LTE-M通信系统接口在线监测技术研究

谢和欢

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

地铁长期演进系统(Long Term Evolution-Metro，LTE-M)，是基于第四代移动通信技术LTE以满足城市轨道交通综合业务需求的车地通信系统。LTE-M系统主要用于承载轨道交通综合业务，优先保障可靠传输CBTC业务，同时能够传输紧急文本下发和列车实时状态，且能提供有效的传输通道给车载视频监控和乘客信息业务以及其他业务。

随着LTE-M网络规模的扩大，以及LTE-M承载业务范围的增加， 城轨系统对LTE-M通信质量的要求在日益提高。为了保障LTE-M网络的通信质量、准确地诊断LTE-M网络数据传输故障的原因和位置，缩短城轨系统联调联试时间，提高系统维护效率，节省运维成本，进行LTE-M通信系统接口在线监测技术的研究具有重要意义。

2 城市轨道交通LTE-M组网结构

根据信号系统业务承载技术需求，城市轨道交通LTE-M一般采用A、B双网冗余组网，以保证其对信号系统和重要生产指挥业务承载的可靠性要求。

A网用于综合承载信号CBTC业务信息、CCTV监控图像信息和PIS图像信息（含PIS紧急文本信息）等车地通信业务。

B网只用于承载信号CBTC业务信息，以保证CBTC业务的可靠传输。

LTE-M每个网络均由核心网及网管、基带处理单元、射频拉远单元及天馈系统、对应的业务承载接入路由器、车载无线终端及相应的连接通道组成，网络组成如图1所示。

3 LTE-M系统基本架构和主要业务接口

LTE网络结构包括演进分组核心网（EPC）、演进型通用陆地无线接入网（E-UTRAN）、用户设备（UE）3部分。eNodeB之间通过X2接口连接，构成接入网（E-UTRAN)，eNodeB通过S1接口与MME（移动性管理实体，为EPC最重要网元）连接，UE通过LTE-Uu接口与eNodeB（E-UTRAN）连接。LTE-M的基本架构和接口如图2所示。

3.1 S1-MME接口

S1-MME接口，又称S1控制平面接口，位于eNodeB和MME之间，主要功能包括寻呼、切换、用户上下文管理、E-RAB（E-UTRAN Radio Access Bearer）管理及上层控制信令NAS的透明传送。 S1-MME接口控制平面协议栈如图3所示。控制平面协议栈包括应用层（S1-AP）、传输层（SCTP，流控制传输协议）、网络层（IP）、数据链路层（L2）和物理层（L1）。

图1 城市轨道交通LTE-M组网结构图Fig.1 LTE-M networking structure for urban rail transit

图2 LTE-M的架构和接口图Fig.2 Framework and interfaces of LTE-M

图3 S1-MME接口控制平面协议栈Fig.3 Protocol stack of S1-MME interface

3.2 S1-U接口

S1-U接口为S1用户平面接口，是eNodeB和S-GW之间的接口，提供两者间的用户数据传输功能。S-U接口用户平面协议栈如图4所示。S1-U的传输网络层基于IP传输（或GRE），GTP-U协议位于UDP/IP之上，用来传输S-GW与eNodeB之间的用户数据包。控制平面协议栈包括应用层（GTP）、传输层（UDP）、网络层（IP）、数据链路层（L2）和物理层（L1）。

3.3 S11接口

图4 S1-U接口用户平面协议栈Fig.4 Protocol stack of S1-U interface

S11接口是MME与S-GW之间的接口，负责两者间控制平面数据传输，用于支持承载和移动性管理，主要功能包括：（1）承载的建立、修改和释放；(2)修改用户承载的QoS参数；(3)通知MME需要寻呼空闲状态的用户；(4)在内部发生无线接入技术切换时，改变数据的转发方式，建立或删除间接转发方式。

