CN103079220B - 车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理***及方法 - Google Patents

Abstract

车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理***及方法，包括：车载网络管理分***、地面数据中继站、地面网络管理中心和管理客户端；所述车载网络管理分***包括功能管理代理模块、管理分析处理模块、本地数据库、管理南向接口模块、管理北向接口模块。本发明针对高速铁路列车快速运动的特点，减少了车地间管理信息流量占用无线带宽，实现了高速铁路宽带通信***的高效、合理的管理。

Description

车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理***及方法

技术领域

本发明涉及一种网络管理***及方法，特别是涉及一种适用于高速铁路宽带通信***的网络管理***及方法。

背景技术

随着我国高速铁路建设的不断发展，高速列车成为旅客远距离出行的重要交通工具，与此同时，旅客对在高速列车上进行高质量的通信和数字娱乐服务的需求日益迫切。目前国外将卫星技术、GPRS（通用无线分组业务）和UMTS（通用移动通信***）技术与WiFi无线网络相结合，在时速高达300km/h的跨境列车上提供不中断的无线宽带互联网连接；并有人提出基于WiMAX（全球微波接入互操作性）技术的列车运行控制网络来取代现有基于GSM-R（铁路移动通信标准）网络的列车运行控制***，在信号控制数据传输带宽的同时提供多样化的网络服务。而国内乘客在高速列车上通话和上网主要基于既有的2G、3G公众移动通信网络。与传统无线网络覆盖环境相比，在高速铁路环境下，由于列车运动速度快而且车体损耗大，导致无线信号多普勒效应明显，网络切换频繁，高速列车上的终端用户容易出现无法接通、频繁掉话、话音断续等现象，严重影响了旅客的通信质量和服务体验。

近年来LTE技术的发展为建设高速铁路宽带通信***，给旅客提供高速、稳定的通信质量和丰富多样的用户体验提供了解决方案。特别是TD-LTE技术，是我国拥有核心自主知识产权的通信技术标准，与我国提出的第三代移动通信***标准TD-SCDMA共存。为了实现高速铁路宽带通信网络对2G/3G/LTE以及WiFi等多类无线通信应用，基于TD-LTE的高速铁路宽带通信***专网设计被重点关注。该***包括车载网子***、接入网子***和核心网子***三个部分。***总体框架图如图1所示。

车载网子***主要包括的车载网元，车载网元有：车载台、车载网关、车载网络、车载2G/3G微基站单元及WiFi热点。车载台直接与地面TD-LTE基站通信，负责搭建车-地间的大容量数据传输通道。接入网子***包括基站eNodeB，由基带处理单元BBU和无线远端单元RRU组成。核心网子***包括移动管理设备MME、服务网关S-GW、分组数据网网关P-GW、归属签约用户服务器HSS、策略和计费控制单元PCRF以及接入控制器。

为了保证基于高速铁路宽带通信***运行的稳定性和可靠性，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，适用于高速铁路宽带通信***的网络管理研究成为需要解决的一个关键问题。由于高速铁路自身的特点，高速铁路宽带通信***的网络管理与传统的移动通信网络管理之间存在很多不同之处，主要包括以下几个方面：

（1）网络管理对象的特殊性

高速铁路宽带通信***的管理除了包括传统的接入网和核心网子***，还将车载网子***纳入了管理范畴。车载网子***随列车高速移动，给网络管理带来了复杂性和特有性。车地通信带宽资源有限，需要支持话音、视频、数据等多种业务。因此，管理方法和实施手段，必须简单、可靠，节约频谱资源和计算资源。

（2）网络管理结构上的不同

传统的网络管理结构分为集中式管理模式和分布式管理模式，传统的网络管理***通常采用单一的管理模式。基于高速铁路宽带通信网络的特点，地面接入网和核心网子***其网络结构简单，而车载子***内的网元种类较多，管理信息传递占用车地之间的通信带宽，单一采用集中式网络管理或分布式网络管理结构模式均不合适。

（3）网络管理信息采集方式的不同

网络管理结构上不是采用集中式或分布式管理，不能采用单一的周期性轮询采集模式或者陷阱自动上报机制，应该在不同的管理层次采用不同的管理通信协议，有时甚至在同一个管理层次面向不同的管理功能也需要采用不同的管理协议，实现对管理信息高效的采集；同时，车载子网络随列车处于高速运动之中，管理信息的采集也需要考虑高效与实时的有效折中。

（4）网络管理的实时性与可靠性要求不同

大部分列车都是按时刻表运行在各种铁路轨道上，这就使得车载网节点以及节点之间的通信链路不像地面计算机网络那样处在固定的位置上，而是随时间不断的变化，拓扑结构的周期性变化，要求对网络实施实时的、移动的管理。同时，由于列车高速运动带来的多普勒频移和快速切换，使得车地间的通信链路可能存在较大的误码率，信息的重发，甚至导致通信链路的中断，影响传播延时。因此，空间信息网络的管理要具有很强的容错能力。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理***及方法，针对高速铁路列车快速运动的特点，减少车地间管理信息流量占用无线带宽，实现网络高效、合理的管理。

本发明技术解决方案：车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理***，包括车载网络管理分***、地面数据中继站、地面网络管理中心和管理客户端，如图2所示。

