基于.NET平台的铁路GPRS网络关键网元主动监测系统

赵雅昕郑 伟

(1.北京理工大学附属中学，北京 100089；2.北京铁路局北京通信段，北京 100077)

基于.NET平台的铁路GPRS网络关键网元主动监测系统

赵雅昕1郑 伟2

(1.北京理工大学附属中学，北京 100089；2.北京铁路局北京通信段，北京 100077)

GPRS网络为铁路GSM-R网络运营提供分组域无线数据传输业务，为完善铁路GPRS网络中全路共用设备及接口设备等关键网元设备的监测手段，开发基于.NET平台的铁路GPRS网络主动监测系统，基于“主动探测”模式，从应用层角度将各受监控关键网元的活动性和应答情况进行快速收集与处理，实时检测网元的活动状态和业务运行状态，实现对铁路全路共用GPRS网络设备（包括RADIUS、DNS、GROS）及GRIS等重要网元设备的实时、主动监测功能。

GPRS；GSM-R；主动监测；关键网元设备

1 概述

GSM-R是GSM通信技术体系在铁路上的应用，通用分组无线业务（General Packet Radio Service 简称GPRS）是在现有GSM/GSM-R网络基础上增加的一套分组交换系统，为用户提供端到端基于分组交换和传输技术的移动数据业务，从而提高网络性能以及优化对无线资源和网络地面资源的利用率。铁路GPRS系统主要为铁路行车等相关业务需求提供移动数据传输服务。目前铁路GPRS系统传输信息主要包括：铁路运行调度信息、铁路设施维护管理信息、客运站车服务信息等，这些数据业务具有移动性强、业务点分散、突发性强、非周期间断传输、小容量数据但频繁传输等特点。因上述业务直接涉及行车安全，一旦发生故障将对铁路日常运输组织管理带来严重影响，因此，如何确保GPRS各重要网元设备的安全稳定运行是铁路通信管理与维护的重要课题之一。

我国铁路GPRS网络采用各局分建本地网、共用设备两地容灾备份的组网模式。目前全路GSM-R网络核心网建设已基本完成，自2009年至今全路共用的GPRS设备：安全认证服务器（RADIUS）、域名服务器（DNS）、GRIS归属服务器（GROS）已在北京、武汉两地分别建成并形成地理冗余备份结构投入运营。因此，北京局管内维护的GPRS设备大致可以分为两类：一是全路共用设备，即RADIUS、DNS及GROS；二是本局自用的GPRS接口服务器（GRIS）、支持GPRS业务节点（SGSN）、网关GPRS业务节点（GGSN）等设备，承担了在本局线路范围内所有运行机车的GPRS网络业务核心网元功能。目前，除GSN设备以外的其他GPRS设备，缺乏有效的网络监控系统进行实时业务层面的监测，难以及时发现设备故障及运行问题，一旦出现业务中断而未能及时发现和处理，将直接影响全路范围内铁路GPRS业务的稳定和行车安全。

为完善GPRS网络设备（尤其是全路共用设备）的监控、监测手段，及时发现和排除RADIUS、DNS、GROS等全路共用GPRS设备及GRIS等关键网元设备运行中存在的异常情况，提高GPRS网络管理和监测水平，本文构建了基于.NET平台的GPRS网络关键网元设备主动监测系统，模拟应用层实际业务，对各受监控的GPRS网络关键设备等进行定时业务功能测试，实时监测关键网元设备的活动状态和业务应用状态，及时发现和排除相关设备存在的运行状态异常情况，为铁路通信系统的安全稳定运行提供保障。本文将分别从铁路GPRS网络关键网元设备主动监测系统的工作原理、方案设计、系统实现及应用等方面进行阐述。

中国铁路GSM-R网络由于其网络规模巨大和应用的复杂性，有必要建设一套综合性的重要网元主动监测系统，能够从业务角度及时准确地发现GPRS关键设备网元是否正常工作，快速发现网元设备的功能状态异常情况，由专业网管人员及时进行处理。在国外GSM-R应用中，同中国相比由于其规模过小（用户数等方面不超过国内一个铁路局的容量和规模），网络结构简单，设备多为单节点建设，没有国内如此复杂的应用和跨局业务，尚无此类系统投入使用，本文构建了基于.NET平台的GPRS网络关键网元设备主动监测系统，填补了这一主要空白。

