蔣海林，朱 燁，趙紅禮，唐 濤

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LTE-M信號及信令接口監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

蔣海林，朱 燁，趙紅禮，唐 濤

（北京交通大學(xué)軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044）

研究LTE-M信號及信令接口監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，首先介紹LTE-M系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其互聯(lián)互通需要開放的接口，分析對LTE-M信號接口及信令接口進行監(jiān)測和分析的重要性。重點介紹LTE-M接口監(jiān)測系統(tǒng)的信號接口的監(jiān)測功能，S1、S5、S6a和S10接口的協(xié)議棧及接口監(jiān)測的內(nèi)容，詳細(xì)描述LTE-M接口監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)和實現(xiàn)方式，最后展現(xiàn)接口監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的內(nèi)容。接口監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)和應(yīng)用，將在城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)的建設(shè)和維護過程中發(fā)揮重要的作用。

軌道交通；LTE-M；接口監(jiān)測；基于通信的列車控制系統(tǒng)；信號接口；信令接口

1 概述

近年，我國城市軌道交通呈暴發(fā)式的增長態(tài)勢，截至2017年末，中國有34座城市開通城軌交通運營，運營線路166條，總長度達5021.7 km；21座城市擁有2條及以上城軌交通線路，城軌交通網(wǎng)絡(luò)化運營已成趨勢。新建的城市軌道交通線路均采用基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（communications based train control，CBTC）。車地通信系統(tǒng)作為CBTC系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，傳輸列車控制信息和列車狀態(tài)信息。LTE-M（long term evolution for metro）系統(tǒng)是基于第四代移動通信技術(shù)，針對城市軌道交通應(yīng)用環(huán)境定制的TD-LTE（time duplexing-long term evolution）系統(tǒng)[1]。LTE-M系統(tǒng)具有抗干擾能力強、支持綜合業(yè)務(wù)承載以及高速移動數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點，已經(jīng)迅速取代原有的基于WLAN（wireless local area network）的車地通信技術(shù)，在城市軌道交通系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

列車運行控制信息等與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)對傳輸?shù)膶崟r性和可靠性要求很高。如果相關(guān)信息沒有被正確接收，列車將會緊急制動，極大地影響運營效率和安全。為了進行準(zhǔn)確的故障分析和故障定位，需要明確列車發(fā)生運營故障是否是因為車地通信系統(tǒng)的故障引起。這就需要分析車地通信的數(shù)據(jù)是否丟失或者延時過大，并且針對性地分析LTE-M系統(tǒng)相應(yīng)的信令流程，判斷故障發(fā)生的準(zhǔn)確時刻和原因。

現(xiàn)有的城市軌道交通通信系統(tǒng)的接口監(jiān)測對于CBTC信號系統(tǒng)與LTE-M系統(tǒng)的接口，一般在車載的終端對發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行存儲，當(dāng)發(fā)生故障時再手動人工進行分析。而LTE-M通信系統(tǒng)的信令分析一般是各廠家通過各自的信令分析設(shè)備進行調(diào)試分析，但是這種信令分析設(shè)備一般僅能分析自己設(shè)備的信令。市場上的通用LTE信令分析設(shè)備和一些高校研究的LTE信令分析方法都是針對公網(wǎng)，無法應(yīng)用于LTE-M系統(tǒng)[2-4]。

2 LTE-M系統(tǒng)架構(gòu)及接口

LTE-M系統(tǒng)架構(gòu)及接口如圖1所示[5]。LTE-M系統(tǒng)包括車載臺、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)3部分。其中，接入網(wǎng)指的是LTE基站，包括基帶處理單元（base band unit，BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（remote radio unit，RRU），核心網(wǎng)包括控制平面的移動性管理實體（mobility management entity，MME）、用戶面的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（PDN gateway，PGW）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（serving gateway，SGW）以及歸屬簽約用戶服務(wù)器（home subscriber server，HSS）。

在LTE-M系統(tǒng)中，核心網(wǎng)間數(shù)據(jù)接口總體架構(gòu)應(yīng)符合的規(guī)定有互聯(lián)互通需求的多條線路共用同一個HSS。在核心網(wǎng)間的漫游架構(gòu)中，系統(tǒng)采用歸屬地路由方式，以歸屬地PGW作為信令面和數(shù)據(jù)面的錨點。因此，在LTE-M規(guī)范中，規(guī)定各LTE-M系統(tǒng)應(yīng)開放基站與核心網(wǎng)間的S1接口、SGW和PGW間的S5接口、MME之間的S10接口以及MME和HSS之間的S6a接口。

