高速铁路宽带通信网络管理系统管理模式研究

宋 鑫，郑 刚，朱登科

（中国科学院软件研究所 天基综合信息系统重点实验室，北京100190）

0 引 言

在高速铁路宽带通信网络中，列车运营部门需要经常在列车内添加或移除网元，这要求网络管理系统要能够及时发现网元变化；复杂的地理环境，如隧道等，可能导致无线通信设施不可见；频繁的小区切换可能导致周期性数据包丢失。高速铁路宽带通信网络的这些特殊性决定了传统的网络管理系统的管理模式并不适用于高速铁路宽带通信网络，必须依据网络的规模、结构、管理接口、支持业务等网络特点对高速铁路宽带通信网络管理系统的管理模式进行设计。

现存的网络管理模式可以分为两大类，一类是集中式管理模式，另一类是分布式管理模式。由于高速铁路宽带通信网络结构的特殊性和复杂性，单一的管理模式不能很好的适应高速铁路宽带通信网络的管理要求，本文在对高速铁路宽带通信网络结构的深入分析基础上，提出了一种集中式／分布式相结合的混合管理模式。

1 高速铁路宽带通信网络结构

在高速铁路宽带通信网络中，高速移动的列车具有多普勒效应明显、网络切换频繁、无线信号车体损耗大等问题［1］。为了解决这些问题，国外已经有了一些比较成熟的解决方案，如基于漏泄同轴电缆技术［2］、基于卫星通讯技术［3］、基于 Radio－Over Fibre［4］、基于IEEE 802.11标准［5］和基于 WiMAX技术［6］等。

TD－LTE （time－division long term evolution）标准是依托我国TD技术的新一代无线网络标准，能够达到用户平面无线网络时延小于10ms，可以实现上行峰值速率50Mbit／s，下行 峰 值 速 率 100Mbit／s［7］，能 够 支 持 列 车 在350km／h的高速移动环境下进行无线接入，适用于列车高速运行环境下的宽带通信网络服务。TD－LTE技术能够解决列车高速移动下的车地通信问题，已被成功应用于高速铁路宽带通信网络中。

在高速铁路宽带通信网络中，列车与地面基站之间采用TD－LTE技术进行通信，列车内支持多种无线通信技术，例如2G／3G／TD－LTE和 WiFi等。采用集中接入的工作方式，用户终端通过车内的无线网络接入点接入到车载网络，当需要与地面网络通信时，车载控制单元将数据收集并负责将各种业务用户的数据发送给TD－LTE车载台，经过地面无线子系统传输后，到达地面网关子系统内的接入控制器，接入控制器根据业务类型将数据分发至相应的业务网络。此种工作方式可有效的利用车地无线宽带资源、避免车体损耗。基于TD－LTE的高速铁路宽带通信网络结构如图1所示。

图1 基于TD－LTE的高速铁路宽带通信网络结构

车载子系统主要包括：车载台、车载网关、车载网络、车载2G／3G微基站单元及 WiFi热点。车载台负责搭建车地间的大容量数据传输通道，直接与地面基站进行无线通信。车载网关负责连接车厢内各个设备，实现车载子系统内各业务流的流量控制、QoS保证等。车载网络由工业级网络交换机、多功能连接器等设备组成；车载网络在每节车厢内均设置一个网元节点，车厢之间通过光纤或者网线连接相通。车载2G／3G微基站和 WiFi热点实现对车厢内旅客持有的2G／3G／WiFi终端的无线覆盖，负责在旅客手持终端与TD－LTE车载台之间搭建无线传输通道。

地面无线子系统，主要由基站和连接各基站的光纤设备组成。基站采用分布式结构，由无线远端单元 （radio remote unit，RRU）和基带处理单元 （base band unit，BBU）组成。RRU接受车载台传来的无线信号，然后通过光纤将信号传至BBU；众多RRU呈带状分布于铁路沿线两侧，保持对高速铁路TD－LTE网络无线信号的无缝覆盖。BBU主要完成信号处理和协议转换等功能，并与 MME／S－GW所在的地面网关子系统进行数据交互。

地面网关子系统主要包括接入控制器 （access controller，AC）、分组数据网网关 （packet data network gateway，P－GW）、策 略 控 制 和 计 费 规 则 模 块 （policy control and charging function，PCRF）、服 务 网 关 （serving gateway，S－GW）、移 动 性 管 理 实 体 （mobility management entity，MME）和 归 属 用 户 服 务 器 （home subscriber server，HSS）。地面网关子系主要完成会话管理、移动性管理、非接入层安全、承载管理、业务质量控制、用户数据流策略控制、与外部网络互联互通等功能。

2 高速铁路宽带通信网络管理模式

现存的网络管理模式分为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实现方法分为静态层次管理模式［8］、委托管理模式［9］、基于移动代理的管理模式［10］和基于主动网络的管理模式［11］。

