智能列车数据传输与处理地面基站网管研究

刘 劲

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

刘劲,男，硕士毕业于哈尔滨工程大学,工程师。主要研究方向包括铁路通信应用研究，航天及小型飞行器控制，曾参与智能列车网管系统研究、小型无人机研制等项目。

智能高速列车地面基站网管系统主要负责高速列车通信系统与通信地面基站之间的网络通信的网络管理。通过网络管理系统实施网络管理，可以对网络进行控制、维护等，使网络具有较好的运行效率。

1 智能列车数据传输与处理概述

《智能高速列车系统关键技术研究及样车研制》项目是科技部“十二五”国家科技支撑计划项目，该项目的主要研究目标为构建以高速列车为核心，以全息化列车状态感知和动态数字化运行环境为基础，以信息智能处理与交互为支撑，具有自检测、自诊断、自决策功能的高速列车系统。该项目分为5个课题进行研究。网管项目属于课题三（智能高速列车系统数据传输与处理平台）的子课题，该课题包括以下两个研究方面。

1）车地数据传输网络

2）地面数据传输网络

地面设备包括基站、区域服务器和运营中心，这些设备利用铁路专网连接到VPN，实现京沪全程的车地宽带通信。如图1所示。

2 智能高速列车数据传输与通信概述

高速铁路的宽带通信要求不同于普通的地面宽带通信系统，按照功能来分，可以分为面向用户的、面向列车控制的和面向公务通信的。面向用户的宽带通信主要解决车载用户在移动过程中的语音、多媒体高质量通信需求；面向列车控制的宽带通信主要解决与列车正常运行相关的调度、监控、应急通信方面的需求；面向公务通信的需求主要来自于区间作业的水电、工务、信号、通信、供电、桥梁守护等部门内部的通信。

高速铁路多通道通信系统（HRMC）是智能高速列车课题的宽带无线通信部分，其目的是在列车和地面之间实现一个宽带通道，可以传输列车传感器及网络的数据，支持视频监控、IP电话及旅客服务。现有的车地通信系统是GSM-R，主要是为了列控使用，可用的数据通道带宽最大只有几百kbit/s；现有的移动运营商的移动网络信号在高速列车上质量很差，速率也很低。而HRMC系统可以实现10 Mbit/s量级的宽带通道，它基于4G无线通信技术，以全IP基站为基础，支持终端高速移动，快速切换，能够稳定、可靠的实现列车与地面的数据传输。该系统具有很高的频谱利用率，超大的传输带宽，这一类系统将是铁路无线通信系统发展的下一代产品。

HRMC可实现铁路无线通信有关的应用，对于整合无线资源，简化系统设备，减少投资等具有重大意义。

智能高速列车系统数据传输与处理平台地面基站设备网管系统的研究是对HRMC系统平台的支撑。该系统实施网络管理，可以对网络进行控制、维护等，使HRMC系统具有较好的运行效率。

3 地面基站设备网管系统技术方案

3.1 主要研究内容

本课题主要研究内容如下。

1）HRMC系统架构的研究

HRC通道是指采用以OFDMA技术为基础的无线通信系统构建的数据传输通道，系统包括车载基站（MS）、地面基站（BS）、接入服务网关（ASN-GW），以及核心网网元等。该通道目前设计带宽为8 Mbit/s，主要用来传输列车视频监控数据、旅客语音通信数据、上网等娱乐数据，并且为GPRS通道的备用通道，一旦遇到GPRS通道断开或者堵塞时采用HRC通道进行传输列车的传感器数据。

URC通道是指以IEEE 802.11n为标准的无线通信技术构建的通道，该通道具有带宽大、频谱利用率高、传输稳定等优点。目前设计带宽为80 Mbit/s，主要用来提供海量数据传输业务，实现区域基站的管理以及海量数据存储（列车视频监控数据，旅客服务信息等数据信息）。该通道主要位于区间车站，为方便管理和带宽分配，URC通道的数据和信令也需要经过ASN-GW网关。