LTE-M信號及信令接口監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測LTE-M地鐵信號和LTE-M系統(tǒng)接口信令，需要監(jiān)測的接口如圖1所示，除了以上提到的S1、S5、S10、S6a接口外，還監(jiān)測CBTC信號系統(tǒng)與LTE-M系統(tǒng)之間的SGi接口。接口監(jiān)測系統(tǒng)具體實施時，要在LTE-M的核心網(wǎng)交換機上進行端口鏡像，將以上接口的所有數(shù)據(jù)鏡像到監(jiān)測端口，接口監(jiān)測設(shè)備通過網(wǎng)線與鏡像端口相連，捕獲所監(jiān)測端口上的數(shù)據(jù)，并進行分析處理。

圖1 LTE-M系統(tǒng)架構(gòu)及協(xié)議接口

3 LTE-M接口監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)及協(xié)議

3.1 CBTC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測

LTE-M系統(tǒng)的CBTC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測用于監(jiān)測城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車載控制器（vehicle on board controller，VOBC）與車載無線單元，監(jiān)測區(qū)域控制器（zone controller，ZC）與VOBC、列車自動監(jiān)控（automatic train supervision，ATS）與VOBC、聯(lián)鎖（computer interlocking，CI）與VOBC的數(shù)據(jù)傳輸，記錄、定位通信丟包和傳輸瞬時中斷，分析列車緊急制動是否由車地傳輸中斷導(dǎo)致。

CBTC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)測的具體功能包括以下5方面。

1）數(shù)據(jù)捕捉和過濾功能。選擇正確的網(wǎng)絡(luò)接口捕捉業(yè)務(wù)原始數(shù)據(jù)，接口協(xié)議滿足標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議，可以設(shè)置捕捉滿足指定特征的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，過濾不必要的網(wǎng)絡(luò)分組數(shù)據(jù)。在捕捉包的過程中，每個包都帶有時間戳，時間戳保存在捕捉文件中。

2）數(shù)據(jù)存儲功能。分類存儲CBTC各種原數(shù)據(jù)（含ZC、CI、ATS等），存儲的數(shù)據(jù)可以使用數(shù)據(jù)分析設(shè)備打開、分析。車載數(shù)據(jù)記錄存儲時間不少于144 h（24×7）。

3）時間同步功能。地面和車載設(shè)備支持NTP（network time protocol）協(xié)議，存儲數(shù)據(jù)的時間戳必須與通信時鐘系統(tǒng)時間保持同步。

4）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析功能。根據(jù)分類存儲的ZC、CI、ATS等原數(shù)據(jù)分析出丟包率、時延等關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)傳輸指標(biāo)。

5）報表功能。能以標(biāo)準(zhǔn)化的格式輸出統(tǒng)計、分析結(jié)果。

3.2 LTE-M信令解析

LTE-M系統(tǒng)的信令接口監(jiān)測包括S1、S5、S6a和S10接口上的信令監(jiān)測。根據(jù)協(xié)議類型的不同，LTE-M系統(tǒng)的信令解析又分成以下3部分。

3.2.1 S1接口協(xié)議解析

S1接口指的是LTE系統(tǒng)中基站與核心網(wǎng)（evolved packet core，EPC）之間的接口[6]。在控制面經(jīng)過S1接口傳輸?shù)男帕畎▋煞N，第一種是eNodeB與MME之間通信的S1AP協(xié)議信令；第二種是終端設(shè)備（user equipment，UE）與MME之間通信使用的非接入層（non access stratum，NAS）協(xié)議信令。

S1-AP協(xié)議棧自下而上為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、Internet協(xié)議（internet protocol，IP）層、流量控制傳輸協(xié)議（stream control transmission protocol，SCTP）層、S1-AP層，其中運輸層采用SCTP協(xié)議，它是一個面向連接的協(xié)議，可以在兩個端點之間提供穩(wěn)定、有序的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，如圖2所示。SCTP協(xié)議較為完善地繼承了TCP（transmission control protocol）的擁塞控制并改進了其不足之處，現(xiàn)在廣泛地應(yīng)用于EPC網(wǎng)絡(luò)中的S1/S6a接口協(xié)議棧中。

圖2 S1-AP接口協(xié)議棧

NAS協(xié)議是描述UE與MME直接通信報文格式的協(xié)議[7]，NAS信令報文在S1接口傳輸?shù)臅r候一般是作為S1-AP報文的一個信元，隨著S1-AP報文的傳輸而傳輸。NAS信令分為兩大類：一類是移動性管理信息，即該類型信令主要負(fù)責(zé)終端的移動性管理，例如向核心網(wǎng)上報終端的位置信息；另一類是會話管理信息，該類型信息主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)面承載的建立、修改和釋放等。