S11接口控制平面协议栈包括应用层（GTP-C）、传输层（UDP）、网络层（IP）、数据链路层（L2）和物理层（L1）。

3.4 S6a接口

S6a接口是指MME与HSS之间的接口，用以传输用户签约数据和鉴权数据等控制面信息。在S6a接口应用中Diameter主要的信令流程有认证，位置更新，取消位置更新，消除UE信息，插入用户数据，删除用户数据，重启，修改。

S6a接口协议栈包括应用层（Diameter）、传输层（SCTP）、网络层（IP）、数据链路层（L2）和物理层（L1），其中，Diameter协议在RFC 3588[31]中定义。

3.5 SGi接口

SGi接口是PDN-GW与分组数据网的接口，分组数据网可以是运营商的外部公网，或是私有分组数据网，或是运营商内部分组数据网，LTE-M中P-GW与接入控制器之间采用SGi接口。SGi接口不是标准接口，可根据外部应用情况自定义。

4 以太网接口监测基本原理

LTE-M网络架构采用基于IP的扁平化网络结构，LTE-M核心网设备通过以太交换机互连构成局域网。实现以太网接口的监测可以采用交换机端口映射的方法。也就是通过交换机自身的端口映射（Port Mirroring）功能将该交换机中的一个或多个端口的全部数据流都复制到交换机的某一个选定的映射端口。通过端口映射可以安全可靠的获取通信数据同时又不影响被监测系统网络正常通信。可以用来实现LTE-M核心网络各接口的监测数据采集。

这样，通过在交换机中设置端口映射，可以将设备间的通信数据都映射到交换机的某一空闲端口，然后用网线连接监测系统中指定的采集网卡与该端口，并将采集网卡设置为混杂模式，就可以通过网络抓包程序来捕获设备间传输的全部原始数据包，这些包是符合DIX Ethernet V2标准的MAC帧。每个MAC帧的数据部分携带了设备间接口的以太网通信数据。以太网帧类型标识出以太网帧所携带的上层数据类型。对于LTE-M通信而言，最主要的帧为IPv4帧和IEEE 802.1Q帧。

5 城轨LTE-M系统主要业务介绍

5.1 基于通信的列车自动控制系统(CBTC)业务数据

随着无线通信技术的飞速发展，其可靠性和可用性大大提高，以信号控制为核心的传统轨道交通信号系统开始演变成基于通信技术的轨道交通运行控制系统，即CBTC系统。

CBTC系统可以划分为地面设备和车载设备以及数据通信系统。地面设备主要包括中心列车自动监控（ATS）、联锁（CI）、区域控制中心（ZC）以及LEU、计轴等轨旁设备。车载设备则以ATP和ATO为核心。数据通信系统由有线骨干网络和无线轨旁网络组成。有线网络一般采用以太网技术，无线通信常可采用LTE-M、WLAN、交叉感应环线、漏泄电缆、裂缝波导管等多种无线传输技术中的一种或几种。

CBTC系统主要设备之间的接口包括ZC-ZC接 口、ZC-CI接 口、ZC-ATP接 口 以 及ATSZC接 口、ATS-CI接 口、ATS-ATP/ATO接 口等。这些接口全部通过以太网互相连接，传输层采用TCP或UDP协议，安全层采用铁路安全通信协议RSSP-I或RSSP-II，应用层则采用各个接口特定的应用接口协议。CBTC系统车地通信接口的主要包括ATS-VOBC接口、ZC-VOBC接口、VOBC-CI接口。

5.2 PIS视频业务

PIS系统需将播控中心下发的播放节目，如新闻广播、旅行指南、在线广告等视频或图像信息在车载PIS显示屏上实时显示。PIS视频业务是辅助运营，为乘客提供更丰富出行体验的配套性业务。

如每列车PIS图像播放质量达到D1（720×576分辨率）的标准，在采用MPEG-2编码方式带宽需求为4 Mbit/s（下行信息）；在采用H.264编码方式，带宽需求为2 Mbit/s（下行信息）。如每列车PIS图像播放质量达到1 080P标准，采用H.264编码方式带宽需求为8 Mbit/s。

