CTCS-3级列控系统无线通信网络综合监测技术的研究

２０１０年１０月

铁道通信信号

Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０ｌ０

第４６卷第１０期

ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０Ｎ Ｖｏ１．４６ Ｎｏ．１０

ＣＴＣＳ一３级列控系统无线通信

网络综合监测技术的研究

蒋文怡 钟章队

摘要：针对我国铁路的ＣＴＣＳ一３级列控系统的特点，提出了ＣＴＣＳ一３级列控系统无线通信网络

综合监测技术，对车．地数据传输的几个关键接口——Ａｂｉｓ接口（ＢＳＣ与ＢＴＳ）、Ａ接口（ＭＳＣ

与ＴＲＡＵ）和ＰＲＩ接口（ＭＳＣ与列控ＲＢＣ）上列控呼叫的信令流程、数据传输过程以及线路状

态等进行完整的监测和记录，并采用综合分析和联合诊断技术、多层协议分析与解码技术、多用

户实时跟踪与查询技术等关键技术，为列控数据传输分析、故障定位和分析、通信网络优化与维

护以及干扰分析等方面提供技术依据。

关键词：铁路综合数字移动通信系统；监测系统；ＣＴＣＳ一３级列控系统

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｕｓｅｄ ｉｎ ＣＴＣＳ．３ ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ＣＴＣＳ．３，ｗｈｉｃｈ ｅｎａｂｌｅｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｖｅｒ ｓｅｖｅｒａｌ ｋｅｙ

ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ．ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ Ａｂｉｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ＢＳＣ ａｎｄ ＢＴＳ，ｔｈｅ Ａ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ＭＳＣ ａｎｄ ＴＲＡＵ，

ａｎｄ ｔｈｅ ＰＲＩ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ＭＳＣ ａｎｄ ＲＢＣ ａｎｄ ｃａｎ ｍａｄｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ

ｓｉｇｎａｌｉｎｇ ａｎｄ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｌｌｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｒａｃｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｒｅ．

ｈｅｎｓｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｊｏｉｎｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｔｒａｃｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｑｕｉｒｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｅｔｃ．，ｔｈｉｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｅｃｈｎｉ—

ｃａｌ ｄａｔａ ｆｏｒ ＣＴＣＳ一３ ｄａｔａ ｔｒａ大熊猫为什么是国宝 ｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｆａｕｌｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ

ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＳＭ．Ｒ；Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ＣＴＣＳ．３ ｌｅｖｅｌ ｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ

北京交通大学讲师（铁道部ｃ３技术攻关组成员），１０００４４

１概述

北京

北京交通大学教授，１０００４４北京

国外认识到对列控数据传输带白字的成语 进行综合监测，对

收稿日期：２０１０－０６－２０

于保障列车安全运行和提高生产效率非常重要，并

仍然使用Ｋ．为密钥进行加密计算。 长度外，涉及密钥的建立、保存、更新等事务的密

Ｈｑ＝ｅｋ１（Ｄｑ（壬）Ｈｑ—１）

钥管理工作至关重要。因为加密技术的安全性取决

第六步，输出变形（ｏｕｔｐｕｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）。利

于加密算法的强度，密钥的长度和密钥的管理。当

用Ｈ 进行处理得出输出结果，安全层ＭＡＣ采用

面对攻击，获取密钥可能比破译算法、密文等更加

如下方法：首先用Ｋ 进行解密运算，然后再利用

容易。密钥管理行为的各环节都应安全保密大排档图片 。

Ｋ 进行一次加密运算。

参考文献

１］ ＣＥＮＥＬＥＣ．ＥＮ ５０１５９－２ Ｒａｉｌｗａｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ—Ｃｏｍｍｕ—

Ｇ＝ｅＫ３（ｄ （Ｈ ））

ｎｉｃａｔｉｏｎ，ｓｉｇｎａｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ—Ｐａｒｔ ２：Ｓａｆｅ—

上式中ｄ 表示使用Ｋ 为密钥的解密计算，如

ｔｙ—ｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｅｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ．

图４中标明ｄ的处理方格。

２００１（３）

［２］ ＩＳＯ／ＩＥＣ ９７９７Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ—Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ—

这个环节相对原算法有一些改进，原算法中进

Ｍｅｓｓａｇｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅｓ（ＭＡＣｓ）一Ｐａｒｔ １：Ｍｅｃｈａ—

