基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

孫啟民（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

為滿足我國(guó)鐵路數(shù)字業(yè)務(wù)中列尾信息、無(wú)線車次號(hào)及調(diào)度命令等的傳送需求，特在GSM-R網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入GPRS網(wǎng)絡(luò)。GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有的GSM-R網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，充分利用現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)備，通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體并對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造和軟件升級(jí)，形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換。GPRS突破了GSM-R網(wǎng)絡(luò)只能提供電路交換的模式，用戶使用GPRS業(yè)務(wù)將具有建立時(shí)間短、數(shù)據(jù)傳輸速率高、支持X.25和IP協(xié)議、永遠(yuǎn)在線、提供資源的優(yōu)化等優(yōu)勢(shì)。

GPRS的引入可以更好地利用無(wú)線資源，避免電路交換業(yè)務(wù)數(shù)量急劇增加而引起網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此為了保證GPRS網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行，確保業(yè)務(wù)信息傳送的質(zhì)量，需要對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)的重要接口進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過匯總分析接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，為GPRS網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)及優(yōu)化提供重要依據(jù)。

2 基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 GSM-R模式下的GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及接口分布

GSM-R模式下的GPRS網(wǎng)絡(luò)由支持GPRS模式的無(wú)線終端（M S）、附加了PCU且支持GPRS編碼的基站子系統(tǒng)（BSS）、服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）、域名服務(wù)器（DNS）、認(rèn)證服務(wù)器（RADIUS）、GPRS接口服務(wù)器（GRIS）及GPRS歸屬服務(wù)器（GROS）等設(shè)備組成，另外包括支持G r接口的H LR服務(wù)器。GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及接口分布示意如圖1所示。

2.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)接口功能

GSM-R模式下的GPRS網(wǎng)絡(luò)主要包括Um、Gb、Gn、Gp、 Gr和Gi接口，各接口功能如下。

1）Um：是GPRS M S與GPRS網(wǎng)絡(luò)側(cè)的空中接口，通過該接口，M S完成與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的通信，完成分組數(shù)據(jù)傳送、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、無(wú)線資

孫啟民，男，畢業(yè)于東北師范大學(xué)，工程師。主要研究方向包括GSM-R/GPRS網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)技術(shù)、鐵路通信機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控技術(shù)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和測(cè)試技術(shù)及產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，曾參與滬寧、滬杭、京滬、哈大及合蚌客專的接口監(jiān)測(cè)集成、GSM-R中繼傳輸設(shè)備統(tǒng)一網(wǎng)管標(biāo)準(zhǔn)的編制、GSM-R接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)等，擁有一項(xiàng)發(fā)明專利。源管理等多方面的功能；

2）Gb：是SGSN和PCU之間的接口，通過該接口SGSN完成同BSS系統(tǒng)、M S之間的通信，完成分組數(shù)據(jù)傳送、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理方面的功能；

3）Gn/Gp：Gn接口是同一個(gè)PLM N內(nèi)部SGSN間、SGSN和GGSN間接口。Gp接口是GPRS網(wǎng)間接口，是不同PLMN網(wǎng)的GSN之間采用的接口， GTP是GPRS骨干網(wǎng)中GSN節(jié)點(diǎn)之間的接口協(xié)議（Gn/Gp接口的核心協(xié)議）；

4）G r：是SGSN與H LR之間接口，G r接口采用7號(hào)信令上承載M A P協(xié)議的方式。SGSN通過G r接口從H LR取得關(guān)于M S的數(shù)據(jù)，H LR保存GPRS用戶數(shù)據(jù)和路由信息，當(dāng)發(fā)生SGSN間的路由區(qū)更新時(shí)，SGSN將會(huì)更新HLR中相應(yīng)的位置信息；當(dāng)HLR中數(shù)據(jù)有變動(dòng)時(shí)，也將通知SGSN；

