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直放站通信協議之比較
直放站通信協議之比較
【摘要】 直放站通信協議是移動通信運營商所有直放站與分布系統實現監控的前提條件，但目前并無國際標準組的規范可循。
本文通過對目前直放站系統因通信協議帶來的監控問題，對當前主流直放站通信協議進行比較，以探討通信協議的合理性、規范性。
【關鍵詞】 直放站 監控 直放站監控系統 通信協議
一、引言
直放站作為一種中繼產品，不僅可以在不增加基站數量的前提下保證網絡覆蓋，而且具有結構簡單、投資較少和安裝方便等優點，可廣泛用于移動信號難于覆蓋的盲區和弱區，是實現“小容量、大覆蓋”目標的一種優選方案。
對直放站設備進行遠程監控，可以實時獲取設備的各種工作參數，并根據實際需要進行調整，如遇設備故障，可在第一時間內獲知并及時派人進行維護，這對于提高設備維護效率和質量，確保設備長期、穩定運行具有重要意義。
目前，由于直放站設備廠家各自為政，沒有一個統一、合理的監控通信協議，因此直放站市場也出現了一些問題[1]：
(1)各地運營商基本同時使用著多個不同設備廠家的直放站及室內覆蓋設備，但不同廠家的監控項目功能和設備的監控通信協議各不相同，給運營商的直放站設備統一管理工作帶來了很大不便。
(2)監控系統應該具有穩定性、可靠性、擴展性、前瞻性等技術能力，可是目前已有的多種通信協議和監控系統已不能滿足監控功能擴充、協議擴充、多種類型設備兼容的需求。
(3)考慮到未來4G直放站室內覆蓋設備的特點及未來新增設備兼容性的需要，制定一套高標準的統一監控技術規范以及建立一個統一的、有前瞻性的直放站覆蓋設備監控平臺已勢在必行。
二、直放站監控系統原理
直放站監控系統一般由監控單元、通信信道和監控中心三部分組成。
監控單元是安裝在直放站設備內部的監控電路，它的主要功能包括設備上電初始化與自檢，本地信號的采集、控制和處理，與監控中心數據交換等。
通信信道完成監控單元與監控中心的物理連接。
監控中心的主要職能是對眾多廠家提供的多類型、多數量的直放站進行“集中控制，統一監管”。
監控中心對直放站的操作主要包括參數設置、數據查詢、告警處理三種主業務;直放站作為被監管對象，在被動應答來自監控中心的命令外還必須將當前故障信息以告警命令的形式主動上報給監控中心。
監控中心和直放站的通信方式可以是RS232串口直連、有線MODEM撥號和CDMA短信方式、TCP、UDP等。
不管采用什么通信方式，直放站統一監控協議只是作為應用層協議[2]，與具體的傳輸介質、傳輸手段無關[2]。
直放站監控系統基本組成如下圖所示：
三、 直放站的監控現狀
由于種種原因，直放站的監控一直沒有國際標準化組織的統一規范，也無實際的行業使用規范。
近年來，國內外設備廠家大多根據各自的理解和需求，逐步開發了一些直放站監控設備，但數百種產品的監控協議不統一、功能不健全、系統不開放，遠不能滿足電信級監控需求，運營商幾乎無法開展有效的直放站的網絡監控和運行管理。
所以一直以來直放站設備故障通常都是被動發現，如用戶投訴或巡檢等， 因此反應速度慢，工作效率低，嚴重影響了網絡質量和網絡服務。
近年來出現了一些直放站的監控協議，并開展了產品化工作，但這些通信協議由于有先天的缺陷，如各廠家對運營商統一協議理解有歧義、而且對應用層協議格式也不統一。
另外還由于廠家設備實現的差異性，即使有統一監控協議封裝信息，也不能夠完全保證一家對其它廠家設備管理的透徹性和高效性，為此，并沒有真正形成電信級的直放站與分布系統的監控功能[3]。
四、 當前主流通信監控協議
在早期建設過程中，各廠家對直放站監控系統采用的是不同的通信協議，各廠家之間難以實現互聯互通，這對建立統一監控系統帶來了諸多不便，同時對設備監控性能考核也缺少統一的評判依據。
為此，中國聯通在CDMA 直放站建設不久就開始關注這一問題并著手尋找解決方案，經過近一年的研討論證與反復修改，于2002 年底推出了《中國聯通CDMA 直放站統一監控管理協議規范》。
此標準的頒布執行對規范直放站市場和監控性能的提高具有極其重要的意義，逐漸成為直放站監控領域的技術規范，并逐漸成為各網絡運營商制定直放站協議標準的重要參考。
在CDMA 統一協議成功應用的同時，統一監控的需求也日益提高，GSM 設備的接入和管理相比之下顯得較為混亂，各省分公司和設備供應商都急盼早日制定GSM直放站統一監控協議。
