GSM-R承载调度命令信息传送诊断分析系统

2014-01-18武贵君蒋文怡

铁路技术创新 2014年1期

■ 武贵君蒋文怡

■ 武贵君蒋文怡

0 引言

根据铁路部门规划，我国客运专线、高速铁路全部采用GSM-R数字移动通信系统作为列车与地面控制中心间的无线通信平台，并采用调度集中系统（CTC）实现列车调度指挥。随着国内高速铁路的大规模建设和陆续开通，CTC系统采用通用分组无线业务（GPRS）方式向机车综合无线通信设备（CIR）发送调度命令、列车进路预告信息已被广泛应用，作为行车凭证，调度命令、列车进路预告信息发送的成功与否直接关系行车安全和运输效率。

在GSM-R网络应用GPRS业务，具有无线信道利用率高等优点，但同时也存在时延大，可靠性较电路交换（CSD）方式差的缺点。目前由于GPRS分组业务监测分析工具的缺乏，使得运营维护人员不能对调度命令传送业务进行实时跟踪监测，业务出现问题或故障后也缺乏有效的故障记录、分析手段及迅速的解决措施。

1 国内外现状

欧洲多国虽已采用GSM-R通信系统，但只使用了GSM-R的电路域功能，并没有将分组域业务应用到铁路业务中。

我国2006年首次在青藏铁路上使用GPRS传输调度命令等信息。目前我国新建高速铁路、客运专线、重载铁路均采用GSM-R承载调度命令信息传送。

在公众通信行业，针对GSM的网络监测技术业已成熟，但是国内外的各种监测设备没有针对GSM-R专用网络特点的软硬件平台，也没有针对铁路调度命令故障诊断分析的产品出现。

信令分析仪不能对采集的信令进行多用户的识别，对正在传输的信令也不具备用户识别能力，这限制了普通信令分析仪对铁路特定使用调度命令业务用户的分析，不利于有针对性地发现问题。

2 技术原理

2.1 概述

CTC与CIR之间交互的数据在传送过程中，经过的设备与接口较多，并且受无线通信环境的多变性影响较大。目前缺乏监测手段及调度命令故障分析手段。电务部门工作人员在日常维护中发现，针对列车进路预告信息、调度命令信息、无线车次号信息发送失败的情况，没有强有力的分析手段，GPRS接口服务器（GRIS）只能判断出有没有将CTC的信息发送至网关GPRS支持节点（GGSN），而无法看到之后的信息发送流程，导致维护人员无法准确判断故障原因。

另外，对于CIR时有发生的附着失败、分组报文协议（PDP）激活失败、无法获取归属GRIS IP地址等GSM-R网络分组域业务故障，也缺乏相应的分析手段，大多数只能采取重启CIR的方式进行解决，无法深入分析原因，给设备的维护带来了隐患。

根据GSM-R网络维修规则要求，需按周、月等时间节点对调度命令、列车进路预告信息的成功率进行统计，并要求对失败的情况进行具体分析，而目前的设备在这些方面功能较弱，使得维护人员只能通过人工方式进行统计，任务量极大，影响了工作效率。

在此以GPRS网络的原理分析为基础，研究GPRS业务流程和信令解码，对服务GPRS支持节点（SGSN）与基站控制器/分组控制单元（BSC/PCU）之间的接口Gb接口、GGSN与SGSN之间的Gn接口、GGSN与GRIS之间的Gi接口进行协议分析；通过对Gb、Gn、Gi接口进行深入的理论研究、协议栈分析、信令流程分析，结合铁路运输实际应用情况，提出适合铁路业务需求的分组域通信单元跟踪方案，实现多用户多目标跟踪；从调度命令的数据流程和业务特点研究出发，研究故障分析诊断的设计原理和方法；在分析GPRS通信过程、CIR工作流程、CTC调度命令发送工作原理，并根据3GPP协议，对GPRS核心网关键接口Gb、Gn、Gi接口信令流程和数据流程进行深入研究，形成调度命令信息传送智能分析理论。

