高速鐵路寬帶通信網絡管理系統管理模式研究

宋 鑫，鄭 剛，朱登科

（中國科學院軟件研究所 天基綜合信息系統重點實驗室，北京100190）

0 引 言

在高速鐵路寬帶通信網絡中，列車運營部門需要經常在列車內添加或移除網元，這要求網絡管理系統要能夠及時發現網元變化；復雜的地理環境，如隧道等，可能導致無線通信設施不可見；頻繁的小區切換可能導致周期性數據包丟失。高速鐵路寬帶通信網絡的這些特殊性決定了傳統的網絡管理系統的管理模式并不適用于高速鐵路寬帶通信網絡，必須依據網絡的規模、結構、管理接口、支持業務等網絡特點對高速鐵路寬帶通信網絡管理系統的管理模式進行設計。

現存的網絡管理模式可以分為兩大類，一類是集中式管理模式，另一類是分布式管理模式。由于高速鐵路寬帶通信網絡結構的特殊性和復雜性，單一的管理模式不能很好的適應高速鐵路寬帶通信網絡的管理要求，本文在對高速鐵路寬帶通信網絡結構的深入分析基礎上，提出了一種集中式／分布式相結合的混合管理模式。

1 高速鐵路寬帶通信網絡結構

在高速鐵路寬帶通信網絡中，高速移動的列車具有多普勒效應明顯、網絡切換頻繁、無線信號車體損耗大等問題［1］。為了解決這些問題，國外已經有了一些比較成熟的解決方案，如基于漏泄同軸電纜技術［2］、基于衛星通訊技術［3］、基于 Radio－Over Fibre［4］、基于IEEE 802.11標準［5］和基于 WiMAX技術［6］等。

TD－LTE （time－division long term evolution）標準是依托我國TD技術的新一代無線網絡標準，能夠達到用戶平面無線網絡時延小于10ms，可以實現上行峰值速率50Mbit／s，下行 峰 值 速 率 100Mbit／s［7］，能 夠 支 持 列 車 在350km／h的高速移動環境下進行無線接入，適用于列車高速運行環境下的寬帶通信網絡服務。TD－LTE技術能夠解決列車高速移動下的車地通信問題，已被成功應用于高速鐵路寬帶通信網絡中。

在高速鐵路寬帶通信網絡中，列車與地面基站之間采用TD－LTE技術進行通信，列車內支持多種無線通信技術，例如2G／3G／TD－LTE和 WiFi等。采用集中接入的工作方式，用戶終端通過車內的無線網絡接入點接入到車載網絡，當需要與地面網絡通信時，車載控制單元將數據收集并負責將各種業務用戶的數據發送給TD－LTE車載臺，經過地面無線子系統傳輸后，到達地面網關子系統內的接入控制器，接入控制器根據業務類型將數據分發至相應的業務網絡。此種工作方式可有效的利用車地無線寬帶資源、避免車體損耗。基于TD－LTE的高速鐵路寬帶通信網絡結構如圖1所示。

圖1 基于TD－LTE的高速鐵路寬帶通信網絡結構

車載子系統主要包括：車載臺、車載網關、車載網絡、車載2G／3G微基站單元及 WiFi熱點。車載臺負責搭建車地間的大容量數據傳輸通道，直接與地面基站進行無線通信。車載網關負責連接車廂內各個設備，實現車載子系統內各業務流的流量控制、QoS保證等。車載網絡由工業級網絡交換機、多功能連接器等設備組成；車載網絡在每節車廂內均設置一個網元節點，車廂之間通過光纖或者網線連接相通。車載2G／3G微基站和 WiFi熱點實現對車廂內旅客持有的2G／3G／WiFi終端的無線覆蓋，負責在旅客手持終端與TD－LTE車載臺之間搭建無線傳輸通道。

