LTE-M信號及信令接口監測系統設計

蔣海林，朱 燁，趙紅禮，唐 濤

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LTE-M信號及信令接口監測系統設計

蔣海林，朱 燁，趙紅禮，唐 濤

（北京交通大學軌道交通運行控制系統國家工程研究中心，北京 100044）

研究LTE-M信號及信令接口監測系統的設計，首先介紹LTE-M系統的網絡架構及其互聯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測和分析的重要性。重點介紹LTE-M接口監測系統的信號接口的監測功能，S1、S5、S6a和S10接口的協議棧及接口監測的內容，詳細描述LTE-M接口監測系統的整體架構和實現方式，最后展現接口監測系統所監測的內容。接口監測系統的實現和應用，將在城市軌道交通LTE-M系統的建設和維護過程中發揮重要的作用。

軌道交通；LTE-M；接口監測；基于通信的列車控制系統；信號接口；信令接口

1 概述

近年，我國城市軌道交通呈暴發式的增長態勢，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，城軌交通網絡化運營已成趨勢。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（communications based train control，CBTC）。車地通信系統作為CBTC系統的重要環節，傳輸列車控制信息和列車狀態信息。LTE-M（long term evolution for metro）系統是基于第四代移動通信技術，針對城市軌道交通應用環境定制的TD-LTE（time duplexing-long term evolution）系統[1]。LTE-M系統具有抗干擾能力強、支持綜合業務承載以及高速移動數據傳輸等優點，已經迅速取代原有的基于WLAN（wireless local area network）的車地通信技術，在城市軌道交通系統中得到了廣泛應用。

列車運行控制信息等與安全相關的數據對傳輸的實時性和可靠性要求很高。如果相關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。為了進行準確的故障分析和故障定位，需要明確列車發生運營故障是否是因為車地通信系統的故障引起。這就需要分析車地通信的數據是否丟失或者延時過大，并且針對性地分析LTE-M系統相應的信令流程，判斷故障發生的準確時刻和原因。

現有的城市軌道交通通信系統的接口監測對于CBTC信號系統與LTE-M系統的接口，一般在車載的終端對發送的業務數據進行存儲，當發生故障時再手動人工進行分析。而LTE-M通信系統的信令分析一般是各廠家通過各自的信令分析設備進行調試分析，但是這種信令分析設備一般僅能分析自己設備的信令。市場上的通用LTE信令分析設備和一些高校研究的LTE信令分析方法都是針對公網，無法應用于LTE-M系統[2-4]。

2 LTE-M系統架構及接口

LTE-M系統架構及接口如圖1所示[5]。LTE-M系統包括車載臺、接入網和核心網3部分。其中，接入網指的是LTE基站，包括基帶處理單元（base band unit，BBU）和射頻拉遠單元（remote radio unit，RRU），核心網包括控制平面的移動性管理實體（mobility management entity，MME）、用戶面的分組數據網關（PDN gateway，PGW）、服務網關（serving gateway，SGW）以及歸屬簽約用戶服務器（home subscriber server，HSS）。

在LTE-M系統中，核心網間數據接口總體架構應符合的規定有互聯互通需求的多條線路共用同一個HSS。在核心網間的漫游架構中，系統采用歸屬地路由方式，以歸屬地PGW作為信令面和數據面的錨點。因此，在LTE-M規范中，規定各LTE-M系統應開放基站與核心網間的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信號及信令接口監測系統用于監測LTE-M地鐵信號和LTE-M系統接口信令，需要監測的接口如圖1所示，除了以上提到的S1、S5、S10、S6a接口外，還監測CBTC信號系統與LTE-M系統之間的SGi接口。接口監測系統具體實施時，要在LTE-M的核心網交換機上進行端口鏡像，將以上接口的所有數據鏡像到監測端口，接口監測設備通過網線與鏡像端口相連，捕獲所監測端口上的數據，并進行分析處理。

圖1 LTE-M系統架構及協議接口

3 LTE-M接口監測系統監測數據及協議

3.1 CBTC業務數據監測

LTE-M系統的CBTC業務數據監測用于監測城市軌道交通CBTC系統車載控制器（vehicle on board controller，VOBC）與車載無線單元，監測區域控制器（zone controller，ZC）與VOBC、列車自動監控（automatic train supervision，ATS）與VOBC、聯鎖（computer interlocking，CI）與VOBC的數據傳輸，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致。