2.2 GPRS网络关键接口监测及诊断分析技术原理

调度命令信息发送过程中，经过Gb、Gi、Gn三大关键信令节点（见图1）。

通过对GSM-R网络分组域关键接口Gb接口、Gn接口、Gi接口进行信令监测和用户跟踪，可实现对CIR的分组域业务状态及车-地间调度命令传输过程的实时跟踪和监测。从而实现对GSM-R承载调度命令信息的诊断分析。

在理论分析的基础上，开发GSM-R承载调度命令信息传送诊断分析系统（简称系统）功能软件，并集成系统的硬件结构。通过对Gb、Gi、Gn接口信令及数据的采集、分析、存储，实现对车载CIR设备分组域模块的状态监测、调度命令信息传送故障诊断分析、GPRS网络关键技术指标统计功能。本系统是集信令采集分析、应用数据采集分析、在线用户监视、查询分析、中断统计、日志图表和综合分析等多种功能为一体的监测分析系统。

3 系统实现方案

技术方案总体结构见图2。

3.1 信令采集方案

3.1.1 高阻跨接

信令高阻跨接是对七号信令进行采集的方式，在E1（有75 Ω、120 Ω两种电阻规格）链路上加1个电阻远超过E1本身电阻的高阻设备，以保证在基本不影响信令质量的情况下获得微弱的信令信号，并加以放大用于监测信令。

高阻跨接的作用就是保证原信令系统的安全，信令监测系统不对主设备产生任何影响：（1）完全独立于信令网络及交换设备；（2）不对现有网络产生任何影响或增加任何负担。但高阻跨接出来的信号强度会有所降低。

Gb接口为SGSN与PCU之间的2M接口。物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s脉冲编码调制（PCM）数字传输链路。

Gb接口采集设备使用高阻隔离适配器跨接的方式从数字配线架（DDF）一端SGSN与PCU之间的2M接口进行采集，采集设备通过UDP/IP方式将数据和信令发送至处理服务器进行处理。

3.1.2 交换机镜像

图1 GSM-R系统GPRS关键接口

图2 技术方案总体结构

端口镜像（Port Mirroring）是把交换机一个端口或一个虚拟局域网（VLAN）的数据镜像到一个或多个端口的方法。交换机把某一个端口接收或发送的数据帧完全相同地复制给另一个端口，其中被复制的端口称为镜像源端口，复制的端口称为镜像目的端口。

当交换机端口被设置为镜像端口后，接到该端口的主机将无法发送数据包到网内其他机器，为“单向接受”模式。

Gn、Gi接口为RJ45接口。对Gn和Gi接口进行监测时，将GSM-R核心网中分组域GGSN交换机的Gn、Gi VLAN使用交换机镜像技术映射到单独的端口。本系统通过网线与镜像端口进行连接，从而实现对Gn接口和Gi接口数据的采集。

3.2 信令解码方案

3.2.1 Gb接口信令分析

Gb接口的协议栈见图3。Gb接口各层定义如下：

（1）第一层：物理层可采用多种接口协议。该层定义了所使用媒体的传输特性，Gb接口的物理层是帧中继网络，Gb接口的两端可使用不同类型的物理接口。在我国GSM-R网络中，Gb接口物理层一般采用E1传输，符合G.703规范。

（2）第二层：该层基于帧中继，在基站子系统（BSS）和SGSN之间要建立帧中继的虚电路，多个用户的LLC PDU就建立在虚电路上，虚电路采用永久虚电路（PVC）。

（3）第三层：基站子系统GPRS协议（BSSGP），主要用于提供与无线相关的信息（如QoS、路由信息等），为SGSN和PCU之间的数据传输提供流量控制，并提供PCU和SGSN的节点管理功能。

在BSSGP中，还包括BSS部分透传的移动台（MS）与SGSN之间交互的逻辑链路控制（LLC）、GPRS移动性管理（GMM）、子网汇聚协议（SNDCP）和短消息服务（SMS）等消息。

