GSM-R承載調(diào)度命令信息傳送診斷分析系統(tǒng)

■ 武貴君 蔣文怡

GSM-R承載調(diào)度命令信息傳送診斷分析系統(tǒng)

■ 武貴君 蔣文怡

0 引言

根據(jù)鐵路部門規(guī)劃，我國客運專線、高速鐵路全部采用GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)作為列車與地面控制中心間的無線通信平臺，并采用調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）實現(xiàn)列車調(diào)度指揮。隨著國內(nèi)高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)和陸續(xù)開通，CTC系統(tǒng)采用通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）方式向機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（CIR）發(fā)送調(diào)度命令、列車進(jìn)路預(yù)告信息已被廣泛應(yīng)用，作為行車憑證，調(diào)度命令、列車進(jìn)路預(yù)告信息發(fā)送的成功與否直接關(guān)系行車安全和運輸效率。

在GSM-R網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用GPRS業(yè)務(wù)，具有無線信道利用率高等優(yōu)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(yè)務(wù)監(jiān)測分析工具的缺乏，使得運營維護(hù)人員不能對調(diào)度命令傳送業(yè)務(wù)進(jìn)行實時跟蹤監(jiān)測，業(yè)務(wù)出現(xiàn)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(nèi)外現(xiàn)狀

歐洲多國雖已采用GSM-R通信系統(tǒng)，但只使用了GSM-R的電路域功能，并沒有將分組域業(yè)務(wù)應(yīng)用到鐵路業(yè)務(wù)中。

我國2006年首次在青藏鐵路上使用GPRS傳輸調(diào)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(diào)度命令信息傳送。

在公眾通信行業(yè)，針對GSM的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)業(yè)已成熟，但是國內(nèi)外的各種監(jiān)測設(shè)備沒有針對GSM-R專用網(wǎng)絡(luò)特點的軟硬件平臺，也沒有針對鐵路調(diào)度命令故障診斷分析的產(chǎn)品出現(xiàn)。

信令分析儀不能對采集的信令進(jìn)行多用戶的識別，對正在傳輸?shù)男帕钜膊痪邆溆脩糇R別能力，這限制了普通信令分析儀對鐵路特定使用調(diào)度命令業(yè)務(wù)用戶的分析，不利于有針對性地發(fā)現(xiàn)問題。

2 技術(shù)原理

2.1 概述

CTC與CIR之間交互的數(shù)據(jù)在傳送過程中，經(jīng)過的設(shè)備與接口較多，并且受無線通信環(huán)境的多變性影響較大。目前缺乏監(jiān)測手段及調(diào)度命令故障分析手段。電務(wù)部門工作人員在日常維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，針對列車進(jìn)路預(yù)告信息、調(diào)度命令信息、無線車次號信息發(fā)送失敗的情況，沒有強(qiáng)有力的分析手段，GPRS接口服務(wù)器（GRIS）只能判斷出有沒有將CTC的信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點（GGSN），而無法看到之后的信息發(fā)送流程，導(dǎo)致維護(hù)人員無法準(zhǔn)確判斷故障原因。

另外，對于CIR時有發(fā)生的附著失敗、分組報文協(xié)議（PDP）激活失敗、無法獲取歸屬GRIS IP地址等GSM-R網(wǎng)絡(luò)分組域業(yè)務(wù)故障，也缺乏相應(yīng)的分析手段，大多數(shù)只能采取重啟CIR的方式進(jìn)行解決，無法深入分析原因，給設(shè)備的維護(hù)帶來了隱患。

根據(jù)GSM-R網(wǎng)絡(luò)維修規(guī)則要求，需按周、月等時間節(jié)點對調(diào)度命令、列車進(jìn)路預(yù)告信息的成功率進(jìn)行統(tǒng)計，并要求對失敗的情況進(jìn)行具體分析，而目前的設(shè)備在這些方面功能較弱，使得維護(hù)人員只能通過人工方式進(jìn)行統(tǒng)計，任務(wù)量極大，影響了工作效率。

在此以GPRS網(wǎng)絡(luò)的原理分析為基礎(chǔ)，研究GPRS業(yè)務(wù)流程和信令解碼，對服務(wù)GPRS支持節(jié)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(jìn)行協(xié)議分析；通過對Gb、Gn、Gi接口進(jìn)行深入的理論研究、協(xié)議棧分析、信令流程分析，結(jié)合鐵路運輸實際應(yīng)用情況，提出適合鐵路業(yè)務(wù)需求的分組域通信單元跟蹤方案，實現(xiàn)多用戶多目標(biāo)跟蹤；從調(diào)度命令的數(shù)據(jù)流程和業(yè)務(wù)特點研究出發(fā)，研究故障分析診斷的設(shè)計原理和方法；在分析GPRS通信過程、CIR工作流程、CTC調(diào)度命令發(fā)送工作原理，并根據(jù)3GPP協(xié)議，對GPRS核心網(wǎng)關(guān)鍵接口Gb、Gn、Gi接口信令流程和數(shù)據(jù)流程進(jìn)行深入研究，形成調(diào)度命令信息傳送智能分析理論。