2 系统方案设计

2.1 系统组成

铁路GPRS网络主动监测系统对GPRS网络关键网元设备进行24 h不间断主动监测，包括全路共用设备RADIUS/DNS/GROS以及本局或其他局GPRS接口设备GRIS等。该监测系统能够实时地监测上述关键网元设备是否在线、是否能够正常提供业务，及时发现与行车相关的GPRS关键功能设备运行是否正常；当设备存在问题时，及时给出告警提示，以便维护人员迅速处理，最大程度地压缩障碍延时，为铁路通信系统的安全稳定运行提供保障。

铁路GPRS网络主动监测系统由服务端和客户端组成，其中，服务端包括数据采集服务器、汇聚分析服务器、通信接口服务器、数据库服务器以及系统监测服务器等。图1是主动监测系统的物理部署与网络连接示意图。

图1 GPRS网络主动监测系统物理部署与网络连接示意图

服务端各设备功能如下。

1）数据采集服务器负责向GPRS网络业务系统的关键网元设备发送功能性或网络连通性测试信息，并将对关键网元设备的测试结果转发给汇聚分析服务器。

2）汇聚分析服务器根据数据采集服务器的测试结果，分析判断是否有故障发生，同时处理监测客户端发送的用户服务请求。

3）通信接口服务器负责提供汇聚分析服务器和监测客户端之间的通信接口服务，将汇聚分析服务器的分析结果广播推送给各个监测客户端，同时将监测客户端的用户服务请求转发给汇聚分析服务器。

4）数据库服务器主要负责存储系统所监测关键网元设备信息、实时监测设备告警信息以及用户处理操作信息等。

5）系统监测服务器主要负责监测主动监测系统内部各功能服务器的运行状态。

6）监测客户端负责可视化实时显示铁路GPRS网络关键网元设备运行状态监测结果，并为用户提供对实时监测告警信息进行处理，对网元设备监测告警历史记录查询以及对系统所监测关键网元设备信息配置等操作界面。

2.2 系统工作原理

GPRS网络主动监测系统实现对关键网元设备网络连通性进行主动监测、告警和统计分析，包括网络是否连通、时延等指标；同时，主动监测系统实现对GPRS网络中关键网元设备业务的实时主动监测和监测告警判断，具体功能如下。

1）DNS应用服务

通过符合RFC规范的标准DNS服务查询及应答测试，对GPRS网络关键网元DNS服务器上运行的DNS服务的运行状态、响应结果是否符合预期等进行监测、告警和统计分析，如图2所示。

图2 主动监测系统对NS服务器进行业务测试

2）RADIUS应用服务

通过符合RFC/3GPP规范的标准RADIUS服务请求及应答测试，对GPRS网络关键网元RADIUS服务器上运行的RADIUS服务的运行状态、响应结果是否符合预期等进行监测、告警和统计分析，如图3所示。

图3 主动监测系统对RADIUS服务器进行业务测试

3）GROS/GRIS系统服务

通过对GRIS服务器、GROS服务器设备状态及业务进行模拟测试和响应分析，对GROS、GRIS服务器上运行的应用服务运行状态、响应结果是否符合预期等进行监测、告警和统计分析，如图4、5所示。

图4 主动监测系统对GROS服务器进行业务测试

图5 主动监测系统对GRIS服务器进行业务测试

3 系统实现

3.1 系统软件设计

从软件功能设计的角度，系统软件由采集分析中心和业务监测中心两部分组成，底层是监测系统专用网络。采集分析中心由数据采集服务器、汇聚分析服务器和数据库服务器组成，主要负责测试铁路GPRS网络关键网元设备，接收关键网元设备测试响应数据，分析判断关键网元设备运行状态，以及存储设备故障告警信息；业务监测中心将由监测客户端、通信接口服务器和系统监测服务器组成，主要负责实时可视化显示铁路GPRS网络关键设备运行状态及故障告警信息，用户处理故障告警信息，查询故障告警历史记录，以及监测主动监测系统内部各功能服务器程序运行状态。另外，为了保证GPRS网络主动监测系统的实现，且不影响GPRS系统业务正常运行和信息安全，专门搭建监测系统专用网络。图6是主动监测系统软件功能结构示意图。

