直放站通信协议之比较

　　【摘要】 直放站通信协议是移动通信运营商所有直放站与分布系统实现监控的前提条件，但目前并无国际标准组的规范可循。

　　本文通过对目前直放站系统因通信协议带来的监控问题，对当前主流直放站通信协议进行比较，以探讨通信协议的合理性、规范性。

　　【关键词】 直放站 监控 直放站监控系统 通信协议

　　一、引言

　　直放站作为一种中继产品，不仅可以在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，而且具有结构简单、投资较少和安装方便等优点，可广泛用于移动信号难于覆盖的盲区和弱区，是实现“小容量、大覆盖”目标的一种优选方案。

　　对直放站设备进行远程监控，可以实时获取设备的各种工作参数，并根据实际需要进行调整，如遇设备故障，可在第一时间内获知并及时派人进行维护，这对于提高设备维护效率和质量，确保设备长期、稳定运行具有重要意义。

　　目前，由于直放站设备厂家各自为政，没有一个统一、合理的监控通信协议，因此直放站市场也出现了一些问题[1]：

　　(1)各地运营商基本同时使用着多个不同设备厂家的直放站及室内覆盖设备，但不同厂家的监控项目功能和设备的监控通信协议各不相同，给运营商的直放站设备统一管理工作带来了很大不便。

　　(2)监控系统应该具有稳定性、可靠性、扩展性、前瞻性等技术能力，可是目前已有的多种通信协议和监控系统已不能满足监控功能扩充、协议扩充、多种类型设备兼容的需求。

　　(3)考虑到未来4G直放站室内覆盖设备的特点及未来新增设备兼容性的需要，制定一套高标准的统一监控技术规范以及建立一个统一的、有前瞻性的直放站覆盖设备监控平台已势在必行。

　　二、直放站监控系统原理

　　直放站监控系统一般由监控单元、通信信道和监控中心三部分组成。

　　监控单元是安装在直放站设备内部的监控电路，它的主要功能包括设备上电初始化与自检，本地信号的采集、控制和处理，与监控中心数据交换等。

　　通信信道完成监控单元与监控中心的物理连接。

　　监控中心的主要职能是对众多厂家提供的多类型、多数量的直放站进行“集中控制，统一监管”。

　　监控中心对直放站的操作主要包括参数设置、数据查询、告警处理三种主业务;直放站作为被监管对象，在被动应答来自监控中心的命令外还必须将当前故障信息以告警命令的形式主动上报给监控中心。

　　监控中心和直放站的通信方式可以是RS232串口直连、有线MODEM拨号和CDMA短信方式、TCP、UDP等。

　　不管采用什么通信方式，直放站统一监控协议只是作为应用层协议[2]，与具体的传输介质、传输手段无关[2]。

　　直放站监控系统基本组成如下图所示：

　　三、 直放站的监控现状

　　由于种种原因，直放站的监控一直没有国际标准化组织的统一规范，也无实际的行业使用规范。

　　近年来，国内外设备厂家大多根据各自的理解和需求，逐步开发了一些直放站监控设备，但数百种产品的监控协议不统一、功能不健全、系统不开放，远不能满足电信级监控需求，运营商几乎无法开展有效的直放站的网络监控和运行管理。

　　所以一直以来直放站设备故障通常都是被动发现，如用户投诉或巡检等， 因此反应速度慢，工作效率低，严重影响了网络质量和网络服务。

　　近年来出现了一些直放站的监控协议，并开展了产品化工作，但这些通信协议由于有先天的缺陷，如各厂家对运营商统一协议理解有歧义、而且对应用层协议格式也不统一。

　　另外还由于厂家设备实现的差异性，即使有统一监控协议封装信息，也不能够完全保证一家对其它厂家设备管理的透彻性和高效性，为此，并没有真正形成电信级的直放站与分布系统的监控功能[3]。

　　四、 当前主流通信监控协议

　　在早期建设过程中，各厂家对直放站监控系统采用的是不同的通信协议，各厂家之间难以实现互联互通，这对建立统一监控系统带来了诸多不便，同时对设备监控性能考核也缺少统一的评判依据。

　　为此，中国联通在CDMA 直放站建设不久就开始关注这一问题并着手寻找解决方案，经过近一年的研讨论证与反复修改，于2002 年底推出了《中国联通CDMA 直放站统一监控管理协议规范》。

　　此标准的颁布执行对规范直放站市场和监控性能的提高具有极其重要的意义，逐渐成为直放站监控领域的技术规范，并逐渐成为各网络运营商制定直放站协议标准的重要参考。

　　在CDMA 统一协议成功应用的同时，统一监控的需求也日益提高，GSM 设备的接入和管理相比之下显得较为混乱，各省分公司和设备供应商都急盼早日制定GSM直放站统一监控协议。

