重载铁路公专网车-地通信监测技术研究

蔡 军

(国能新朔准池铁路（山西）有限责任公司，山西朔州 036002)

1 概述

随着国内货运线路不断发展及运营水平的不断提高，“货运重载化”成为一大重要发展趋势[1]。为解决两万吨级重载列车的通信业务需求，国能朔黄铁路公司首次将 LTE-R专网(Long Term Evaluation-Railways)技术引入重载铁路车-地通信领域。LTE-R专网能够满足车-地通信的应用需求，但其建设及维护成本相对较高，为此国能集团开始LTE公网专用方案的研究，以达到降低运维成本并确保车-地可靠通信的需求。为保障基于公专网承载重载铁路列控系统车地间的可靠通信，需要掌握重载铁路LTE公专网通信链路的工作状态，以便及时发现LTE公专网存在的问题，对故障隐患做出预警，故需对重载铁路LTE公专网（简称LTE公专网）进行监测。

2 LTE公专网监测系统结构

2.1 LTE公专网组网方案

按照LTE公网与用户专网间关系的不同，目前LTE公专网的架构分为5种类型：运营商代建代维的全套专网设备、普通4G卡和虚拟专线、普通4G卡和物理专线、专用物联网卡和虚拟专线、专用物联网卡和物理专线[2]。在重载铁路领域，为满足高安全性和高可靠性要求，采用专用物联网卡和物理专线的架构进行建设。其架构如图1所示[3]。

图1 基于LTE公专网的车-地通信架构Fig.1 The architecture of vehicle-ground communication based on LTE public and private networks

无线接入设备为车载电台，业务数据通过省LTE公网、物联网业务专网、电信多业务承载网络（China Net Next Carrying Network，CN2）专网、公专网接入认证设备，最终连接到地面列控设备。

为确保LTE公专网承载重载列控系统车-地通信的数据安全性及可靠性，采用第二层隧道协议(Layer Two Tunneling Protocol，L2TP)和互联网安全协议(Internet Protocol Security，IPSec)创建虚拟私有网络(Virtual Private Network，VPN)的方式为车地间创建虚拟专用通信链路。

2.2 LTE公专网监测系统架构

如上文2.1所述，LTE公专网由车载侧、网络侧及列控系统地面公专网侧的设备组成。为了实现车-网-地的全链条监测，LTE公专网监测系统由车载监测设备、基站监测设备和监测中心组成。车载监测设备包括Trace信息采集模块、镜像端口采集模块、空口监测模块和干扰监测模块等；基站监测设备包括空口监测模块和干扰监测模块等。系统结构如图2所示。

图2 LTE公专网监测系统结构Fig.2 The architecture of LTE public and private network monitoring system

1）车载监测设备通过端口镜像方式采集车载业务终端与车载电台交互的数据，通过简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）提供的接口获取电台Trace信息[4]；通过射频接口采集车载侧Uu接口的信令；通过射频接口采集车载侧频谱信息及干扰数据，所有信令采集后可在车载侧实时解析处理并在本地保存，同时可通过无线单元将数据上传到监测中心。

2）基站侧监测设备通过射频接口采集基站侧Uu接口的信令，通过射频接口采集基站侧频谱信息及干扰数据，并通过无线单元将数据上传到监测中心。基站侧监测设备可根据需要进行部署。

3）监测中心侧通过Restful接口收集公专网的运维信息[5]。而后对所有采集到的数据进行解析、关联处理，将数据入库，并能进行多角度的查询统计分析以及监测系统自身的维护管理。

3 LTE公专网监测技术概述

3.1 数据采集技术

1）车载侧数据采集

采集车载业务终端与车载电台交互数据，包括列车运行控制数据及行车调度指挥数据。

通过SNMP协议由电台对外网口获取电台的Trace信息，主要包括车载电台与网络交互的信令、车载电台与网络交互的业务数据以及车载电台与车载业务终端交互的业务数据[6]。

