GSM-R系统功能验证

■ 刘清涛

刘清涛：北京铁路通信技术中心，工程师，北京，100038

随着高速铁路的发展，GSM-R数字移动通信系统（简称GSM-R系统）在铁路运输组织中的地位逐步提高。GSM-R系统的功能验证对保证铁路运输安全有重要意义，因此要了解GSM-R系统网络的构成与各网络设备所具有的功能，要熟悉铁路业务应用时GSM-R系统内部的通信流程，明确数据修改、网络结构变化及网络设备升级时对业务应用的影响范围，这样才能保证功能验证结果的准确性、完整性。

1 GSM-R系统网络构成

由于网络结构变化、设备升级，以及设备故障处理等原因，需要对GSM-R系统功能进行验证，因此首先要了解系统构成（见图1）及各组成部分的功能。

1.1 移动交换子系统

移动交换子系统包括移动交换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AuC）、组呼寄存器（GCR）、自动确认中心（AC）、短消息业务中心（SMSC）、关口移动交换中心（GMSC）。

（1）MSC：具有呼叫建立、保持、释放、认证、呼叫转接、短信息、计费等功能。

（2）HLR：存储MSC中所有用户的数据和信息。

（3）VLR：用于存放漫游到此端局下的临时用户数据，物理上与MSC合设。

（4）AuC：用于产生用户鉴权数据，物理上与HLR合设。

（5）GCR：铁路GSM-R系统特有设备，服务于广播呼（VBS）和组呼（VGCS），用于存放组呼信息。

（6）AC：用户终端挂断紧急呼叫（299）后，自动去AC进行登记，AC中记录参加此次紧急呼叫的成员信息。

（7）SMSC：通过SMSC将短消息发送到指定的手机。

（8）GMSC：主要负责互联其他通信网络，物理上与MSC合设。

1.2 移动智能网子系统

移动智能网子系统包括业务控制点（SCP）、业务交换点（SSP）、业务管理点（SMP）。目前，智能网在铁路中的应用主要是基于位置寻址、功能寻址和基于位置的呼叫限制等。

（1）SCP：具有业务控制和业务数据功能。

（2）SSP：具有呼叫控制和业务交换功能。

图1 GSM-R系统构成示意图

（3）SMP：具有业务配置功能，物理上与SCP合设。

1.3 通用分组无线业务子系统

通用分组无线业务子系统包括业务支持节点（SGSN）、网关支持节点（GGSN）、域名服务器（DNS）、远端拨入用户认证服务器（RADIUS）、GPRS归属服务器（GROS）、GPRS接口服务器（GRIS）。

（1）SGSN：主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等。

（2）GGSN：主要是GPRS业务网关作用，完成会话管理、话单产生和输出等。

（3）DNS：主要完成4类域名解析，包括用于存储APN对应GGSN的IP地址解析、机车号对应的IP地址解析、路由区更新时路由区与SGSN地址解析、其他设备域名解析。

（4）RADIUS：用于对GPRS用户进行鉴权，对合法机车用户分配固定IP地址。

（5）GROS：通过分析GPRS终端上传的消息，判断终端应归属哪个GRIS管理。

（6）GRIS：是GPRS网络与其他应用系统的接口。终端CIR与CTC的通信由GRIS转发。

1.4 无线子系统

无线子系统包括基站控制器（BSC）、码型转换和速率适配单元（TRAU）、基站（BTS）、直放站、分组控制单元（PCU）。

（1）BSC：是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台（BTS）和移动交换中心（MSC）之间交换信息提供接口。负责业务信道交换、信令信息处理和BSS系统监控。

（2）TRAU：负责对话音进行编解码，对数据进行速率适配。

（3）BTS：负责与MS之间无线信号的接收和发射、无线接口上信令的处理。

（4）直放站：属于同频放大设备，在无线通信传输过程中增强信号的无线电发射中转设备。

（5）PCU：提供与GPRS核心网的接口，并完成数据传输业务。

1.5 操作维护子系统

操作维护子系统包括网管系统、监控系统、SIM卡管理系统。

（1）网管系统：完成设备数据配置、性能管理、告警监控等。

（2）监控系统：具有对设备、业务运用过程实时监测功能，如对漏缆、接口监测等。

（3）SIM卡管理系统：主要完成SIM卡日常申请、激活、停用、补卡等业务管理。

2 GSM-R系统承载的铁路主要业务

GSM-R系统网络运营初期，由于网络建设进度不一致，导致系统业务存在跨局使用情况。在制定功能验证方案时，不仅要考虑业务类型与设备，还要考虑影响范围。例如呼和浩特铁路局GSM-R系统核心网尚未建成，包西线的无线网一部分连接至北京核心网，一部分连接至西安核心网。在北京、西安核心网施工时，不能仅考虑本局业务，还要顾及到呼和浩特铁路局的业务应用，跨局业务影响需在实际应用中结合具体问题进行分析。

