楊戍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司西安710043)

軌道交通無線通信網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)新與實(shí)踐

楊戍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司西安710043)

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)在無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)多用戶通信實(shí)時(shí)跟蹤、多接口跟蹤分析診斷及通信故障預(yù)警等多種功能為一體的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)和記錄整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中全部的通信事件和信令流程，為查找網(wǎng)絡(luò)故障、分析用戶發(fā)生通信中斷的具體原因提供強(qiáng)有力的依據(jù)。在整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備之間發(fā)生的通信事件是否正常，均可以通過接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被精確地判別和反映出來，非常有針對(duì)性和準(zhǔn)確性。在無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后期，有了接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就可以避免無線網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備廠家在互聯(lián)互通時(shí)發(fā)生問題后互相推諉，還節(jié)省了大量進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的人力、物力和時(shí)間。

軌道交通;接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng);無線網(wǎng)絡(luò);通信事件;創(chuàng)新與實(shí)踐

1 軌道交通無線通信系統(tǒng)概述

城際軌道交通作為城市軌道交通的拓展，具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)時(shí)等特點(diǎn)，不但可以緩解城市交通的壓力，而且可以縮短交通出行時(shí)間。作為城際軌道交通中的無線通信系統(tǒng)，是保障列車運(yùn)行安全和提高運(yùn)行管理效率的重要技術(shù)裝備。GSM-R系統(tǒng)是基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM，根據(jù)軌道交通中調(diào)度管理、公安通信、搶修維護(hù)等多種用戶對(duì)語音通信和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的要求延伸發(fā)展而來的。GSM-R系統(tǒng)主要由基站BTS、基站控制器BSC、移動(dòng)交換中心MSC、調(diào)度交換機(jī)FAS等組成［1-2］，目前在廣州至珠海城軌、蘭州至中川機(jī)場(chǎng)城軌等項(xiàng)目中均有應(yīng)用。

為保障列車在GSM-R系統(tǒng)下的安全運(yùn)行，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，必須要有一種準(zhǔn)確和高效的監(jiān)測(cè)手段，可以快速定位網(wǎng)絡(luò)故障和判別網(wǎng)絡(luò)中通信故障發(fā)生的原因。接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集接口信令采集分析、用戶通信在線監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)狀況監(jiān)視、查詢和報(bào)表等多種功能為一體的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的Abis接口(BTS與BSC之間物理接口)、A接口(MSC與BSC之間物理接口)和PRI接口(MSC與FAS之間物理接口)的傳輸數(shù)據(jù)信息［3］。系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系

2 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及功能

2.1 系統(tǒng)組成

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為采集層、處理層和分析層。

1)采集層由Abis、A、PRI接口采集設(shè)備組成，實(shí)時(shí)采集被監(jiān)測(cè)接口的網(wǎng)絡(luò)信令信息。信令采集設(shè)備由相關(guān)接口的信令采集設(shè)備/數(shù)據(jù)采集設(shè)備、2M線、跨接高阻頭構(gòu)成。Abis接口采集設(shè)備監(jiān)測(cè)所有基站BTS和基站控制器BSC之間全部的2M數(shù)字鏈路;A接口采集設(shè)備監(jiān)測(cè)基站控制器BSC至移動(dòng)交換中心MSC之間所有的2M數(shù)字鏈路;PRI接口采集設(shè)備監(jiān)測(cè)移動(dòng)交換中心MSC與調(diào)度管理中心的調(diào)度交換機(jī)FAS之間的所有2M數(shù)字鏈路。

2)處理層由Abis、A、PRI接口處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)關(guān)、客戶端等組成，具體包含Abis接口CDR服務(wù)器、Abis接口數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，A接口CDR服務(wù)器、A接口數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，PRI接口CDR服務(wù)器、PRI接口數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。處理層處理和存儲(chǔ)從采集層獲得的信息，采用多接口、多用戶實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)接口用戶信令的統(tǒng)一索引，按照接口類型和業(yè)務(wù)類型分類形成數(shù)據(jù)庫(kù)信息。

3)分析層由綜合分析服務(wù)器、客戶端等組成，能對(duì)Abis、A、PRI接口監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)處理后的信息進(jìn)行進(jìn)一步的智能關(guān)聯(lián)分析，形成綜合分析報(bào)表。