地面無線子系統，主要由基站和連接各基站的光纖設備組成。基站采用分布式結構，由無線遠端單元 （radio remote unit，RRU）和基帶處理單元 （base band unit，BBU）組成。RRU接受車載臺傳來的無線信號，然后通過光纖將信號傳至BBU；眾多RRU呈帶狀分布于鐵路沿線兩側，保持對高速鐵路TD－LTE網絡無線信號的無縫覆蓋。BBU主要完成信號處理和協議轉換等功能，并與 MME／S－GW所在的地面網關子系統進行數據交互。

地面網關子系統主要包括接入控制器 （access controller，AC）、分組數據網網關 （packet data network gateway，P－GW）、策 略 控 制 和 計 費 規 則 模 塊 （policy control and charging function，PCRF）、服 務 網 關 （serving gateway，S－GW）、移 動 性 管 理 實 體 （mobility management entity，MME）和 歸 屬 用 戶 服 務 器 （home subscriber server，HSS）。地面網關子系主要完成會話管理、移動性管理、非接入層安全、承載管理、業務質量控制、用戶數據流策略控制、與外部網絡互聯互通等功能。

2 高速鐵路寬帶通信網絡管理模式

現存的網絡管理模式分為集中式管理模式和分布式管理模式，分布式管理模式又可按照不同的實現方法分為靜態層次管理模式［8］、委托管理模式［9］、基于移動代理的管理模式［10］和基于主動網絡的管理模式［11］。

各網絡管理模式的主要差異在于管理者的數目和交互或獨立的程度。他們各有特點，適用于不同網絡結構和應用環境，應當根據具體的網絡結構和應用環境選擇合適的網絡管理模式。

2.1 高速鐵路寬帶通信網絡管理系統體系結構

基于高速鐵路寬帶通信網絡的特點，對地面網關子系統和地面無線子系統內的網元，由于其網絡結構簡單，采用集中式管理模式；而對車載子系統內的網元，為了節省車地之間的通信資源，采用靜態層次式管理模式。

在高速鐵路寬帶通信網絡中，車載臺與eNB之間采用無線TD－LTE技術通信。如果在車載臺與eNB之間頻繁地傳輸大量的網絡管理信息與運營統計信息，必然造成網絡性能的下降。因此，高速鐵路寬帶通信網絡管理系統采用靜態層次式管理模式對車載子系統內的網元進行管理。基本思想是在地面和列車上分設兩個管理系統：在地面設立地面網 絡 管 理 系 統 （terrestrial network management system，TNMS），在車載子系統內構建一個車載網絡管理系統 （vehicle network management system，VNMS）。一部分管理功能模塊被部署至車載網絡管理系統上，這部分功能模塊能夠就地收集網元信息，并實時地進行處理和控制，處理后的結果保存至車載子系統內的本地數據庫，當地面網絡管理系統請求車載子系統內網元數據時，由車載網絡管理系統傳至地面網絡管理系統。

地面網絡管理系統通過標準接口采集地面無線子系統、地面網關子系統、車載子系統等系統的數據，實現面向全網范圍的信息交換、資源共享、故障定位、性能分析等功能。同時實現對被管設備的注冊注銷、參數查詢設置，消息狀態管理，安全管理、軟件升級、報告分析等功能，支持與綜合網管系統的互聯。地面網絡管理系統通過SNMP、CORBA、TCP／IP協議實現 MME，S－GW，P－GW 和接入控制器、網絡管理系統本身的服務器，基站BBU，無線遠端單元RRU，車載網絡管理系統等設備的管理。

車載網絡管理系統完成對車載子系統內所有網元原始信息的收集與處理，避免了車載子系統內網元與地面網絡管理系統之間的頻繁交互，極大地減少了需要經過無線信道傳輸的數據流量。這樣，網絡管理產生的附加無線網絡負荷大大減少，車載子系統的網絡管理功能也從地面網絡管理系統中解耦，增加了系統的靈活性和可擴展性。