NAS報文的傳輸路徑包括兩部分，以上行為例，第一部分是由RRC（radio resource control）協(xié)議攜帶經(jīng)過Uu口從UE傳輸?shù)絜NodeB；第二部分是由S1-AP協(xié)議攜帶經(jīng)過S1-MME接口從eNodeB傳輸?shù)組ME，雖然NAS報文經(jīng)過了eNodeB，但是eNodeB并不對該類型的報文進行處理，這就是所謂的“透明傳輸”。但是由于NAS報文的傳輸路徑一部分是空口環(huán)境，因此NAS報文大部分是加密傳輸?shù)?。如果要監(jiān)測NAS信令，需要先進行解密，獲得明文之后，再根據(jù)協(xié)議中的信令格式，對其進行解碼。

S1接口協(xié)議解析實時監(jiān)測城市軌道交通LTE-M系統(tǒng)S1接口的信令交互，對S1接口的報文進行解析、呼叫詳細(xì)記錄（call detailed recording，CDR）合成，并與其他接口的信令進行多段關(guān)聯(lián)，展現(xiàn)出每個終端完整的信令交互流程，最后準(zhǔn)確地顯示出監(jiān)測結(jié)果，呈現(xiàn)給用戶。

3.2.2 GTPV2接口協(xié)議解析

GTPV2（GPRS tunneling protocol version 2）[8]是LTE網(wǎng)絡(luò)S5和S10等多個EPC接口的協(xié)議，是GTP協(xié)議的升級版[9]，承載在用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（user datagram protocol，UDP）之上，分為信令平面和傳輸平面。其信令平面定義了多種消息，包括路徑管理消息、隧道管理消息、位置管理消息、移動管理消息、信令消息的可靠傳遞和信息元素等，其協(xié)議棧如圖3所示。

圖3 GTPV2協(xié)議棧

接口監(jiān)測系統(tǒng)的GTPV2協(xié)議解析部分用于分析LTE-M系統(tǒng)中核心網(wǎng)的MME-MME之間的S10接口和SGW-PGW之間的S5接口。軟件將這些接口中傳輸?shù)腉TPV2信令進行解析，并且統(tǒng)計網(wǎng)元之間的CDR流程，以期對LTE-M通信系統(tǒng)核心網(wǎng)接口的控制面信令展開分析。

3.2.3 Diameter接口協(xié)議解析

S6a是MME與HSS之間的接口，該接口的主要協(xié)議為Diameter協(xié)議[10]，即Authentication（認(rèn)證）、Authorization（授權(quán)）、Accounting（計費）（簡稱AAA協(xié)議）的協(xié)議實體。AAA協(xié)議在LTE網(wǎng)絡(luò)運行中起著重要作用，其協(xié)議棧如圖4所示。

圖4 S6a接口協(xié)議棧

接口監(jiān)測系統(tǒng)的Diameter協(xié)議解析部分用于分析LTE-M車地通信系統(tǒng)中核心網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)元接口控制面的Diameter信令，具體指的是MME與HSS之間的S6a接口。軟件將這些接口中傳輸?shù)腄iameter信令進行解析，并且統(tǒng)計網(wǎng)元之間的CDR流程。

4 接口監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)

4.1 軟件設(shè)計

接口監(jiān)測系統(tǒng)的軟件分為3層，分別是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層及應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)采集層的主要任務(wù)是在不影響列車車載終端與地面設(shè)備正常通信的前提下，采集LTE-M S1接口中的通信報文數(shù)據(jù)，以其作為接口監(jiān)測系統(tǒng)進行信令監(jiān)測的數(shù)據(jù)來源。采集到的數(shù)據(jù)一方面用于在線模塊的直接處理，向用戶展示通信網(wǎng)絡(luò)的實時運行狀況；另一方面按照時間的順序以特定的格式存儲在硬盤中，作為離線模塊的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

S1接口數(shù)據(jù)處理按照功能分為7個模塊，包括：獲取S1-AP報文模塊，S1-AP解碼模塊，NAS解密模塊，NAS解碼模塊（包括明文和密文），呼叫詳細(xì)記錄（CDR）合成模塊，多段關(guān)聯(lián)模塊及統(tǒng)計模塊。

GTPV2協(xié)議處理模塊包括：GTPV2消息解析及GTPV2消息CDR合成模塊。

Diameter協(xié)議處理模塊包括：Diameter信令離線解析模塊及S6a口信令交互CDR合成模塊。

應(yīng)用層主要是向用戶展現(xiàn)接口信令監(jiān)測的結(jié)果，包括S1-AP信令和NAS信令的解析內(nèi)容、S1接口的呼叫詳細(xì)記錄、多段關(guān)聯(lián)結(jié)果以及信令統(tǒng)計結(jié)果。應(yīng)用層通過各種形式多種維度向用戶傳達網(wǎng)絡(luò)的運行狀況。