2.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵接口監(jiān)測及診斷分析技術(shù)原理

調(diào)度命令信息發(fā)送過程中，經(jīng)過Gb、Gi、Gn三大關(guān)鍵信令節(jié)點（見圖1）。

通過對GSM-R網(wǎng)絡(luò)分組域關(guān)鍵接口Gb接口、Gn接口、Gi接口進(jìn)行信令監(jiān)測和用戶跟蹤，可實現(xiàn)對CIR的分組域業(yè)務(wù)狀態(tài)及車-地間調(diào)度命令傳輸過程的實時跟蹤和監(jiān)測。從而實現(xiàn)對GSM-R承載調(diào)度命令信息的診斷分析。

在理論分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)GSM-R承載調(diào)度命令信息傳送診斷分析系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）功能軟件，并集成系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。通過對Gb、Gi、Gn接口信令及數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲，實現(xiàn)對車載CIR設(shè)備分組域模塊的狀態(tài)監(jiān)測、調(diào)度命令信息傳送故障診斷分析、GPRS網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計功能。本系統(tǒng)是集信令采集分析、應(yīng)用數(shù)據(jù)采集分析、在線用戶監(jiān)視、查詢分析、中斷統(tǒng)計、日志圖表和綜合分析等多種功能為一體的監(jiān)測分析系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

技術(shù)方案總體結(jié)構(gòu)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(jìn)行采集的方式，在E1（有75 Ω、120 Ω兩種電阻規(guī)格）鏈路上加1個電阻遠(yuǎn)超過E1本身電阻的高阻設(shè)備，以保證在基本不影響信令質(zhì)量的情況下獲得微弱的信令信號，并加以放大用于監(jiān)測信令。

高阻跨接的作用就是保證原信令系統(tǒng)的安全，信令監(jiān)測系統(tǒng)不對主設(shè)備產(chǎn)生任何影響：（1）完全獨立于信令網(wǎng)絡(luò)及交換設(shè)備；（2）不對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生任何影響或增加任何負(fù)擔(dān)。但高阻跨接出來的信號強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的2.048 Mb/s脈沖編碼調(diào)制（PCM）數(shù)字傳輸鏈路。

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

3.1.2 交換機(jī)鏡像

圖1 GSM-R系統(tǒng)GPRS關(guān)鍵接口

圖2 技術(shù)方案總體結(jié)構(gòu)

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

當(dāng)交換機(jī)端口被設(shè)置為鏡像端口后，接到該端口的主機(jī)將無法發(fā)送數(shù)據(jù)包到網(wǎng)內(nèi)其他機(jī)器，為“單向接受”模式。

Gn、Gi接口為RJ45接口。對Gn和Gi接口進(jìn)行監(jiān)測時，將GSM-R核心網(wǎng)中分組域GGSN交換機(jī)的Gn、Gi VLAN使用交換機(jī)鏡像技術(shù)映射到單獨的端口。本系統(tǒng)通過網(wǎng)線與鏡像端口進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)對Gn接口和Gi接口數(shù)據(jù)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(xié)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(xié)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(wǎng)絡(luò)，Gb接口的兩端可使用不同類型的物理接口。在我國GSM-R網(wǎng)絡(luò)中，Gb接口物理層一般采用E1傳輸，符合G.703規(guī)范。

（2）第二層：該層基于幀中繼，在基站子系統(tǒng)（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(tǒng)GPRS協(xié)議（BSSGP），主要用于提供與無線相關(guān)的信息（如QoS、路由信息等），為SGSN和PCU之間的數(shù)據(jù)傳輸提供流量控制，并提供PCU和SGSN的節(jié)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(wǎng)匯聚協(xié)議（SNDCP）和短消息服務(wù)（SMS）等消息。

LLC是基于高速數(shù)據(jù)鏈路（HDLC）的無線鏈路協(xié)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(shù)據(jù)傳輸。

SNDCP作為網(wǎng)絡(luò)層與鏈路層的過渡，可將網(wǎng)絡(luò)級特性映射到底層網(wǎng)絡(luò)特性中，完成對用戶數(shù)據(jù)分段、打包。在該層移動臺和SGSN之間傳遞的數(shù)據(jù)被分割成一個或多個SNDCP數(shù)據(jù)分組單元后送入LLC層進(jìn)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(wǎng)絡(luò)相關(guān)的接入控制。

系統(tǒng)對位于BSSGP之上的GMM和SM信令進(jìn)行詳細(xì)解碼分析，實現(xiàn)對CIR數(shù)據(jù)模塊的狀態(tài)診斷、用戶跟蹤、調(diào)度命令業(yè)務(wù)傳送故障分析。

