GSM-R集群调度业务分析系统及其实现方法

摘要

一种无线通信技术领域的GSM-R集群调度业务分析系统及其实现方法，通过分层模块化的设计，实现对铁路集群调度业务流程的分析，通过结合集群调度通信对象、集群调度业务之间交互等影响集群调度通信的动态影响因素，从而调用不同的业务功能处理模块，对GSM-R集群调度业务进行定性分析，分析业务交互冲突。然后根据铁路运营现场实时监控采集的业务数据，设置输入相关参数，对GSM-R网络服务质量特性进行定量分析，包括紧急呼叫建立时延、端到端传输时延、连接失败率、吞吐量、误码率等主要QoS性能指标，以辅助铁路工作人员生成更为准确的决策。

权利要求

1.一种基于着色Petri网的GSM-R集群调度业务分析系统的实现方法，其特征在于，该系统包括：现场监测子系统、业务分析子系统、数据库服务器，其中：现场监测子系统与业务分析子系统通过GSM-R网络无线相连传输现场采集数据，业务分析子系统与数据库服务器有线相连传输经过分析的网络性能数据信息；

包括以下步骤：

B1、分析现有铁路集群调度业务基本特征，建立相应的业务属性机制；

B2、基于着色Petri网，采用分层的思想，建立层次化的集群调度业务分析系统，定义了集群调度业务中独立于业务的功能模块；

B3、通过调用不同的业务功能的处理模块对某种特定业务进行定性分析和定量分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的现场监测子系统包括：数据采集模块、数据预处理模块、无线通信模块，其中：数据采集模块与数据预处理模块相连传输采集的现场数据，数据预处理模块与无线通信模块相连传输处理后的现场数据，无线通信模块与业务分析子系统通过无线相连传输处理后的现场数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的业务分析子系统包括：数据分析模块、数据查询模块，数据分析模块与数据库服务器相连传输待存储的网络性能数据信息，数据查询模块与数据库服务器相连传输从数据库服务器中提取的数据，数据分析模块与数据查询模块相连传输从数据库服务器提取的数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的业务属性是指语音类和数据类的组呼、广播呼叫、紧急呼叫、多优先级和数据传输。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤B2包括：B21、构建顶层简化的业务层网络，用以描述步骤B1中的集群调度业务逻辑上的交互；

B22、构建该系统的业务功能层，针对GSM-R通信特征过程，定义集群调度业务中独立于业务的功能模块；

B23、构建网元层，将GSM-R中功能实体置于一个或多个网元中，用网元之间的连接关系实现具体的业务流程；

B24、将各层通过Petri的替代变迁关联，连接成一个整体模型，从而完善GSM-R集群调 度业务分析子系统。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，步骤B22中所述的业务功能层包含强拆模块、组呼模块和广播模块。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，步骤B3中所述的定性分析和定量分析包括：C1、结合集群调度通信的动态影响因素，检测其是否出现业务交互冲突，根据检测结果进行分析和修改，以实现对GSM-R集群调度业务的定性分析；

所述的集群调度通信的动态影响因素包括：集群调度通信对象和集群调度业务之间干扰影响；

C2、通过相关参数对服务质量特性进行定量分析，以此得到主要QoS指标，从而进行业务级可靠性分析；

所述的相关参数包括：列车运行速度和紧急呼叫发生概率；

所述的主要QoS指标包括：紧急呼叫建立时延、端到端传输时延、连接失败率、吞吐量和误码率。

说明书

GSM-R集群调度业务分析系统及其实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种无线通信技术领域的系统及方法，具体是一种基于着色Petri网的GSM-R集群调度业务分析系统及其实现方法。

背景技术

[0002] GSM-R(GSM for Railway)是一种基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台、专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。针对铁路通信列车调度、列车控制、高速移动通信等特点，GSM-R能够为铁路运营提供具有定制功能和经济高效的无线通信系统。