5）G i：是GGSN與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（IP網(wǎng)）間的接口,根據(jù)所互通的數(shù)據(jù)網(wǎng)不同而采用相應(yīng)的協(xié)議。如果外部網(wǎng)是PSP-DN（分組交換公用數(shù)據(jù)網(wǎng)），則支持x.25協(xié)議；如果是In ternet，則支持IP協(xié)議。在Gi接口上需要進(jìn)行協(xié)議的封裝/解封裝、地址轉(zhuǎn)換（如私有網(wǎng)IP地址轉(zhuǎn)換為公有網(wǎng)IP地址）、用戶接入時(shí)的鑒權(quán)和認(rèn)證等操作。

3 GPRS網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)各接口的監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)的匯總分析，GPRS網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為Gb接口監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、Gn/Gp接口監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、G i接口監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、G r接口監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、綜合分析子系統(tǒng)、網(wǎng)管子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)。鑒于GPRS網(wǎng)絡(luò)和GSM-R網(wǎng)絡(luò)的其他子系統(tǒng)共用Um接口，且Um接口具有物理位置分散、編碼方案多變并涉及到網(wǎng)絡(luò)安全等因素，GPRS接口監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)暫未包括對(duì)Um接口的監(jiān)測(cè)。

考慮到系統(tǒng)的RAM需求，GPRS網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為采集層、數(shù)據(jù)處理層和分析顯示層，具體架構(gòu)如圖2所示。

采集層由各Gb接口采集單元、Gi接口采集單元、Gn/Gp接口采集單元、G r接口采集單元組成。其中Gb接口采集單元和G r接口采集單元以高阻跨接的方式進(jìn)行采集，Gi接口采集單元和Gn/Gp接口采集單元以端口鏡像方式結(jié)合PCAP技術(shù)進(jìn)行采集。

數(shù)據(jù)處理層由Gb接口處理服務(wù)器、G i接口處理服務(wù)器、Gn/Gp接口處理服務(wù)器、G r接口處理服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及同步服務(wù)器組成。Gn/Gp接口處理服務(wù)器根據(jù)業(yè)務(wù)量可獨(dú)立或者合并設(shè)置。

分析顯示層由綜合分析單元、Gb/Gi接口操作顯示終端、Gn/Gp接口操作顯示終端和網(wǎng)管客戶端組成。綜合分析單元及網(wǎng)管客戶端同既有的C3接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合并設(shè)置。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

GPRS接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行匯總分析，具體功能如下。

1）數(shù)據(jù)采集：可采集Gb、Gi、Gn/Gp及G r接口的信令及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。Gb和G r接口通過2 M鏈路進(jìn)行連接，采集這兩個(gè)接口的數(shù)據(jù)時(shí)需要采用高阻跨接方式；Gn、Gp和Gi接口通過以太網(wǎng)方式進(jìn)行連接，采集數(shù)據(jù)時(shí)需要在交換機(jī)進(jìn)行端口鏡像，將數(shù)據(jù)鏡像到指定端口后通過PCAP技術(shù)抓取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包；

2）數(shù)據(jù)解析：各接口處理服務(wù)器按照指定協(xié)議結(jié)構(gòu)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析；

3）用戶跟蹤：能夠根據(jù)IMSI、MSISDN或IP地址跟蹤同一用戶的信息，Gb、Gn/Gp及Gi接口可實(shí)現(xiàn)同一用戶數(shù)據(jù)的跟蹤比對(duì)；

4）異常識(shí)別：負(fù)責(zé)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)異常及業(yè)務(wù)異常，網(wǎng)絡(luò)異常包括附著失敗、PDP激活失敗等，業(yè)務(wù)異常包括調(diào)度命令發(fā)送失敗、進(jìn)路預(yù)告發(fā)送失敗等；

5）吞吐量監(jiān)測(cè)：G i接口處理服務(wù)器負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量；

6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：負(fù)責(zé)存儲(chǔ)解析關(guān)聯(lián)后的信令及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以及識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)異常和業(yè)務(wù)異常等信息；

7）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：Gb接口操作顯示終端及Gn/Gp接口操作顯示終端負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)單個(gè)用戶或全部用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，綜合分析單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)同一機(jī)車的M T和CIR信息的關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)；