3.2.2 Gi接口數(shù)據(jù)分析

Gi接口為分組域數(shù)據(jù)接口，均傳輸與應(yīng)用業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，無相關(guān)信令。其數(shù)據(jù)協(xié)議結(jié)構(gòu)見圖4。

在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中，Gi接口包含GGSN與GRIS之間接口、GRIS與動態(tài)域名解析系統(tǒng)（DNS）之間接口、GGSN與遠(yuǎn)程用戶撥號認(rèn)證系統(tǒng)（RADIUS）之間接口。系統(tǒng)對如上3個接口的信令進(jìn)行協(xié)議分析、用戶跟蹤，實現(xiàn)對GRIS請求DNS業(yè)務(wù)的分析和成功率統(tǒng)計，實現(xiàn)對GGSN請求RADIUS鑒權(quán)業(yè)務(wù)的分析和成功率統(tǒng)計。

圖3 Gb接口協(xié)議棧

圖4 Gi接口協(xié)議棧

3.2.3 Gn接口信令分析

Gn接口是GPRS支持節(jié)點（GSN）之間的接口。GPRS隧道協(xié)議（GTP）是用于GPRS骨干網(wǎng)中GSN節(jié)點之間的接口協(xié)議。GTP協(xié)議由GTP信令和數(shù)據(jù)傳輸程序組成。GTP協(xié)議分類見圖5。

GPRS規(guī)范規(guī)定了采用無連接路徑協(xié)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(shù)據(jù)。同時GPRS規(guī)范還規(guī)定了以GTP為基礎(chǔ)的IP組網(wǎng)技術(shù)，包括：SGSN、GGSN、骨干路由器，實現(xiàn)對用戶分組數(shù)據(jù)的分段處理和執(zhí)行GTP、UDP或TCP和IP字頭封裝功能。

系統(tǒng)對GTP隧道協(xié)議棧進(jìn)行研究，對Gn接口的信令進(jìn)行協(xié)議分析、用戶跟蹤，實現(xiàn)對GTP隧道協(xié)議的解析，對CIR數(shù)據(jù)模塊的PDP激活事件進(jìn)行分析和成功率統(tǒng)計。

3.3 診斷分析方案

在調(diào)度命令信息傳送系統(tǒng)中，調(diào)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(shù)據(jù)模塊的GPRS狀態(tài)是否正常；

（2）調(diào)度命令信息傳送過程中經(jīng)過的各個接口信令流程是否正常；

（3）CIR分組數(shù)據(jù)模塊信令的鑒權(quán)信息是否正確；

（4）CIR分組數(shù)據(jù)模塊傳輸?shù)膽?yīng)用信息格式及內(nèi)容是否正確。

因此，本系統(tǒng)診斷分析技術(shù)方案也依據(jù)以上情景進(jìn)行分析。

4 總結(jié)

4.1 提出基于數(shù)據(jù)流跟蹤的故障診斷解決方案

針對調(diào)度命令傳輸過程點多面廣、經(jīng)過設(shè)備分散的特殊情況，在深入研究CTC調(diào)度集中工作原理、GSM-R網(wǎng)絡(luò)分組域信令協(xié)議、GRPS接口服務(wù)器工作原理和調(diào)度命令信息等數(shù)據(jù)傳輸流程的基礎(chǔ)上，提出通過監(jiān)測Gb、Gn、Gi接口，實現(xiàn)基于調(diào)度命令業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流跟蹤的故障診斷方法，將調(diào)度命令數(shù)據(jù)傳輸過程與GPRS分組域網(wǎng)絡(luò)性能及CIR狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，給出了故障的判斷依據(jù)和故障分析方法。

4.2 實現(xiàn)多目標(biāo)、多用戶實時跟蹤技術(shù)

針對在線CIR用戶眾多、調(diào)度命令信息傳輸?shù)耐话l(fā)性和隨機(jī)性大、CIR用戶與其他用戶共享GPRS無線資源等難題，采用關(guān)鍵信息元索引、數(shù)據(jù)過濾和篩選、多種物理資源映射等技術(shù)，提出多目標(biāo)、多用戶智能檢測與實時跟蹤方法，解決了用戶數(shù)據(jù)或信令遺漏、亂序、重復(fù)等問題，實現(xiàn)了多維并發(fā)海量數(shù)據(jù)的采集、存儲與分離。

4.3 多個接口的聯(lián)合診斷與故障定位

針對多個接口、不同通信信令流程和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，采用分散采集和集中處理思路、智能專家分析技術(shù)、機(jī)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(nèi)容的四元事件描述方法，解決了故障表示問題，實現(xiàn)了對調(diào)度命令發(fā)送故障的分析和診斷。

圖5 GTP協(xié)議分類

武貴君：北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，講師，北京，100044

蔣文怡：北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，副研究員，北京，100044

責(zé)任編輯 盧敏