[0003] 从集群通信的角度来看，GSM-R是一种数字式的集群系统，能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修组通信等语音通信功能，可为列车自动控制与检测信息提供数据传输通道，并可提供列车自动寻址。GSM-R能满足列车运行速度为0～500km/小时的无线通信要求，安全性好。集群调度业务是专为调度通信设计的，是GSM-R系统的重要业务，为铁路工作人员之间，包括列车司机、控制中心调度员、调车员、机车工程师和站台人员，提供了语音和数据通信手段，在保证行车安全及紧急突发事故的处理方面具有极其重要的作用。相对于GSM-R基础业务，集群调度通信业务的实现是一个复杂的过程。GSM-R的集群调度业务主要集中在增强多优先级与强拆(eMLPP)业务、语音组呼业务(VGCS)、语音广播业务(VBS)3项业务。

[0004] 集群调度业务的基本特征包括：允许建立点对多点的单向语音呼叫链接(体现为一方讲话，多方聆听)，业务用户或调度用户在预定义的地理区域发起或接受呼叫，在紧急情况或者比较紧急的情况下保证高优先级呼叫的快速建立；支持在没有无线资源拥塞的情况下建立高优先级语音组呼。

[0005] 根据有关文献，对于GSM-R网络，结合中国铁路已完成的GSM-R网络工程互联互通试验情况，对组呼、广播呼叫、优先级呼叫等业务进行的比较深入的对比分析证实GSM-R相关协议规范确实存在部分空白点和不成熟的地方，而这些空白点对集群调度业务的个别流程有一定影响。随着集群调度通信的快速发展，应用中必然会出现一些新情况，因此需要进行系统构建并分析。

[0006] Petri网是Carl Adam Petri在1962年提出的一种图形化描述过程的工具，由库所(Place)、变迁(Transition)、标识(Token)以及连接弧(Arc)等元素组成。着色Petri网(CPN)扩展了基本Petri网的特征，加入了数据和层次的概念，增加了带颜色的标记、弧说明以及层次页等特性。CPN以图形形式直观描述系统结构、功能以及动态特性，特别适用于具有通信、同步和资源共享等特征过程的系统的验证和分析。而且，带有时间概念的CPN模型可以用来评估系统性能。

[0007] 经对现有文献检索发现，国外现有的基于Petri网的GSM-R网络分析如下：

[0008] 1.M.Meyer zu 等人发表的“运用CPN对ETCS建模的技术问题(Technical Issuesin Modelling the ETCS Using CPN and the Design/CPN tools)”采用着色Petri网对列车控制系统进行研究，提出了分整体层、处理层和功能层三部分的分析方法。此外，他们在“利用Petri网对列控系统建模(Modeling train control systems with Petri nets-functional referencearchitecture)”中提出了一种应用Petri网定义系统功能单元；然后由这些功能单元组合成场景，再由场景层构成处理层，最后所有处理层连接成为一个整体环境网络，从而实现对列车控制系统的分析的方法。

[0009] 2.Armin Zimmermann等人在“一种基于模型的实时系统设计的列控系统案例研究(ATrain Control System Case Study in Model-Based Real Time System Design)”以及“ETCS实时通信与操作的建模和评估(Towards modeling and evaluation of ETCS real-timecommunication and operation)”中提出了基于Petri网对GSM-R可靠性进行分析的方法。该方法根据欧洲列车控制系统(ETCS)技术规范，利用随机Petri网对GSM-R通信失效及恢复行为建模，从车载与无线闭塞中心(RBC)之间位置报告与行车许可交换入手，综合失效参数建立了GSM-R信道传输模型，分析了GSM-R无线信道实时通信的可靠性。

[0010] 3.Marko Bago等人在“利用赋时CPN的列车通信系统仿真(Simulation of a TrainCommunication System Using Timed Colored Petri Nets)”用带有时间概念的着色Petri网对有线列车总线通信链路进行了性能分析。

[0011] 在国内，相关研究包括：

[0012] 4.徐田华等人于2007年在《系统仿真学报》上发表的“基于有色Petri网的ETCS通信系统与列车间隔分析”中，提出了基于着色Petri网的通信系统与列车间隔分析的方法。综合信道失效与恢复行为、概率传输延迟，提出了列车追踪运行无线通信系统的分层结构，分析了无线传输系统中影响列车运行间隔的各种因素，给出相应的列车安全间距指标。以及他们在2008年利用随机Petri网对列车控制系统中不同数据通信子系统结构的帧丢失概率的建模分析。

