（通信与信息系统专业论文）wcdma数字光纤直放站监控终端的研究与设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 直放站是一种在无线通信传输过程中起信号增强作用的无线电发射中转设 备，以其成本低、架设简单、能够提高网络覆盖等优势，在通信网络中被广泛应 用。为保证直放站的正常运行，必须由一个管理系统来进行管理，这个管理系统 被称为直放站监控子系统，随时监控直放站各种工作参数和故障情况。直放站监 控子系统包括监控中心、通信信道和监控终端，本文主要对其监控终端子系统进 行分析研究，完成了设计和开发任务。 本文针对现有直放站监控终端可靠性不高、实时性不强和软件升级不便等问 题，通过对w c d m a 数字光纤直放站监控需求的分析、监控终端架构的规划和控 制平台的对比选择，设计了一种稳定可靠、支持g p r s 升级并且容易扩展的设计 方案。设计以嵌入式微处理器为核心，使用w c d m am o d e m 与远程监控中心o m c 建立无线连接，支持o m c 通过短信和g p r s 方式对w c d m a 数字光纤直放站的 配置管理、告警管理、性能数据采集和g p r s 软件升级，同时也支持o m t 通过 r s 2 3 2 方式与监控终端建立本地通信。 结合3 g 直放站监控子系统南向接口技术规范和3 g 直放站监控数据要 求的功能需求、数据需求和性能需求，本文首先设计出监控终端的物理模型， 通过分析对比，选择确定了硬件和软件平台架构，即以s 3 c 4 4 8 0 + u c l i n u x 作为基 本架构，按照嵌入式软件分层思想和设计流程，搭建嵌入式软件开发环境。以模 块化设计思路将监控终端底层软件细分为六大功能模块，并对各功能模块详细设 计，实现监控终端与o m t o m c 的本地通信和远程通信。最后对所设计出的监控 终端进行联机测试，分析出现的问题并解决处理。 根据中国联合网络通信集团有限公司哈尔滨分公司5 个多月的实际运行情况 及其分析，本文所设计开发的w c d m a 数字光纤直放站稳定可靠、软件升级方便、 易扩展，达到了开发目标。 关键词：光纤直放站、直放站监控终端、嵌入式开发、w c d m am o d e m i 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t r e p e a t e ri sar a d i ot r a n s m i s s i o nt r a n s f e re q u i p m e n ta n di sw i d e l yu s e di nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 、 ，i t l li t sl o wc o s t ，e a s ys e t t i n gu p ，a n do t h e ra d v a n t a g eo f i m p r o v i n gn e t w o r kc o v e r a g e t oe n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no fr e p e a t e r s ，t h e r em u s t b eam a n a g e m e n t s y s t e mm o n i t o r i n gv a r i o u so p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dt h ef a u l t c o n d i t i o n sa t a n yt i m e t h i sm a n a g e m e n ts y s t e m i sc a l l e dr e p e a t e rm o n i t o r i n g s u b s y s t e ma n dc o n s i s t so fm o n i t o r i n gc e n t e r , c o m m u n i c a t i o nc h a n n e la n dm o n i t o r i n g t e r m i n a l t h em o n i t o r i n gt e r m i n a li sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt oa c t u a l i t yo ft h er e p e a t e rm o n i t o r i n gt e r m i n a l s ，ar e l i a b l ed e s i g ni s p r o p o s e dw h i c hi se a s i l ye x p a n d e da n ds u p p o r t i n gg p r su p g r a d e i tc o m b i n e sw i t ht h e a n a l y s i so fw c d m ad i g i t a lf i b e