CN107800566A - 一种lte‑r铁路专用宽带移动通信网络接口监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE‑R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***，该***通过采集、解析、存储以及呈现LTE‑R铁路宽带移动通信过程中S1接口的信令数据和业务数据，实现对LTE‑R网络通信状态的监测，可以有效提高LTE‑R网络的运营和维护水平，保障行车安全。

Description

一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***。

背景技术

国际铁路联盟(UIC)已经开始下一代铁路通信***的研究工作，目前已经发布未来铁路移动通信***用户需求规范。由于LTE-R能够提供高效、快捷、可靠以及低时延的网络，同时可以提供安全的话音和数据业务，其技术特点符合下一代铁路无线通信***需求。我国铁路也正在进行对采纳这一标准作为后期铁路通信演进方向的研究，以便尽早适应新技术，为铁路未来的运营发展做好准备。

LTE-R网络需满足运营维护管理体制的要求，承担实时安全数据、非实时文本数据、语音以及图像等综合通信业务，为列车的正常运营提供支撑。因此，LTE-R通信网络的稳定性和可靠性将直接影响列车的正常运行。然而在LTE-R***的长期使用和在***运行过程中，难免产生如传输数据丢失和数据未及时送达等问题。LTE-R***由核心网、无线接入网、应用业务***以及运行与支持***四部分构成，如果数据***中出现传输中断或丢失情况，维护人员难以在LTE-R***中及时准确地定位故障，设备运维将无法得到保障，列车的正常运营秩序将受到影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***，可以监测LTE-R网络通信状态，跟踪用户通信过程，进而有效提高LTE-R网络的运营和维护水平。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***，包括：依次连接的S1接口采集设备、LTE-R处理中心以及显示终端；

所述S1接口采集设备，用于采集基站与核心网之间的S1接口的信令和业务数据；

所述LTE-R处理中心，用于对S1接口的信令和业务数据进行协议解析，区分控制面数据和用户面数据，并分别对控制面数据和用户面数据分别进行解析，进而进行CDR合成与呼叫记录合成；用于根据显示终端传输的查询指令，返回相应的查询结果；用于对用户选中的某条信令或业务数据进行详细解析；还用于对S1接口的异常信令和业务数据进行识别与告警；

显示终端，用于实时显示S1接口的信令和业务数据以及LTE-R处理中心进行数据处理时所生成的数据，还用于实现查询指令的发送。

所述S1接口采集设备包括：交换机或者以太网分流器；

若为交换机，则通过交换机端口镜像技术采集S1接口的信令和业务数据：在S1接口的被采集端口上利用交换机的端口汇聚功能，将被监测端口收发两个方向的数据复制到某一个端口上；然后，将相应端口接入到交换机，在交换机上再次利用端口汇聚功能将多个端口上的数据汇聚到一个或几个端口；

若为以太网分流器，则通过以太网分流器流量复制的方式采集S1接口的信令和业务数据：将以太网分流器串连在核心网与基站的通信链路中，对通信链路中的S1接口协议数据进行分流，确保LTE-R处理中心所接收到的数据流的完整性。

所述LTE-R处理中心包括：S1接口处理服务器、数据库服务器以及综合分析服务器；

其中，所述S1接口处理服务器，用于对S1接口的信令和业务数据进行协议解析，区分控制面数据和用户面数据，并分别对控制面数据和用户面数据分别进行解析，进而进行CDR合成与呼叫记录合成；

所述数据库服务器，用于存储S1接口处理服务器的解析结果、CDR合成结果与呼叫记录合成结果；

所述综合分析服务器，用于根据显示终端传输的查询指令，返回相应的查询结果；用于对用户选中的某条信令或业务数据进行详细解析；还用于对S1接口的异常信令和业务数据进行识别与告警。

***采用分层结构，其中S1接口采集设备位于采集接入层，LTE-R处理中心中的S1接口处理服务器与数据库服务器位于协议处理层，LTE-R处理中心中的综合分析服务器以及显示终端位于应用层。

所述S1接口处理服务器包括：第一数据接收模块、控制面数据解析模块、用户面数据解析模块、CDR合成模块、呼叫记录合成模块以及数据发送模块；其中：

所述第一数据接收模块，用于接收和缓存来自采集接入层的S1接口的信令和业务数据，并进行网络层的协议解析，区分控制面数据和用户面数据；

所述控制面数据解析模块，用于完成对控制面数据SCTP协议、S1AP协议以及NAS协议的解析，提取数据中MME、基站以及UE的标识信息；

用户面数据解析模块，用于完成对用户面数据UDP协议和GTP协议的解析，提取数据中的UE标识信息；对于铁路语音通信数据还进行SIP协议的解析，提取SIP协议数据中的语音呼叫信息；