所述车载网络管理分***包括功能管理代理模块、管理分析处理模块、本地数据库、管理南向接口模块、管理北向接口模块，其中：

功能管理代理模块，通过管理北向接口模块接收来自地面网络管理中心的控制指令，所述控制指令包括配置管理、故障管理、性能管理三种指令；对于所述三种指令分别产生配置管理进程、故障管理进程和性能管理进程，通过管理南向接口模块对车载网子***中的车载网元进行配置管理、故障管理和性能管理的任务设置；同时通过管理南向接口模块接收车载网子***中的车载网元的响应，包括配置参数回复、故障告警信息及性能统计参数；配置参数回复不做额外的处理，故障告警信息和性能统计参数传送给管理分析模块；

管理分析处理模块，接收到功能管理代理模块的故障告警信息和性能统计参数，过滤出车载网子***中的车载网元实时的状态信息数据（包括正常工作和非正常工作两种状态），通过管理北向接口模块经过无线链路传送给地面网络管理中心，以便地面网络管理中心能够全面地了解每个车载子***的运行状态，而过滤后的故障告警信息和性能统计参数保存至车载管理分***中的本地数据库，列车在经过车站时经过工作人员人工操作，把故障告警信息和性能统计参数通过管理北向接口模块送至地面数据中继站；

本地数据库，实现对过滤后的故障告警信息和性能统计参数保存；

管理南向接口模块，实现车载网络管理分***和车载网子***中的车载网元的通信连接；

管理北向接口模块，实现车载网络管理分***与地面网络管理中心和地面数据中继站的通信连接；

地面数据中继站，提供对车载网子***保存在本地数据库的故障告警信息和性能统计参数的数据高速下载通道，地面数据中继站分布在铁路沿途的车站内，通过光纤连接地面网络管理中心，支持地面网络管理中心实现对铁路线上所有车载网子***的管理功能；

地面网络管理中心，实现对地面的接入网子***、核心网子***和各个车载网子***的集中管理，是整个网络管理***的核心，所述地面网络管理中心包括信息采集模块、数据处理模块、管理功能模块、管理策略服务模块和管理数据库；其中：

信息采集模块，采用多元化的管理通信协议与管理接口，实现对接入网子***、核心网子***中的网元和车载网子***的车载网元的信息采集，信息采集方式包括同步采集与异步采集两种，对地面接入网子***、核心网子***中网元的同步采集采取主动轮询方式，是由地面网络管理中心的管理功能模块定期触发，对接入网子***、核心网子***中的网元的异步采集是当设定的条件被触发的时候直接接收接入网子***、核心网子***中的网元的故障告警信息；对车载网元的信息采集分两种情况，一方面车载网元实时的状态信息数据是通过无线链路从车载网络管理分***的管理北向接口模块直接采集，另一方面车载网元的故障告警信息和性能统计参数故障信息和性能统计数据则从地面数据中继站采集；采集好的包括接入网子***、核心网子***和车载网子***在内的***的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息传输给数据处理模块；

数据处理模块，将从信息采集模块得到的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息进行分类整理和组织，将接入网子***、核心网子***和车载网子***所有网元的拓扑信息和配置信息进行同步备份；对故障告警信息进行归一化，统一故障告警信息格式，对重复的故障告警信息进行冗余过滤；性能统计参数按网元类型-网元编号-时间点进行整理；安全信息按时间先后进行整理；并将以上所述的处理后的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息存入管理数据库；

管理数据库，存储数据处理模块处理后的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息数据，并接收管理功能模块更新后的故障告警信息；

管理功能模块，接收来自管理客户端的管理控制指令，所述控制指令包括拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理及安全管理；对于以上五种指令分别产生拓扑轮询进程、配置管理进程、故障告警管理进程、性能管理进程及安全管理进程；接收管理策略服务模块的管理资源优化设置，定期给信息采集模块触发信息采集指令；接收管理策略服务模块的故障管理优化设置，对管理数据库的故障数据进行分级处理，优化故障管理功能，最后将优化的故障管理结果返回管理数据库更新；通过访问管理数据库的数据，完成拓扑的动态更新、配置信息的同步、性能数据的统计计算及安全权限的鉴定，并将以上拓扑信息、配置信息、性能计算结果、安全权限鉴定结果返回管理客户端；

管理策略服务模块，作为管理功能模块的输入，存储了管理资源优化和故障管理优化策略；管理资源优化策略基于陷阱引导轮询管理方式，能够有效地减少网络管理引入的流量；故障管理优化策略采用故障等级化、实时告警采集、告警事后分析的策略，提高了故障管理效率；管理策略服务模块还提供了策略库作为扩展接口，供管理客户端提交新的管理策略；

管理客户端，完成操作可视化和数据可视化，提供友好的人机界面，输入拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理及安全管理五种管理控制指令，完成各管理结果的可视化输出。管理客户端还提供策略设置接口，供管理人员设置管理策略。

所述管理资源优化策略实现如下：首先，地面网络管理中心以设定的周期对地面的接入网子***、核心网子***和各个车载网子***的网元进行轮询，其中地面接入网子***和核心网子***的网元的轮询由地面网络管理中心直接执行，而车载网子***的网元的轮询只是将轮询指令下达给车载网络管理分***；车载网络管理分***轮询本车载网子***的网元；配置管理、故障管理的数据采集活动都能够直接通过SNMP协议来实现；对性能数据采集的情况，通过FTP协议来传输XML格式的数据文件。