為此，并于2004年初正式頒布了《中國聯通GSM 直放站綜合網絡監控管理協議規范》，該標準的頒布為統一監控的實現提供了進一步的便利。
中國聯通推出的相關監控協議規范也成了當時眾多直放站廠家的廠家協議模板。
在中國聯通CDMA、GSM協議標準相繼形成的同時，另一大運營商中國移動也于2005年7月頒布了中國移動直放站設備監控接口技術規范1.0.0，并在全國推行，各直放站廠家也紛紛依據此規范進行通信協議的編碼，從而中國兩大主流通信監控協議就此形成。
五、 兩大主流通信監控協議之比較
5.1 通信協議功能比較
兩在主流監控協議在規范監控系統功能方面，都明確了監控系統的具體功能，主要包括設備參數信息：如設備類型、廠家代碼、上報號碼、版本號等，監控參數信息：如通信方式、查詢/設置電話號碼等，告警使能：如電源掉電告警使能等，告警狀態：如電源掉電等，設置參數：如電平告警門限、功放開關等，實時采樣數據：如輸出功率等。
為此，兩大協議都基本上實現了通信協議所需具備的功能項，滿足直放站監控的需要。
5.2 通信協議結構比較
中國聯通監控協議為非模塊化的設計：所有的監控信息都集中在一條報文中，報文在組裝、發送、接收、處理等方面都是不可分割的，這使直放站的監控系統很難實現模塊化設計，穩定性和可維護性不強。
協議設計也沒有充分考慮多幀數據的處理(如建立緩沖區、采用先入先出等)，對監控中心發送的多條數據無法識別其通信順序，使得多包發送適應能力差，監控功能的實現效率和性能較低。
中國移動監控協議采用軟件工程理論中倡導的集約式模塊化開發設計方法， 使各個模塊不僅可以獨立安裝， 還可以對某個模塊單獨升級。
模塊化結構設計方法的關鍵在于模塊間接口的標準化、通用化、規格化程度。
筆者將數據協議結構分成模塊( 每個模塊的規模小到可以管理的程度) ， 然后分別將各個模塊隱藏在內部接口后面， 讓模塊之間通過接口相互交流。
監控協議的模塊化總體思路是： 承載層模塊負責將通信設備驅動收發的字符流轉化為協議接入層的監控報文，接入層接收承載層提供的監控協議報文并進行幀識別、差錯控制和報文封裝等處理， 然后提交給網絡層進行目的節點操作數據流的分發， 并分解出操作指令和監控應用層數據單元，監控應用層負責監控對象單元的提取、識別、執行、回應以及設備主動告警信息的形成， 由此實現了各層模塊間的獨立性和關聯性。
協議分層結構和模塊化設計思路解決了監控協議的靈活組裝、升級換代和二次開發等問題， 提高了協議的適應能力。
5.3 協議通信方式擴展性比較
中國聯通監控協議的網絡功能擴充性差，其未考慮網絡層的存在，很難在現有功能之上再進行擴充。
中國移動監控協議采用了目前在通信領域被普遍認同和使用的協議分層的設計思想， 整個體系由承載層、接入層、網絡層和監控應用層組成[4]。
承載層： 通信的實際鏈路， 此層確定了數據通信的實際信道類型， 向接入層提供面向字節的數據包。
承載層用于適應并實現直放站遠程監控的多種通信方式(包括短信、數據傳輸、GPRS等)， 解決了監控數據流的承載問題。
承載層概念的引入， 實現了底層通信鏈路的可擴展性， 用戶可以將通用的底層通信方式各自模塊化封裝，當出現新的數據鏈路方式， 通信協議和設備監控模塊可以方便地將其接入到監控系統中。
接入層： 接入層是網絡層與承載層之間的接口， 用于承載層各通信方式之間的匹配， 同時對上層數據進行編碼， 以適應和屏蔽不同承載層的特性和差異。
由于監控數據流載體的復雜性， 同時為利用各個物理載體的信號特性， 監控數據不宜采用完全一樣的數據幀格式， 而是應支持數據傳輸、GPRS 和短信等多種接入層協議， 實現通信方式的多樣性和可擴展性， 這樣接入層為上層協議屏蔽了通信信道的細節特征， 并保證網絡層協議數據的可靠傳輸。
網絡層： 網絡層承載監控應用層協議包， 進行數據包尋址處理和分組， 向監控應用層提供本設備需要處理的監控指令和數據， 并可以實現通信包的轉發( 轉發的包不需要監控應用層來處理) 。
網絡層提供點對點設備監控信息的交互，提供了網間廣播功能， 降低了網絡維護的工作量， 提高了網絡的靈活度， 還可以通過動態路由技術來克服目前網絡需要靜態分配網絡地址的弊端， 在路由技術支持下， 設備可以選擇多個通信鏈路， 從而適應多種通信方式的監控。