另外，系統(tǒng)還通過以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備構(gòu)建各個(gè)單元設(shè)備之間連接的承載網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間同步設(shè)備讓各個(gè)單元設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議與外部時(shí)間源保持時(shí)間同步。

2.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)系統(tǒng)中各項(xiàng)業(yè)務(wù)的監(jiān)測(cè)需求，系統(tǒng)具備如下功能［4-5］:

1)繪制移動(dòng)終端的車對(duì)地(上行無線鏈路，從移動(dòng)臺(tái)至基站BTS)、地對(duì)車(下行無線鏈路，從基站BTS至移動(dòng)臺(tái))的雙方向無線電平分布圖。該圖能夠診斷無線信號(hào)弱場(chǎng)強(qiáng)地點(diǎn)和不能滿足列控?cái)?shù)據(jù)可靠傳輸?shù)膮^(qū)段。2)繪制移動(dòng)終端車對(duì)地、地對(duì)車雙方向無線傳輸質(zhì)量和定時(shí)提前量分布圖。該分布圖能夠診斷移動(dòng)終端傳輸數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的傳輸誤碼和同頻干擾。3)在每一個(gè)基站的覆蓋范圍內(nèi)，移動(dòng)終端通信時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量的信令，如果這些信令流程不正常，時(shí)序不正確，將會(huì)導(dǎo)致通信中斷。利用信令表能夠診斷、分析每一個(gè)移動(dòng)終端的通信是否正常，并可以判斷發(fā)生通信中斷的拆線方是來自移動(dòng)終端還是無線網(wǎng)絡(luò)本身。4)繪制序列表。通過該表可以分析移動(dòng)終端在每?jī)蓚€(gè)小區(qū)間切換的分布特點(diǎn)，根據(jù)發(fā)生小區(qū)切換的異?，F(xiàn)象，確定產(chǎn)生異常的原因。5)提供業(yè)務(wù)告警、無線覆蓋分析、無線通信質(zhì)量分析、越區(qū)切換分析等功能，讓用戶更加方便快捷地發(fā)現(xiàn)GSM-R網(wǎng)絡(luò)及其所提供的業(yè)務(wù)是否存在問題，為無線網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)提供有力支撐。

3 系統(tǒng)改進(jìn)與創(chuàng)新

3.1 接口協(xié)議自動(dòng)分析及故障預(yù)警技術(shù)

首先在對(duì)Abis、A和PRI等多接口跟蹤的基礎(chǔ)上，完成對(duì)接口協(xié)議的自動(dòng)分析，然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置各項(xiàng)業(yè)務(wù)的正常通信流程進(jìn)行比對(duì)與分析，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的綜合分析、診斷及故障預(yù)警。

3.2 基于用戶使用場(chǎng)景的流程分析技術(shù)

城際鐵路用戶業(yè)務(wù)種類繁多，常用的業(yè)務(wù)場(chǎng)景就包含普通語音、普通組呼、緊急組呼、廣播、功能號(hào)注冊(cè)、功能號(hào)注銷、高優(yōu)先級(jí)強(qiáng)拆等情況。這些用戶在GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口信令流程中都必須遵守相應(yīng)的使用流程標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有多廠家、多樣性特點(diǎn)，這些廠家的設(shè)備之間在互聯(lián)互通過程中存在不一致性。而接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范原則形成基于用戶使用場(chǎng)景的流程分析方法，用準(zhǔn)確的算法分析、提煉出通信質(zhì)量不合格事件，可有效提升城際鐵路運(yùn)營(yíng)的安全能力。

3.3 智能評(píng)估分析技術(shù)

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能評(píng)估分析技術(shù)，利用統(tǒng)計(jì)得到的指標(biāo)參數(shù)，把數(shù)字轉(zhuǎn)化成應(yīng)用建議和優(yōu)化意見，使運(yùn)營(yíng)管理人員更直觀易懂。接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用兩種方法實(shí)現(xiàn)了智能評(píng)估:一是充分利用既有的案例，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和定時(shí)器特性，歸納出一系列影響網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和業(yè)務(wù)故障現(xiàn)象之間的聯(lián)系，自動(dòng)從故障現(xiàn)象直接推斷出可能的原因，為定位故障原因提供幫助;二是利用各類指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，形成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量水平整體定性的判定標(biāo)準(zhǔn)。采用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)因子的方式，設(shè)定相關(guān)各種統(tǒng)計(jì)值的權(quán)重，對(duì)小區(qū)或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)判，進(jìn)而形成GSM-R網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的智能分析結(jié)果。