所述故障管理优化策略实现如下：对故障告警等级化分为紧急类、重要类、次要类、提示类四个等级；针对紧急类、重要类的故障进行实时告警并及时排除；将次要类、提示类的故障记录在错误日志中；最后根据故障告警的记录，分析统计高速铁路宽带通信***的故障信息，提高故障管理的效率。

车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理方法步骤如下：

（1）管理客户端登录到地面网络管理中心，通过管理功能模块的安全管理进程进行安全认证，访问管理数据库中设定的管理员身份信息，确定具备***管理员身份，将通过认证结果返回管理客户端，管理客户端可以设置管理任务，形成拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理控制指令，同时生成安全日志；

（2）地面网络管理中心的管理功能模块接收到客户端的任务设置，开始调用管理策略服务模块；管理策略服务模块存储了管理资源优化策略和告警处理优化策略。管理资源优化策略采用陷阱引导轮询机制，告警处理优化策略采用实时告警采集、告警事后分析的机制；

（3）地面网络管理中心的管理功能模块开启拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理进程，通知数据采集模块开始采集拓扑信息、配置信息、故障信息、性能数据和安全信息；

（4）由于管理资源优化策略采用陷阱引导轮询机制，首先，地面网络管理中心以设定的周期对地面的接入网子***、核心网子***和各个车载网子***的网元进行轮询，其中地面接入网子***和核心网子***网元的轮询由地面网络管理中心直接执行，拓扑管理、配置管理、故障管理的数据采集活动都可以直接通过SNMP协议来实现，但是对大量性能数据采集的情况，通过FTP协议来传输XML格式的数据文件；而车载网子***网元的轮询只是将轮询指令下达给车载网络管理分***；

（5）车载网络管理分***的功能管理代理模块通过管理北向接口模块接收到地面网络管理中心的轮询命令之后，便在各个车载网络子***基于SNMP协议执行轮询任务，通过管理南向接口模块对外部车载网络子***内的车载网元进行参数配置、故障信息采集、性能任务采集；同时通过管理南向接口模块接收外部车载网络子***内的车载网元的故障告警信息、性能参数；故障告警信息和性能参数传送给管理分析模块；

（6）车载网络管理分***的管理分析处理模块接收到功能管理代理模块的故障告警信息和性能参数，过滤出车载网元实时的状态信息数据，通过管理北向接口模块经过无线链路发送陷阱信息传送给地面网络管理中心，以便地面网络管理中心能够全面地了解整个车载网络的运行状态，而过滤后的故障告警数据、性能统计分析数据保存至车载管理分***内的本地数据库；

（7）地面网络管理中心接收到车载网络管理分***的陷阱消息，采用客户机/服务器的体系结构，其中地面网络管理中心作为客户，车载网络管理分***作为服务器，实时地通过建立Socket通信方式对所有车载网络管理分***进行轮询，将每个车载网子***的车载网元的实时状态信息传送给地面网络管理中心；

（8）对于保存至车载管理分***内本地数据库的故障告警数据、性能统计分析数据，在列车进站后通过管理北向接口模块采用FTP协议通过光缆高速传送到部署在车站的地面数据中继站，最后由地面网络管理中心的数据采集模块定时向地面数据中继站请求数据，同样通过FTP协议以文件的方式进行传输；

（9）地面网络管理中心成功采集到地面接入网子***、核心网子***和车载网子***网元的管理数据，进行分类整理和组织，将网元的拓扑信息和配置信息进行同步备份；对故障数据进行归一化，统一故障报警消息格式，对重复的信息进行冗余过滤；性能数据按网元类型-网元编号-时间点进行整理；安全日志信息按时间先后进行整理；并将以上所述的处理后的数据存入管理数据库；

（10）地面网络管理中心的管理功能模块通过访问管理数据库的数据完成拓扑的动态更新、配置信息的同步、性能数据的统计计算，由于采用了故障处理优化策略，先对故障告警等级化，针对重要的故障进行实时告警并及时排除，不严重的简单故障被记录在错误日志中；然后再事后根据数据记录分析统计网络故障的信息，提高故障管理的效率；

（11）地面网络管理中心的管理功能模块最后将以上拓扑信息、配置信息、性能计算结果、故障告警结果返回管理客户端，完成各管理结果的可视化输出。管理客户端还提供策略设置接口，供管理人员设置管理策略。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明的管理***，管理组织结构层次化：地面网络管理中心采用集中式管理，通过标准接口采集地面接入网、核心网、车载网等子***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；车载网络管理分***，实现对车载设备的管理；地面数据中继站完成对数据的中继与缓存。这样的***结构避免了车载子***与地面网络管理中心之间的大量信息交互，极大地减少了需要经过无线信号传输的数据流量，网络管理产生的附加网络负荷大大减少，车载子***的网管功能也从地面网管***中解耦，增加了***的灵活性和扩展性。

（2）本发明提出的一种多元化信息采集机制，考虑到多级的管理层次，多元化的管理通信协议与管理接口能够区别的适配地面网络管理中心与车载网络管理分***及被管网元的通信，提高了信息采集的效率和可靠性。

（3）本发明提出的一种基于管理流量代价优化的陷阱引导轮询管理策略。该策略以管理流量为目标函数，通过管理策略的实施，可以有效地减少网络管理引入的流量。

（4）本发明的高速铁路宽带通信网络故障管理采用故障等级化、实时告警采集、事后分析的策略。通过对网络组成部件状态的实时监测，不严重的简单故障通常被记录在错误日志中;而严重的故障则产生告警。基于高速列车的运动特性，一般先将网络修复,然后再事后根据数据记录分析统计网络故障的信息，提高了故障管理的效率。

