智能列車數據傳輸與處理地面基站網管研究

劉 勁

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

劉勁,男，碩士畢業于哈爾濱工程大學,工程師。主要研究方向包括鐵路通信應用研究，航天及小型飛行器控制，曾參與智能列車網管系統研究、小型無人機研制等項目。

智能高速列車地面基站網管系統主要負責高速列車通信系統與通信地面基站之間的網絡通信的網絡管理。通過網絡管理系統實施網絡管理，可以對網絡進行控制、維護等，使網絡具有較好的運行效率。

1 智能列車數據傳輸與處理概述

《智能高速列車系統關鍵技術研究及樣車研制》項目是科技部“十二五”國家科技支撐計劃項目，該項目的主要研究目標為構建以高速列車為核心，以全息化列車狀態感知和動態數字化運行環境為基礎，以信息智能處理與交互為支撐，具有自檢測、自診斷、自決策功能的高速列車系統。該項目分為5個課題進行研究。網管項目屬于課題三（智能高速列車系統數據傳輸與處理平臺）的子課題，該課題包括以下兩個研究方面。

1）車地數據傳輸網絡

2）地面數據傳輸網絡

地面設備包括基站、區域服務器和運營中心，這些設備利用鐵路專網連接到VPN，實現京滬全程的車地寬帶通信。如圖1所示。

2 智能高速列車數據傳輸與通信概述

高速鐵路的寬帶通信要求不同于普通的地面寬帶通信系統，按照功能來分，可以分為面向用戶的、面向列車控制的和面向公務通信的。面向用戶的寬帶通信主要解決車載用戶在移動過程中的語音、多媒體高質量通信需求；面向列車控制的寬帶通信主要解決與列車正常運行相關的調度、監控、應急通信方面的需求；面向公務通信的需求主要來自于區間作業的水電、工務、信號、通信、供電、橋梁守護等部門內部的通信。

高速鐵路多通道通信系統（HRMC）是智能高速列車課題的寬帶無線通信部分，其目的是在列車和地面之間實現一個寬帶通道，可以傳輸列車傳感器及網絡的數據，支持視頻監控、IP電話及旅客服務。現有的車地通信系統是GSM-R，主要是為了列控使用，可用的數據通道帶寬最大只有幾百kbit/s；現有的移動運營商的移動網絡信號在高速列車上質量很差，速率也很低。而HRMC系統可以實現10 Mbit/s量級的寬帶通道，它基于4G無線通信技術，以全IP基站為基礎，支持終端高速移動，快速切換，能夠穩定、可靠的實現列車與地面的數據傳輸。該系統具有很高的頻譜利用率，超大的傳輸帶寬，這一類系統將是鐵路無線通信系統發展的下一代產品。

HRMC可實現鐵路無線通信有關的應用，對于整合無線資源，簡化系統設備，減少投資等具有重大意義。

智能高速列車系統數據傳輸與處理平臺地面基站設備網管系統的研究是對HRMC系統平臺的支撐。該系統實施網絡管理，可以對網絡進行控制、維護等，使HRMC系統具有較好的運行效率。

3 地面基站設備網管系統技術方案

3.1 主要研究內容

本課題主要研究內容如下。

1）HRMC系統架構的研究

HRC通道是指采用以OFDMA技術為基礎的無線通信系統構建的數據傳輸通道，系統包括車載基站（MS）、地面基站（BS）、接入服務網關（ASN-GW），以及核心網網元等。該通道目前設計帶寬為8 Mbit/s，主要用來傳輸列車視頻監控數據、旅客語音通信數據、上網等娛樂數據，并且為GPRS通道的備用通道，一旦遇到GPRS通道斷開或者堵塞時采用HRC通道進行傳輸列車的傳感器數據。

URC通道是指以IEEE 802.11n為標準的無線通信技術構建的通道，該通道具有帶寬大、頻譜利用率高、傳輸穩定等優點。目前設計帶寬為80 Mbit/s，主要用來提供海量數據傳輸業務，實現區域基站的管理以及海量數據存儲（列車視頻監控數據，旅客服務信息等數據信息）。該通道主要位于區間車站，為方便管理和帶寬分配，URC通道的數據和信令也需要經過ASN-GW網關。