4 應(yīng)用案例

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、聯(lián)調(diào)聯(lián)試以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的過程中，能夠?qū)崟r(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題，判斷問題發(fā)生點(diǎn)和明確責(zé)任［6］。以下從兩個(gè)方面描述其在發(fā)現(xiàn)和處理問題中的指導(dǎo)作用。

4.1 機(jī)車車載臺(tái)越區(qū)切換故障

在某工程建成進(jìn)行驗(yàn)收的過程中，發(fā)現(xiàn)使用的某型動(dòng)車車載電臺(tái)在運(yùn)行過程中，越區(qū)切換不暢。具體表現(xiàn)為當(dāng)前小區(qū)覆蓋區(qū)段的電平弱，機(jī)車電臺(tái)無法進(jìn)行越區(qū)切換，導(dǎo)致通信掉話，嚴(yán)重影響了列車運(yùn)行。通過對(duì)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在該上報(bào)的測(cè)量報(bào)告中，發(fā)現(xiàn)此段本應(yīng)該有4個(gè)鄰區(qū)的電平信號(hào)，但沒有測(cè)到鄰區(qū)，如圖2所示。由于沒有鄰區(qū)信息，導(dǎo)致BSC無法發(fā)起切換，最后發(fā)生通信掉話，可以判斷為車載電臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)間的工作異常。

圖2 機(jī)車車載臺(tái)越區(qū)切換故障示意

進(jìn)一步分析日志記錄，發(fā)現(xiàn)2個(gè)問題:1)能夠測(cè)量到鄰區(qū)信息，但沒有通過測(cè)量報(bào)告上報(bào);2)未按照網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)消息中規(guī)定的鄰區(qū)頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而是測(cè)量了一些無關(guān)的頻點(diǎn)。導(dǎo)致該問題的原因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)消息2和系統(tǒng)消息5中廣播鄰區(qū)列表信息，但同時(shí)也發(fā)送了內(nèi)容為空的系統(tǒng)消息2ter和系統(tǒng)消息5ter，此鄰區(qū)列表的發(fā)送機(jī)制導(dǎo)致機(jī)車電臺(tái)獲取鄰區(qū)列表出現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致上述故障，經(jīng)升級(jí)軟件后問題解決。由此可見，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)和定位上述問題中起到了關(guān)鍵作用，將無線通信中不可見的無線電波信號(hào)變?yōu)榭梢姾鸵鬃x的數(shù)據(jù)圖表，從而可以快速定位故障，提高運(yùn)營(yíng)安全和效率。

4.2 鄰頻干擾造成切換亂序與失敗

某線路網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃如圖3所示，小區(qū)B和小區(qū)D之間所配置的頻點(diǎn)為鄰頻，如果車載電臺(tái)完全按照設(shè)計(jì)進(jìn)行正常切換，即由D切換至C，再由C切換至B，則鄰頻干擾的問題不會(huì)出現(xiàn)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃示意

由于無線電波覆蓋存在隨機(jī)性，各種外界的無線電波也存在干擾，因此在車輛運(yùn)行的過程中，當(dāng)車載電臺(tái)由小區(qū)D切換至小區(qū)C后，由于存在干擾，導(dǎo)致下行質(zhì)量變差，從而引起乒乓切換又切回小區(qū)D。當(dāng)車輛繼續(xù)向小區(qū)B方向運(yùn)行，小區(qū)B的覆蓋逐漸變強(qiáng)，小區(qū)D的覆蓋逐漸變?nèi)?。由于這兩個(gè)小區(qū)頻點(diǎn)為鄰頻，小區(qū)B的頻點(diǎn)1015高于小區(qū)D頻點(diǎn)1014電平值6 dB以上，形成了鄰頻干擾，導(dǎo)致小區(qū)B下行質(zhì)量急劇惡化，機(jī)車電臺(tái)無法進(jìn)行正常的切換，從而導(dǎo)致掉話。發(fā)現(xiàn)此情況后，通過對(duì)小區(qū)D的頻點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，將BCCH載頻和TCH載頻頻點(diǎn)互換后，此問題得到解決。從上述問題的過程可以看出，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)車載電臺(tái)的當(dāng)前狀態(tài)、通信過程等可以做到直觀的查看與分析，提升了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性。

5 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體功能體現(xiàn)