2.1 列控业务（电路域CSD业务含locotrol）

列控业务涉及的网络设备包括HLR、MSC/STP、TRAU、BSC、BTS、RBC/AN（信号设备），其业务流程见图2。

2.2 语音联控业务（电路域语音业务含组呼）

语音联控业务涉及的网络设备包括SCP、HLR、TMSC/MSC/STP、AC、TRAU、BSC、BTS、FAS（调度通信系统），其业务流程见图3。

2.3 调度命令、进路预告、无线车次号校核信息（分组域业务）

调度命令、进路预告、无线车次号校核信息涉及的网络设备包括HLR、STP、DNS、RADIUS、GROS、GRIS、GGSN、SGSN、BSC、PCU、BTS。

3 功能验证的不同阶段

GSM-R系统功能验证涵盖范围较广，在系统建设和维护不同时期，其功能验证的侧重点也不相同，大致分为3个阶段。

图2 列控业务流程示意图

图3 语音联控业务流程图

3.1 新（版本、型号）设备入网功能验证

GSM-R系统是基于公网GSM技术发展起来的，随着公网技术的发展演变，各种新版本、新型号的设备将投入现网中应用。设备厂家减少原设备的研发技术力量，并受旧版本设备备板不足等影响，GSM-R系统设备升级换代不可避免。由于GSM-R系统要求的安全性远高于公网，因此设备厂家推出的新版本、新型号设备必须通过功能验证后才准许入网。

新版本、新型号设备的功能验证先在实验室进行，验证内容根据设备实际情况制定。例如BSC等设备软件版本升级主要验证其升级后对铁路各种基本业务的影响，以及该版本增加的新特性或解决的问题。又如某公司推出全新的软交换设备，应依据铁道部相关技术规范对其进行全面测试，包括与其他厂家间的互联互通测试。实验室功能验证是设备投入现网使用前的必要环节，可为下一阶段功能验证打下良好基础。

3.2 工程期间网络互联功能验证

在GSM-R系统工程建设阶段，新建网络必须与既有网络完成互联后才能进行联调联试，功能验证重点是新建网络与既有网络互通性的测试。新建核心网络节点互联完成后与各既有核心网络节点间的功能验证，是确保该核心网正式投入运营后跨局套跑机车业务正常使用的前提。在铁路工程建设过程中，无论静态测试还是动态测试都是针对本条线路进行，不包括与既有核心网络节点间的测试。随着新建线路的开通，运输部门对列车运行图的调整将使跨局套跑机车逐渐增多，在GSM-R系统核心网节点互联工程阶段，其与既有网络的功能验证尤为重要。

3.3 运营期间网络结构调整、设备升级等功能验证

GSM-R系统正式投入运营后，涉及现网设备的施工必须在“天窗”时间内完成，功能验证的特点是在尽量短的时间内得到准确的验证结果。施工“天窗”内的功能验证是判断施工是否达到要求的主要手段，通过对业务的拨测快速直观反映GSM-R系统通信业务正常与否。