3.2 系统关键技术

系统软件整体上采用C/S架构，服务端由各功能服务器组成，负责向GPRS网络关键网元设备发送测试数据，对所监测设备返回的应答信息进行分析，判断设备是否存在运行故障，同时将实时监测分析结果数据推送到监控客户端；客户端通过可视化图形绘制方式，实时展示铁路GPRS网络关键网元设备运行状态图，显示实时对所监测网元设备测试分析结果以及设备故障告警信息，实现用户对设备故障告警处理、对故障历史记录查询以及管理配置所监测网元设备信息等交互操作。

图6 GPRS网络主动监测系统软件功能结构示意图

系统使用C#作为主要编程语言，基于.NET平台并结合多种编程技术开发，软件开发关键技术包括：基于Socket编程技术实现网元测试数据收发，使用ADO.NET技术对系统数据库进行访问操作，使用消息队列机制存储对关键网元设备测试分析结果数据，基于WCF框架实现系统内部各个功能服务器之间数据通信，使用WPF编程技术以及GDI+实现客户端交互界面与图形绘制，使用多线程以及线程池技术实现系统中异步消息数据的处理等。

4 系统部署与运行

4.1 系统部署

服务端建议部署在高性能服务器上，硬盘容量1 TB以上，系统运行内存8 GB以上，使用安装.NET Framework 4.5的Windows Server操作系统，同时保证足够网络带宽。服务端将同时运行数据扫描服务器、监测数据分析服务器、通信接口服务器程序以及数据库服务器等，可根据具体监测业务负载和性能需求，将各功能服务器部署配置在单主机，或分布式部署在多主机设备上，以确保服务端稳定运行。客户端建议硬盘容量为500 GB以上，系统运行内存大小为4 GB以上，使用安装.NET Framework 4.5的Windows操作系统。

4.2 系统启动运行

主动监测系统启动时，按以下顺序启动各个功能服务器。

1）启动数据库服务器，确保正确启动系统数据库。

2）启动汇聚分析服务器，从数据库服务器读取系统所监测铁路GPRS网络关键设备信息列表，并进行初始化配置。

3）启动通信接口服务器，建立汇聚分析服务器与监测客户端通信连接。

4）启动数据采集服务器，从汇聚分析服务器读取所监测网元设备信息，创建测试线程。

5）启动系统监测服务器，监测各功能服务器运行状态。

4.3 系统运行界面

铁路GPRS网络关键网元设备主动监测系统运行时，用户操作集中在监测客户端。图7是监测客户端主界面。监测客户端主要包括6个页面：网元状态页面、系统网管页面、实时监测页面、历史记录页面、网元设置页面、用户管理页面。

监测客户端默认显示网元状态页面。网元状态页面负责可视化绘制系统所监测关键设备实时运行状态拓扑图，如图7所示。当发生网元设备故障，且监测客户端接收到故障告警信息时，拓扑图中该故障设备图标或连接线用红色高亮标记，对于网络连通性故障，该故障网元设备连接线显示为红色；对于业务功能性故障，该故障网元设备图标显示为红色，如图8所示。

图7 监测客户端网元状态页面

系统网管页面可视化绘制系统内部各功能服务器的运行状态拓扑图，当主动监测系统内部发生异常时，拓扑图中与该故障设备相关的系统内部设备图标或连接线将用红色高亮标记。

实时监测页面实时滚动显示测试分析结果数据以及故障告警信息，并提供故障告警信息处理操作。该页面包括监测记录列表和告警记录列表两部分，监测记录列表显示测试网元设备对象、设备所属局、测试类型、测试结果以及测试时间等信息；告警记录列表显示故障设备、设备所属局、故障类型、故障监测时间以及故障恢复时间等，如图9所示。设备故障信息以红色高亮显示，当设备故障恢复后，该设备故障信息从告警记录列表中移除。

图9 监测客户端实时监测页面

历史记录页面提供对设备故障告警历史信息查询操作，查询条件包括：故障设备、故障类型、起始时间以及终止时间等。

网元设置页面可配置系统所监测关键网元设备信息，包括：网元类型、所属局、网元IP地址、发送字段、返回字段、测试间隔以及忽略设置时间等。用户可在该页面添加、编辑或删除系统所监测关键网元设备，如图10所示。

5 总结

本文构建了基于“主动探测”模式的GPRS网络关键网元节点功能综合监测系统，能够从实际应用层面及时、准确地将各受监控关键网元的活动性和应答情况进行快速收集处理，实时监测关键网元设备的活动状态和业务应用状态。借助可视化的集中展现方式，将所监测关键网元设备实时运行状况准确、及时地展现给用户。当所监测关键网元设备出现故障时，能够及时给出告警提示，以便维护人员迅速处理，最大程度地压缩障碍延时，为铁路通信系统的安全稳定运行提供保障。