附图说明

图1为高速铁路宽带通信***总体结构图；

图2为本发明的结构组成框图；

图3为本发明的信息采集方式图；

图4为本发明中地面网络管理***和车载网络管理***数据交互流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的网络管理***由车载网络管理分***、地面数据中继站、地面网络管理中心和管理客户端组成。地面网络管理中心和车载网子***内网元之间的通信需通过无线信道传输，带宽有限，为节省带宽，采用车地协同的集散式管理结构。

地面网络管理中心处于管理组织结构的最高层，它部署在地面机房，通过标准网管接口采集管理数据，实现面向全网范围的管理功能。每个车载网子***被划分为单个独立的管理域，处于地面网络管理***的较低层。在每个车载网子***内，设立一个车载网络管理分***作为此管理域的管理者，而地面网络管理中心作为主管理者，统一管理各个管理者及地面接入网和核心网的网元。

所述车载网络管理分***包括功能管理代理模块、管理分析处理模块、本地数据库、管理南向接口模块、管理北向接口模块，其中：

功能管理代理模块，通过管理北向接口模块接收来自地面网络管理中心的控制指令，所述控制指令包括配置管理、故障管理、性能管理三种指令；对于所述三种指令分别产生配置管理进程、故障管理进程和性能管理进程，通过管理南向接口模块对车载网子***中的车载网元进行配置管理、故障管理和性能管理的任务设置；同时通过管理南向接口模块接收车载网子***中的车载网元的响应，包括配置参数回复、故障告警信息及性能统计参数；配置参数回复不做额外的处理，故障告警信息和性能统计参数传送给管理分析模块；

管理分析处理模块，接收到功能管理代理模块的故障告警信息和性能统计参数，过滤出车载网子***中的车载网元实时的状态信息数据（包括正常工作和非正常工作两种状态），通过管理北向接口模块经过无线链路传送给地面网络管理中心，以便地面网络管理中心能够全面地了解每个车载子***的运行状态，而过滤后的故障告警信息和性能统计参数保存至车载管理分***中的本地数据库，列车在经过车站时经过工作人员人工操作，把故障告警信息和性能统计参数通过管理北向接口模块送至地面数据中继站；

本地数据库，实现对过滤后的故障告警信息和性能统计参数保存；

管理南向接口模块，实现车载网络管理分***和车载网子***中的车载网元的通信连接；

管理北向接口模块，实现车载网络管理分***与地面网络管理中心和地面数据中继站的通信连接；

地面网络管理中心，实现对地面的接入网子***、核心网子***和各个车载网子***的集中管理，是整个网络管理***的核心，所述地面网络管理中心包括信息采集模块、数据处理模块、管理功能模块、管理策略服务模块和管理数据库；其中：

信息采集模块，采用多元化的管理通信协议与管理接口，实现对接入网子***、核心网子***中的网元和车载网子***的车载网元的信息采集，信息采集方式包括同步采集与异步采集两种，对地面接入网子***、核心网子***中网元的同步采集采取主动轮询方式，是由地面网络管理中心的管理功能模块定期触发，对接入网子***、核心网子***中的网元的异步采集是当设定的条件被触发的时候直接接收接入网子***、核心网子***中的网元的故障告警信息；对车载网元的信息采集分两种情况，一方面车载网元实时的状态信息数据是通过无线链路从车载网络管理分***的管理北向接口模块直接采集，另一方面车载网元的故障告警信息和性能统计参数故障信息和性能统计数据则从地面数据中继站采集；采集好的包括接入网子***、核心网子***和车载网子***在内的***的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息传输给数据处理模块；

数据处理模块，将从信息采集模块得到的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息进行分类整理和组织，将接入网子***、核心网子***和车载网子***所有网元的拓扑信息和配置信息进行同步备份；对故障告警信息进行归一化，统一故障告警信息格式，对重复的故障告警信息进行冗余过滤；性能统计参数按网元类型-网元编号-时间点进行整理；安全日志信息按时间先后进行整理；并将以上所述的处理后的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息存入管理数据库；

管理数据库，存储数据处理模块处理后的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息数据，并接收管理功能模块更新后的故障告警信息；

管理功能模块，接收来自管理客户端的管理控制指令，所述控制指令包括拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理及安全管理；对于以上五种指令分别产生拓扑轮询进程、配置管理进程、故障告警管理进程、性能管理进程及安全管理进程；接收管理策略服务模块的管理资源优化设置，定期给信息采集模块触发信息采集指令；接收管理策略服务模块的故障管理优化设置，对管理数据库的故障数据进行分级处理，优化故障管理功能，最后将优化的故障管理结果返回管理数据库更新；通过访问管理数据库的数据，完成拓扑的动态更新、配置信息的同步、性能数据的统计计算及安全权限的鉴定，并将以上拓扑信息、配置信息、性能计算结果、安全权限鉴定结果返回管理客户端；

管理策略服务模块，作为管理功能模块的输入，存储了管理资源优化和故障管理优化策略；管理资源优化策略基于陷阱引导轮询管理方式，能够有效地减少网络管理引入的流量；故障管理优化策略采用故障等级化、实时告警采集、告警事后分析的策略，提高了故障管理效率；管理策略服务模块还提供了策略库作为扩展接口，供管理客户端提交新的管理策略。