各网络管理模式的主要差异在于管理者的数目和交互或独立的程度。他们各有特点，适用于不同网络结构和应用环境，应当根据具体的网络结构和应用环境选择合适的网络管理模式。

2.1 高速铁路宽带通信网络管理系统体系结构

基于高速铁路宽带通信网络的特点，对地面网关子系统和地面无线子系统内的网元，由于其网络结构简单，采用集中式管理模式；而对车载子系统内的网元，为了节省车地之间的通信资源，采用静态层次式管理模式。

在高速铁路宽带通信网络中，车载台与eNB之间采用无线TD－LTE技术通信。如果在车载台与eNB之间频繁地传输大量的网络管理信息与运营统计信息，必然造成网络性能的下降。因此，高速铁路宽带通信网络管理系统采用静态层次式管理模式对车载子系统内的网元进行管理。基本思想是在地面和列车上分设两个管理系统：在地面设立地面网 络 管 理 系 统 （terrestrial network management system，TNMS），在车载子系统内构建一个车载网络管理系统 （vehicle network management system，VNMS）。一部分管理功能模块被部署至车载网络管理系统上，这部分功能模块能够就地收集网元信息，并实时地进行处理和控制，处理后的结果保存至车载子系统内的本地数据库，当地面网络管理系统请求车载子系统内网元数据时，由车载网络管理系统传至地面网络管理系统。

地面网络管理系统通过标准接口采集地面无线子系统、地面网关子系统、车载子系统等系统的数据，实现面向全网范围的信息交换、资源共享、故障定位、性能分析等功能。同时实现对被管设备的注册注销、参数查询设置，消息状态管理，安全管理、软件升级、报告分析等功能，支持与综合网管系统的互联。地面网络管理系统通过SNMP、CORBA、TCP／IP协议实现 MME，S－GW，P－GW 和接入控制器、网络管理系统本身的服务器，基站BBU，无线远端单元RRU，车载网络管理系统等设备的管理。

车载网络管理系统完成对车载子系统内所有网元原始信息的收集与处理，避免了车载子系统内网元与地面网络管理系统之间的频繁交互，极大地减少了需要经过无线信道传输的数据流量。这样，网络管理产生的附加无线网络负荷大大减少，车载子系统的网络管理功能也从地面网络管理系统中解耦，增加了系统的灵活性和可扩展性。

高速铁路宽带通信网络管理系统体系结构如图2所示。

图2 高速铁路宽带通信网络管理系统体系结构

2.2 高速铁路宽带通信网络管理模式设计

2.2.1 高速铁路宽带通信网络集中式管理模式

地面网络的网络结构简单，适合采用集中式管理模式。集中式管理模式具有成本较低、管理操作简单、管理集中的优点［12］，有利于从网络系统的全局对网络实施有效的管理。

高速铁路宽带通信网络管理系统中的集中式管理模式采用SNMP协议实现。SNMP是基于TCP／IP的网络管理协议，具有结构简单、操作简便、性价比高、容易实现等特点，成为目前网络管理事实上的标准［12］。其体系结构如图3所示。

图3 集中式管理模式结构

该管理模式由一个管理站、多个代理 （agent）、管理信息库 （MIB）和SNMP协议构成。在这里，管理站由地面网络管理系统 （在地面网络中）或车载网络管理系统 （在车载网络中）担任。管理站上设有SNMP Manager模块，SNMP Manager通过SNMP协议对Agent进行监控和控制。管理站和Agent之间的管理信息由MIB提供。

若采用简单的轮询方式访问各个Agent中的管理信息，会使得管理信息监测周期过长，不能做到及时管理，同时周期性收集的信息中会有很多是管理站不需要的或是上次轮询时已经收集到的重复信息，这些冗余流量加重了网络负担。因此，采用陷阱引导轮询技术对Agent进行访问，管理站以不太频繁的周期 （如30分钟）对所有网元进行轮询，之后便由各个Agent通过发送Trap信息向管理站报告重要事件，如网元重启动、通信链路失效等［12］。

2.2.2 高速铁路宽带通信网络分布式管理模式

地面网络管理系统和车载子系统内网元之间通信需经过无线信道，带宽有限，采用静态层次管理模式。

每个车载子系统被划分为单个独立的管理域，设立一个车载网络管理系统作为此管理域的管理者，该管理者只对所在域负责，而不管理网络的其他部分；地面网络管理系统作为主管理者，统一管理各个管理者。地面网络管理系统内设有车载网络管理系统控制管理模块，车载网络管理系统控制管理模块通过车载网络管理系统提供的北向接口同车载网络管理系统进行管理信息交互。车地静态层次式管理模式如图4所示。