在接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示和記錄整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中，用戶發(fā)起通信相關(guān)基站的上下行覆蓋電平值、上下行語音質(zhì)量等級(jí)等參數(shù)。同時(shí)記錄整個(gè)GSM-R系統(tǒng)中全部的通信事件和信令流程，為無線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和維護(hù)提供實(shí)時(shí)、全程、多角度、多維度(時(shí)間、空間、速度)、圖示化的分析報(bào)告。運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員能夠據(jù)此報(bào)告，診斷網(wǎng)絡(luò)故障并分析原因。而同時(shí)監(jiān)測(cè)到的呼叫、越區(qū)切換和通信掛斷等信令信息，則反映了移動(dòng)用戶在網(wǎng)絡(luò)中是否存在小區(qū)切換失敗以及掉話等現(xiàn)象，用于判斷發(fā)起通信呼叫的業(yè)務(wù)流程是否正常。呼叫的詳細(xì)記錄能夠判斷不同用戶每一次的通信呼叫建立以及釋放的原因，還能判斷發(fā)起呼叫或釋放的具體是哪一方。

6 結(jié)語

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在城際鐵路的工程建設(shè)和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的各個(gè)階段都發(fā)揮著積極的作用。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，能有效利用稀缺的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備和車輛運(yùn)行設(shè)備，解決網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作中測(cè)量工具不足的難題。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中后期，有利于解決基站、光纖直放站設(shè)備、手持終端、機(jī)車電臺(tái)等不同設(shè)備之間互聯(lián)互通產(chǎn)生的問題。網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)收運(yùn)營(yíng)之后，更有利于監(jiān)測(cè)和預(yù)警各設(shè)備之間出現(xiàn)的故障和發(fā)生的通信質(zhì)量不合格事件。避免了不同設(shè)備廠家在解決問題時(shí)的推諉，還節(jié)省了大量進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的人力、物力和時(shí)間，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。本文在對(duì)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)和功能分析的基礎(chǔ)上，提出了接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)與創(chuàng)新點(diǎn)，并給出了在現(xiàn)場(chǎng)利用接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決實(shí)際問題的案例。伴隨著城際軌道交通GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也將不斷演進(jìn)和發(fā)展，從保障城際軌道交通GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)的可靠性和高效率角度出發(fā)，進(jìn)一步研究通信質(zhì)量不合格事件的機(jī)理，增強(qiáng)車地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能分析、綜合閉環(huán)檢測(cè)分析能力，在城際軌道交通無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展演進(jìn)中承擔(dān)重要的角色。

［1］鐘章隊(duì)，李旭，蔣文怡，等.鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSMR)應(yīng)用基礎(chǔ)理論［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007: 172-185.

［2］鐘章隊(duì)，艾渤，劉秋妍，等.鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSMR)應(yīng)用基礎(chǔ)理論［M］.北京:清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2009:248-257.

［3］鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)總體技術(shù)要求:TB/T 3324—2013［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2013.

［4］孫斌.GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的應(yīng)用［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2011(2):108-111.

［5］孫斌，蔣文怡.新一代GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.鐵道通信信號(hào)，2015(4):64-67.

［6］鐘章隊(duì)，吳昊，李翠然，等.鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSMR)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化［M］.北京:清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2012:113-116.

(編輯:曹雪明)

Innovation and Practice on Interface Monitoring System of Rail TransitW ireless Communication Network

Yang Shu
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043)

Interfacemonitoring system is amonitoring and analysis system including implementation ofmulti-target，multi-user and real-time tracking in awireless network，multi-functional and multi-interface tracking comprehensive analysis and joint diagnosis，analysis and communications interface protocol automatic faultwarning，etc.All of the communication events and signaling processes in entirewireless network can bemonitored and recorded by the system，which providesa strong basis for finding network failuresand analyzing the specific reasons for the occurrence of communication interruptions.The situation of communication events between devices across the wireless network can bemonitored accurately through the interface discrimination and reflected by the system pertinently.At thewireless network optimization stage after the construction is completed，controversy occurring during interconnection commissioning among different equipmentmanufacturers can be avoided.Also a large number ofmanpower，material and time can be saved.

rail transit;interfacemonitoring system;wireless network;communication event;innovation and practice

U231.7

A

1672-6073(2016)02-0088-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.020

2015-12-17

2015-12-30

楊戍，男，工程師.主要從事軌道交通無線通信設(shè)計(jì)工作，1060289501@qq.com