采集途经网络Uu接口的网络信令以及途经的网络频谱数据，通过频谱数据分析识别干扰信息。

2）基站侧数据采集

采集移动台与基站的Uu接口网络信令以及基站周边网络频谱数据。

3）中心侧数据采集

收集公专网的运维信息，主要包括公专网设备的告警信息、公专网的性能数据及公专网设备的状态信息。

4）数据上报通道

车载侧监测设备配备无线接入模块，通过公共移动通信4G/5G网络、LTE公专网或车载电台按照指定格式将数据实时上报到监测中心，将车载侧保存的数据文件定时上传到监测中心，或接收监测中心的数据下载请求按需将数据上传到监测中心。

基站监测设备配备无线接入模块，通过公共移动通信4G/5G网络或LTE公专网按照指定格式将数据实时上报到监测中心。

中心侧数据采集及收集单元通过局域网按照指定格式将数据实时上报到处理单元。

3.2 基于多源数据管理的分析技术

通过中心侧和车载侧的数据库和文件系统管理为网络维护人员提供数据支持。

维护人员可以便捷地设定机车号、车次号、时间段等信息对网络信令、业务数据、电台Trace信息、通信记录、车载电台上线及鉴权记录、通信及业务异常等数据进行查询。

通过时间域、车号、基站等限定条件回放频谱数据，进行人工分析，分析信号干扰原因。

通过人工设置筛选条件，对车载电台的收发信号强度、基站信号强度进行趋势统计，可尽早发现电台和基站的性能隐患。

通过将多源数据融合在一个系统平台内，为业务人员联合多方数据进行分析提供便利。

3.3 重载铁路LTE公专网监测关键技术

在车-网-地分布式全流程监测设备采集的原始数据支持下，通过如下3个关键技术对网络质量、网络故障等进行深入分析。

1）基于地面无线接入网（UTRAN）接口的监测技术

主要基于接口信令实现，其中S1空口、X2基站间接口是LTE公网中最重要的接口。通过S1-U、S1-MME空口信令，结合LTE-R车载终端和基站的测量报告（Measurement Report，MR），可关联得到网络覆盖情况。

2）基于频谱分析的干扰监测技术

可通过功分器由车顶通信天线引出射频信号或基于基站侧监测天线获取射频信号，进而扫描分析频谱和频点。

3）基于数据关联融合分析的异常识别

基于采集的多源数据，可实现基于数据的关联分析和异常识别。

数据的关联分析技术主要基于各层次的交互协议将信令和业务数据依据需要进行拆分、组合，最终实现数据的关联与异常分析。

4 基于无线接入网接口的监测技术

S1空口协议栈包含用户面协议和控制面协议两部分，车-地通信业务数据通过S1-U空口传输至服务网关（Serving Gate Way，SGW），控制面信令通过S1-MME空口传输至移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）网元。监测系统可对车-地间通信接口进行解析，基于S1-U协议栈解析信令和业务数据。重载LTE公专网协议栈如图3所示。

图3 ATP-DCC 车-地无线通信数据传输协议栈Fig.3 ATP-DCC vehicle-ground wireless communication data transmission protocol stack

协议栈包括物理层、数据链路层和IP层等。车载设备上电后动态分配地址，通过L2TP隧道传送PPP验证和动态地址分配，通过IPSec加密通道避免非法用户侵入[7]。

除了对车载电台信令进行解析和分析信令异常，在公网运营商侧，可基于LTE-MR测量报告实现网络覆盖质量监测，终端和eNodeB基站定时采集的测量报告经由OMC-R采集管理。通过关联S1口和MR数据可有效监测机车沿途的网络覆盖情况，为网络优化提供参考[8]。关联过程如图4所示。