r - o p t i cr e p e a t e rm o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t ，t h ep l a n n i n g o ft e r m i n a ls t r u c t u r ea n dt h ec h o i c eo fc o n t r o lp l a t f o r m ，i nt h ed e s i g n ，a ne m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ri st h ec o r e ，a n daw c d m am o d e mi s u s e dt oe s t a b l i s haw i r e l e s s c o n n e c t i o n 谢t 1 1t h e o p e r a t em a i n t e n a n c ec e n t e r ( o m c ) t os u p p o r tc o n f i g u r a t i o n m a n a g e m e n t , a l a r mm a n a g e m e n ta n dp e r f o r m a n c ed a t ac o l l e c t i o nt h r o u g hs m sa n d g p r s t h eo p e r a t em a i n t e n a n c et e r m i n a l ( o m t ) c a na l s oc o m m u n i c a t e 诵mt h e m o n i t o r i n gt e r m i n a lt h r o u g hr s - 2 3 2 c o m b i n i n gw i t ht h e3 gr e p e a t e rm o n i t o r i n gs u b s y s t e mi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o na n d d a t ar e q u i r e m e n tc r i t e r i o n , ap h y s i c a lm o d e lo ft h em o n i t o r i n gt e r m i n a li s d e s i g n e d f i r s t l y t h e nt h eb a s i cf r a m e w o r ks 3 c 4 4 8 0 + u c l i n u xi sd e t e r m i n e dt h r o u g ha n a l y s i s a n dc o n t r a s t , a n da ne m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sb u i l ti n a c c o r d a n c ew i t i le m b e d d e ds o f t w a r e d e s i g np r o c e s s t h e b o t t o ms o f t w a r ef o r m o n i t o r i n gt e r m i n a l i ss u b d i v i d e di n t os i xs o f t w a r ef u n c t i o n a lm o d u l e s ，a n de a c h m o d u l ei sd e t a i l e dd e s i g n e dt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o n i t o r i n gt e r m i n a l a n do m c o m t f i n a l l y ，t h em o n i t o r i n gt e r m i n a li st e s t e d ，a n dp r o b l e m sa r ea n a l y z e d a n dr e s o l v e d a c c o r d i n gt oa c t u a lo p e r a t i o no f t h em o n i t o r i n gt e r m i n a lf o rm o r et h a n5m o n t h si n h a r b i nb r a n c ho fc h i n au n i c o m ，t h em o n i t o r i n gt e r m i n a ld e s i g n e di nt h i sp a p e rf o r w c d m a d i g i t a lf i b e r - o p t i cr e p e a t e ri sr e l i a b l e ，u p g r a d i n gc o n v e n i e n t l y ，a n de a