4.2 可靠性設(shè)計

接口監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的一個基本原則是不改變LTE-M通信系統(tǒng)的任何數(shù)據(jù)，接口監(jiān)測系統(tǒng)的任何故障不能影響LTE-M的正常運行。因此，接口監(jiān)測系統(tǒng)捕獲數(shù)據(jù)時，采用端口鏡像的形式，從交換機的數(shù)據(jù)通信端口復(fù)制所需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)，而對正常的通信過程不產(chǎn)生任何影響。

為了提高接口監(jiān)測系統(tǒng)本身的可靠性，系統(tǒng)硬件采用高可靠的機架式服務(wù)器，運行操作系統(tǒng)為Windows Server 2012。同時，在系統(tǒng)中采用硬件看門狗和軟件看門狗功能相結(jié)合的形式。在系統(tǒng)運行發(fā)生故障，如硬件或操作系統(tǒng)停止響應(yīng)時，硬件看門狗會自動重啟服務(wù)器，并自動重新運行接口監(jiān)測軟件程序。當(dāng)接口監(jiān)測軟件程序發(fā)生故障時，軟件看門狗程序會自動重啟接口監(jiān)測軟件程序，保證程序能夠正常運行。同時，接口監(jiān)測系統(tǒng)還周期性地發(fā)送系統(tǒng)的狀態(tài)信息，網(wǎng)管系統(tǒng)可以實時監(jiān)控接口監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

北京地鐵燕房線的實測結(jié)果表明，接口監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，有效地提升了LTE-M系統(tǒng)的現(xiàn)場維護效率。

4.3 部分分析界面

LTE-M接口監(jiān)測系統(tǒng)的CBTC信號數(shù)據(jù)分析界面和LTE-M信令分析數(shù)據(jù)界面分別如圖5和圖6所示。

圖5 CBTC信號數(shù)據(jù)分析界面

圖6 LTE-M接口信令分析界面

5 結(jié)語

首先介紹LTE-M系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析其對LTE-M信號接口及信令接口進行監(jiān)測的重要性，然后重點介紹了LTE-M信號及信令接口監(jiān)測系統(tǒng)的功能、協(xié)議及實現(xiàn)的整體架構(gòu)。隨著城市軌道交通的發(fā)展，LTE-M接口監(jiān)測系統(tǒng)將在LTE-M系統(tǒng)的設(shè)計、實施和日常維護中發(fā)揮重要的作用。

[1] 城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)總體規(guī)范: T/CAMET 04005.1—2018[S]. 北京: 中國城市軌道交通協(xié)會, 2017. Long Term Evolution for Metro (LTE-M) Generic speci-fication: T/CAMET 04005.1—2018[S]. Beijing: China Urban Rail Transit Association, 2017.

[2] 李艷, 張治中. LTE網(wǎng)絡(luò)S1-AP監(jiān)測方案的研究與實現(xiàn)[J].電信科學(xué), 2013, 29(1): 31-38. LI Yan, ZHAnG Zhizhong. Research and implementation of S1AP monitor in LTE Network[J]. Telecommuni-cations science, 2013, 29(1): 31-38.

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[7] 3GPP TS 24.301 V9.16.0, Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS) (Release 9)[S]. Valbonne: 3GPP, 2014.

[8] 3GPP TS 29.274 V9.14.0, Evolved General Packet Radio Service (GPRS) Tunnelling Protocol for Control plane (GTPv2-C) (Release 9)[S]. Valbonne: 3GPP, 2017.

[9] 3GPP TS 29.060 V9.14.0, GPRS Tunnelling Protocol (GTP) (Release 9)[S]. Valbonne: 3GPP, 2014.

[10] 3GPP TS 29.272 V9.13.0, Mobility Management Entity (MME) and Serving GPRS Support Node (SGSN) related interfaces based on Diameter protocol(Release 9) [S]. Val-bonne: 3GPP, 2014.

（編輯：王艷菊）

Design of LTE-M Interface Monitoring System of Signal and Signaling Interface

JIANG Hailin, ZHU Ye, ZHAO Hongli, TANG Tao

(National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

The design of a Long Term Evolution for Metro (LTE-M) monitoring system of the CBTC signal and signaling interface is introduced in this paper. The network structure of the LTE-M system was introduced, and the necessity of monitoring the CBTC interface and LTE-M signaling interface was analyzed. The monitoring function of the signal interface was given, and the protocol stacks of the S1, S5, S10, and S6a interfaces were described. Then, the entire structure and implementation methods were described in detail. Finally, the interfaces of the monitoring system were shown. The accomplishment and application of the LTE-M monitoring system will aid in building and maintaining the LTE-M system.

urban rail transit; LTE-M; interface monitoring; CBTC; signal interface; signaling interface

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.003

U231

A

1672-6073(2018)05-0011-06

2018-01-22

2018-02-09

蔣海林，男，副教授，從事城市軌道交通車地通信系統(tǒng)研究，lhjiang@bjtu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金項目（61471030）