8）數(shù)據(jù)查詢：可查詢Gb接口的通信記錄及網(wǎng)絡(luò)事件、各接口的信令及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、各接口的異常信息和Gi接口的吞吐量信息等；

9）統(tǒng)計(jì)分析：可統(tǒng)計(jì)各接口的異常信息、業(yè)務(wù)指標(biāo)信息（進(jìn)路預(yù)告及調(diào)度命令的成功率等）、Gi接口的吞吐量分布統(tǒng)計(jì)（峰值吞吐量及平均吞吐量各級(jí)別分布情況），同時(shí)綜合分析單元可匯總分析同一機(jī)車的MT和CIR的異常信息；

10）數(shù)據(jù)配置：網(wǎng)管客戶端可實(shí)現(xiàn)用戶信息、基站信息及采集鏈路等的配置；

11）告警監(jiān)測(cè)及告警查詢：網(wǎng)管服務(wù)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各模塊的告警信息并將告警信息上傳到客戶端顯示，網(wǎng)管客戶端可按指定條件查詢已發(fā)生的歷史告警信息；

12）性能數(shù)據(jù)采集及趨勢(shì)分析：網(wǎng)管服務(wù)器可采集系統(tǒng)內(nèi)各服務(wù)器的性能指標(biāo)（包括CPU及內(nèi)存利用率、磁盤占用率等）并存儲(chǔ)，網(wǎng)管客戶端可按指定條件查詢已采集的性能指標(biāo)，并可生成性能指標(biāo)的趨勢(shì)分析圖，以便發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的性能隱患；

13）時(shí)間同步：該系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有獨(dú)立的時(shí)間同步服務(wù)器，系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備都從該服務(wù)器獲取統(tǒng)一的時(shí)間信息；在具有外部時(shí)間源的環(huán)境下，時(shí)間同步服務(wù)器會(huì)定期從外部時(shí)間源獲取時(shí)間信息。

4 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 端口鏡像采集技術(shù)

端口鏡像是指將設(shè)備指定端口的報(bào)文復(fù)制到目的端口。常用的端口鏡像技術(shù)包括本地端口鏡像和遠(yuǎn)程端口鏡像，本地端口鏡像是指將設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)端口（源端口）的報(bào)文復(fù)制到本設(shè)備的一個(gè)監(jiān)視端口（目的端口），遠(yuǎn)程端口鏡像是指將設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)端口的報(bào)文復(fù)制并通過中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到指定目的交換機(jī)上的目的端口。

根據(jù)GPRS網(wǎng)絡(luò)配置的SGSN和GGSN數(shù)量，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)安全的要求，本系統(tǒng)可靈活的采用本地端口鏡像或者遠(yuǎn)程端口鏡像技術(shù)將待監(jiān)測(cè)端口鏡像到指定的目的端口，目的端口通過網(wǎng)線與采集服務(wù)器的某一網(wǎng)口相連，采集服務(wù)器的采集軟件再利用PCAP技術(shù)從指定的網(wǎng)口獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。目前本系統(tǒng)的Gn/Gp及Gi接口的采集服務(wù)器均采用通用的IBM服務(wù)器，服務(wù)器集成了4個(gè)1 Gb網(wǎng)口，除去一個(gè)內(nèi)部通信端口，另外3個(gè)端口可作為采集端口，具體的端口分布如圖3所示。

通過端口鏡像技術(shù)可獲取SGSN和同一PLMN內(nèi)的SGSN、GGSN以及SGSN和其他PLMN下的SGSN通信數(shù)據(jù)，另外可獲取GGSN和外部應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)解析技術(shù)

和GSM-R的電路域傳輸特性相比，GPRS體現(xiàn)了分組交換和分組傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，即數(shù)據(jù)和信令基于統(tǒng)一的傳輸平面，這一特性大大方便了數(shù)據(jù)的采集和解析。在進(jìn)行電路域監(jiān)測(cè)時(shí)，需要對(duì)信令時(shí)隙和業(yè)務(wù)時(shí)隙分別采集解析，而分組域可將信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，且各接口處理服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后調(diào)用亦無(wú)需進(jìn)行區(qū)分而調(diào)用各自的解析模塊進(jìn)行統(tǒng)一解析處理。