行最后一次加密运算的密钥仍然为Ｋ 。

ｎｉｓｍｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｂｌｏｃｋ ｃｉｐｈｅｒ．２００７．

［３］ Ａｌｆｒｅｄ Ｊ Ｍｅｎｅｚｅｓ，Ｐａｕｌ Ｃ ｖａｎ Ｏｏｒｓｃｈｏｔ，Ｓｃｏｔｔ Ａ Ｖａｎｓｔｏｎｅ

５结束语

著．胡磊，王鹏等译．应用密码学手册［Ｍ］．北京：电子

工业出版社，２００５，６．

应用加密技术，除了选择加密的算法，密钥的

（责任编辑：张利）

—— ——

铁道通信信号２０１０年第４６卷第１０期

针对ＥＴＣＳ．２级列控系统的应

用要求，开始对各通信接口的

信令、业务及可靠性进行跟踪、

综合监测及通信中断故障分析。

通过接口综合监测，可以全程

跟踪列控数据流程，明确判断

出现数据错误或通信中断的原

因，对于列控数据传输故障分

析提供了强有力的证据，同时

也为列控系统、ＧＳＭ—Ｒ网络的

运营维护提供了重要工具。针

对我国铁路的ＣＴＣＳ．３级列控

系统的特点，提出ＣＴＣＳ－３级

列控系统无线通信网络综合监

： Ｌ一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ｉ

图２ ＧＳＭ．Ｒ网络各通信接口在网络中的位置

测技术，对车．地数据传输的几

个关键接口，如Ａｂｉｓ接口（ＢＳＣ与调动申请书 ＢＴＳ）、Ａ接口

甲ＩＡｂｉｓ￣Ｆ３ Ｉ甲Ｉ ＰＲＩ。￣Ｉ３］

一一

一一一一 一］一一一一一Ｉ一一一一一一

（ＭＳＣ与ＴＲＡＵ）、ＰＲＩ接口（ＭＳＣ与列控ＲＢＣ），

上列控呼叫的信令流程、数据传输过程及线路状态

等进行完整的监测和记录，并采用综合分析和联合

诊断技术、多层协议分析与解码技术、多用户实时

跟踪与查询技术等关键技术，为列控数据传输分

析、故障定位和分析、通信网络优化与维护以及干

扰分析等方面提供技术依据。

２ ＣＴＣＳ＿３级列控系统与ＧＳＭ－Ｒ网络接口

ＣＴＣＳ一３级列控系统与ＧＳＭ—Ｒ网络接口如图１

所示。ＣＴＣＳ．３级列控系统分别通过车载的ＩｅＳＭ－Ｒ接

口和地面旺盛 的［ＦＩＸ接口与ＧＳＭ．Ｒ网络连接。

图３通信接口综合监测系统内部

构成逻辑示意图

ＧＳＭ．Ｒ网络各通信接口包括ＡＢＩＳ接口、Ａ接

口和ＰＲＩ接口。各个接口在网络中的位置如图２

所示。

１．信令采集设备。采集各个通信接口（Ａｂｉｓ、

Ａ、ＰＲＩ）的信令或数据，送到

ＣＤＲ服务器进行分析处理。

２．ＣＤＲ服务器。对采集到

Ｕｍ

Ｉ

的信令或数据进行分析解码并实

现多屁股挨打 种方式的用户跟踪。

Ｉ＋一ＣＴＣＳ－３乍缄设箭—— ［￣ ＣＴＣＳ ３地嘶设＿桥—

３ 系统构成

３．数据库服务器。对采集到

的所有信令、数据和跟踪结果进

行存储。

４．操作终端。是整个系统面

图１ ＣＴＣＳ．３级列控系统与ＧＳＭ－Ｒ网络接１：３

向使用用户的客户端，为用户提供友好的人机界

监视系统内部构成的逻辑示意如图３所示。

通信接口综合监测系统由如下几个部分组成。

面，提供用户跟踪、数据查询、通信中断分析等多

种功能。

６—

ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ Ｖｏ１．４６ Ｎｏ．１０ ２０１０

４系统功能

整个系统具备接口监测功能、车载ＡＴＰ位置

跟踪功能、时间同步功能、综合分析功能。接口监

测功能包括：Ａｂｉｓ接口、Ａ接口、ＰＲＩ接口。

４．１ Ａｂｉｓ接口监测

Ａｂｉｓ接口监测系统能够从所监视的ＢＳＣ与

ＢＴＳ间的Ａｂｉｓ接口上采集指定浙江高考改革 时隙的全部原始信

令，并对其进行解析。