系统已在北京铁路局北京通信段进行了试运行，通过测试使用，系统可对北京、武汉两地GPRS全路共用设备及各局GRIS设备业务运行状态进行监测。系统采用部颁标准技术体制，不受被监测网元设备厂家及型号限制，具有较强的通用性。现场试用情况表明，系统功能实用，界面友好、直观，监测数据准确，实时性较强，为GPRS网络重要设备的运行监测和业务安全提供了有效监测手段，在对铁路GPRS网络关键网元设备的实时运行状态监测手段和技术应用方面取得创新，填补了GPRS通信设备运行维护检监测方面的空白。

[1]中华人民共和国铁道部.GSM-R数字移动通信网技术体制(暂行)[S].北京：中国铁道出版社，2006.

[2]中华人民共和国铁道部.铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[3]铁道部工程设计鉴定中心，北京全路通信信号研究设计院有限公司.中国铁路GSM-R数字移动通信系统设计指南[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[4]韩斌杰.GPRS原理及网络优化[M].北京：机械工业出版社，2003.

[5]钟章队，刘秋妍，林思雨，等.铁路GSM-R数字移动通信系统[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[6] Mahesh Chand.GDI+图形程序设计[M].韩江，等译.北京：电子工业出版社，2005.

[7] Juval Lowy.Programming WCF Services[M].O'Reilly Media, 2007.

[8] Richard Blum.C# Network Programming[M].Sybex, 2002.

[9] Alan Dickman.Designing Applications with MSMQ:Message Queuing for Developers[M].Addison-Wesley Professional，1998.

公式（4）表达的是一个调幅调相波，其中Un（1+m0cosΩt）相当于一个调幅波，m0为调制幅度，Ω为调制频率；而Uncos（ωnt+sinΩt）可以认为是调相波。

从公式（4）可知，一个弱有用信号和一个强干扰信号叠加后，合成信号是一个以强信号的载波频率为中心的调幅调相波，其幅度变化反映弱信号的包络调制规律。

当两个信号同时被接收机接收到时，一个是强干扰信号，而另外一个是弱有用信号，两个信号的合成信号会由于接收机的非线性被削掉大部分的信号包络，只有调相部分被保留下来。从公式（4）可以看出，因为Un≥Us，故m0很小，干扰信号所占的比重却很大，造成接收机输出信噪比大幅度的降低，形成阻塞。Un越大，影响越严重。

将相应的原理应用到案例中，发现在13号信道上的强TCH信号，信号最大强度达到-21 dBm，远远大于GSM-R系统的两个正在使用的BCCH信号，初步认为正是该强信号对GSM-R系统造成了阻塞干扰，使GSM-R终端在该信号的覆盖范围内发生掉话、脱网等问题。通过与移动协商，短暂关闭该基站后，GSM-R网络恢复正常，也验证了我们的猜测。

5 现阶段的解决方法

目前，阻塞干扰的主要特征有：1）在GSM-R频段内不存在干扰信号，但是网络使用时出现脱网、掉话等异常现象；2）在GSM-R系统频段外存在强信号且强信号的来源不会远离高速铁路。

针对阻塞干扰的特点，根据实际情况提出解决方案。在发现沿线有发射强信号的移动基站后，协调移动公司降低强信号的发射功率，一般情况下移动公司会降低3～4 dB的信号强度，如果对干扰情况没有什么改善，此时可以采取将使用强信号的小号频点（一般在1～25号频点范围内）更改至60号频点以后频率的处理方法，加大强信号与铁路GSM-R频段的频率间隔来改善干扰情况，降低干扰。

参考文献

[1]翁木云，张其星，谢绍斌.频谱管理与监测[M].北京：电子工业出版社，2009.

（收稿日期：2014-09-12）

GPRS network provides wireless data transmission service for railway GSM-R network. For improving the means of monitoring key net element equipment of railway GPRS network such as equipment and interfaces shared by national railways, an active monitoring system for GPRS network is developed based on .NET framework, which can rapidly collect and process operation and response conditions of the key net elements from application layer by means of detecting active state and running status of equipment in real time, in order to realize functions of monitoring actively key element equipment in real time, including RADIUS, DNS, GROS, GRIS, etc.

GPRS; GSM-R; active monitoring; key net element equipment

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.011

2015-05-31）