图4 监测信息关联分析流程Fig.4 Monitoring information correlation analysis process

1）首先采集S1口URI信息获取用户位置，开始时间等字段。

2）MME可获取为车载通信终端分配的链路隧道端点ID从而识别终端。通过时间戳可关联机车位置、终端ID和时间。

3）将包含电平、邻区以及小区等信息的MR通过时间戳与S1-U、S1-MME数据关联。

4）由于基站到终端的传输路径存在遮挡，并非直线，所以基于基站的定位存在误差，需要剔除精度差的数据，可以最大时间提前量（Time Advanced，TA）距离作为校正判据筛选高精度的关联数据。

该方法可得到筛选后部分采样点的RSRP信息、位置信息以部分反映网络覆盖情况。

5 重载铁路LTE网络干扰监测技术

与LTE-R铁路专网采用的450 MHz（大秦、京沈线）、以及朔黄重载货运铁路中采用的1.8 GHz频段不同，TDD模式下LTE公网频段分为1.9 G、2 G、2.3 G、2.6 G以及重载准池铁路LTE公专网采用的800 M（单位Hz）。1.9 G（F频段）和2.6 G（D频段）常用于室外覆盖。

LTE网络较好解决了同频干扰，主要的干扰类型包含邻频信号、互调信号干扰、噪声阻塞和带外干扰等。通过频谱扫描分析各个频点参数，计算同邻频干扰信号、互调干扰信号的频谱特征，实现干扰信号的监测和报警。典型的干扰监测技术可用于车载沿途干扰信号和地面基站附近干扰信号的检测。

典型的干扰监测识别技术流程如图5所示。

图5 干扰监测识别技术Fig.5 Interference monitoring and identification technology

在监测到干扰类型后，可通过人工定位分析方法定位干扰源位置，以切实解决干扰问题。网络维护人员使用的干扰监测分析技术主要分为干扰地图分布法和三点扫频定位法。

1）干扰地图分布法：地面侧终端得到经纬度、时间及报警信息，结合GIS可视化技术，将干扰信息显示在地图上，实现可视化的机车沿途信号干扰监测，分析网络通信质量。带内干扰重点核查网络数据配置和越区覆盖问题。

2)三点扫频定位法：利用高增益定向天线、扫描仪结合信令解析，对干扰进行定位。测量时，天线波束指向正前方，并且垂直极化放置；通过缓慢旋转天线，观察频谱扫描仪的信号变化。监测到异常信号后，缓慢改变天线的俯仰角度观察接收信号变化到最大值时停止。通过频谱分析判断干扰信号种类，并沿着当前天线波束的方向，寻找新的测量点。选取3个以上受干扰明显的测点，沿干扰信号方向逐步缩小范围，最终确定干扰发生位置。

6 基于数据关联融合分析的异常识别

中心侧各数据解析处理单元通过对网络信令、业务数据进行解析，提取IP地址、车次号、机车号和公里标（根据应答器计算）等关键信息，从而对频谱数据及干扰进行拆分；中心侧数据处理设备同步拆分、处理收集到的公专网运维数据。

车载侧设备实时处理采集到的镜像端口业务数据，解析Trace及空口采集到的网络信令及业务数据，提取IP地址、车次号、机车号和应答器等关键信息，并拆分频谱和干扰信息。

通过关联同一终端与地面列控系统同一次通信的网络信令及业务数据，生成通信记录。基于信令或交互流程特征识别异常网络和业务通信数据，并识别车-地通信超时异常。

在异常的干扰信号识别方面，基于预先计算的异常频谱特征库，比对采集的频谱数据识别干扰信号类型；基于电台日志异常特征识别电台Trace异常；同时基于设备状态信息和门限识别公专网设备性能异常信息。

7 结束语

本文综述了目前LTE公专网监测领域的主流技术，研究了通过LTE公专网本身的车-地通信通道实现机车沿途干扰信号监测的方式，同时研究将故障诊断技术引入重载铁路LTE公专网领域的方法。通过重载铁路LTE公专网监测系统的应用，可以大幅提高重载铁路的运维效率，同时也将为公专网在铁路领域的应用效果提供数据支撑，有助于公专网模式的大范围推广，可以加快铁路智能化、智慧化及绿色化运营的进程。