[0013] 5.曹源等人在“基于两种GSM-R双层网络结构的CTCS可靠性分析(Reliability Analysisof CTCS Based on Two GSM-R Double Layers Networks Structures)”一文中利用确定随机Petri网进行了双层网络覆盖的组网方式的可靠性研究。该研究基于同站址和交织站址两种GSM-R双层网组网方式建立信道及列控模型，主要集中于CTCS-3与GSM-R之间的关系，通过模型分析得出一个蜂窝网内平均列车数目与空闲信道比和紧急制动概率之间的关系。

[0014] 6.北京交通大学硕士论文“基于着色Petri网CTCS-3级列控中心建模与仿真研究”以及“基于随机Petri网的CTCS-3级RBC系统控车流程建模与分析”都是针对CTCS-3系统对列车控制中心的功能要求及运行机制利用Petri网理论来分析GSM-R环境下系统的实时性能。

[0015] 7.陈邦兴等人在“铁路信号联锁逻辑形式化建模研究”利用有色Petri网，对铁路信号联锁逻辑进行了形式化描述。

[0016] 可见目前的研究工作主要集中在列车控制系统、数据通信子系统、通信链路、网络结构等方面，但是针对GSM-R的集群调度业务分析系统尚未见报道。

发明内容

[0017] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种GSM-R集群调度业务分析系统及其实现方法，通过分层模块化的设计，实现对铁路集群调度业务流程的分析，通过结合集群调度通信对象、集群调度业务之间交互等影响集群调度通信的动态影响因素，从而调用不同的业务功能处理模块，对GSM-R集群调度业务进行定性分析，分析业务交互冲突。然后根据铁路运营现场实时监控采集的业务数据，设置输入相关参数(如：列车运行速度，紧急呼叫发生概率等参数)，对GSM-R网络服务质量(QoS)特性进行定量分析，包括紧急呼叫建立时延、端到端传输时延、连接失败率、吞吐量、误码率等主要QoS性能指标，以辅助铁路工作人员生成更为准确的决策。

[0018] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0019] 本发明涉及一种基于着色Petri网的GSM-R集群调度业务分析系统，包括：现场监测子系统、业务分析子系统、数据库服务器，其中：现场监测子系统与业务分析子系统通过GSM-R网络无线相连传输现场采集数据，业务分析子系统与数据库服务器有线相连传输经过分析的网络性能数据信息。

[0020] 所述的现场监测子系统包括：数据采集模块、数据预处理模块、无线通信模块，其中：数据采集模块与数据预处理模块相连传输采集的现场数据，数据预处理模块与无线通信模块相连传输处理后的现场数据，无线通信模块与业务分析子系统通过无线相连传输处理后的现场数据。

[0021] 所述的业务分析子系统包括：数据分析模块、数据查询模块。数据分析模块与数据库服务器相连传输待存储的网络性能数据信息，数据查询模块与数据库服务器相连传输从数据库服务器中提取的数据，数据分析模块与数据查询模块相连传输从数据库服务器提取的数据。

[0022] 本发明涉及上述系统的实现方法，包括以下步骤：

[0023] B1、分析现有铁路集群调度业务基本特征，建立相应的业务属性机制；

[0024] 所述的业务属性是指语音类和数据类的组呼、广播呼叫、紧急呼叫、多优先级和数据传输。

[0025] B2、基于着色Petri网，采用分层的思想，建立层次化的集群调度业务分析系统，定义了集群调度业务中独立于业务的功能模块，具体步骤包括：

[0026] B21、构建顶层简化的业务层网络，用以描述步骤B1中的集群调度业务逻辑上的交互；

[0027] B22、构建该系统的业务功能层，针对GSM-R通信特征过程，定义集群调度业务中独立于业务的功能模块；

[0028] 所述的业务功能层包含强拆模块、组呼模块和广播模块。

[0029] B23、构建网元层，将GSM-R中功能实体置于一个或多个网元中，用网元之间的连接关系实现具体的业务流程；

[0030] B24、将各层通过Petri的替代变迁关联，连接成一个整体模型，从而完善GSM-R集群调度业务分析子系统。

[0031] B3、通过调用不同的业务功能的处理模块对某种特定业务进行定性分析和定量分析。

[0032] 所述的定性分析和定量分析包括：

[0033] C1、结合集群调度通信对象、集群调度业务之间干扰等影响集群调度通信的动态影响因素，检测其是否出现业务交互冲突，根据检测结果进行分析和修改，以实现对GSM-R集群调度业务的定性分析；