高速铁路宽带通信网络管理***的实现，还增加了地面数据中继站。为了方便与车载子***的通信，本发明设计将地面数据中继站建立在沿途的车站内，提供对车载网子***的管理数据高速下载通道，车载网络管理分***与地面数据中继站之间通过光纤相连，可以在有限的时间（列车进站的时间）内实现大量数据的高速传送。数据中继站支持地面网络管理中心实现对铁路线上所有车载网子***的管理功能。

高速铁路宽带通信网络管理客户端，完成操作可视化和数据可视化，提供友好的人机界面，输入拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理及安全管理五种管理控制指令，完成各管理结果的可视化输出。管理客户端还提供策略设置接口，供管理人员设置管理策略。

车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理方法在具体实施过程中，主要步骤如下：

（1）管理客户端登录到地面网络管理中心，通过管理功能模块的安全管理进程进行安全认证，访问管理数据库中设定的管理员身份信息，确定具备***管理员身份，将通过认证结果返回管理客户端，管理客户端可以设置管理任务，形成拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理控制指令，同时生成安全日志；

（2）地面网络管理中心的管理功能模块接收到客户端的任务设置，开始调用管理策略服务模块；管理策略服务模块存储了管理资源优化策略和告警处理优化策略。管理资源优化策略采用陷阱引导轮询机制，告警处理优化策略采用实时告警采集、告警事后分析的机制；

为了更好的理解本发明方法，基于陷阱引导轮询机制的网络管理数据流量分析如下：

假定列车内有N个网元，为了简化分析，假定不管在哪种管理模式下，网络管理***对这N个网元执行管理任务的请求包平均大小为R，网元返回的数据包平均大小为网元主动向网络管理***上报的数据包平均大小为S，网络管理***回送的数据包平均大小为

在传统的集中式管理模式中，网络管理***需要对整个网络进行轮询，轮询一次产生的网络流量假定在单位时间内，网管***向某个网元执行任务请求的概率为P_central，每个网元需要主动向网络管理***上报数据的概率为Q_central，网络管理***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：

$F_{\mathrm{central}}=\frac{t}{T}{F}_{\mathrm{poll}}+t{\mathrm{NP}}_{\mathrm{central}}\·(R+\tilde{R})+t{\mathrm{NQ}}_{\mathrm{central}}\·(S+\tilde{S})$

$=\frac{t}{T}(\mathrm{NR}+N\tilde{R})+{\mathrm{tNP}}_{\mathrm{central}}\·(R+\tilde{R})+t{\mathrm{NQ}}_{\mathrm{central}}\·(S+\tilde{S})$

$=\mathrm{tN}[\frac{1}{T}\·(R+\tilde{R})+P_{\mathrm{central}}\·(R+\tilde{R})+Q_{\mathrm{central}}\·(S+\tilde{S})]...\left(1\right)$

在设计的分层分布式网络管理模式中，由于地面网络管理***将一部分网络管理功能下放给车载网络管理***。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通道，由于地面网络管理***只关心一部分关键的状态信息和严重的告警信息，因此地面网络管理***向车载网元执行任务请求的的概率P_hierarchy小于P_central，车载网元向地面网管主动上传数据的概率Q_hierarchy小于Q_central。流经无线通道的网络管理流量为：

$F_{\mathrm{hierarchy}}=t{\mathrm{NP}}_{\mathrm{hierarchy}}\·(R+\tilde{R})+t{\mathrm{NQ}}_{\mathrm{hierarchy}}\·(S+\tilde{S})$ $...\left(2\right)$

$=\mathrm{tN}[P_{\mathrm{hierarchy}}\·(R+\tilde{R})+Q_{\mathrm{hierarchy}}\·(S+\tilde{S})]$

基于上面分析，将（2）式与（1）式对比，可以发现在设计的高速铁路宽带通信网络管理组织结构下，应用基于管理流量代价优化的陷阱引导轮询机制确实能减少管理流量的开销。

（3）地面网络管理中心的管理功能模块开启拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理进程，通知数据采集模块开始采集拓扑信息、配置信息、故障信息、性能数据和安全信息；

（4）由于采用分层式的组织结构，为了实现拓扑信息、配置信息、故障信息、性能数据和安全信息数据的采集，使用的协议如图3所示。由于管理资源优化策略采用陷阱引导轮询机制，首先，地面网络管理中心以不太频繁的周期对地面网元（接入网子***、核心网子***的网元）和各个车载网子***的车载网元进行轮询。在地面网元与地面网络管理中心之间、车载网元与车载网络管理分***之间采用的是集中式管理模式，主要基于SNMP（SimpleNetwork Management Protocol）协议进行通信。其中地面网元的轮询由地面网络管理中心直接执行，网络拓扑信息、配置信息、故障信息的数据采集活动都可以直接通过SNMP协议来实现，但是对于数百兆甚至更多数量的性能数据采集，则由地面网元形成XML格式的性能数据文件，然后通过FTP协议与地面网络管理中心通信。而车载网子***的车载网元的轮询只是将轮询指令下达给车载网络管理分***；

（5）车载网络管理分***的功能管理代理模块通过管理北向接口模块接收到地面网络管理中心的轮询命令之后，便在各个车载网络子***基于SNMP协议执行轮询任务，通过管理南向接口模块对外部车载网络子***内的车载网元进行参数配置、故障信息采集、性能任务采集；同时通过管理南向接口模块接收外部车载网络子***内的车载网元的故障告警信息、性能参数；故障告警信息和性能参数传送给管理分析模块；