LLC是基于高速数据链路（HDLC）的无线链路协议，能够在MS与SGSN之间提供一条可靠的、加密的逻辑链路用于数据传输。

SNDCP作为网络层与链路层的过渡，可将网络级特性映射到底层网络特性中，完成对用户数据分段、打包。在该层移动台和SGSN之间传递的数据被分割成一个或多个SNDCP数据分组单元后送入LLC层进行传输。

GMM和会话管理（SM）位于BSSGP之上，用于控制SGSN和PCU之间的移动性消息和网络相关的接入控制。

系统对位于BSSGP之上的GMM和SM信令进行详细解码分析，实现对CIR数据模块的状态诊断、用户跟踪、调度命令业务传送故障分析。

3.2.2 Gi接口数据分析

Gi接口为分组域数据接口，均传输与应用业务相关的数据，无相关信令。其数据协议结构见图4。

在GSM-R网络中，Gi接口包含GGSN与GRIS之间接口、GRIS与动态域名解析系统（DNS）之间接口、GGSN与远程用户拨号认证系统（RADIUS）之间接口。系统对如上3个接口的信令进行协议分析、用户跟踪，实现对GRIS请求DNS业务的分析和成功率统计，实现对GGSN请求RADIUS鉴权业务的分析和成功率统计。

图3 Gb接口协议栈

图4 Gi接口协议栈

3.2.3 Gn接口信令分析

Gn接口是GPRS支持节点（GSN）之间的接口。GPRS隧道协议（GTP）是用于GPRS骨干网中GSN节点之间的接口协议。GTP协议由GTP信令和数据传输程序组成。GTP协议分类见图5。

GPRS规范规定了采用无连接路径协议UDP/IP传送GTP信令信息，并建议选取UDP/IP无连接路径或TCP/IP面向连接路径上建立的隧道传送用户分组数据。同时GPRS规范还规定了以GTP为基础的IP组网技术，包括：SGSN、GGSN、骨干路由器，实现对用户分组数据的分段处理和执行GTP、UDP或TCP和IP字头封装功能。

系统对GTP隧道协议栈进行研究，对Gn接口的信令进行协议分析、用户跟踪，实现对GTP隧道协议的解析，对CIR数据模块的PDP激活事件进行分析和成功率统计。

3.3 诊断分析方案

在调度命令信息传送系统中，调度命令信息传送成功与否主要取决于以下几个方面：

（1）CIR分组数据模块的GPRS状态是否正常；

（2）调度命令信息传送过程中经过的各个接口信令流程是否正常；

（3）CIR分组数据模块信令的鉴权信息是否正确；

（4）CIR分组数据模块传输的应用信息格式及内容是否正确。

因此，本系统诊断分析技术方案也依据以上情景进行分析。

4 总结

4.1 提出基于数据流跟踪的故障诊断解决方案

针对调度命令传输过程点多面广、经过设备分散的特殊情况，在深入研究CTC调度集中工作原理、GSM-R网络分组域信令协议、GRPS接口服务器工作原理和调度命令信息等数据传输流程的基础上，提出通过监测Gb、Gn、Gi接口，实现基于调度命令业务数据流跟踪的故障诊断方法，将调度命令数据传输过程与GPRS分组域网络性能及CIR状态相关联，给出了故障的判断依据和故障分析方法。

4.2 实现多目标、多用户实时跟踪技术

针对在线CIR用户众多、调度命令信息传输的突发性和随机性大、CIR用户与其他用户共享GPRS无线资源等难题，采用关键信息元索引、数据过滤和筛选、多种物理资源映射等技术，提出多目标、多用户智能检测与实时跟踪方法，解决了用户数据或信令遗漏、乱序、重复等问题，实现了多维并发海量数据的采集、存储与分离。

4.3 多个接口的联合诊断与故障定位

针对多个接口、不同通信信令流程和数据传输协议，采用分散采集和集中处理思路、智能专家分析技术、机车号/车次号与物理资源映射的方式，提出时间、空间、对象和内容的四元事件描述方法，解决了故障表示问题，实现了对调度命令发送故障的分析和诊断。