　　为此，并于2004年初正式颁布了《中国联通GSM 直放站综合网络监控管理协议规范》，该标准的颁布为统一监控的实现提供了进一步的便利。

　　中国联通推出的相关监控协议规范也成了当时众多直放站厂家的厂家协议模板。

　　在中国联通CDMA、GSM协议标准相继形成的同时，另一大运营商中国移动也于2005年7月颁布了中国移动直放站设备监控接口技术规范1.0.0，并在全国推行，各直放站厂家也纷纷依据此规范进行通信协议的编码，从而中国两大主流通信监控协议就此形成。

　　五、 两大主流通信监控协议之比较

　　5.1 通信协议功能比较

　　两在主流监控协议在规范监控系统功能方面，都明确了监控系统的具体功能，主要包括设备参数信息：如设备类型、厂家代码、上报号码、版本号等，监控参数信息：如通信方式、查询/设置电话号码等，告警使能：如电源掉电告警使能等，告警状态：如电源掉电等，设置参数：如电平告警门限、功放开关等，实时采样数据：如输出功率等。

　　为此，两大协议都基本上实现了通信协议所需具备的功能项，满足直放站监控的需要。

　　5.2 通信协议结构比较

　　中国联通监控协议为非模块化的设计：所有的监控信息都集中在一条报文中，报文在组装、发送、接收、处理等方面都是不可分割的，这使直放站的监控系统很难实现模块化设计，稳定性和可维护性不强。

　　协议设计也没有充分考虑多帧数据的处理(如建立缓冲区、采用先入先出等)，对监控中心发送的多条数据无法识别其通信顺序，使得多包发送适应能力差，监控功能的实现效率和性能较低。

　　中国移动监控协议采用软件工程理论中倡导的集约式模块化开发设计方法， 使各个模块不仅可以独立安装， 还可以对某个模块单独升级。

　　模块化结构设计方法的关键在于模块间接口的标准化、通用化、规格化程度。

　　笔者将数据协议结构分成模块( 每个模块的规模小到可以管理的程度) ， 然后分别将各个模块隐藏在内部接口后面， 让模块之间通过接口相互交流。

　　监控协议的模块化总体思路是： 承载层模块负责将通信设备驱动收发的字符流转化为协议接入层的监控报文，接入层接收承载层提供的监控协议报文并进行帧识别、差错控制和报文封装等处理， 然后提交给网络层进行目的节点操作数据流的分发， 并分解出操作指令和监控应用层数据单元，监控应用层负责监控对象单元的提取、识别、执行、回应以及设备主动告警信息的形成， 由此实现了各层模块间的独立性和关联性。

　　协议分层结构和模块化设计思路解决了监控协议的灵活组装、升级换代和二次开发等问题， 提高了协议的适应能力。

　　5.3 协议通信方式扩展性比较

　　中国联通监控协议的网络功能扩充性差，其未考虑网络层的存在，很难在现有功能之上再进行扩充。

　　中国移动监控协议采用了目前在通信领域被普遍认同和使用的协议分层的设计思想， 整个体系由承载层、接入层、网络层和监控应用层组成[4]。

　　承载层： 通信的实际链路， 此层确定了数据通信的实际信道类型， 向接入层提供面向字节的数据包。

　　承载层用于适应并实现直放站远程监控的多种通信方式(包括短信、数据传输、GPRS等)， 解决了监控数据流的承载问题。

　　承载层概念的引入， 实现了底层通信链路的可扩展性， 用户可以将通用的底层通信方式各自模块化封装，当出现新的数据链路方式， 通信协议和设备监控模块可以方便地将其接入到监控系统中。

　　接入层： 接入层是网络层与承载层之间的接口， 用于承载层各通信方式之间的匹配， 同时对上层数据进行编码， 以适应和屏蔽不同承载层的特性和差异。

　　由于监控数据流载体的复杂性， 同时为利用各个物理载体的信号特性， 监控数据不宜采用完全一样的数据帧格式， 而是应支持数据传输、GPRS 和短信等多种接入层协议， 实现通信方式的多样性和可扩展性， 这样接入层为上层协议屏蔽了通信信道的细节特征， 并保证网络层协议数据的可靠传输。

　　网络层： 网络层承载监控应用层协议包， 进行数据包寻址处理和分组， 向监控应用层提供本设备需要处理的监控指令和数据， 并可以实现通信包的转发( 转发的包不需要监控应用层来处理) 。

　　网络层提供点对点设备监控信息的交互，提供了网间广播功能， 降低了网络维护的工作量， 提高了网络的灵活度， 还可以通过动态路由技术来克服目前网络需要静态分配网络地址的弊端， 在路由技术支持下， 设备可以选择多个通信链路， 从而适应多种通信方式的监控。

