隧道施工集群系统消息服务功能设计

张莹 康志杰 牛清正 蒋国华

摘要：针对隧道施工场景中需实时传输用户状态、位置和短数据这一需求，基于TD-LTE宽带集群技术，设计了一款支持高并发、高可用的集群消息服务软件。介绍了宽带无线集群通信系统的总体架构，详细描述了集群消息服务软件整体架构及软件实现的关键技术并进行了实验验证。测试结果表明，设计的集群消息服务软件可有效满足上述集群消息通信需求。

关键词：集群通信；消息服务；高并发

中图分类号：TN929.52文献标志码：A文章编号：1008-1739（2023）02-52-5

0引言

近年来，随着国内交通行业的快速发展，全国隧道建设规模空前，取得了举世瞩目的成果。但与此同时，隧道建设期间频繁发生的安全生产事故，对人民生命财产安全造成了重大威胁。TD-LTE宽带无线集群通信系统以其高速率、高频谱效率和低时延等诸多优点，在政务、应急、公安和轨道交通等行业应用越来越广泛[1-2]。集群消息服务作为集群通信系统基础功能的重要组成部分，在集群通信系统中，发挥着重要作用。除基本的短消息功能外，终端位置上报、状态上报和多媒体短消息等功能均需依托集群消息服务完成。基于以上论述，本文提出一种高可用、高效的集群消息服务软件实现方案。通过搭建TD-LTE无线集群通信系统测试环境，对本文设计的集群消息服务软件的功能和性能进行了验证。

1总体设计

1.1宽带集群核心网

TD-LTE宽带集群核心网为宽带集群系统提供终端接入、呼叫控制、消息服务和资源管理等功能，主要由eMME，eHSS，eSGW，ePGW，TCF五部分组成[3]。系统架构如图1所示。

各部分功能如下：

①eMME：终端接入控制管理实体，负责终端接入控制和承载管理；

②eSGW/ePGW：終端数据接入网关；

③eHSS：系统用户签约数据中心，负责用户签约数据管理和用户鉴权；

④TCF：集群功能控制管理实体，负责呼叫/短消息等集群功能逻辑控制。

本文提出的集群消息服务为TCF的重要组成部分，为集群通信系统提供短消息转发服务。

1.2消息服务功能实体软件架构设计

集群消息服务作为集群功能的重要组成部分，主要功能包括文本/多媒体短消息转发、终端位置上报和状态上报等。以上功能除文本短消息和多媒体短消息外，均对系统实时性具有一定要求，因此该集群消息服务需具备高效的处理能力。根据上述内容，设计集群消息服务软件架构如图2所示。

本软件由不同功能模块组成，通过各功能模块协调配合完成消息转发功能。具体功能模块介绍如下：

①配置管理模块：连接外部网管设备，负责软件配置、告警等消息处理等；

②信令收发模块：与外部通信，负责信令收、发及传输链路管理；

③消息预处理模块：对接收到的消息进行分类预处理，完成后交由相应转发处理模块处理；

④消息鉴权、处理、转发模块：负责对消息收发用户进行鉴权、状态查询和转发等处理；

⑤服务高可用模块：配合外部HAF高可用设备提供数据冗余、角色切换等高可用服务；

⑥DB数据模块：负责处理转发失败的消息存储、维护工作。

本软件采用单进程、多线程模式。其中配置管理模块、高可用模块、信令收发模块和消息预处理模块位于主线程；消息鉴权转发模块位于工作线程；DB数据模块位于数据处理线程。

1.3关键点设计

1.3.1高并发处理

当系统大量终端用户同时在线时，系统需准确、实时获取终端位置等信息，进行位置、状态显示。在系统处于高负荷运行状态时，多终端同时周期性地进行位置、状态等信息上报，对集群消息服务软件的并发处理能力有较高要求。

针对上述需求，软件设计采用高并发处理架构。

①多线程处理工作模式

本软件采用多线程处理工作模式，对系统并发消息进行负载均衡处理，如图3所示。短消息在转发过程中，系统内采用统一Event_id对其进行标识。因此，可以通过对Event_id进行处理，将不同Event_id标识的短消息映射到不同的工作线程进行消息的转发处理，达到负载均衡效果[4]。

②负载均衡策略

在系统内，Event_id取值为32位整形数据，消息服务软件配置工作线程个数为。由于Event_id采用递增的分配方式，用工作线程个数除Event_id，取余数作为工作线程编号CEI，即可有效实现负载均衡处理。CEI与工作线程的对应关系如表1所示。