4 功能验证测试环境

4.1 硬件配置要求

（1）核心网机房内设置独立BTS设备，并单独组成基站环。

（2）核心网或调度机房设置FAS实验台。

（3）核心网机房设置CIR（车载台）终端设备。

（4）手持终端2台以上。

（5）SIM卡（机房测试卡）。SIM卡测试用户在HLR中的业务开通状态见表1，机房测试用的SIM卡状态见表2。

（6）仪器仪表。信令仪表（应能解析MAP、CAP、ISUP、BSSAP、PRI等信令消息）、2 M误码测试仪、IP数据抓包工具。

（7）QoS测试系统（包含CSD、GRPS地面测试服务器）。

4.2 数据制作要求

（1）MSC、BSC中试验基站应分配单独的位置区（LAC）+小区ID（CI），位置区应避免与现网数据重复。

（2）核心网机房实验基站制作独立的组呼区域（SA），制作299、210等组呼数据，调度用户指向FAS实验台。

（3）智能网SCP中制作试验基站1200、1300短号码数据，调度和值班员用户均指向FAS实验台，1612短号码指向AC确认中心。

（4）GGSN中制作本局测试用APN：TEST.XX，并申请制作APN下的PDP激活测试用户名。

（5）MSC 制作QoS测试系统地面服务器（CSD）测试号码。

（6）分配QoS测试系统地面服务器测试用IP地址。

（7）机房测试卡在HLR中的接入点名称（APN）应设置为“*”，即无论终端填写任何APN用户都能正常使用。

5 GSM-R系统功能验证项目

（1）互联电路状态检查。验证内容：检查互联局向中继电路、信令链路状态。验证结果：全部电路与信令链路状态应为激活可用状态。

（2）使用MSISDN拨测。验证内容：手持台或CIR使用MSISDN号码进行拨测试验。验证结果：呼叫正常接通，有回铃声，双方通话正常，且被叫方可以正确显示来电方MSISDN号码。

表1 SIM卡测试用户在HLR中的业务开通状态

表2 机房测试用的SIM卡状态

（3）使用功能号码拨测。验证内容：手持台或CIR使用功能号码进行拨测试验。验证结果：呼叫正常接通，有回铃声，双方通话正常，且被叫方可以正确显示来电方MSISDN号码及注册的功能号码。

（4）功能号码测试。验证内容：手持台功能号码（含车次功能号和机车功能号）注册、注销、查询、强制注销。验证结果：注册为提示功能号码注册成功，并在手持终端屏幕上显示已注册的功能号码；注销为提示功能号码注销成功；查询为正确显示查询用户注册的功能号码和MSISDN号码；强制注销为提示强制注销成功，向被注销用户提示注册的功能号码已被注销。

（5）与FAS台使用MSISDN互拨。验证内容：手持台或CIR使用MSISDN号码呼叫FAS台，FAS使用MSISDN号码呼叫手持台或CIR。验证结果：呼叫正常接通，有回铃声，双方通话正常，且被叫方可以正确显示来电方MSISDN号码。

（6）与FAS台使用功能号码互拨。验证内容：FAS台使用功能号码（车次功能号、机车功能号）呼叫CIR或手持台，CIR或手持台使用FAS台91功能号码呼叫FAS。验证结果：呼叫正常接通，有回铃声，双方通话正常，且被叫方可以正确显示来电方MSISDN号码及注册的功能号码。

（7）与铁路PSTN进行拨测。验证内容：手持台与铁路专用PSTN用户进行互拨。验证结果：呼叫正常接通，有回铃声，双方通话正常，且被叫方可以正确显示来电方电话号码。

（8）短消息测试。验证内容：手持台间互发短消息测试。验证结果：手持台发送短消息成功，且接收方能够成功接收短消息。

（9）短号码（1200、1300）呼叫测试。验证内容：手持台或CIR使用1200、1300短号码呼叫调度或值班员。验证结果：呼叫正常接通，有回铃声，双方通话正常，且被叫方可以正确显示来电方电话号码（手持台或CIR已注册功能号码的，FAS应能正确显示功能号）。

（10）分组域业务测试。验证内容：CIR进行分组域并附带与PDP激活测试。验证结果：CIR能够正确获取IP地址。

（11）调度命令发送测试。验证内容：调度台给已成功PDP激活的终端发送调度命令。验证结果：CIR可以正确接收调度命令，且调度台可以接收到手动签收回执。

（12）GRIS与GGSN Gi口互通性测试。验证内容：在GRIS上利用ping命令测试至北京与武汉DNS、GROS和各局GGSN Gi口的互通性。验证结果：ping测试数据包正常返回，且平均延时在0.5 s以内。

（13）GGSN Gi口互通性测试。验证内容：在GGSN Gi口上利用ping命令测试至北京与武汉RADIUS和各局GRIS的互通性。验证结果：ping测试数据包正常返回，且平均延时在0.5 s以内。

（14）GGSN Gn口互通性测试。验证内容：在GGSN Gn口上利用ping命令测试至北京与武汉DNS和各局SGSN的互通性。验证结果：ping测试数据包正常返回，且平均延时在0.5 s以内。

（15）SGSN与GGSN Gn口互通性测试。验证内容：在SGSN上利用ping命令测试至各局SGSN和GGSN Gn口的互通性。验证结果：ping测试数据包正常返回，且平均延时在0.5 s以内。