s yt o e x p a n d ，a n di tr e a c h e st h ed e v e l o p m e n tg o a l s k e yw o r d s ：f i b e r - o p t i cr e p e a t e r ，r e p e a t e rm o n i t o r i n gt e r m i n a l ， e m b e d d e dd e v e l o p m e n t ，w c d m am o d e m i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近几年来，随着移动通信技术的高速发展，移动通信用户数量的迅猛上升， 新技术和新业务的广泛应用，无线频率资源和网络容量显得日趋紧张，与此同时， 还存在很多覆盖不到的信号盲区，如农村和山区、旅游风景区、隧道、公路、铁 路、别墅和楼宇内部、电梯内部等地方，为了解决这些问题，需要对无线信号进 行补充覆盖，但架设基站成本高、操作复杂，最经济快速的方法就是采用移动通 信中继设备直放站i lj 。直放站既可以增强信号延伸基站的覆盖范围，还能够提 高网络传播速度，在降低网络运行成本方面也发挥了重要作用，因此，直放站在 移动通信网络覆盖中的地位已日趋重要【z ，) j 。 目前，3 g 移动通信在全球各地大量地应用，其高质量的多媒体业务，全球漫 游、无缝覆盖，与固定网络相兼容等特点为用户提供了很大的便利，但与此同时 3 g 系统也存在一些弊端，由于3 g 无线通信系统主要使用的频段在2 0 0 0 m h z 附近， 根据电波传播衰减规律，3 g 无线信号比2 g 无线信号衰减得更快，这样，在同等 功率情况下的3 g 基站和直放站的覆盖范围都比2 g 的要d d 4 j 。所以在达到与2 g 网络同等的覆盖水平时，需要更多的直放站来完成网络覆盖。 w c d m a 系统是3 g 主流技术之一，在全球应用范围最广泛，中国联通已建成 了全球最大的w c d m a 网络。w c d m a 系统的基带信号可以通过数字光纤传输技 术传到远处，并恢复射频，采用的技术之一是数字光纤直放站。数字光纤直放站 也可用作载波池拉远，拉远距离取决于小区覆盖半径和光在光纤上的传输速度， 经计算，最远可达6 0 k m 以上；数字光纤直放站还可应用于扩大高速数据用户的覆 盖区，在w c d m a 系统中，近处手机的数据速率高，远处手机的数据速率低，有 了w c d m a 直放站能够很好的克服这个问题【5 】。另外，数字光纤直放站也可作为 室内分布系统的信号源，可保证高速数据用户接入。 由于直放站的应用越来越多，需要大量的日常维护工作来保证直放站系统的 正常运行，但直放站多数放置在偏远地区或者环境比较恶劣的地方，维护起来具 有一定难度，工作人员很难及时赶到现场排除故障。为使直放站系统在无人值守 的情况下仍然能够稳定可靠地运行，直放站监控子系统应运而生，工作人员在监 控中心就可以全面掌握直放站的运行状况，当直放站出现故障时第一时间得知并 有效地解决问题1 6 7 j 。与2 g 直放站相比，3 g 直放站监控的范围更加全面，监控数 据越来越多，对直放站监控子系统的性能有更高的要求，如实时性、数据包发送 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的可靠性、串口数据的正确性等，因此，监控系统从硬件到软件都应有不同程度 的优化和提升。直放站监控子系统包括监控中心、通信信道和监控终端三部分， 其中的监控终端是整个监控系统的关键1 8 , 9 】，对直放站监控终端的研究具有重要意 义。 1 2 研究现状 在国内，几家大型直放站生产企业比如广州京信、武汉虹信、阿尔创、福建 三元达等，他们的监控系统各有特点，经过分析和总结，目前的直放站监控终端 大致可以分为以下两种方案： 第一，单片机加总线构架。该构架的原理是把整个复杂的监控任务划分成几 个相对独立的且实现功能相对简单的模块来实现。每一个模块的硬件以一片8 位 1 6 位单片机为核心，辅以外设构建；软件上采用前后台系统设计。模块之间具 有主从关系，主模块负责把握全局，即与监控中心进行通信，按时间片轮循从模 块以取得设备的运行参数并储存等；从模块通常安装在各射频模块中，负责采集 模块的运行状态并保存以备主模块查询所用；主从模块之间使用支持一主多从的 总线方式进行通信，如r s 4 8 5 t 。 单片机+ 总线构架的优点是能够降低任务模块的相关度，从而降低系统联调的 难度；再者各个模块的设计可同时进行且开发难度较低，在系统设计初期可减少 系统开发的时间。但该构架也有自身的弊端。首先，可靠性不高，从模块处于射 频模块中的干扰强烈，单片机程序运行时容易出现异常、出错、跑飞等状况，虽 然软硬件抗干扰技术在一定程度上弥补了这种缺陷，但并没有完全解决【l o 】：其次， 系统功能升级周期比较长，如果监控协议需要做修改，任务模块就要重新划分或 者是软件添加相应补丁，这两种方式的程序修改工作量都非常大；再次，数据采 集信息通过串行通信取得，数据的处理速度慢，数据的传输量小，因而实时性得 不到保障。