GPRS通道是指以GSM-R系统的GPRS通道构建的车地传输通道，主要用来传输列车控制传感器数据。

2）HRC、URC通道通信信令的研究

本系统中涉及到的HRC、URC通道协议结构均不相同，需要进一步研究其接口的硬件设备结构、软件结构以及数据存储结构等内容。

3）HRMC系统网络管理的功能实现

为了保证HRMC系统的正常运行，网络管理系统通过对HRMC系统的管理，使网络能正常高效地运行。完成网络管理的五大功能：a故障管理；b配置管理；c性能管理；d安全管理；e协调、保持网络系统的高效运行等功能。

网络管理系统配合HRMC系统能实现应用于下一代无线通信技术的多协议，多数据源数据的传输和实时存储处理，可实现铁路各种无线通信有关的应用，对于整合无线资源，简化系统设备，减少投资等具有重大意义。

由于网管系统所研究的下一代通信技术为无线通信网络的多通道信息融合技术，其中GSM-R通道为现有成熟应用技术，HRC及URC通道为成熟技术首次应用于高铁系统。该网络管理系统的关键技术在于无线通信网络的多通道信息融合。

网络管理系统主要研究支撑整个HRMC系统平台的硬件及软件架构，考虑到下一阶段的直放站及车载设备网管的研发，现阶段重点研究系统通用性、可扩展性、可重构性、互操作性的实现策略及方法，系统架构拟采用两层C/S架构，软件技术拟采用面向对象设计方法进行研究。

4）SNMP网络管理体系结构

在对网络管理和简单网络管理协议（SNMP）相关理论研究的基础上，从专网网络管理现实需求目标入手，对专网网络管理系统进行功能模块划分；根据网络管理系统一般设计方法结合专网现实情况，充分贯彻面向对象的设计理念，设计了多层次的专网网络系统总体结构。

5）SNMP管理信息库（MIB）

SNMP管理信息库（MIB）和管理信息结构（SMI），结合专网网络管理系统的功能需求，对系统所需MIB对象进行划分。讨论了系统中数据库的作用及其与MIB的紧密关系，依据系统功能和MIB对象逻辑划分，对系统数据库进行了设计。

6）多通道通信信息融合技术

HRMC系统采用3种不同的通信通道，具备3种不同的通信方式，网管系统需研究分析3种协议结构，然后分层分析每层的协议类型及信令内容，进而解析出相关信令信息，进行存储、显示、分析等信息管理。

3.2 系统结构与组成

HRMC网管系统结构与组成如图2所示。

本系统设置有网管服务器，一般与GSM-R基站网管设置在同一机房位置，具备接入综合网管的接口功能。本试验段中在连接核心网的任一车站处设置即可。

HRMC系统架构如图2所示。

专业网管在系统中位置如图3所示。

网管系统硬件组成如图4所示。

网管系统硬件包括接入HRMC设备、数据服务器以及网管客户端等设备。通过以太网交换机进行数据及信息交互。

3.3 系统功能

地面基站网管系统应具有专业网管功能，实现被管基站设备注册注销、参数查询设置，状态/消息管理，安全管理、软件升级、报告分析等功能。

具有接入综合网管系统的功能，可向综合网管上报告警信息，实现故障管理，也可为综合网管提供信息查询结果。

HRMC网管系统具体功能如下。

1）配置管理（Configuration Management）：

配置管理的功能是掌握和控制网络的状态，包括网络内各设备的状态及其连接关系。包括：自动发现网络拓扑结构、构造和维护网络系统的配置，监测网络被管对象的状态，完成网络关键设备配置的检查、配置自动生成和自动配置备份系统，对于配置的一致性进行检查。

a．设备参数设置

提供对设备的部分配置参数的数据修改功能，可实现对设备的远程控制功能。

b．注册/注销设备

指在网管服务器新增网元，创建网元的基本信息，以便对网元进行监控和管理。创建网元有手动创建和自动创建两种方式。

c．设备软件升级

可远程升级设备部分软件。

配置报告应提供有关各种系统基础设施和本系统用户的信息。报告在屏幕上显示后，用户应可以选择保存或打印生成的报告。

2）性能管理（Performance Management）：

性能管理考虑的是网络的利用情况。包括：采集、分析网络对象的性能参数，监测网络对象的性能，对网络线路质量进行分析。同时，统计网络运行状态信息，对网络的使用发展做出评测、估计，为网络进一步规划与调整提供依据。