GPRS通道是指以GSM-R系統的GPRS通道構建的車地傳輸通道，主要用來傳輸列車控制傳感器數據。

2）HRC、URC通道通信信令的研究

本系統中涉及到的HRC、URC通道協議結構均不相同，需要進一步研究其接口的硬件設備結構、軟件結構以及數據存儲結構等內容。

3）HRMC系統網絡管理的功能實現

為了保證HRMC系統的正常運行，網絡管理系統通過對HRMC系統的管理，使網絡能正常高效地運行。完成網絡管理的五大功能：a故障管理；b配置管理；c性能管理；d安全管理；e協調、保持網絡系統的高效運行等功能。

網絡管理系統配合HRMC系統能實現應用于下一代無線通信技術的多協議，多數據源數據的傳輸和實時存儲處理，可實現鐵路各種無線通信有關的應用，對于整合無線資源，簡化系統設備，減少投資等具有重大意義。

由于網管系統所研究的下一代通信技術為無線通信網絡的多通道信息融合技術，其中GSM-R通道為現有成熟應用技術，HRC及URC通道為成熟技術首次應用于高鐵系統。該網絡管理系統的關鍵技術在于無線通信網絡的多通道信息融合。

網絡管理系統主要研究支撐整個HRMC系統平臺的硬件及軟件架構，考慮到下一階段的直放站及車載設備網管的研發，現階段重點研究系統通用性、可擴展性、可重構性、互操作性的實現策略及方法，系統架構擬采用兩層C/S架構，軟件技術擬采用面向對象設計方法進行研究。

4）SNMP網絡管理體系結構

在對網絡管理和簡單網絡管理協議（SNMP）相關理論研究的基礎上，從專網網絡管理現實需求目標入手，對專網網絡管理系統進行功能模塊劃分；根據網絡管理系統一般設計方法結合專網現實情況，充分貫徹面向對象的設計理念，設計了多層次的專網網絡系統總體結構。

5）SNMP管理信息庫（MIB）

SNMP管理信息庫（MIB）和管理信息結構（SMI），結合專網網絡管理系統的功能需求，對系統所需MIB對象進行劃分。討論了系統中數據庫的作用及其與MIB的緊密關系，依據系統功能和MIB對象邏輯劃分，對系統數據庫進行了設計。

6）多通道通信信息融合技術

HRMC系統采用3種不同的通信通道，具備3種不同的通信方式，網管系統需研究分析3種協議結構，然后分層分析每層的協議類型及信令內容，進而解析出相關信令信息，進行存儲、顯示、分析等信息管理。

3.2 系統結構與組成

HRMC網管系統結構與組成如圖2所示。

本系統設置有網管服務器，一般與GSM-R基站網管設置在同一機房位置，具備接入綜合網管的接口功能。本試驗段中在連接核心網的任一車站處設置即可。

HRMC系統架構如圖2所示。

專業網管在系統中位置如圖3所示。

網管系統硬件組成如圖4所示。

網管系統硬件包括接入HRMC設備、數據服務器以及網管客戶端等設備。通過以太網交換機進行數據及信息交互。

3.3 系統功能

地面基站網管系統應具有專業網管功能，實現被管基站設備注冊注銷、參數查詢設置，狀態/消息管理，安全管理、軟件升級、報告分析等功能。

具有接入綜合網管系統的功能，可向綜合網管上報告警信息，實現故障管理，也可為綜合網管提供信息查詢結果。

HRMC網管系統具體功能如下。

1）配置管理（Configuration Management）：

配置管理的功能是掌握和控制網絡的狀態，包括網絡內各設備的狀態及其連接關系。包括：自動發現網絡拓撲結構、構造和維護網絡系統的配置，監測網絡被管對象的狀態，完成網絡關鍵設備配置的檢查、配置自動生成和自動配置備份系統，對于配置的一致性進行檢查。

a．設備參數設置

提供對設備的部分配置參數的數據修改功能，可實現對設備的遠程控制功能。

b．注冊/注銷設備

指在網管服務器新增網元，創建網元的基本信息，以便對網元進行監控和管理。創建網元有手動創建和自動創建兩種方式。

c．設備軟件升級

可遠程升級設備部分軟件。

配置報告應提供有關各種系統基礎設施和本系統用戶的信息。報告在屏幕上顯示后，用戶應可以選擇保存或打印生成的報告。

2）性能管理（Performance Management）：

性能管理考慮的是網絡的利用情況。包括：采集、分析網絡對象的性能參數，監測網絡對象的性能，對網絡線路質量進行分析。同時，統計網絡運行狀態信息，對網絡的使用發展做出評測、估計，為網絡進一步規劃與調整提供依據。