監控應用層： 監控應用層針對各種監控所需功能， 實現了面向監控功能的數據組織和數據結構。
監控應用層解決了設備監控信息的語法表示問題， 提供格式化的數據表示和數據轉換服務， 并提供網絡層與上層應用軟件之間的接口服務。
監控應用層采用最基本的設備狀態為基本監控項， 通過對高獨立性的基本監控項的算法設計形成告警信息， 從而實現了監控項的高獨立性和設備監控功能的自由組合， 使得對單個或多個參量的監控功能操作時不再受相互關聯的設備狀態信息制約，提高了監控信息的傳輸效率。
同時監控應用層保證了每種監控功能目的單純、語義清晰， 設備每項監控功能對應特定的一個監控代碼和數據類型。
監控應用層也幫助系統預留了數據的壓縮和解壓縮、加密和解密等拓展功能。
5.4 協議監控對象自由度比較
中國聯通監控協議的監控對象不獨立，導致監控項的內容相互關聯， 當出現告警時，需從上報報文中提取并解析相關信息，獲得真正的告警信息，使得單個監控項的操作變得復雜。
當增加新的監控項時，需重新定義監控內容，使得系統監控的靈活性無法保證，同時增加了軟件代碼的冗余，不利于監控算法的形成。
協議格式如下圖：
聯通監控協議將多個告警狀態信息放在統一格式的數據塊中， 當只想設置下行輸入功率告警上門限值時， 根據其通信協議的格式要求， 必須同時攜帶和輸入上行輸出功率告警上門限的值和下行輸出功率告警上門限的值。
當出現下行輸入過功率告警時， 也必須上報其他兩項信息， 并由監控中心進行告警判斷和甄別。
中國移動監控協議因將各個監控對象作為一個個體而存在的，將每個設備運行狀態封裝在各自獨立的數據塊， 如果用戶只想設置下行輸入功率告警上門限值， 則用戶只需輸入此值， 無須攜帶其他冗余的監控信息。
其協議格式如下圖所示
5.5 協議告警處理機制比較
中國聯通監控協議的告警處理機制是以實時告警的方式來上報告警和告警恢復的，這在告警的及時性上是比較好的機制，但在直放站實際工作環境中常出現惡劣環境，從而導致設備的運行狀態在短時間發生頻繁切，為此上報大量的重復告警和誤告警。
中國移動監控協議制訂了“9 次告警重發機制”(即告警3 min 確認機制”：每2 s采樣1 次，3 min 共采樣90 次，當采樣處于告警狀態的次數大于等于上門( 如40%， 即36 次)時，設備就上報告警，當采樣處于告警狀態的次數小于等于下門限( 如10%， 即正常狀態的次數大于等于81 次) 時， 才可上報告警恢復正常的信息，而且當直放站連續3次上報告警信息后末收到監控中心的回應包的，如果上傳失敗，直放站停止告警。
在間隔一個規定的時間(3小時)后，繼續上報告警，如果再連續3次失敗，則在間隔一個規定的時間后繼續，共循環3次，即9次重發機制)、“告警使能機制”、“告警屏蔽機制”、“告警同步機制”等， 建立了完善、合理、可靠的告警處理機制，在防止監控中心頻繁收到重復告警和誤告警方面起了明顯效果。
六、結束語
兩大主流監控協議在各自的領域都發揮著重要的作用，在當前網絡發展階段，對當前在網的直放站及分布系統的監控及綜合監控建設都起著重要的作用。
雖然中國移動監控協議比中國聯通監控協議在模塊化、結構、可擴展性等方面更有優勢，但協議在站點編號、多級站點還可以改進其擴展性，以符合更多類型、更多網絡結構的設備接入，如接入GSM、WCDMA、TD-SCDMA、cdma 1X、cdma 2000、TD-LTE、LTE FDD、WLAN、固網寬帶等系統的光纖分布系統設備[5]。
直放站監控協議的制訂是一項嚴謹、科學、系統的工作，也是一項不斷完善的工作，隨著4G網絡的發展及逐步接入電信級監控的發展趨勢，兩大主流通信監控協議合二為一或是另定義標準協議也可以是后續的研究方向。
參考文獻
[1]許奕，直放站監控規范的研究與應用，通信世界，2007年3月，第10期，20
[2].中國聯通，中國聯通CDMA直放站綜合網絡監控管理協議規范V2.0，2004，7
[3]胡憲華，吳捷，直放站與分布系統監控協議的研究與開發，電信科學，2006年第11期，26-27
[4]中國移動通信有限公司，中國移動直放站設備監控接口技術規范1.0.0，2005.7，49
[5]中國泰爾實驗室，光纖分布系統網管接口技術要求(初稿)，2014.2，1
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