设备参数查询，提供对设备的配置信息的数据查询功能，可查询各网元设备之间的关联关系，并以拓扑形式进行显示。

可以组合查询设备的所有信息内容（包括基本信息、告警信息、参数信息等）。

对参数的查询还应包括定时轮询功能，即提供对选定的单个或多个设备的部分或全部参数进行周期性查询。

存档和输出特性：应提供存档功能来保存基本的统计图和报告。用户应能够接入并删除用他／她的登录ID 创建的已保存报告和图形。

有关图形和报告的存档数据文件应能够导出到Excel 数据表中。

3）故障管理（Malfunction Management）：

监测、定位和排除网络硬件和软件中的故障。包括：过滤、归并网络事件，有效地发现、定位网络故障，给出排错建议与排错工具，形成整套的故障发现、告警与处理机制。故障管理要能分别监视互联网络上的各个被管设备，以便能确定它们是否在正常运行。

网管可主动查询设备状态/消息，也可以被动接收设备上报状态/消息。

状态/消息管理，网管设备采集系统设备告警信息、监控设备运行状态、各应用设备状态监控和故障告警处理。对系统设备（包括光纤直放站、车载基站、地面基站、各应用设备）的工作状态进行实时监控的综合监测系统。当设备出现故障时，系统能迅速而准确地采集到详细的故障信息并显示出来。

告警信息都储存在中心数据库并可显示给用户（当告警信息满足用户定义的报警标准时）。告警信息（当前的和过去的，激活的和被中止的等）可以根据不同的标准（网络元素或维护区域，时间，严重性，报警编号，告警类型，时段等）进行显示和打印输出。

故障报告：故障报告应提供有关本系统中告警、报警和为技术人员准备的信息。报告既可以为整个系统生成，也可以针对特定对象生成。

4）安全管理（Security Management）：

安全管理是对网络资源及其重要信息访问的约束和控制，包括：用户认证（Authentication）、访问控制（Access Control），保障网络管理系统本身的安全。维护系统，使系统的使用和网络对象的修改有据可查，控制对网络资源的访问。

a日志

提供系统访问日志、操作日志和定时轮询等日志的记录、查询、报表和备份等管理功能。

b网管用户

默认用户名：Admin；可以设置、修改用户名及密码。

3.4 系统架构

网管系统采用C/S架构，系统采用分层次、模块化的架构，以使系统具有良好的通用性、可维护性和可扩展性。

服务器主要实现数据处理、数据存储及与HRMC设备之间的通信；相关原始数据的存储能够做到系统可查可追溯。

客户端主要实现对HRMC设备的网络管理，其中有相关参数设置、查询、用户管理、故障信息管理等网络管理功能。

系统架构如图5所示。

3.5 系统功能结构

网管系统采用C/S架构软件设计，软件按需求及功能进行了划分，分为两大部分：客户端和服务器。

客户端包括十个功能模块，分别是：初始化模块、客户端系统配置模块、配置管理模块、性能管理模块、故障管理模块、安全管理模块、客户端通信处理模块、客户端数据库管理模块、帮助模块和公共处理模块。

服务器端包括七个功能模块，分别是：服务器系统配置模块、配置处理模块、性能处理模块、故障处理模块、安全处理模块、服务器通信处理模块、服务器数据库管理模块。

系统功能结构图如图6所示。

3.6 软件功能结构

3.6.1 客户端

1）系统配置功能模块

系统配置模块包含：Mib配置、线路配置、线路基站IP规划、地图配置，网管服务器配置，数据库配置；

2）配置管理模块

包含功能：网元注册、网元注销、网元查询、网元修改、参数设置；

3）性能管理模块

包含功能：轮询任务设置、轮询结果查询、性能参数查询；

4）故障管理模块

包含功能：告警配置、告警确认、告警查询、告警监测、告警统计；

5）安全管理模块

包含功能：用户管理、日志管理；

6）通信处理功能模块

网管客户端与网管服务器之间采用TCP协议进行通信。客户端启动后连接服务器，连接成功后，与服务器保持联通状态，接收发送信息；如果连接出现故障，尝试重新连接，并将该故障显示在客户端界面的状态栏中，同时，存入数据库的系统告警表中。

