车地协同的高速铁路宽带通信系统集散式网络管理系统及方法技术方案

车地协同的高速铁路宽带通信系统集散式网络管理系统及方法，包括：车载网络管理分系统、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系统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。本发明专利技术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系统的高效、合理的管理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种网络管理系统及方法，特别是涉及一种适用于高速铁路宽带通信系统的网络管理系统及方法。
技术介绍
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 (通用移动通信系统)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系统，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系统，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系统标准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系统专网设计被重点关注。该系统包括车载网子系统、接入网子系统和核心网子系统三个部分。系统总体框架图如图1所示。车载网子系统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。接入网子系统包括基站eNodeB，由基带处理单元BBU和无线远端单元RRU组成。核心网子系统包括移动管理设备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系统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系统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，高速铁路宽带通信系统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:( I)网络管理对象的特殊性高速铁路宽带通信系统的管理除了包括传统的接入网和核心网子系统，还将车载网子系统纳入了管理范畴。车载网子系统随列车高速移动，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，传统的网络管理系统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系统其网络结构简单，而车载子系统内的网元种类较多，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。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种，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。本专利技术技术解决方案:车地协同的高速铁路宽带通信系统集散式网络管理系统，包括车载网络管理分系统、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/Jn ο所述车载网络管理分系统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系统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系统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，过滤出车载网子系统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系统的运行状态，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系统中的本地数据库，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系统和车载网子系统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系统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，提供对车载网子系统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系统的管理功倉泛;地面网络管理中心，实现对地面的接入网子系统、核心网子系统和各个车载网子系统的集中管理，是整个网络管理系统的核心，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，实现对接入网子系统、核心网子系统中的网元和车载网子系统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，对地面接入网子系统、核心网子系统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，对接入网子系统、核心网子系统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系统、核心网子系统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本文档来自技高网...

【技术保护点】
车地协同的高速铁路宽带通信系统集散式网络管理系统，其特征在于包括：车载网络管理分系统、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系统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系统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系统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，过滤出车载网子系统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系统的运行状态，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系统中的本地数据库，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系统及车载网子系统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系统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，提供对车载网子系统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系统的管理功能；地面网络管理中心，实现对地面的高速铁路宽带通信系统中地面接入网子系统、核心网子系统和各个车载网子系统的集中管理，是整个网络管理系统的核心，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，实现对接入网子系统、核心网子系统中的网元和车载网子系统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，对地面接入网子系统、核心网子系统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，对接入网子系统、核心网子系统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系统、核心网子系统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系统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系统、核心网子系统和车载网子系统在内的系统的拓扑信息、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，将接入网子系统、核心网子系统和车载网子系统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...

【技术特征摘要】
1.车地协同的高速铁路宽带通信系统集散式网络管理系统，其特征在于包括:车载网络管理分系统、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系统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系统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系统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，过滤出车载网子系统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系统的运行状态，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系统中的本地数据库，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系统及车载网子系统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系统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 供对车载网子系统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系统的管理功能； 地面网络管理中心，实现对地面的高速铁路宽带通信系统中地面接入网子系统、核心网子系统和各个车载网子系统的集中管理，是整个网络管理系统的核心，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，实现对接入网子系统、核心网子系统中的网元和车载网子系统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，对地面接入网子系统、核心网子系统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，对接入网子系统、核心网子系统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系统、核心网子系统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系统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系统、核心网子系统和车载网子系统在内的系统的拓扑信息、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，将接入网子系统、核心网子系统和车载网子系统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、...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑刚，朱登科，胡晓惠，徐帆江，葛淑云，周攀峰，
申请(专利权)人：中国科学院软件研究所，中国铁路通信信号股份有限公司，
类型：发明
国别省市：