１．用户信令跟踪功能。系统能够跟踪Ａｂｉｓ接

口上的所有信令。

２．电平值和电平质量图绘制功能。Ａｂｉｓ接口

属非标准接口，各个厂家的信令流程不统一，信令

类型繁多且前后关联性很强，用户跟踪难度相当

大。经过实验室和现场的长时间观测总结，并克服

了一系列难题，通过对监视接口和信令的综合分

析，实现了信令与用户和机车号的关联。系统可以

对网络上任一时刻任一车载通信单元进行实时跟

踪，并可以实时绘制电平值和电平质量图；除实时

跟踪外，系统还可以对已经存储的用户数据进行查

询后绘制电平值和电平质量图。

３．用户切换跟踪功能。列车行驶过程中为了

保证通话质量和数据通信的正常进行，需要随着位

置的变化不断进行小区切换。本监视系统通过对

Ａｂｉｓ接口信令的跟踪分析，实现对在线用户实时

的切换事件跟踪，并可以以文字和图形的方式将用

户切换事件发生前后的通信参数表示出来。在无线

通信过程中，切换事件是非常重要的。切换时电平

值和电平质量较平时都差，很容易出现掉话或质量

无法满足通话要求的现象。通过用户切换跟踪功能

的实现。可以为切换时发生的异常中断原因分析提

供有效的帮助，也可以通过此功能发现网络或机车

存在的一些问题隐患。

４．通话释放原因分析功能。Ａｂｉｓ接口监视系

统最终的目的是为车载通信单元通信链路释放的原

因分析提供帮助，所以通话释放原因分析功能是本

系统的最终目的。

车载设备的通信释放原因需要从多个方面来进

行综合分析才能得出，从车载设备通信释放前的电

平值、电平质量等进行观察分析，再对通话释放前

的信令进行详细解析，获得中断原因值，确定通话

释放方。

４．２ Ａ接口监测

Ａ接口监测系统能够从所监视的ＭＳＣ与ＢＳＣ

间的Ａ接口上采集指定时隙的全部原始信令，包

括：用户信令跟踪功能，用户切换跟踪及原因分析

功能，通话释放原因分析功能。

４．３ ＰＲＩ接口监测

ＰＲＩ接口监测系统能够从所监视的ＭＳＣ与

ＲＢＣ间的ＰＲＩ接口上采集全部原始信令和列控应

用数据，具有用户信令跟踪、列控数据传输跟踪与

解码、通话释放原因分析等功能。

４．４时间同步

系统内所有设备都自动完成时间同步，同步到

内部的一个时间源。系统还能够通过标准的接口协

议与外部时问源保持时间同步，时间同步协议采用

ＮＴＰ。

４．５综合分析

４．５．１ 呼叫建立失败原因分析

１．在给定时间范围，输出指定用户（机车号

或ＩＭＳＩ）相关的呼叫建立失败事件及其原因。

２．在给定时间范围，输出所有用户的呼叫建

立失败事件及其原因。

３．列表统计每一类失败原因发生次数占整个

呼叫失败总数的比例。

４．列表统计每个用户呼叫失败次数占整个失

败总数的比例。

５．列表统计每个小区失败次数占整个失败总

数的比例。

６．按小区和时间画出失败次数的分布图。

４．５．２连接异常中断原因分析

１．在给定时间范围，输出指定用户（机车号

或ＩＭＳＩ）相关的连接异常中断事件及其原因。

２．在给定时间范围，输出所有用户的连接异

常中断事件及其原因。

３．列表统计每一类连接异常中断原因发生次

数占整个总数的比例。

４．列表统计每个用户连接异常中断次数占整

个总数的比例。

５．列表统计每个小区连接异常中断次数占整

个总数的比例。

６．按小区和时间画出连接异常中断次数的分

布图

１——

铁道通信信号２０１０年第４６卷第１０期

４．５．３越区切换分析 对ＣＴＣＳ一３级列控系统流程和协议有深入的理解和

１．越区切换失败原因分析：切换失败的具体

原因及改进措施；列表统计切换失败地点和时间

分布。

２．非“ｂｅｔｔｅｒ ｃｅｌｌ”切换分析：非“ｂｅｔｔｅｒ

ｃｅｌｌ”切换的具体原因及改进措施；非“ｂｅｔｔｅｒ