7）数据库操作功能模块

数据库基本操作：连接、查询、更新、关闭；

数据库管理功能：数据库备份。

8）帮助功能模块

帮助模块为用户提供软件使用说明及版本信息的查看功能。

帮助模块为网管系统软件的辅助模块，主要包括软件使用说明及版本信息的显示。

9）初始化功能模块系统初始化设置模块。10）公共处理模块通用函数功能模块。3.6.2 服务器端

1）系统配置功能模块

服务器系统配置包括：客户端上限配置、数据库配置；

客户端上限配置：网管服务器最多允许10个客户端同时连接；

数据库配置：通过XML文件配置数据库的用户名、密码、IP地址等参数。

2）配置处理功能模块

配置处理模块包括：网元注册、网元注销、网元查询、网元修改、参数设置。

3）性能处理功能模块

性能管理模块包含：轮询任务响应、启动停止任务。

4）故障处理功能模块

故障管理模块包含： 告警告警恢复处理。

告警告警恢复处理功能：当网元设备发生告警告警恢复时，服务器将告警告警恢复信息存入数据库，并将告警告警恢复信息通知所有客户端；收到客户端的告警确认信息之后，服务器修改数据库，并将处理结果发送给所有客户端。

5）安全处理功能模块

安全处理客户端发出的相关安全的信息请求；6）通信处理功能模块

通信处理服务功能模块主要负责网管服务器与网管客户端、被管理设备之间的通信处理；

网管服务器与网管客户端之间的通信，采用TCP/IP协议；

网管服务器与被管理设备服务器之间的通信协议采用SNMP简单网络管理协议。

7）数据库管理功能模块

数据库的相关操作：a连接数据库；b数据的增加、删除、修改、查询；c日志的增加、删除、查询。

3.7 数据库设计

网管系统数据库选用Oracle数据库，类型主要采用VARCHAR，NVARCHAR，DATE，NUMBER等。网管系统数据库表类型采用：基本信息类、设备类、告警类、轮询相关类、日志类、用户管理类等表类型。

数据库系统信息保存时间：告警信息不小于6个月；日志信息保存时间不应小于6个月；其他历史信息保存时间应不小于3个月。

3.8 界面设计

网管系统采用C/S架构，客户端界面采用图形界面，C#设计，服务器采用命令行设计，无图形界面。

3.9 接口设计

1）外部接口设计

网管系统外部接口分物理接口和协议接口。

物理接口（硬件接口）：物理接口为10/100 Mb，RJ45的以太网接口。

协议接口（软件接口）：网路层协议：网络层协议为UDP协议； 应用层协议：采用SNMP协议。

服务器客户端接口：客户端与服务器之间硬件接口采用RJ45以太网接口，软件接口采用TCP/IP协议；

网管系统对网络设备接口：网管系统与设备网管接口的硬件接口采用RJ45以太网接口，软件接口采用SNMP协议，采用SNMPv2c标准。

2）内部接口设计

各模块间的功能相对比较独立，在程序逻辑上没有强联系。网管客户端和网管服务器通信协议采用TCP/IP协议，每个数据包以#开头，以&结尾，中间内容用;间隔，数据内容中的第一个字段为数据包长度，此长度包含#、&头尾标识，第二个字段为模块分类，第三个字段为数据包类型。

4 结论

本文详细论述了基于SNMP协议的网络管理系统的设计与实现原理以及相关功能模块的实现方法。重点介绍了系统设计的整体框图、网管功能模块的设计思想和编程实现以及网络通信模块的相关原理和编程实现。对开发过程中用到的关键技术也做了相应的阐述。经过前期的开发和测试，已经基本达到了项目设计书的要求。

[1]武孟军,徐龚,任相臣.Visual C++开发基于SNMP的网络管理软件[M].北京：人民邮电出版社，2007．

[2]谢希仁.计算机网络[M].北京：电子工业出版社，2001.

[3] Net-SNMP 5.41 网管协议[S].