CBTC業務數據監測的具體功能包括以下5方面。

1）數據捕捉和過濾功能。選擇正確的網絡接口捕捉業務原始數據，接口協議滿足標準IP協議，可以設置捕捉滿足指定特征的網絡數據，過濾不必要的網絡分組數據。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）數據存儲功能。分類存儲CBTC各種原數據（含ZC、CI、ATS等），存儲的數據可以使用數據分析設備打開、分析。車載數據記錄存儲時間不少于144 h（24×7）。

3）時間同步功能。地面和車載設備支持NTP（network time protocol）協議，存儲數據的時間戳必須與通信時鐘系統時間保持同步。

4）業務數據分析功能。根據分類存儲的ZC、CI、ATS等原數據分析出丟包率、時延等關鍵網絡傳輸指標。

5）報表功能。能以標準化的格式輸出統計、分析結果。

3.2 LTE-M信令解析

LTE-M系統的信令接口監測包括S1、S5、S6a和S10接口上的信令監測。根據協議類型的不同，LTE-M系統的信令解析又分成以下3部分。

3.2.1 S1接口協議解析

S1接口指的是LTE系統中基站與核心網（evolved packet core，EPC）之間的接口[6]。在控制面經過S1接口傳輸的信令包括兩種，第一種是eNodeB與MME之間通信的S1AP協議信令；第二種是終端設備（user equipment，UE）與MME之間通信使用的非接入層（non access stratum，NAS）協議信令。

S1-AP協議棧自下而上為物理層、數據鏈路層、Internet協議（internet protocol，IP）層、流量控制傳輸協議（stream control transmission protocol，SCTP）層、S1-AP層，其中運輸層采用SCTP協議，它是一個面向連接的協議，可以在兩個端點之間提供穩定、有序的數據傳輸服務，如圖2所示。SCTP協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，現在廣泛地應用于EPC網絡中的S1/S6a接口協議棧中。

圖2 S1-AP接口協議棧

NAS協議是描述UE與MME直接通信報文格式的協議[7]，NAS信令報文在S1接口傳輸的時候一般是作為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責終端的移動性管理，例如向核心網上報終端的位置信息；另一類是會話管理信息，該類型信息主要負責業務面承載的建立、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）協議攜帶經過Uu口從UE傳輸到eNodeB；第二部分是由S1-AP協議攜帶經過S1-MME接口從eNodeB傳輸到MME，雖然NAS報文經過了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境，因此NAS報文大部分是加密傳輸的。如果要監測NAS信令，需要先進行解密，獲得明文之后，再根據協議中的信令格式，對其進行解碼。

S1接口協議解析實時監測城市軌道交通LTE-M系統S1接口的信令交互，對S1接口的報文進行解析、呼叫詳細記錄（call detailed recording，CDR）合成，并與其他接口的信令進行多段關聯，展現出每個終端完整的信令交互流程，最后準確地顯示出監測結果，呈現給用戶。

3.2.2 GTPV2接口協議解析

GTPV2（GPRS tunneling protocol version 2）[8]是LTE網絡S5和S10等多個EPC接口的協議，是GTP協議的升級版[9]，承載在用戶數據報協議（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，其協議棧如圖3所示。

圖3 GTPV2協議棧

接口監測系統的GTPV2協議解析部分用于分析LTE-M系統中核心網的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的GTPV2信令進行解析，并且統計網元之間的CDR流程，以期對LTE-M通信系統核心網接口的控制面信令展開分析。

3.2.3 Diameter接口協議解析

S6a是MME與HSS之間的接口，該接口的主要協議為Diameter協議[10]，即Authentication（認證）、Authorization（授權）、Accounting（計費）（簡稱AAA協議）的協議實體。AAA協議在LTE網絡運行中起著重要作用，其協議棧如圖4所示。

圖4 S6a接口協議棧

接口監測系統的Diameter協議解析部分用于分析LTE-M車地通信系統中核心網內部網元接口控制面的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的Diameter信令進行解析，并且統計網元之間的CDR流程。