图4 车地分层式网络管理体系结构

车载网络管理系统对车载网络内的所有网元进行告警数据、配置数据和性能数据的采集和处理，然后将处理后的告警数据和配置数据结果存储于车载数据库内，将处理后的性能数据按照3GPP TS 32.435V9.0.0标准生成XML文件，将其存储在车载网络管理系统服务器指定目录下。

对于告警数据和配置数据，车载网络管理系统采用被动工作模式，即车载网络管理系统只主动向地面网络管理系统传送少数极重要的配置更改信息和重大故障信息，并不主动传送其它数据，直至地面网络管理系统主动向车载网络管理系统请求相应数据；对于性能数据，车载网络管理系统按设备类型－网元ID－时间点分别产生独立的XML格式文件，并存储到车载服务器固定目录下，由地面网络管理系统采用FTP的方式获取。这一工作模式可以极大地减少车地间由于管理信息交互而产生的网络流量。

地面网络管理系统和车载网络管理系统配置和故障数据交互流程如图5所示。

图5 地面网管和车载网管数据交互流程

（1）TNMS作为客户登陆VNMS：TNMS向VNMS发送LOGIN报文，该报文包含用户名和密码，VNMS进行验证后，向TNMS回送LOGIN＿ACK，管理控制套接字建立。

（2）TNMS向VNMS请求数据：管理控制套接字建立后，TNMS在管理控制套接字上向VNMS发送GET＿DATA数据请求报文。

（3）VNMS向TNMS发送数据：VNMS主动同TNMS建立数据传输套接字，并在数据传输套接字上发送TNMS请求的数据DATA。

（4）TNMS和VNMS通话结束：当TNMS在管理控制套接字上发送登出报文LOGOUT后，管理控制套接字和数据传输套接字被拆除。

3 性能分析

在高速铁路宽带通信网络中，车地间通信采用TDLTE无线通信技术，带宽有限，是制约整个高速列车铁路宽带通信网络的瓶颈，因此尽可能的减少车地间的网络管理流量，成为高铁通信网络管理的一大难题，而车地间的网络管理流量也成为衡量网络管理系统性能的关键指标。

假定列车内有N个网元，为了简化分析，假定在集中式和静态层次式两种管理模式下，网络管理系统对这N个网元执行管理任务的请求包平均大小均为R，网元返回的数据包平均大小为珟R；网元主动向网络管理系统上报的数据包平均大小为S，网络管理系统回送的数据包平均大小为珟S。

3.1 集中式管理模式产生的无线流量

在传统的集中式管理模式中，网络管理系统需要对整个网络进行轮询，轮询一次产生的网络流量Fpoll＝N·R＋N·珟R。在单位时间内，网管系统向某个网元执行任务请求的概率为Pcentral，每个网元需要主动向网络管理系统上报数据的概率为Qcentral，网络管理系统的轮询周期为T，则在时间t内，整个网络产生的网络管理流量均需通过车地间无线通道传输，流量公式为

3.2 静态层次式管理模式产生的无线流量

由于地面网络管理系统将一部分网络管理功能部署在车载网络管理系统，使得在执行这些管理功能时不再需要产生无线流量。这部分网络管理功能包括：①对车载网络进行周期性轮询；②性能数据的采集和存储；③大部分的告警和配置信息的处理。因此，对网络的轮询产生的流量不会占用无线信道；由于地面网络管理系统只关心关键的状态信息和严重的告警信息，因此地面网络管理系统向车载网元执行任务请求的概率Phierarchy小于Pcentral，车载网元向地面网管主动上传数据的概率Qhierarchy小于Qcentral。流经无线通道的网络管理流量为

3.3 流量分析比较

Phierarchy与Pcentral、Qhierarchy与Qcentral之间的比值取决于地面网络管理系统关注的车载网元属性数量与车载网元所有属性数量之间的比值。

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%。图6为集中式管理模式和静态层次式管理模式产生的无线管理流量对比。

由图6可以看出，静态层次式管理模式产生的无线网络管理流量远小于集中式管理模式产生的无线网络管理流量，且两者之间的差距随着统计时间的增长而逐渐增大。

图6 两种管理模式网络管理流量对比 （横坐标为时间，单位分钟，纵坐标为网络管理流量，单位为KB）

4 结束语

本文在分析高速铁路宽带通信网络的结构特点和传统网管系统体系结构的基础上，对高速铁路宽带通信网络管理系统管理模式进行了设计，提出了一种集中式和静态层次式相结合的管理模式，并对采用这种管理模式的网络管理系统进行了性能分析，证明了该管理模式能够有效减小车地间无线管理流量。这种管理模式充分考虑了高速铁路宽带通信网络区别于通常公众移动通信网络的独特特点，能够有效解决高速列车宽带通信网络的特殊性和复杂性。

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