ｃｅｌｌ”切头伏饺子二伏面 换地点和时间分布。

３．乒乓切换分析：乒乓切换的具体原因及改

进措施；乒乓切换我的教育情怀 地点和时间分布。

４．５．４通信质量统计评估

１．给定时间范围，绘制全线通信质量分布。

２．设定通信质量阈值，列出全线低于该值的

地点。

４．５．５网络资源使用统计

１．按小区进行Ｕｍ接口ＴＣＨ和ＳＤＣＣＨ资源

使用统计。

２．Ａ接口资源使用统计。

３．ＰＲＩ接口资源使用统计。

４．Ｅ接口资源统计。

５系统关键技术

５．１多目标、多用户实时跟踪技术 据，用画图的形式以实时或查询的方式对被跟踪用

ＣＴＣＳ．３级列控系统需要车载通信单元与地面

ＲＢＣ之间实时数据传输。车载通信单元的通信异

常中断都会影响列控数据传输。Ａｂｉｓ接口监视系

统的功能就是通过对用户的跟踪实现对通信异常中 ４．查询与分析报表。监测系统将采集到的信

断过程进行原因分析。所以必须对ＣＴＣＳ．３级列控

系统与ＧＳＭ。Ｒ网络之间的接口，以及ＧＳＭ．Ｒ网络 类存储到记录单元中。通过操作终端的查询与分析

内部各个通信接口进行监测，对车载通信单元的整

个通信过程进行实时跟踪，这样才能在发生通信异

常中断的时候对其进行分析诊断。

５．２多接口跟踪综合分析与联合诊断技术 最后通过对跟踪结果和用户信令的综合分析，结合

ＣＴＣＳ．３级列控系统通信接口综合监测系统的

最终目的是要对通信异常中断的原因及网络性能进

行分析。所以实时故障诊断和分析技术是本系统的

一

项关键技术。解决该问题需要对ＣＴＣＳ．３级列控

系统工作原理和ＧＳＭ．Ｒ网络各通信接口有深入透

彻的理解。

５．３ ＣＴＣＳ－３级列控系统列控数据传输跟踪与解

码技术

对ＣＴＣＳ．３级列控系统车载控制单元与地面闭

塞中心之间传输的列控数据进行跟踪和解码，需要

一

８一

分析。

５．４ ＣＴＣＳ－３级列控系统数据传输分析技术

对ＣＴＣＳ．３级列控系统数据传输的分析技术，

是实现本监测系统最终目的的重要保障，也是本系

统的一项关键技术。

５．５接口协议自动分析及故障告警技术

通过对接口协议的分析，实现业务故障预警的

功能，需要建立在多个接口综合分析的基础上实

现，是本系统的一项关键技术。

６ 工作过程

１．信令采集与信令链路监测。通过高阻跨接

的方式采集各通信接口的信令或数据，要求对通信

网络本身无任何影响，并实时监测信令链路的状

态。

２．信令分析、实时跟踪。获取用户起呼信令，

根据关键信令实现对用户的开始跟踪，实现对用户

全部信令的跟踪，实现对ＣＴＣＳ．３级列控系统应用

数据的跟踪。

３．跟踪过程显示。显示被跟踪用户的信令数

户的电平值、电平质量、ＴＡ值进行显示，用图形

的方式以实时或查询的方式对被跟踪用户的小区切

换事件进行显示。

令、数据与对信令、数据进行分析后的跟踪结果分

报表功能，可以对ＣＴＣＳ一３级列控系统车一地之间通

信的信令、数据过程进行再现与分析。

５．中断原因分析。经过前面几个步骤的工作，

实际机车情况，最终得出通信中断的原因。

参考文献

［１］张曙光．ＣＴＣＳ－３级列控系统总体技术方案［Ｍ］．北

京：中国铁道出版社，２００８．

［２］科技运［２００８］１６８号．ＣＴＣＳ一３级列控系统ＧＳＭ－Ｒ网

络需求规范［Ｓ］．中华人民共和国铁道部，２００８．

［３］０４Ｅｌ １７１－ＥＴＣＳ／ＧＳＭ—Ｒ Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ—Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａ—

ｎａｌｙｓｉｓ．

（责任编辑：诸红）