CDR合成模块，用于根据从控制面数据和用户面数据中提取的MME、基站以及UE的标识信息，完成同一UE在同一业务中信令的关联，提取用户面数据中的用户标识，完成同一UE在同一业务中信令和业务数据的关联，完成CDR合成；

呼叫记录合成模块，用于根据从用户面数据中提取的UE标识信息和语音呼叫信息，将同一UE在同一次语音呼叫过程中的语音数据关联起来，完成呼叫记录合成；

数据发送模块，用于将控制面数据解析模块的数据解析结果、用户面数据解析模块的数据解析结果、CDR合成模块的CDR合成结果以及呼叫记录合成模块的呼叫记录合成结果实时的发送给应用层中的显示终端用于实时显示，同时发送给数据库服务器进行数据存储。

所述显示终端包括：查询显示模块，用于监测数据的实时显示、历史数据的查询显示、查询条件配置、显示数据过滤，以及相关查询指令的下发；

所述综合分析服务器包括：第二数据接收模块、数据库接口模块、数据详细解析模块、异常分析模块以及数据导出模块；其中：

所述第二数据接收模块，用于实时地接收来自协议处理层的数据，并将数据交由查询显示模块进行实时的显示；

所述数据库接口模块，用于根据查询显示模块的查询指令，与数据库服务器进行交互，查询数据库服务器中存储的历史数据，并将查询结果交由查询显示模块进行显示；

所述数据详细解析模块，用于根据3GPP协议和铁路业务数据传输协议，对查询显示模块中用户选中的某条信令或业务数据进行详细解析，并将写解析结果按照协议分层的结构显示在终端界面上；

所述异常分析模块，用于按照3GPP协议和铁路业务数据传输协议，对LTE-R通信过程中S1接口的异常信令和业务数据进行识别与告警；

所述数据导出模块，用于将数据库服务器中存储的信令和业务数据，以指定格式导出。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过采集、解析、存储以及呈现LTE-R铁路宽带移动通信过程中各个接口的信令数据和业务数据，实现对LTE-R网络通信状态的监测，可以有效提高LTE-R网络的运营和维护水平，保障行车安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的LTE网络架构示意图；

图2为本发明实施例提供的LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***在LTE网络中的位置示意图；

图3为本发明实施例提供的LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***的示意图；

图4为本发明实施例提供的交换机端口镜像采集方式示意图；

图5为本发明实施例提供的以太网分流采集方式示意图；

图6为本发明实施例提供的接口监测***的总体架构示意图；

图7为本发明实施例提供的S1接口协议栈结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

LTE对传统的3G网络架构进行了优化，采用扁平化的网络结构。整个LTE/SAE***由核心网(EPC)、基站(eNB或者eNode B)以及用户设备(UE)三部分组成。其中，EPC负责核心网部分，包括MME、S-GW以及P-GW；eNB负责接入网部分，也称E-UTRAN，提供用户面和控制面；UE指终端用户设备。LTE网络架构如图1所示。

如图1所示，eNB与EPC通过S1接口连接，eNB之间通过X2接口连接，eNB与UE间通过Uu接口连接(未示出)。eNB的功能包括无线资源管理功能、IP头压缩和用户数据流加密、UE附着时的MME选择、S-GW用户面数据的路由选择、寻呼消息的调度传输、广播消息的调度传输、有关移动性配置和调度的测量等。

MME的功能包括NAS非接入层信令的加密和完整性保护、AS接入层安全性控制和空闲状态移动性控制、EPS承载控制、寻呼、切换、漫游管理以及用户认证等。

S-GW的功能包括分组数据路由及转发、移动性及切换支持、合法监听以及计费等。

P-GW的功能包括基于每个用户的包过滤、合法监听、UE的IP地址分配、下行传输级包标记，以及上下行业务级计费、网关和速率限制，和基于APN-AMBR的下行速率限制等。

如图2所示，本发明实施例提供的一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***(以下简称“接口监测***”)主要对S1接口的信令和业务数据进行监测。S1接口连接eNB与EPC，包括eNB连接MME的控制面接口S1-MME和eNB连接S-GW的用户面接口S1-U。