（6）车载网络管理分***的管理分析处理模块接收到功能管理代理模块的故障告警信息和性能参数，过滤出车载网元实时的状态信息数据，通过管理北向接口模块经过无线链路发送陷阱信息传送给地面网络管理中心，以便地面网络管理中心能够全面地了解整个车载网络的运行状态，而过滤后的故障告警数据、性能统计分析数据保存至车载管理分***内的本地数据库；

（7）地面网络管理中心接收到车载网络管理分***的陷阱消息，采用客户机/服务器的体系结构，其中地面网络管理中心作为客户，车载网络管理分***作为服务器，实时地通过建立Socket通信方式对所有车载网络管理分***进行轮询，将每个车载网子***的车载网元的实时状态信息传送给地面网络管理中心；

出于对网络可靠性和传输效率方面的考虑，在车载网络管理分***上提供两个套接字端口，一个为管理控制套接字，一个为数据传输套接字。管理控制套接字上只传送登录、模式选择、数据请求等管理控制报文，数据传输套接字只传输已经在管理控制套接字上请求的数据。这样，在传输数据的时候，仍然可以对车载网络管理分***进行管理控制。当车载网络管理分***在管理控制套接字上接受到数据请求时，就会在数据传输套接字上以ASCII字符流的形式传输数据。另外，一些非实时的数据包括故障告警数据、性能统计分析数据则生成文件，在列车进站后采用FTP协议传送到地面数据中继站，最后由地面网络管理中心定时向地面数据中继站请求数据，同样通过FTP协议以文件的方式进行传输。将大量的数据通过这样的方式传送到地面，极大地减少车地间通过无线链路传送的网管数据量，进一步保证用户的服务质量。

地面网络管理中心和车载网络管理分***数据交互流程如图4所示。

◆由地面网络管理中心主动发起登陆报文LOGIN，该报文包含用户名和密码，经基站eNodeB和车载台的中继传输给车载网络管理分***；

◆车载网络管理分***进行用户名和密码的登录验证；

◆登录验证通过后，车载网络管理分***返回登陆回复消息LOGIN_ACK，经过车载台和eNodeB传输给地面网络管理中心，此时在地面网络管理中心和车载网络管理分***之间建立好管理控制套接字；

◆地面网络管理中心在管理控制套接字上发送数据请求报文GET_DATA，经过eNodeB和车载台的中继传输给车载网络管理分***；

◆车载网络管理分***进行鉴权和数据合法性检验；

◆检验通过后，车载网络管理分***返回应答消息GET_DATA_ACK，经过车载台和eNodeB传输给地面网络管理中心，；

◆车载网络管理分***主动同地面网络管理中心建立数据传输套接字，并在数据传输套接字上发送地面网络管理中心请求的数据DATA；

◆当地面网络管理***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，数据传输结束。

性能数据按网元类型-网元编号-时间点分别产生独立的XML格式文件，并存储到车载网络管理分***的固定目录下。

（8）对于保存至车载管理分***内本地数据库的故障告警数据、性能统计分析数据，在列车进站后通过管理北向接口模块采用FTP协议通过光缆高速传送到部署在车站的地面数据中继站，最后由地面网络管理中心的数据采集模块定时向地面数据中继站请求数据，同样通过FTP协议以文件的方式进行传输；

（9）地面网络管理中心成功采集到地面接入网子***、核心网子***和车载网子***网元的管理数据，进行分类整理和组织，将网元的拓扑信息和配置信息进行同步备份；对故障数据进行归一化，统一故障报警消息格式，对重复的信息进行冗余过滤；性能数据按设备类型-网元编号-时间点进行整理；安全日志信息按时间先后进行整理；并将以上所述的处理后的数据存入管理数据库；

（10）地面网络管理中心的管理功能模块通过访问管理数据库的数据完成拓扑的动态更新、配置信息的同步、性能数据的统计计算，由于采用了故障处理优化策略，先对故障告警等级化，高速铁路宽带通信网络故障设计分为4类，包括：

紧急类:此类故障影响到***提供的服务，需要立即采取相应动作。如设备资源完全不可用，需进行修复。

重要类:此类故障影响到服务质量，需要采取紧急动作。如设备或资源服务质量下降，需对其进行还原，恢复全部能力。

次要类:此类告警还未影响到服务质量，但为了避免更严重的故障，需要在适当的时候进行处理或进一步观察。

提示类:此类告警指示可能有潜在的错误影响到提供的服务，相应的措施根据不同的错误进行处理。

在将接收到的故障等级化后，实施告警过滤。步骤包括：

同一网元上同一种告警的发生时间间隔小于指定的重复判断间隔时间，则认为发生了事件告警重复事件，进而根据设定选择将后一条事件告警删除或屏蔽。

同一网元上同一种告警产生继而恢复，若两次恢复告警的发生时间间隔小于指定的闪断判断间隔时间，则判定发生了故障闪断现象。

若出现“要么同时出现，要么同时消失”的“共振”特性告警，只保留一种告警。

有时不同告警的组合和先后次序可能代表某种特殊的故障情况，这时候可以根据需要屏蔽某些告警或者产生一个新的代表该种特殊故障的告警，同时把原始的告警消除掉。

针对紧急类、重要类的故障进行实时告警并及时排除；将次要类、提示类的故障记录在错误日志中；最后根据故障告警的记录，分析统计高速铁路宽带通信***的故障信息，提高故障管理的效率；