數(shù)據(jù)解析是該系統(tǒng)最根本也是最核心的技術(shù)，是用戶跟蹤、異常識(shí)別等后續(xù)處理的基礎(chǔ)。各接口處理服務(wù)器按照相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，以Gb接口為例，其協(xié)議棧模型如圖4所示，其中物理層由采集器處理，在此圖未體現(xiàn)。

Gb接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議分為FR層、NS層、BSSGP層，但為了幫助用戶更好的分析及定位網(wǎng)絡(luò)問題，本系統(tǒng)同時(shí)分析了LLC層、GMM/SM層、SNDCP層及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層。Gb接口的數(shù)據(jù)傳輸采用幀中繼方式，幀中繼的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示，Gb接口處理服務(wù)器從信息位提取出用戶數(shù)據(jù)，之后逐層解析。在解析應(yīng)用層數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)被拆分到多個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)需要進(jìn)行幀的拼接。

表1 Gb接口幀中繼格式

4.3 用戶跟蹤技術(shù)

數(shù)據(jù)解析完成后只有進(jìn)行有效的關(guān)聯(lián)跟蹤才能發(fā)揮更大的價(jià)值。關(guān)聯(lián)跟蹤主要是同一用戶數(shù)據(jù)的跟蹤，包括同一接口內(nèi)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及不同接口間同一用戶數(shù)據(jù)的跟蹤比對(duì)。

1）同一接口內(nèi)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：Gb接口和Gn/Gp接口以監(jiān)測(cè)到的用戶會(huì)話管理信息為依據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。以Gb接口為例，當(dāng)Gb接口處理服務(wù)器解析獲取上下文激活信息后，即定義一次新的會(huì)話，同時(shí)開始對(duì)監(jiān)測(cè)用戶在該會(huì)話內(nèi)的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。Gb接口關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵字段為TLL I（臨時(shí)邏輯鏈路標(biāo)識(shí)，在一個(gè)路由區(qū)內(nèi)唯一）及路由區(qū)標(biāo)識(shí)，具體關(guān)聯(lián)流程如圖5所示。

2）不同接口間的數(shù)據(jù)跟蹤比對(duì)：該技術(shù)是定位網(wǎng)絡(luò)故障的最佳手段，也是精確定位故障的根本，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)跟蹤比對(duì)的前提是系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間同步。綜合分析單元根據(jù)IMSI、MSISDN、IP地址結(jié)合時(shí)間信息實(shí)現(xiàn)了Gb、Gn及G i接口三接口的信令及數(shù)據(jù)流程關(guān)聯(lián)、三接口業(yè)務(wù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及三接口異常統(tǒng)計(jì)功能。

三接口信令及數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)流程圖可一目了然的發(fā)現(xiàn)某一接口數(shù)據(jù)缺失或異常情況，可直觀的還原通信流程，為故障分析提供重要依據(jù)。

業(yè)務(wù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和異常統(tǒng)計(jì)可統(tǒng)計(jì)出選定用戶的三接口各業(yè)務(wù)指標(biāo)發(fā)送的總次數(shù)、發(fā)送失敗次數(shù)、發(fā)送成功率及異常次數(shù)，對(duì)比三接口的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可定位故障發(fā)生的位置。

4.4 監(jiān)測(cè)分析結(jié)果與GIS信息集成技術(shù)

系統(tǒng)集成了基于GPS的地理位置信息，利用從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提取的經(jīng)緯度信息，將地理位置信息和監(jiān)測(cè)分析結(jié)果關(guān)聯(lián)，在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示列車位置、機(jī)車通信狀態(tài)及異常分布情況，顯示效果如圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

GPRS網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)技術(shù)是鐵路數(shù)字通信業(yè)務(wù)質(zhì)量的保證，該技術(shù)目前僅處于起步階段，系統(tǒng)的功能、監(jiān)測(cè)指標(biāo)等都還不夠完善，且該系統(tǒng)目前未形成統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，這些都需要鐵路通信工作者的不斷努力才能實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)更全面的監(jiān)測(cè)。

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