接口监测***采集S1接口控制面和用户面的信令和业务数据，并对采集到的信令和业务数据进行解析、存储以及分析等处理，最终将处理结果呈现在***终端界面中。

如图3所示，本发明实施例提供的接口监测***主要包括：依次连接的S1接口采集设备(信令及数据采集点)、LTE-R处理中心以及显示终端；

所述S1接口采集设备，用于采集基站与核心网之间的S1接口的信令和业务数据；

所述LTE-R处理中心，用于对S1接口的信令和业务数据进行协议解析，区分控制面数据和用户面数据，并分别对控制面数据和用户面数据分别进行解析，进而进行CDR合成与呼叫记录合成；用于根据显示终端传输的查询指令，返回相应的查询结果；用于对用户选中的某条信令或业务数据进行详细解析；还用于对S1接口的异常信令和业务数据进行识别与告警；

显示终端，用于实时显示S1接口的信令和业务数据以及LTE-R处理中心进行数据处理时所生成的数据，还用于实现查询指令的发送。

具体来说，所述LTE-R处理中心包括：S1接口处理服务器、数据库服务器以及综合分析服务器；

其中，所述S1接口处理服务器，用于对S1接口的信令和业务数据进行协议解析，区分控制面数据和用户面数据，并分别对控制面数据和用户面数据分别进行解析，进而进行CDR合成与呼叫记录合成；

所述数据库服务器，用于存储S1接口处理服务器的解析结果、CDR合成结果与呼叫记录合成结果；

所述综合分析服务器，用于根据显示终端传输的查询指令，返回相应的查询结果；用于对用户选中的某条信令或业务数据进行详细解析；还用于对S1接口的异常信令和业务数据进行识别与告警。

本发明实施例中，S1接口处理服务器和数据库服务器可以安装Linux Server操作***，综合分析服务器可以安装Windows操作***。

为了便于理解，下面针对接口监测***做进一步详细描述。

本发明实施例中，所述S1接口采集设备包括：交换机或者以太网分流器；即可以通过交换机端口镜像或以太网分流器流量复制的方式进行S1接口的信令和业务数据的采集。

1)若为交换机，则通过交换机端口镜像技术采集S1接口的信令和业务数据：如图4所示，在S1接口的被采集端口上利用交换机的端口汇聚功能，将被监测端口收发两个方向的数据复制到某一个端口上；然后，将相应端口接入到交换机，在交换机上再次利用端口汇聚功能将多个端口上的数据汇聚到一个或几个端口；

2)若为以太网分流器，则通过以太网分流器流量复制的方式采集S1接口的信令和业务数据：如图5所示，将以太网分流器串连在核心网与基站的通信链路中，对通信链路中的S1接口协议数据进行分流，确保LTE-R处理中心所接收到的数据流的完整性。

上述两种采集方式各有如下优缺点：通过交换机端口镜像的采集方式，无需增加采集设备，直接利用交换机端口镜像功能获取数据，但需要占用交换机资源。通过以太网分流的采集方式，需要在通信链路中新增网络分路器，但不占用交换机资源。通信链路中新增的网络分路器需要具备断电直通功能，即当分路器出现故障或掉电的时候，不影响正常的通信链路。

在实际工作中，工作人员可以根据实际情况来选择相应的采集方式。本发明实施例中，优选以太网分流作为接口监测***的数据采集方式。

本发明实施例中，所述接口监测***采用如图6所示的分层体系结构，各层的软件设计采用模块化设计，使***易于扩展和维护。

***从下到上分为三层，分别为采集接入层、协议处理层以及应用层。其中S1接口采集设备位于采集接入层，LTE-R处理中心中的S1接口处理服务器与数据库服务器位于协议处理层，LTE-R处理中心中的综合分析服务器以及显示终端位于应用层。具体如下：

1、所述S1接口处理服务器包括：第一数据接收模块、控制面数据解析模块、用户面数据解析模块、CDR合成模块、呼叫记录合成模块以及数据发送模块；其中：

所述第一数据接收模块，用于接收和缓存来自采集接入层的S1接口的信令和业务数据，并进行网络层的协议解析，区分控制面数据和用户面数据。

本发明实施例中，S1接口包括控制面和用户面两部分，两个平面的协议层次都可以由下到上分为传输网络层和无线网络层。S1接口协议栈结构如图7所示。S1接口在两个平面的网络层都基于IP传输，但在传输层上控制面采用了SCTP协议提供可靠的传输，而用户面则采用了UDP提供非保证的传输。在S1接口协议栈中，控制面对应的是eNB和MME之间的接口，即S1-MME接口，主要负责控制面信令的传输，为用户业务的进行建立承载；用户面对应的是eNB和S-GW之间的接口，即S1-U接口，主要负责用户数据的传输。