（11）地面网络管理中心的管理功能模块最后将以上拓扑信息、配置信息、性能计算结果、故障告警结果返回管理客户端，完成各管理结果的可视化输出。管理客户端还提供策略设置接口，供管理人员设置管理策略。

在发明的车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理方法中，未详述的部分属于本领域的现有公知技术。

Claims (4)

1.一种车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理***，其特征在于包括：车载网络管理分***、地面数据中继站、地面网络管理中心和管理客户端；所述车载网络管理分***包括功能管理代理模块、管理分析处理模块、本地数据库、管理南向接口模块、管理北向接口模块，其中：

功能管理代理模块，通过管理北向接口模块接收来自地面网络管理中心的控制指令，所述控制指令包括配置管理、故障管理、性能管理三种指令；对于所述三种指令分别产生配置管理进程、故障管理进程和性能管理进程，通过管理南向接口模块对车载网子***中的车载网元进行配置管理、故障管理和性能管理的任务设置；同时通过管理南向接口模块接收车载网子***中的车载网元的响应，包括配置参数回复、故障告警信息及性能统计参数；对于配置参数回复不作处理，对于故障告警信息和性能统计参数传送给管理分析模块；

管理分析处理模块，接收到功能管理代理模块的故障告警信息和性能统计参数，过滤出车载网子***中的车载网元的实时状态信息数据，包括正常工作和非正常工作两种状态，通过管理北向接口模块经过无线链路传送给地面网络管理中心，以便地面网络管理中心能够全面地了解每个车载网子***的运行状态，而过滤后的故障告警信息和性能统计参数保存至车载管理分***中的本地数据库，列车在经过车站时经过工作人员人工操作，把故障告警信息和性能统计参数通过管理北向接口模块送至地面数据中继站；

本地数据库，实现对管理分析处理模块中过滤后的故障告警信息和性能统计参数进行保存；

管理南向接口模块，实现车载网络管理分***及车载网子***中的车载网元的通信连接；

管理北向接口模块，实现车载网络管理分***与地面网络管理中心及地面数据中继站的通信连接；

地面数据中继站，提供对车载网子***保存在本地数据库的故障告警信息和性能统计参数的高速下载通道，地面数据中继站分布在铁路沿途的车站内，通过光纤连接地面网络管理中心，支持地面网络管理中心实现对铁路线上所有车载网子***的管理功能；

地面网络管理中心，实现对地面的高速铁路宽带通信***中地面接入网子***、核心网子***和各个车载网子***的集中管理，是整个网络管理***的核心，所述地面网络管理中心包括信息采集模块、数据处理模块、管理功能模块、管理策略服务模块和管理数据库；其中：

信息采集模块，采用多元化的管理通信协议与管理接口，实现对接入网子***、核心网子***中的网元和车载网子***的车载网元的信息采集，信息采集方式包括同步采集与异步采集两种，对地面接入网子***、核心网子***中的网元的同步采集采取主动轮询方式，是由地面网络管理中心的管理功能模块定期触发，对接入网子***、核心网子***中的网元的异步采集是当设定的条件被触发的时候直接接收接入网子***、核心网子***中的网元的故障告警信息；对车载网元的管理信息，采集分两种情况，一方面车载网元实时的状态信息数据是通过无线链路从车载网络管理分***的管理北向接口模块直接采集，另一方面车载网元的故障告警信息和性能统计参数则从地面数据中继站采集；所述的管理信息包含实时的状态信息、故障告警信息和性能统计参数；采集好的包括接入网子***、核心网子***和车载网子***在内的***的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息传输给数据处理模块；

数据处理模块，将从信息采集模块得到的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息进行分类整理和组织，将接入网子***、核心网子***和车载网子***中的所有网元的拓扑信息和配置信息进行同步备份；对故障告警信息进行归一化，统一故障告警信息格式，对重复的故障告警信息进行冗余过滤；性能统计参数按网元类型-网元编号-时间点进行整理；安全信息按时间先后进行整理；并将以上所述的处理后的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息存入管理数据库；

管理数据库，存储数据处理模块处理后的拓扑信息、配置信息、故障告警信息、性能统计参数及安全信息数据，并接收管理功能模块更新后的故障告警信息；

管理功能模块，接收来自管理客户端的管理控制指令，所述控制指令包括拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理及安全管理；对于以上五种指令分别产生拓扑轮询进程、配置管理进程、故障告警管理进程、性能管理进程及安全管理进程；接收管理策略服务模块的管理资源优化设置，定期给信息采集模块触发信息采集指令；接收管理策略服务模块的故障管理优化设置，对管理数据库的故障数据进行分级处理，优化故障管理功能，最后将优化的故障管理结果返回管理数据库更新；通过访问管理数据库的数据，完成拓扑信息的动态更新、配置信息的同步、性能数据的计算及安全权限的鉴定，并将以上拓扑信息、配置信息、性能数据的计算结果、安全权限的鉴定结果返回管理客户端；

管理策略服务模块，作为管理功能模块的输入，存储了管理资源优化和故障管理优化策略；管理资源优化策略基于陷阱引导轮询管理方式，能够有效地减少网络管理引入的流量；故障管理优化策略采用故障等级化、实时告警采集、告警事后分析的策略，提高了故障管理效率；管理策略服务模块还提供了策略库作为扩展接口，供管理客户端提交新的管理策略；