　　监控应用层： 监控应用层针对各种监控所需功能， 实现了面向监控功能的数据组织和数据结构。

　　监控应用层解决了设备监控信息的语法表示问题， 提供格式化的数据表示和数据转换服务， 并提供网络层与上层应用软件之间的接口服务。

　　监控应用层采用最基本的设备状态为基本监控项， 通过对高独立性的基本监控项的算法设计形成告警信息， 从而实现了监控项的高独立性和设备监控功能的自由组合， 使得对单个或多个参量的监控功能操作时不再受相互关联的设备状态信息制约，提高了监控信息的传输效率。

　　同时监控应用层保证了每种监控功能目的单纯、语义清晰， 设备每项监控功能对应特定的一个监控代码和数据类型。

　　监控应用层也帮助系统预留了数据的压缩和解压缩、加密和解密等拓展功能。

　　5.4 协议监控对象自由度比较

　　中国联通监控协议的监控对象不独立，导致监控项的内容相互关联， 当出现告警时，需从上报报文中提取并解析相关信息，获得真正的告警信息，使得单个监控项的操作变得复杂。

　　当增加新的监控项时，需重新定义监控内容，使得系统监控的灵活性无法保证，同时增加了软件代码的冗余，不利于监控算法的形成。

　　协议格式如下图：

　　联通监控协议将多个告警状态信息放在统一格式的数据块中， 当只想设置下行输入功率告警上门限值时， 根据其通信协议的格式要求， 必须同时携带和输入上行输出功率告警上门限的值和下行输出功率告警上门限的值。

　　当出现下行输入过功率告警时， 也必须上报其他两项信息， 并由监控中心进行告警判断和甄别。

　　中国移动监控协议因将各个监控对象作为一个个体而存在的，将每个设备运行状态封装在各自独立的数据块， 如果用户只想设置下行输入功率告警上门限值， 则用户只需输入此值， 无须携带其他冗余的监控信息。

　　其协议格式如下图所示

　　5.5 协议告警处理机制比较

　　中国联通监控协议的告警处理机制是以实时告警的方式来上报告警和告警恢复的，这在告警的及时性上是比较好的机制，但在直放站实际工作环境中常出现恶劣环境，从而导致设备的运行状态在短时间发生频繁切，为此上报大量的重复告警和误告警。

　　中国移动监控协议制订了“9 次告警重发机制”(即告警3 min 确认机制”：每2 s采样1 次，3 min 共采样90 次，当采样处于告警状态的次数大于等于上门( 如40%， 即36 次)时，设备就上报告警，当采样处于告警状态的次数小于等于下门限( 如10%， 即正常状态的次数大于等于81 次) 时， 才可上报告警恢复正常的信息，而且当直放站连续3次上报告警信息后末收到监控中心的回应包的，如果上传失败，直放站停止告警。

　　在间隔一个规定的时间(3小时)后，继续上报告警，如果再连续3次失败，则在间隔一个规定的时间后继续，共循环3次，即9次重发机制)、“告警使能机制”、“告警屏蔽机制”、“告警同步机制”等， 建立了完善、合理、可靠的告警处理机制，在防止监控中心频繁收到重复告警和误告警方面起了明显效果。

　　六、结束语

　　两大主流监控协议在各自的领域都发挥着重要的作用，在当前网络发展阶段，对当前在网的直放站及分布系统的监控及综合监控建设都起着重要的作用。

　　虽然中国移动监控协议比中国联通监控协议在模块化、结构、可扩展性等方面更有优势，但协议在站点编号、多级站点还可以改进其扩展性，以符合更多类型、更多网络结构的设备接入，如接入GSM、WCDMA、TD-SCDMA、cdma 1X、cdma 2000、TD-LTE、LTE FDD、WLAN、固网宽带等系统的光纤分布系统设备[5]。

　　直放站监控协议的制订是一项严谨、科学、系统的工作，也是一项不断完善的工作，随着4G网络的发展及逐步接入电信级监控的发展趋势，两大主流通信监控协议合二为一或是另定义标准协议也可以是后续的研究方向。

　　参考文献

　　[1]许奕，直放站监控规范的研究与应用，通信世界，2007年3月，第10期，20

　　[2].中国联通，中国联通CDMA直放站综合网络监控管理协议规范V2.0，2004，7

　　[3]胡宪华，吴捷，直放站与分布系统监控协议的研究与开发，电信科学，2006年第11期，26-27

　　[4]中国移动通信有限公司，中国移动直放站设备监控接口技术规范1.0.0，2005.7，49

　　[5]中国泰尔实验室，光纤分布系统网管接口技术要求(初稿)，2014.2，1

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