設備參數查詢，提供對設備的配置信息的數據查詢功能，可查詢各網元設備之間的關聯關系，并以拓撲形式進行顯示。

可以組合查詢設備的所有信息內容（包括基本信息、告警信息、參數信息等）。

對參數的查詢還應包括定時輪詢功能，即提供對選定的單個或多個設備的部分或全部參數進行周期性查詢。

存檔和輸出特性：應提供存檔功能來保存基本的統計圖和報告。用戶應能夠接入并刪除用他／她的登錄ID 創建的已保存報告和圖形。

有關圖形和報告的存檔數據文件應能夠導出到Excel 數據表中。

3）故障管理（Malfunction Management）：

監測、定位和排除網絡硬件和軟件中的故障。包括：過濾、歸并網絡事件，有效地發現、定位網絡故障，給出排錯建議與排錯工具，形成整套的故障發現、告警與處理機制。故障管理要能分別監視互聯網絡上的各個被管設備，以便能確定它們是否在正常運行。

網管可主動查詢設備狀態/消息，也可以被動接收設備上報狀態/消息。

狀態/消息管理，網管設備采集系統設備告警信息、監控設備運行狀態、各應用設備狀態監控和故障告警處理。對系統設備（包括光纖直放站、車載基站、地面基站、各應用設備）的工作狀態進行實時監控的綜合監測系統。當設備出現故障時，系統能迅速而準確地采集到詳細的故障信息并顯示出來。

告警信息都儲存在中心數據庫并可顯示給用戶（當告警信息滿足用戶定義的報警標準時）。告警信息（當前的和過去的，激活的和被中止的等）可以根據不同的標準（網絡元素或維護區域，時間，嚴重性，報警編號，告警類型，時段等）進行顯示和打印輸出。

故障報告：故障報告應提供有關本系統中告警、報警和為技術人員準備的信息。報告既可以為整個系統生成，也可以針對特定對象生成。

4）安全管理（Security Management）：

安全管理是對網絡資源及其重要信息訪問的約束和控制，包括：用戶認證（Authentication）、訪問控制（Access Control），保障網絡管理系統本身的安全。維護系統，使系統的使用和網絡對象的修改有據可查，控制對網絡資源的訪問。

a日志

提供系統訪問日志、操作日志和定時輪詢等日志的記錄、查詢、報表和備份等管理功能。

b網管用戶

默認用戶名：Admin；可以設置、修改用戶名及密碼。

3.4 系統架構

網管系統采用C/S架構，系統采用分層次、模塊化的架構，以使系統具有良好的通用性、可維護性和可擴展性。

服務器主要實現數據處理、數據存儲及與HRMC設備之間的通信；相關原始數據的存儲能夠做到系統可查可追溯。

客戶端主要實現對HRMC設備的網絡管理，其中有相關參數設置、查詢、用戶管理、故障信息管理等網絡管理功能。

系統架構如圖5所示。

3.5 系統功能結構

網管系統采用C/S架構軟件設計，軟件按需求及功能進行了劃分，分為兩大部分：客戶端和服務器。

客戶端包括十個功能模塊，分別是：初始化模塊、客戶端系統配置模塊、配置管理模塊、性能管理模塊、故障管理模塊、安全管理模塊、客戶端通信處理模塊、客戶端數據庫管理模塊、幫助模塊和公共處理模塊。

服務器端包括七個功能模塊，分別是：服務器系統配置模塊、配置處理模塊、性能處理模塊、故障處理模塊、安全處理模塊、服務器通信處理模塊、服務器數據庫管理模塊。

系統功能結構圖如圖6所示。

3.6 軟件功能結構

3.6.1 客戶端

1）系統配置功能模塊

系統配置模塊包含：Mib配置、線路配置、線路基站IP規劃、地圖配置，網管服務器配置，數據庫配置；

2）配置管理模塊

包含功能：網元注冊、網元注銷、網元查詢、網元修改、參數設置；

3）性能管理模塊

包含功能：輪詢任務設置、輪詢結果查詢、性能參數查詢；

4）故障管理模塊

包含功能：告警配置、告警確認、告警查詢、告警監測、告警統計；

5）安全管理模塊

包含功能：用戶管理、日志管理；

6）通信處理功能模塊

網管客戶端與網管服務器之間采用TCP協議進行通信。客戶端啟動后連接服務器，連接成功后，與服務器保持聯通狀態，接收發送信息；如果連接出現故障，嘗試重新連接，并將該故障顯示在客戶端界面的狀態欄中，同時，存入數據庫的系統告警表中。