（16）组呼功能测试（299、210）。验证内容：使用机房测试卡或联调联试测试卡发起299、210组呼（注：FAS用户不能发起299组呼，但可以接收；210组呼成员中不含调度员；涉及跨局组呼需要协调相关铁路局配合）。验证结果：组呼正常发起，FAS用户通话正常，手持台按PTT键可以正常抢占上行无线信道并通话。

（17）语音切换测试。验证内容：保持语音长呼不挂断，观察跨BTS、BSC、MSC时切换情况（注：同一BSC下BTS调整时，只测试跨BTS切换；同一MSC下2个BSC间无线网络调整时，同时测试跨BSC及跨BTS切换；跨MSC无线网络调整时，以上三种情况都需测试；测试条件不具备时，切换测试可结合施工结束后的添乘工作一起进行）。验证结果：语音呼叫保持正常，未出现掉话等异常现象。

（18）分组域路由区更新测试。验证内容：结合添乘工作进行，首趟轨检车在通过跨路由区位置时，核心网机房在Gb/Gn口抓包观察路由区更新情况。验证结果：抓包结果可以看到正常路由区更新消息，且更新应在跨边界后的1～2 个小区内完成。

（19）话务统计功能验证。验证内容：在网管服务器上观察设备的话务统计原始文件采集是否正常，并能生成话务统计报表。验证结果：文件采集正常，报表统计功能正常。

（20）计费功能验证。验证内容：用户进行呼叫等操作时，观察设备是否计费。验证结果：经计费软件处理后的话单结果正常。

（21）网管功能验证。验证内容：观察网管维护界面是否有异常，执行命令情况和告警信息采集情况。验证结果：操作命令执行正常，告警信息可正常采集，且有声光告警提示。

（22）漫游用户业务测试。验证内容：（2）—（11），使用漫游用户SIM卡进行测试。

6 功能验证测试案例

6.1 成都核心网互联功能验证

（1）成都核心网为新建网络，为工程期间的网络互联功能验证阶段。电路域完成与北京和武汉STP、武汉和西安TMSC互联，分组域完成与北京、武汉数据网互联。

（2）功能验证的主要内容。一是验证成都核心节点与其他各核心节点间电路域和分组域的业务互通性；二是验证成都节点与济南节点的漫游用户情况；三是验证核心网迂回路由可用性；四是验证成都核心网本地各基本业务使用情况。

（3）功能验证中发现的问题。在互联完成后的功能验证过程中，成都与武汉间进行MSISDN拨测时，可正常振铃并接通呼叫，但双方听不到对方讲话。在MSC上查看双方电路占用情况，发现呼叫接通后，成都和武汉MSC所占用的CIC（电路标识码）不一致，导致信令接通后双方话路没有占用同一个时隙，重新制作数据后业务正常。

6.2 石太客运专线基站组网调整功能验证

（1）石太客运专线太原局管内2个基站由石家庄BSC割接至太原BSC1，属运营网络的无线网组网调整施工。

（2）功能验证主要内容。一是被割接基站下的基本业务功能测试；二是跨局语音切换测试；三是跨局组呼业务测试。

（3）功能验证中发现的问题。基站割接完成后，在跨局界位置北京至太原方向的跨MSC语音切换失败，出现掉话。分析信令跟踪结果，因太原MSC开启了收号延时功能，北京MSC在发送切换号码后太原MSC等待收号延时5 s，导致北京MSC未收到ACM消息，计时器超时引起切换失败。太原关闭MSC收号延时功能后业务恢复正常。

7 结束语

随着GSM-R系统维护逐步深入，仅限于拨测的功能验证远远不够。目前应利用信令仪表进行功能验证，并对功能验证拨测过程进行信令监测，可抓取各项业务拨测的信令流程，通过与标准通信协议对比，发现网络中存在的隐患，进一步提高功能验证质量。

在日常网络优化工作中，调整网络参数后，仅根据拨测无法直观反映优化效果，必须结合话务统计功能和网络性能统计指标判断本次优化效果，不但要观察优化项目的指标是否改善，还要注意其他指标是否在优化后下降。应尽量完善GSM-R系统网络设备的性能统计分析功能，并根据业务实际应用情况进行修订性能统计指标，逐步完善功能验证方法。

[1]铁道部. GSM-R无线网络覆盖和服务质量（QoS）测试方法（V1.0）[S]，2008

[2]铁道部. 铁路GSM-R数字移动通信工程施工质量验收暂行标准[S]，2007

[3]铁道部. GSM-R数字移动通信智能网技术条件V1.0[S]，2006