所述控制面数据解析模块，用于完成对控制面数据SCTP协议、S1AP协议以及NAS协议的解析，提取数据中MME、基站以及UE的标识信息；

用户面数据解析模块，用于完成对用户面数据UDP协议和GTP协议的解析，提取数据中的UE标识信息；对于铁路语音通信数据还进行SIP协议的解析，提取SIP协议数据中的语音呼叫信息；

CDR合成模块，用于根据从控制面数据和用户面数据中提取的MME、基站以及UE的标识信息，完成同一UE在同一业务中信令的关联，提取用户面数据中的用户标识，完成同一UE在同一业务中信令和业务数据的关联，完成CDR合成；

呼叫记录合成模块，用于根据从用户面数据中提取的UE标识信息和语音呼叫信息，将同一UE在同一次语音呼叫过程中的语音数据关联起来，完成呼叫记录合成；

数据发送模块，用于将控制面数据解析模块的数据解析结果、用户面数据解析模块的数据解析结果、CDR合成模块的CDR合成结果以及呼叫记录合成模块的呼叫记录合成结果实时的发送给应用层中的显示终端用于实时显示，同时发送给数据库服务器(其中的数据存储模块)进行数据存储。

2、所述显示终端包括：查询显示模块，用于监测数据的实时显示、历史数据的查询显示、查询条件配置、显示数据过滤，以及相关查询指令的下发。

3、所述综合分析服务器包括：第二数据接收模块、数据库接口模块、数据详细解析模块、异常分析模块以及数据导出模块；其中：

所述第二数据接收模块，用于实时地接收来自协议处理层的数据，并将数据交由查询显示模块进行实时的显示；

所述数据库接口模块，用于根据查询显示模块的查询指令，与数据库服务器(其中的数据存储模块)进行交互，查询数据库服务器中存储的历史数据，并将查询结果交由查询显示模块进行显示；

所述数据详细解析模块，用于根据3GPP协议和铁路业务数据传输协议，对查询显示模块中用户选中的某条信令或业务数据进行详细解析，并将写解析结果按照协议分层的结构显示在终端界面上；

所述异常分析模块，用于按照3GPP协议和铁路业务数据传输协议，对LTE-R通信过程中S1接口的异常信令和业务数据进行识别与告警；

所述数据导出模块，用于将数据库服务器中存储的信令和业务数据，以指定格式(例如，Excel格式和PCAP)导出。

结合上述内容，接口监测***主要可以实现如下功能：

1)实时显示监测数据。接口监测***能够将解析后的S1接口的全部信令和业务数据实时地显示在终端界面上，并能够实时地合成和显示呼叫记录。

2)查询和回放监测数据。接口监测***能够将IP地址、IMSI、TMSI、监测时间、协议类型以及业务类型等查询条件进行组合，根据组合查询条件对接口监测***采集的历史数据(信令和业务数据、呼叫记录)进行查询，并将查询结果呈现在终端界面上。

3)单用户跟踪。接口监测***能够对监测区域内所有LTE-R用户的通信过程进行跟踪。接口监测***以LTE-R用户的IP地址为标识，监测单用户的信令和业务数据，并根据3GPP协议和铁路业务传输协议对监测数据进行解析，如遇不能正确解析的数据则显示其原始码。

4)异常分析和告警。接口监测***能够根据3GPP协议和铁路业务传输协议，识别LTE-R网络通信过程中出现的信令交互异常和铁路业务数据异常，并通过***终端发出异常告警。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***，其特征在于，包括：依次连接的S1接口采集设备、LTE-R处理中心以及显示终端；

所述S1接口采集设备，用于采集基站与核心网之间的S1接口的信令和业务数据；

所述LTE-R处理中心，用于对S1接口的信令和业务数据进行协议解析，区分控制面数据和用户面数据，并分别对控制面数据和用户面数据分别进行解析，进而进行CDR合成与呼叫记录合成；用于根据显示终端传输的查询指令，返回相应的查询结果；用于对用户选中的某条信令或业务数据进行详细解析；还用于对S1接口的异常信令和业务数据进行识别与告警；

显示终端，用于实时显示S1接口的信令和业务数据以及LTE-R处理中心进行数据处理时所生成的数据，还用于实现查询指令的发送。

2.根据权利要求1所述的一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***，其特征在于，所述S1接口采集设备包括：交换机或者以太网分流器；