管理客户端，完成操作可视化和数据可视化，提供友好的人机界面，输入拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理及安全管理五种管理控制指令，完成各管理结果的可视化输出；管理客户端还提供策略设置接口，供管理人员设置管理策略。

2.根据权利要求1所述的车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理***，其特征在于：所述管理资源优化策略实现如下：首先，地面网络管理中心以设定的周期对地面的接入网子***、核心网子***和各个车载网子***中的所有网元进行轮询，其中地面接入网子***和核心网子***中的网元的轮询由地面网络管理中心直接执行，而车载网子***中的网元的轮询只是将轮询指令下达给车载网络管理分***；车载网络管理分***轮询车载网子***中的网元；配置管理、故障管理的数据采集活动都能够直接通过SNMP协议来实现；对性能数据采集的情况，通过FTP协议来传输XML格式的数据文件。

3.根据权利要求1所述的车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理***，其特征在于：所述故障管理优化策略实现如下：对故障告警等级化分为紧急类、重要类、次要类、提示类四个等级；针对紧急类、重要类的故障进行实时告警并及时排除；将次要类、提示类的故障记录在错误日志中；最后根据故障告警的记录，分析统计高速铁路宽带通信***的故障信息，提高故障管理的效率。

4.一种车地协同的高速铁路宽带通信***集散式网络管理方法，其特征在于步骤如下：

(1)管理客户端登录到地面网络管理中心，通过管理功能模块的安全管理进程进行安全认证，访问管理数据库中设定的管理员身份信息，确定具备***管理员身份，将通过认证结果返回管理客户端，管理客户端设置管理任务，形成拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理控制指令，同时生成安全日志；

(2)地面网络管理中心的管理功能模块接收到客户端的任务设置，开始调用管理策略服务模块；管理策略服务模块存储了管理资源优化策略和告警处理优化策略；管理资源优化策略采用陷阱引导轮询机制，告警处理优化策略采用实时告警采集、告警事后分析的机制；

(3)地面网络管理中心的管理功能模块开启拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理进程，通知数据采集模块开始采集拓扑信息、配置信息、故障信息、性能数据和安全信息；

(4)由于管理资源优化策略采用陷阱引导轮询机制，首先，地面网络管理中心以设定的周期对地面的接入网子***、核心网子***和各个车载网子***中的所有网元进行轮询，其中地面接入网子***和核心网子***中的网元的轮询由地面网络管理中心直接执行，拓扑管理、配置管理、故障管理的数据采集活动均直接通过SNMP协议来实现，但是对性能数据采集的情况，通过FTP协议来传输XML格式的数据文件；而车载网子***中的车载网元的轮询只是将轮询指令下达给车载网络管理分***；

(5)车载网络管理分***的功能管理代理模块通过管理北向接口模块接收到地面网络管理中心的轮询命令之后，便在各个车载网子***基于SNMP协议执行轮询任务，通过管理南向接口模块对车载网子***中的车载网元进行参数配置、故障信息采集任务设置、性能参数采集任务设置；同时通过管理南向接口模块接收外部车载网络子***内的车载网元上报的故障告警信息、性能参数；故障告警信息和性能参数传送给管理分析模块；

(6)车载网络管理分***的管理分析处理模块接收到功能管理代理模块的故障告警信息和性能参数，过滤出车载网元的实时状态信息数据，通过管理北向接口模块经过无线链路发送陷阱信息传送给地面网络管理中心，以便地面网络管理中心能够全面地了解整个车载网络的运行状态，而过滤后的故障告警数据、性能统计分析数据保存至车载管理分***中的本地数据库；

(7)地面网络管理中心接收到车载网络管理分***的陷阱消息，采用客户机/服务器的体系结构，其中地面网络管理中心作为客户，车载网络管理分***作为服务器，实时地通过建立Socket通信方式对所有车载网络管理分***进行轮询，将每个车载网子***的车载网元的实时状态信息传送给地面网络管理中心；

(8)对于保存至车载管理分***中的本地数据库的故障告警数据、性能统计分析数据，在列车进站后通过管理北向接口模块采用FTP协议通过光缆高速传送到部署在车站的地面数据中继站，最后由地面网络管理中心的数据采集模块定时向地面数据中继站请求数据，同样通过FTP协议以文件的方式进行传输；

(9)地面网络管理中心成功采集到地面接入网子***、核心网子***和车载网子***中的网元的管理数据，进行分类整理和组织，将车载网子***中的车载网元的拓扑信息和配置信息进行同步备份；对故障数据进行归一化，统一故障报警消息格式，对重复的信息进行冗余过滤；性能数据按网元类型-网元编号-时间点进行整理；安全信息按时间先后进行整理；并将以上处理后的数据存入管理数据库；

(10)地面网络管理中心的管理功能模块通过访问管理数据库的数据完成拓扑的动态更新、配置信息的同步、性能数据的统计计算，由于采用了故障处理优化策略，先对故障告警等级化，实施故障告警过滤，针对紧急类、重要类的故障进行实时告警并及时排除；将次要类、提示类的故障记录在错误日志中；最后根据故障告警的记录，分析统计高速铁路宽带通信***的故障信息，提高故障管理的效率；

(11)地面网络管理中心最后将以上拓扑信息、配置信息、性能计算结果、故障告警结果返回管理客户端，管理客户端进行展现。