5.3 车载视频监控业务(CCTV)

车载视频监视是指将列车驾驶室以及列车车厢的视频监视图像通过无线通信方式传回到地面控制中心或监控站，以便进行集中监控。车载视频监视图像回传是无线通信系统最大的和最主要的上行传输业务需求。目前城市轨道交通车载视频主要采用标清视频图像标准，图像的压缩格式采用MPEG-4或H.264。

6 城轨LTE-M系统业务监测

LTE-M通信系统接口监测的一个重要任务是监测LTE-M承载的CBTC业务数据。业务数据必然通过SGi接口和S1-U接口进行数据传输。因此，可以通过采集SGi接口或者S1-U接口的数据来监测LTE-M系统主要业务。或者同时监测这两个口，这样可以进行数据比对工作，能明确在数据传输过程中有没有出现业务数据丢包现象以及确定丢包发生在何处。

6.1 SGi接口业务数据监测

在SGi接口所在交换机通过端口镜像捕获以太网帧，识别帧类型获得数据包IP层首部位置，解析校验IP层，然后获得传输层首部，解析校验传输层，解析传输层（TCP或UDP），然后获得应用数据，再解析应用数据，完成通过SGi接口进行业务数据监测。

6.1.1 网络层IP解析

IP是一种分组交换网用的不可靠的无连接数据报协议。IP数据报的首部包含源IP地址和目的IP地址。根据这两个地址，可以识别出该IP包是哪两个设备之间传输的包也就进而能判断是哪个业务的IP包，并确定出数据传输方向。这样就能筛选出需要监测的包来。首部中的8位协议位字段表明使用IP层服务的高层协议（诸如TCP、UDP、ICMP和IGMP等）。其中TCP和UDP是要监测的对象。此外，通过将首部中附加的校验和和实际计算出的校验和比较，能判断IP分组的首部在传输过程中是否完好无损。

6.1.2 传输层TCP解析

TCP是面向连接的传输层协议。去除IP包首部的剩余部分就是TCP报文。TCP报文的首部包含16位的源端口地址和目的端口地址。这样就可以识别业务数据通信所使用的端口地址。TCP报文段的首部还有序号和确认号两个字段，序号定义了指派给报文段第一个数据字节的一个号。确认号定义了报文段的接收端期望从对方接收的序号。通过这两个字段可以判断传输层是否存在丢包。TCP报文段的首部还有校验和字段，能判断TCP报文段在传输过程中是否被损坏。

6.1.2 传输层UDP解析

UDP是一种无连接的、不可靠的传输层协议。但UDP提供了一定程度的差错控制，并且因为UDP的传输开销很小，在发送短报文方面有很大优势。目前城轨LTE-M业务传输层普遍采用UDP协议进行数据传输。

在IP数据报基础上通过去除IP首部，就得到了UDP报文。UDP有8个字节的固定首部包括该报文的源端口号、目的端口号、总长度以及校验和。通过检查报文校验和可以判断城轨LTE-M系统整个业务数据有没有在传输过程中受损。

6.1.3 业务数据解析

TCP报文去除TCP头部，UDP数据报去除UDP首部，就得到了业务数据包。可以根据应用数据协议对业务数据进行应用层的解析。其中CBTC车地通信业务解析应先解析安全层协议（RSSP-I或RSSP-II），再根据VOBC-CI无线通信接口、ZC-VOBC无线通信接口ATS-VOBC无线通信接口规格书解析各接口应用协议。PIS业务解析遵循MPEG-2视频标准(ISO/IEC 13818-2)。CCTV业务解析遵循实时传输协议RTP协议（RFC3550）和H.264压缩编码标准。