若为交换机，则通过交换机端口镜像技术采集S1接口的信令和业务数据：在S1接口的被采集端口上利用交换机的端口汇聚功能，将被监测端口收发两个方向的数据复制到某一个端口上；然后，将相应端口接入到交换机，在交换机上再次利用端口汇聚功能将多个端口上的数据汇聚到一个或几个端口；

若为以太网分流器，则通过以太网分流器流量复制的方式采集S1接口的信令和业务数据：将以太网分流器串连在核心网与基站的通信链路中，对通信链路中的S1接口协议数据进行分流，确保LTE-R处理中心所接收到的数据流的完整性。

3.根据权利要求1所述的一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***，其特征在于，所述LTE-R处理中心包括：S1接口处理服务器、数据库服务器以及综合分析服务器；

其中，所述S1接口处理服务器，用于对S1接口的信令和业务数据进行协议解析，区分控制面数据和用户面数据，并分别对控制面数据和用户面数据分别进行解析，进而进行CDR合成与呼叫记录合成；

所述数据库服务器，用于存储S1接口处理服务器的解析结果、CDR合成结果与呼叫记录合成结果；

所述综合分析服务器，用于根据显示终端传输的查询指令，返回相应的查询结果；用于对用户选中的某条信令或业务数据进行详细解析；还用于对S1接口的异常信令和业务数据进行识别与告警。

4.根据权利要求1或3所述的一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***，其特征在于，***采用分层结构，其中S1接口采集设备位于采集接入层，LTE-R处理中心中的S1接口处理服务器与数据库服务器位于协议处理层，LTE-R处理中心中的综合分析服务器以及显示终端位于应用层。

5.根据权利要求4所述的一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***，其特征在于，

所述S1接口处理服务器包括：第一数据接收模块、控制面数据解析模块、用户面数据解析模块、CDR合成模块、呼叫记录合成模块以及数据发送模块；其中：

所述第一数据接收模块，用于接收和缓存来自采集接入层的S1接口的信令和业务数据，并进行网络层的协议解析，区分控制面数据和用户面数据；

所述控制面数据解析模块，用于完成对控制面数据SCTP协议、S1AP协议以及NAS协议的解析，提取数据中MME、基站以及UE的标识信息；

用户面数据解析模块，用于完成对用户面数据UDP协议和GTP协议的解析，提取数据中的UE标识信息；对于铁路语音通信数据还进行SIP协议的解析，提取SIP协议数据中的语音呼叫信息；

CDR合成模块，用于根据从控制面数据和用户面数据中提取的MME、基站以及UE的标识信息，完成同一UE在同一业务中信令的关联，提取用户面数据中的用户标识，完成同一UE在同一业务中信令和业务数据的关联，完成CDR合成；

呼叫记录合成模块，用于根据从用户面数据中提取的UE标识信息和语音呼叫信息，将同一UE在同一次语音呼叫过程中的语音数据关联起来，完成呼叫记录合成；

数据发送模块，用于将控制面数据解析模块的数据解析结果、用户面数据解析模块的数据解析结果、CDR合成模块的CDR合成结果以及呼叫记录合成模块的呼叫记录合成结果实时的发送给应用层中的显示终端用于实时显示，同时发送给数据库服务器进行数据存储。

6.根据权利要求4所述的一种LTE-R铁路专用宽带移动通信网络接口监测***，其特征在于，

所述显示终端包括：查询显示模块，用于监测数据的实时显示、历史数据的查询显示、查询条件配置、显示数据过滤，以及相关查询指令的下发；

所述综合分析服务器包括：第二数据接收模块、数据库接口模块、数据详细解析模块、异常分析模块以及数据导出模块；其中：

所述第二数据接收模块，用于实时地接收来自协议处理层的数据，并将数据交由查询显示模块进行实时的显示；

所述数据库接口模块，用于根据查询显示模块的查询指令，与数据库服务器进行交互，查询数据库服务器中存储的历史数据，并将查询结果交由查询显示模块进行显示；

所述数据详细解析模块，用于根据3GPP协议和铁路业务数据传输协议，对查询显示模块中用户选中的某条信令或业务数据进行详细解析，并将写解析结果按照协议分层的结构显示在终端界面上；

所述异常分析模块，用于按照3GPP协议和铁路业务数据传输协议，对LTE-R通信过程中S1接口的异常信令和业务数据进行识别与告警；

所述数据导出模块，用于将数据库服务器中存储的信令和业务数据，以指定格式导出。