高速鐵路寬帶通信網絡管理系統體系結構如圖2所示。

圖2 高速鐵路寬帶通信網絡管理系統體系結構

2.2 高速鐵路寬帶通信網絡管理模式設計

2.2.1 高速鐵路寬帶通信網絡集中式管理模式

地面網絡的網絡結構簡單，適合采用集中式管理模式。集中式管理模式具有成本較低、管理操作簡單、管理集中的優點［12］，有利于從網絡系統的全局對網絡實施有效的管理。

高速鐵路寬帶通信網絡管理系統中的集中式管理模式采用SNMP協議實現。SNMP是基于TCP／IP的網絡管理協議，具有結構簡單、操作簡便、性價比高、容易實現等特點，成為目前網絡管理事實上的標準［12］。其體系結構如圖3所示。

圖3 集中式管理模式結構

該管理模式由一個管理站、多個代理 （agent）、管理信息庫 （MIB）和SNMP協議構成。在這里，管理站由地面網絡管理系統 （在地面網絡中）或車載網絡管理系統 （在車載網絡中）擔任。管理站上設有SNMP Manager模塊，SNMP Manager通過SNMP協議對Agent進行監控和控制。管理站和Agent之間的管理信息由MIB提供。

若采用簡單的輪詢方式訪問各個Agent中的管理信息，會使得管理信息監測周期過長，不能做到及時管理，同時周期性收集的信息中會有很多是管理站不需要的或是上次輪詢時已經收集到的重復信息，這些冗余流量加重了網絡負擔。因此，采用陷阱引導輪詢技術對Agent進行訪問，管理站以不太頻繁的周期 （如30分鐘）對所有網元進行輪詢，之后便由各個Agent通過發送Trap信息向管理站報告重要事件，如網元重啟動、通信鏈路失效等［12］。

2.2.2 高速鐵路寬帶通信網絡分布式管理模式

地面網絡管理系統和車載子系統內網元之間通信需經過無線信道，帶寬有限，采用靜態層次管理模式。

每個車載子系統被劃分為單個獨立的管理域，設立一個車載網絡管理系統作為此管理域的管理者，該管理者只對所在域負責，而不管理網絡的其他部分；地面網絡管理系統作為主管理者，統一管理各個管理者。地面網絡管理系統內設有車載網絡管理系統控制管理模塊，車載網絡管理系統控制管理模塊通過車載網絡管理系統提供的北向接口同車載網絡管理系統進行管理信息交互。車地靜態層次式管理模式如圖4所示。

圖4 車地分層式網絡管理體系結構

車載網絡管理系統對車載網絡內的所有網元進行告警數據、配置數據和性能數據的采集和處理，然后將處理后的告警數據和配置數據結果存儲于車載數據庫內，將處理后的性能數據按照3GPP TS 32.435V9.0.0標準生成XML文件，將其存儲在車載網絡管理系統服務器指定目錄下。

對于告警數據和配置數據，車載網絡管理系統采用被動工作模式，即車載網絡管理系統只主動向地面網絡管理系統傳送少數極重要的配置更改信息和重大故障信息，并不主動傳送其它數據，直至地面網絡管理系統主動向車載網絡管理系統請求相應數據；對于性能數據，車載網絡管理系統按設備類型－網元ID－時間點分別產生獨立的XML格式文件，并存儲到車載服務器固定目錄下，由地面網絡管理系統采用FTP的方式獲取。這一工作模式可以極大地減少車地間由于管理信息交互而產生的網絡流量。

地面網絡管理系統和車載網絡管理系統配置和故障數據交互流程如圖5所示。

圖5 地面網管和車載網管數據交互流程

（1）TNMS作為客戶登陸VNMS：TNMS向VNMS發送LOGIN報文，該報文包含用戶名和密碼，VNMS進行驗證后，向TNMS回送LOGIN＿ACK，管理控制套接字建立。