4 接口監測系統的整體架構

4.1 軟件設計

接口監測系統的軟件分為3層，分別是數據采集層、數據處理層及應用層。

數據采集層的主要任務是在不影響列車車載終端與地面設備正常通信的前提下，采集LTE-M S1接口中的通信報文數據，以其作為接口監測系統進行信令監測的數據來源。采集到的數據一方面用于在線模塊的直接處理，向用戶展示通信網絡的實時運行狀況；另一方面按照時間的順序以特定的格式存儲在硬盤中，作為離線模塊的數據分析基礎。

S1接口數據處理按照功能分為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），呼叫詳細記錄（CDR）合成模塊，多段關聯模塊及統計模塊。

GTPV2協議處理模塊包括：GTPV2消息解析及GTPV2消息CDR合成模塊。

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

應用層主要是向用戶展現接口信令監測的結果，包括S1-AP信令和NAS信令的解析內容、S1接口的呼叫詳細記錄、多段關聯結果以及信令統計結果。應用層通過各種形式多種維度向用戶傳達網絡的運行狀況。

4.2 可靠性設計

接口監測系統設計的一個基本原則是不改變LTE-M通信系統的任何數據，接口監測系統的任何故障不能影響LTE-M的正常運行。因此，接口監測系統捕獲數據時，采用端口鏡像的形式，從交換機的數據通信端口復制所需要監測的數據，而對正常的通信過程不產生任何影響。

為了提高接口監測系統本身的可靠性，系統硬件采用高可靠的機架式服務器，運行操作系統為Windows Server 2012。同時，在系統中采用硬件看門狗和軟件看門狗功能相結合的形式。在系統運行發生故障，如硬件或操作系統停止響應時，硬件看門狗會自動重啟服務器，并自動重新運行接口監測軟件程序。當接口監測軟件程序發生故障時，軟件看門狗程序會自動重啟接口監測軟件程序，保證程序能夠正常運行。同時，接口監測系統還周期性地發送系統的狀態信息，網管系統可以實時監控接口監測系統的運行狀態。

北京地鐵燕房線的實測結果表明，接口監測系統運行穩定可靠，有效地提升了LTE-M系統的現場維護效率。

4.3 部分分析界面

LTE-M接口監測系統的CBTC信號數據分析界面和LTE-M信令分析數據界面分別如圖5和圖6所示。

圖5 CBTC信號數據分析界面

圖6 LTE-M接口信令分析界面

5 結語

首先介紹LTE-M系統的網絡架構，分析其對LTE-M信號接口及信令接口進行監測的重要性，然后重點介紹了LTE-M信號及信令接口監測系統的功能、協議及實現的整體架構。隨著城市軌道交通的發展，LTE-M接口監測系統將在LTE-M系統的設計、實施和日常維護中發揮重要的作用。

[1] 城市軌道交通車地綜合通信系統(LTE-M)總體規范: T/CAMET 04005.1—2018[S]. 北京: 中國城市軌道交通協會, 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網絡S1-AP監測方案的研究與實現[J].電信科學, 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.

[3] 蒲偉, 賀力軍, 楊力. LTE網絡測試儀S6a接口信令監測的實現[J]. 現代電信科技, 2012(6): 17-20. PU Wei, HE Lijun, YANG Li. LTE network monitoring system S6a interface Diameter Protocol monitoring[J]. Modern science & technology of telecommunications, 2012(6): 17-20.

[4] 冉滴, 張治中. 基于LTE網絡GTPV2協議的CDR合成方案研究與實現[J]. 計算機光盤軟件與應用, 2014, 17(23): 291-292. RAN Di, ZHANG Zhizhong. Research and implemen-tation of CDR method of GTPV2 protocol based on LTE network[J]. Computer CD software and applications, 2014, 17(23): 291-292.

[5] 城市軌道交通車地綜合通信系統(LTE-M)總體規范: T/CAMET 04005.2—2018[S]. 北京: 中國城市軌道交通協會, 2017. Long Term Evolution for Metro (LTE-M) Generic speci-fication: T/CAMET 04005.2—2018[S]. Beijing: China Urban Rail Transit Association, 2017.

[6] 3GPP TS 36.413 v9.10.0, S1 Application Protocol (S1AP) (Release 9)[S]. Valbonne: 3GPP, 2014.

[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研究，lhjiang@bjtu.edu.cn

國家自然科學基金項目（61471030）