[0034] C2、通过列车运行速度，紧急呼叫发生概率等相关参数对服务质量特性进行定量分析，以此得到紧急呼叫建立时延、端到端传输时延、连接失败率、吞吐量、误码率等主要QoS指标，从而进行业务级可靠性分析。

[0035] 本发明的有益效果在于：与现有系统相比，利用着色Petri网的方法，结合GSM-R集群调度业务特点，构建了GSM-R集群调度业务构建了分析系统。同时，能够实现对铁路实际运营过程中监控采集到的实时数据进行分析，能够为铁路工作人员的快速决策提供依据。此外，还能够为其他业务相关问题的解决提供数据基础和参考依据，具有重要的工程应用价值。

附图说明

[0036] 图1是实施例的系统结构示意图；

[0037] 图2是实施例的业务分析子系统技术方案流程图；

[0038] 图3是实施例的三层集群调度业务分析系统结构示意图；

[0039] 图4是实施例的强拆功能模块描述；

[0040] 图5是实施例的中组呼模块描述；

[0041] 图6是实施例的关联到组呼请求处理的网元层示意图。

具体实施方式

[0042] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0043] 如图1所示，本实施例包括：现场监测子系统1、业务分析子系统2、数据库服务器3，其中，现场监测子系统1与业务分析子系统2无线相连传输现场数据信息，业务分析子系统2与数据库服务器3有线相连传输待存储的网络性能数据信息。

[0044] 所述的现场监测子系统1包括：数据采集模块4、数据预处理模块5、无线通信模块6，其中数据采集模块4用于对铁路运营现场实时业务数据进行采集，数据预处理模块5对所采集的业务数据进行预处理，处理后的现场数据信息通过无线通信模块6传输到业务分析子系统。数据采集模块4与数据预处理模块5相连传输采集的现场数据，数据预处理模块5与无线通信模块6相连传输处理后的现场数据，无线通信模块6与业务分析子系统2通过无线相连传输处理后的现场数据。

[0045] 所述的业务分析子系统2包括：数据分析模块7、数据查询模块8，用于完成集群调度业务的分析功能。数据分析模块7用于对集群调度业务进行分析，数据分析模块7与数据库服务器3相连传输待存储的网络性能数据信息；数据查询模块8用于从数据库服务器中提取数据，数据查询模块8与数据库服务器3相连传输从数据库服务器中提取的数据。数据分析模块7与数据查询模块8相连传输从数据库服务器提取的数据。

[0046] 所述的数据库服务器3用于存储经过业务分析子系统处理后的QoS性能数据。

[0047] 如图2所示，本实施例的集群调度业务分析是基于以下步骤实现的：

[0048] 步骤201，分析集群调度业务基本特征，包括了信道共享、私密呼叫、群组呼叫、优先级控制等。具体有：允许建立点对多点的单向语音呼叫链接(体现为一方讲话，多方聆听)，业务用户或调度用户在预定义的地理区域发起或接受呼叫，在紧急情况或者比较紧急的情况下保证高优先级呼叫的快速建立；支持在没有无线资源拥塞的情况下建立高优先级语音组呼；

[0049] 步骤202，建立集群调度业务属性机制，对包括了组呼、广播呼叫、紧急呼叫、多优先级，数据传输等属性的集群调度业务，按照语音类和数据类划分并整理；

[0050] 步骤203，建立层次化的集群调度业务分析系统，具体系统结构将在后面进行说明；

[0051] 步骤204，对集群调度业务的性能进行分析，包括了定性分析和定量分析。通过结合集群调度通信对象、集群调度业务之间交互等影响集群调度通信的动态影响因素，从而调用不同的业务功能处理模块，对GSM-R集群调度业务进行定性分析。通过列车运行速度，紧急呼叫发生概率等相关参数对服务质量(QoS)特性进行定量分析。

