服務網關（Serving Gate Way，SGW），控制面信令通過S1-MME空口傳輸至移動性管理實體（Mobility Management Entity，MME）網元。監測系統可對車-地間通信接口進行解析，基于S1-U協議棧解析信令和業務數據。重載LTE公專網協議棧如圖3所示。

圖3 ATP-DCC 車-地無線通信數據傳輸協議棧Fig.3 ATP-DCC vehicle-ground wireless communication data transmission protocol stack

協議棧包括物理層、數據鏈路層和IP層等。車載設備上電后動態分配地址，通過L2TP隧道傳送PPP驗證和動態地址分配，通過IPSec加密通道避免非法用戶侵入[7]。

除了對車載電臺信令進行解析和分析信令異常，在公網運營商側，可基于LTE-MR測量報告實現網絡覆蓋質量監測，終端和eNodeB基站定時采集的測量報告經由OMC-R采集管理。通過關聯S1口和MR數據可有效監測機車沿途的網絡覆蓋情況，為網絡優化提供參考[8]。關聯過程如圖4所示。

圖4 監測信息關聯分析流程Fig.4 Monitoring information correlation analysis process

1）首先采集S1口URI信息獲取用戶位置，開始時間等字段。

2）MME可獲取為車載通信終端分配的鏈路隧道端點ID從而識別終端。通過時間戳可關聯機車位置、終端ID和時間。

3）將包含電平、鄰區以及小區等信息的MR通過時間戳與S1-U、S1-MME數據關聯。

4）由于基站到終端的傳輸路徑存在遮擋，并非直線，所以基于基站的定位存在誤差，需要剔除精度差的數據，可以最大時間提前量（Time Advanced，TA）距離作為校正判據篩選高精度的關聯數據。

該方法可得到篩選后部分采樣點的RSRP信息、位置信息以部分反映網絡覆蓋情況。

5 重載鐵路LTE網絡干擾監測技術

與LTE-R鐵路專網采用的450 MHz（大秦、京沈線）、以及朔黃重載貨運鐵路中采用的1.8 GHz頻段不同，TDD模式下LTE公網頻段分為1.9 G、2 G、2.3 G、2.6 G以及重載準池鐵路LTE公專網采用的800 M（單位Hz）。1.9 G（F頻段）和2.6 G（D頻段）常用于室外覆蓋。

LTE網絡較好解決了同頻干擾，主要的干擾類型包含鄰頻信號、互調信號干擾、噪聲阻塞和帶外干擾等。通過頻譜掃描分析各個頻點參數，計算同鄰頻干擾信號、互調干擾信號的頻譜特征，實現干擾信號的監測和報警。典型的干擾監測技術可用于車載沿途干擾信號和地面基站附近干擾信號的檢測。

典型的干擾監測識別技術流程如圖5所示。

圖5 干擾監測識別技術Fig.5 Interference monitoring and identification technology

在監測到干擾類型后，可通過人工定位分析方法定位干擾源位置，以切實解決干擾問題。網絡維護人員使用的干擾監測分析技術主要分為干擾地圖分布法和三點掃頻定位法。

1）干擾地圖分布法：地面側終端得到經緯度、時間及報警信息，結合GIS可視化技術，將干擾信息顯示在地圖上，實現可視化的機車沿途信號干擾監測，分析網絡通信質量。帶內干擾重點核查網絡數據配置和越區覆蓋問題。

2)三點掃頻定位法：利用高增益定向天線、掃描儀結合信令解析，對干擾進行定位。測量時，天線波束指向正前方，并且垂直極化放置；通過緩慢旋轉天線，觀察頻譜掃描儀的信號變化。監測到異常信號后，緩慢改變天線的俯仰角度觀察接收信號變化到最大值時停止。通過頻譜分析判斷干擾信號種類，并沿著當前天線波束的方向，尋找新的測量點。選取3個以上受干擾明顯的測點，沿干擾信號方向逐步縮小范圍，最終確定干擾發生位置。

6 基于數據關聯融合分析的異常識別

中心側各數據解析處理單元通過對網絡信令、業務數據進行解析，提取IP地址、車次號、機車號和公里標（根據應答器計算）等關鍵信息，從而對頻譜數據及干擾進行拆分；中心側數據處理設備同步拆分、處理收集到的公專網運維數據。

車載側設備實時處理采集到的鏡像端口業務數據，解析Trace及空口采集到的網絡信令及業務數據，提取IP地址、車次號、機車號和應答器等關鍵信息，并拆分頻譜和干擾信息。

通過關聯同一終端與地面列控系統同一次通信的網絡信令及業務數據，生成通信記錄。基于信令或交互流程特征識別異常網絡和業務通信數據，并識別車-地通信超時異常。

在異常的干擾信號識別方面，基于預先計算的異常頻譜特征庫，比對采集的頻譜數據識別干擾信號類型；基于電臺日志異常特征識別電臺Trace異常；同時基于設備狀態信息和門限識別公專網設備性能異常信息。

7 結束語

本文綜述了目前LTE公專網監測領域的主流技術，研究了通過LTE公專網本身的車-地通信通道實現機車沿途干擾信號監測的方式，同時研究將故障診斷技術引入重載鐵路LTE公專網領域的方法。通過重載鐵路LTE公專網監測系統的應用，可以大幅提高重載鐵路的運維效率，同時也將為公專網在鐵路領域的應用效果提供數據支撐，有助于公專網模式的大范圍推廣，可以加快鐵路智能化、智慧化及綠色化運營的進程。