7）數據庫操作功能模塊

數據庫基本操作：連接、查詢、更新、關閉；

數據庫管理功能：數據庫備份。

8）幫助功能模塊

幫助模塊為用戶提供軟件使用說明及版本信息的查看功能。

幫助模塊為網管系統軟件的輔助模塊，主要包括軟件使用說明及版本信息的顯示。

9）初始化功能模塊系統初始化設置模塊。10）公共處理模塊通用函數功能模塊。3.6.2 服務器端

1）系統配置功能模塊

服務器系統配置包括：客戶端上限配置、數據庫配置；

客戶端上限配置：網管服務器最多允許10個客戶端同時連接；

數據庫配置：通過XML文件配置數據庫的用戶名、密碼、IP地址等參數。

2）配置處理功能模塊

配置處理模塊包括：網元注冊、網元注銷、網元查詢、網元修改、參數設置。

3）性能處理功能模塊

性能管理模塊包含：輪詢任務響應、啟動停止任務。

4）故障處理功能模塊

故障管理模塊包含： 告警告警恢復處理。

告警告警恢復處理功能：當網元設備發生告警告警恢復時，服務器將告警告警恢復信息存入數據庫，并將告警告警恢復信息通知所有客戶端；收到客戶端的告警確認信息之后，服務器修改數據庫，并將處理結果發送給所有客戶端。

5）安全處理功能模塊

安全處理客戶端發出的相關安全的信息請求；6）通信處理功能模塊

通信處理服務功能模塊主要負責網管服務器與網管客戶端、被管理設備之間的通信處理；

網管服務器與網管客戶端之間的通信，采用TCP/IP協議；

網管服務器與被管理設備服務器之間的通信協議采用SNMP簡單網絡管理協議。

7）數據庫管理功能模塊

數據庫的相關操作：a連接數據庫；b數據的增加、刪除、修改、查詢；c日志的增加、刪除、查詢。

3.7 數據庫設計

網管系統數據庫選用Oracle數據庫，類型主要采用VARCHAR，NVARCHAR，DATE，NUMBER等。網管系統數據庫表類型采用：基本信息類、設備類、告警類、輪詢相關類、日志類、用戶管理類等表類型。

數據庫系統信息保存時間：告警信息不小于6個月；日志信息保存時間不應小于6個月；其他歷史信息保存時間應不小于3個月。

3.8 界面設計

網管系統采用C/S架構，客戶端界面采用圖形界面，C#設計，服務器采用命令行設計，無圖形界面。

3.9 接口設計

1）外部接口設計

網管系統外部接口分物理接口和協議接口。

物理接口（硬件接口）：物理接口為10/100 Mb，RJ45的以太網接口。

協議接口（軟件接口）：網路層協議：網絡層協議為UDP協議； 應用層協議：采用SNMP協議。

服務器客戶端接口：客戶端與服務器之間硬件接口采用RJ45以太網接口，軟件接口采用TCP/IP協議；

網管系統對網絡設備接口：網管系統與設備網管接口的硬件接口采用RJ45以太網接口，軟件接口采用SNMP協議，采用SNMPv2c標準。

2）內部接口設計

各模塊間的功能相對比較獨立，在程序邏輯上沒有強聯系。網管客戶端和網管服務器通信協議采用TCP/IP協議，每個數據包以#開頭，以&結尾，中間內容用;間隔，數據內容中的第一個字段為數據包長度，此長度包含#、&頭尾標識，第二個字段為模塊分類，第三個字段為數據包類型。

4 結論

本文詳細論述了基于SNMP協議的網絡管理系統的設計與實現原理以及相關功能模塊的實現方法。重點介紹了系統設計的整體框圖、網管功能模塊的設計思想和編程實現以及網絡通信模塊的相關原理和編程實現。對開發過程中用到的關鍵技術也做了相應的闡述。經過前期的開發和測試，已經基本達到了項目設計書的要求。

[1]武孟軍,徐龔,任相臣.Visual C++開發基于SNMP的網絡管理軟件[M].北京：人民郵電出版社，2007．

[2]謝希仁.計算機網絡[M].北京：電子工業出版社，2001.

[3] Net-SNMP 5.41 網管協議[S].