[0052] 如图3所示，本实施例中三层的集群调度业务层次化分析系统包括业务层、业务功能层、网元层。其中，业务层描述了不同业务之间的逻辑交互，通过不同业务在同时实现过程中的相互干扰能够反映集群调度业务对系统稳定性和安全性的影响。业务功能层定义了集群调度业务的功能模块，包括：强拆模块、组呼模块、广播模块，通过加载不同的功能模块组合实现特定的集群调度功能。网元层包括了如图所示移动交换中心(MSC)、归属位置寄存器(HLR)、网关移动业务交换中心(GMSC)、组呼寄存器(GCR)等功能实体，网元层的连接关系可以实现具体的业务功能。例如，增强的多优先级与强拆业务调用了BSC、MSC、HLR、VLR、等；语音组呼业务调用了GMSC、GCR、MSC、HLR、VLR等；语音广播业务调用了MSC、GCR、HLR、VLR等。

[0053] 如图4所示，基于着色Petri网建立的强拆模块可实现切断低优先权的呼叫而优先建立高优先权的呼叫的功能。下面对其进行具体说明：图中库所用圆形表示，表征了系统状态；变迁用方形表示，表征了能引起状态改变的系统行为。系统状态改变时，库所中的标识将通过变迁转移到下一个库所。图3的状态包括：新呼叫、呼叫请求中、信道状态、呼叫连接、连接成功、通话进行中、拥塞、资源抢占、原呼叫通信中断、排队等；能够引起系统状态改变的行为包括：发起呼叫、网络资源判断、信道分配、信道占用、优先级判断、强拆进行中的通话、信道释放等。

[0054] 在有新呼叫请求或是有呼叫排队的状态下，(这里假设发起呼叫的用户都被授权了强拆功能。)都会触发发起呼叫变迁，系统状态处于呼叫请求中。首先对网络系统的信道资源进行判断，判断是否有空闲信道可用于该呼叫。如果系统中有空闲信道可用，那么信道被分配给该呼叫，呼叫建立连接成功，信道占用。在通话进行过程中，该通话可能会被有更高优先级的呼叫中断，否则通话正常结束，释放信道；如果无空闲信道，系统处于拥塞状态，则对该呼叫优先级进行判断。由强拆条件，服务线路采用抢占式服务原则，这里的强拆条件是高优先级呼叫强拆低优先级呼叫。如果新呼叫优先级高于正在进行的呼叫，则会发生资源抢占，低优先级呼叫被强拆，释放的信道用于建立此新呼叫连接；如果新呼叫优先级低于正在进行的呼叫，那么新呼叫将按优先级排队。

[0055] 如图5所示，本实施例的组呼模块主要是针对调度员发起的组呼。调度员发起语音组呼请求后，将进行请求处理；一旦不允许建立组呼，请求将被终止；如果允许建立组呼，则接下来进行网络资源的判断，这里即与eMLPP业务交互。网络资源可用时则为该语音呼叫分配信道，建立连接，网络资源不可用则进行信道强拆，被强拆的信道转而为语音呼叫服务。

[0056] 由于VBS业务与VGCS业务非常相似，在业务定义、信令流程、对系统和终端的需求，呼叫控制等方面都大同小异。所以本发明中没有给出VBS业务模块描述。

[0057] 如图6所示，网元层关联了VGCS请求处理过程，涉及GMSC、组呼主控MSC、GCR功能实体，实现了组呼请求处理的具体流程。

[0058] 调度员发起呼叫请求后，网关移动业务交换中心对该呼叫进行分析，然后将呼叫路由到组呼主控MSC，组呼主控MSC查询GCR，获得组呼属性，GCR对主叫调度员进行检查，检查其是否在允许建立语音组呼的调度员列表中。如果在列表中，则主叫调度员将加入到该组呼的会议桥中；如果不在，则该呼叫被释放。