（2）TNMS向VNMS請求數據：管理控制套接字建立后，TNMS在管理控制套接字上向VNMS發送GET＿DATA數據請求報文。

（3）VNMS向TNMS發送數據：VNMS主動同TNMS建立數據傳輸套接字，并在數據傳輸套接字上發送TNMS請求的數據DATA。

（4）TNMS和VNMS通話結束：當TNMS在管理控制套接字上發送登出報文LOGOUT后，管理控制套接字和數據傳輸套接字被拆除。

3 性能分析

在高速鐵路寬帶通信網絡中，車地間通信采用TDLTE無線通信技術，帶寬有限，是制約整個高速列車鐵路寬帶通信網絡的瓶頸，因此盡可能的減少車地間的網絡管理流量，成為高鐵通信網絡管理的一大難題，而車地間的網絡管理流量也成為衡量網絡管理系統性能的關鍵指標。

假定列車內有N個網元，為了簡化分析，假定在集中式和靜態層次式兩種管理模式下，網絡管理系統對這N個網元執行管理任務的請求包平均大小均為R，網元返回的數據包平均大小為珟R；網元主動向網絡管理系統上報的數據包平均大小為S，網絡管理系統回送的數據包平均大小為珟S。

3.1 集中式管理模式產生的無線流量

在傳統的集中式管理模式中，網絡管理系統需要對整個網絡進行輪詢，輪詢一次產生的網絡流量Fpoll＝N·R＋N·珟R。在單位時間內，網管系統向某個網元執行任務請求的概率為Pcentral，每個網元需要主動向網絡管理系統上報數據的概率為Qcentral，網絡管理系統的輪詢周期為T，則在時間t內，整個網絡產生的網絡管理流量均需通過車地間無線通道傳輸，流量公式為

3.2 靜態層次式管理模式產生的無線流量

由于地面網絡管理系統將一部分網絡管理功能部署在車載網絡管理系統，使得在執行這些管理功能時不再需要產生無線流量。這部分網絡管理功能包括：①對車載網絡進行周期性輪詢；②性能數據的采集和存儲；③大部分的告警和配置信息的處理。因此，對網絡的輪詢產生的流量不會占用無線信道；由于地面網絡管理系統只關心關鍵的狀態信息和嚴重的告警信息，因此地面網絡管理系統向車載網元執行任務請求的概率Phierarchy小于Pcentral，車載網元向地面網管主動上傳數據的概率Qhierarchy小于Qcentral。流經無線通道的網絡管理流量為

3.3 流量分析比較

Phierarchy與Pcentral、Qhierarchy與Qcentral之間的比值取決于地面網絡管理系統關注的車載網元屬性數量與車載網元所有屬性數量之間的比值。

假定T＝30min，N＝100，R＝32B，珟R ＝128B，S＝128B，珟S＝16B，Pcentral＝5%，Phierarchy＝0.5%，Qcentral＝10%，Qhierarchy＝1%。圖6為集中式管理模式和靜態層次式管理模式產生的無線管理流量對比。

由圖6可以看出，靜態層次式管理模式產生的無線網絡管理流量遠小于集中式管理模式產生的無線網絡管理流量，且兩者之間的差距隨著統計時間的增長而逐漸增大。

圖6 兩種管理模式網絡管理流量對比 （橫坐標為時間，單位分鐘，縱坐標為網絡管理流量，單位為KB）

4 結束語

本文在分析高速鐵路寬帶通信網絡的結構特點和傳統網管系統體系結構的基礎上，對高速鐵路寬帶通信網絡管理系統管理模式進行了設計，提出了一種集中式和靜態層次式相結合的管理模式，并對采用這種管理模式的網絡管理系統進行了性能分析，證明了該管理模式能夠有效減小車地間無線管理流量。這種管理模式充分考慮了高速鐵路寬帶通信網絡區別于通常公眾移動通信網絡的獨特特點，能夠有效解決高速列車寬帶通信網絡的特殊性和復雜性。

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