6.2 S1-U接口业务数据监测

在S1-U接口所在交换机通过端口镜像捕获以太网帧，识别帧类型获得数据包IP层首部位置，解析校验IP层，然后获得传输层首部，解析校验传输层，解析传输层协议（TCP或UDP），进入用户平面GPRS（通用分组无线业务） 隧道协议，然后获得应用数据的原始IP包，再依次解析原始IP、UDP包获得应用数据，完成通过S1-U接口进行业务数据监测。

6.2.1 GTP-U协议解析

GTP-U主要用于无线接入网与核心网之间传送用户数据，用户数据包可以以IPv4, IPv6或PPP中的任何格式传输，GTP本质上是IP包的封装协议。GTP可以用在UDP或TCP上（GTP v1仅用于UDP上）。一个传输承载是由GTP隧道端点和IP地址来鉴别的（源TEID（隧道端点标识）、目的TEID、源IP地址、目的IP地址）。S-GW把给定承载的下行数据包发送给与该承载相关的eNode B IP地址（在S1-AP中接收），类似的，eNodeB把给定承载的上行数据包发送给与该承载相关的EPC IP地址（在S1-AP中接收）。

从GTP消息中获取业务数据原始（或者经过GRE通用路由封装的）IP包后，业务数据的解包过程就和前述的SGi接口业务数据解析一样，不再赘述。

7 城轨LTE-M系统信令监测

7.1 S1-MME接口监测

从前文S1-MME接口平面协议栈可以看出：在IP层上是SCTP协议（流控制传输协议），要监测解析S1-MME接口信令，首先必须解析SCTP协议。

7.1.1 SCTP协议解析

SCTP可以在两个端点之间提供稳定、有序的数据传递服务，是一个面向连接的流传输协议。SCTP的消息结构由通用头部加若干信息块构成，如图5所示。

图5 SCTP消息结构定义Fig.5 Definition of SCTP message structure

7.1.2 S1AP协议解析

3GPP的规范中，由ASN.1到传输码的转换统一使用定义在ITU-T X.691中的PER（Packed Encoding Rules）规则。S1AP采用了ASN.1的基本压缩编码（basic-PER)，一个消息里包括了多种类型的信息元素并且信息元素嵌套定义的。PER编译码必须依赖于3GPP的标准文档。收发双方都必须知道层三消息的具体结构，这样编码和译码的才能被编译和识别。可以采用ASN.1编译器生成ASN.1解码函数的方法，并在此基础上进行二次解码，以满足LTE-M接口监测的需求。

7.2 S11接口监测

从前文S11接口平面协议栈可以看出：S11接口消息在UDP层上是GTP-C v2协议（GPRS隧道协议控制面v2协议）控制面GTPv2 消息头采用可变长度，消息头格式如图6所示。

图 6 GTPv2 消息头格式定义Fig.6 Format definition of message head

7.3 S6a接口监测

S6a接口消息采用基于SCTP协议的Diameter协议。SCTP的负载协议标识（PPI）为46，表明这一点。Diameter从功能较少的RADIUS协议进化而来，是计算机网络中常使用的一个认证、授权和审计协议。3GPP在基础Diameter协议上进行扩展。Diameter报文由头部和可变数量的属性-值对或AV组成，用于Diameter消息相关的封装信息。Diameter协议中的Data域保护具体的数据，数据类型是由AVP Code决定，是要监测的主要数据。

8 结束语

本文介绍了LTE-M通信系统主要通信接口的基本特征及监测原理和数据采集及解析方法，按照本文所述方法构建的LTE-M通信系统接口监测设备已经开发完成并在北京燕房线得到试用。系统实时监测基于LTE-M的城市轨道交通车地综合通信系统的状态和性能，具有对核心网多业务数据、主要接口控制面信令和车载多业务数据的进行实时采集和解析功能，为LTE-M系统的通信故障分析提供依据，为定位LTE-M通信方面出现的故障的原因发挥了重要作用。