程序由一个主循环控制，主程序通过判断不同的标志来循环调用各个 功能函数，被调用的模块按顺序运行，除了中断服务程序之外，各程序模块没有 优先级的区别，只能被主循环简单地轮转调用，因此实时性差，响应时长无法预 料。在循环过程中，当一个任务申请不到资源，或者由于某种特殊原因无法跳出 循环体时，其他任务就得不到响应。 第二，嵌入式系统架构。该方案大多使用p h i l i p s 公司a r m 微处理器，包 括l p c 2 1 0 0 系列和l p c 2 2 0 0 系列，并在其上移植u c o s 嵌入式操作系统来实现。 这种嵌入式系统架构极大地改造了监控终端软件的硬件平台，较单片机模式的监 控终端有非常大的优势。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 然而，由于3 g 直放站监控智能化程度越来越高，监控数据成倍增长，需要完 成查询和设置的参数量越来越多，监控单元的软件功能也逐渐由单一化转向多元 化，在不断升级并逐渐完善，以达到更高的要求和水准。p c o s 嵌入式操作系 统没有大量丰富的a p i ，功能比较少，不方便进行功能上的扩展，同时也不支持 t c p i p 协议栈【1 1 1 ，很难扩展网络功能；l p c 系列微处理器不是主流的a r m 7 c p u ， 封装形式不太方便布线，其内部资源也不够丰富，运行不够稳定可靠【1 1 】。因此， l p c + i i t c o s 架构不能很好地适应3 g 直放站监控的发展要求，需要做进一步的改 进。 1 3 本设计主要工作及章节安排 本课题来源于实习单位，整个监控系统的设计由公司研发部监控小组完成， 本人主要负责w c d m a 数字光纤直放站监控子系统中直放站近端机监控终端的软 件设计，与所有工作人员配合完成整个监控系统的研制，对于直放站监控子系统 中的其他部分并没有参与设计，主要在于应用，文中提到的硬件平台架构是为了 软件开发做准备的，因此，论文的重点是在嵌入式硬件开发平台基础之上对底层 监控软件进行设计。 课题依照3 g 直放站监控子系统南向接口技术规范、3 g 直放站监控数据 要求对w c d 凇数字光纤直放站监控的功能需求、数据需求和性能需求，研究 并设计了w c d m a 数字光纤直放站监控终端。使用嵌入式微处理器$ 3 c 4 4 8 0 作为 硬件开发平台，在其上移植嵌入式操作系统u c l i n u x ，并对监控软件进行设计，最 后通过联机测试验证监控终端的功能和性能。 本设计的研究内容有： ( 1 ) 直放站及其监控子系统的基本原理，重点研究了w c d m a 数字光纤直放站 的工作原理、直放站监控系统的工作原理和直放站监控终端的工作原理。 ( 2 ) 研究了3 g 直放站监控子系统南向接口技术规范、3 g 直放站监控数据 要求协议内容，总结w c d m a 数字光纤直放站监控终端应具备的基本功能、基 本性能和监控数据列表。 ( 3 ) 设计了w c d m a 数字光纤直放站监控终端的应用软件，实现监控终端的本 地通信功能、远程通信功能和远程升级功能，并在联机测试中进行验证。 本设计分为六章，各章的主要内容安排如下： 第一章分析本课题的研究背景和研究现状，说明本设计的研究内容和章节安 排。 第二章本章主要对直放站及直放站监控子系统的基础知识进行介绍。首先给 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 出直放站的定义、分类及其工作原理，详细介绍了w c d m a 数字光纤直放站的结 构框图和具体工作过程。然后对直放站监控子系统的组成和工作原理进行说明， 描述了直放站监控子系统的发展历程。最后介绍了嵌入式监控终端的工作原理。 第三章参照9 3 g 直放站监控子系统南向接口技术规范、3 g 直放站监控数 据要求协议规范，明确w c d m a 数字光纤直放站监控应满足的功能需求、数据 需求和性能需求：根据以上需求建立直放站监控终端的逻辑结构和物理结构，最 后对嵌入式微处理器、嵌入式操作系统及开发工具进行了选择，确定了 s 3 c 4 4 8 0 + u c l i n u x 的架构。 第四章设计直放站监控终端的硬件系统结构，搭建软件开发环境，分析监控 终端的通信协议，在此基础上按照模块化设计思路将底层监控软件划分为六个功 能模块，分别对本地通信模块、远程通信模块、监控协议处理模块、数字中频透 传模块、数字中频及射频控制模块和告警采样模块进行设计。 第五章对本设计的w c d m a 数字光纤直放站监控终端进行功能测试和性能 测试，并对测试当中涉及到的典型问题进行分析解决，进一步完善设计内容。 第六章总结本设计所做的工作，探讨进一步的研究方向。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章直放站及其监控系统 第二章直放站及其监控系统 2 1 直放站简介 2 1 1 直放站及分类 ，鱼自 图2 1 直放站在通信系统中的位置 直放站在下行链路中由施主天线拾取来自于基站的信号，该信号经过双工器、 低噪声小功率放大器、滤波器、下行驱动功率放大器后，信号得到增强，之后由 转发天线直接发送到无线信号盲区或微弱区，以达到增大下行覆盖范围以及提高 覆盖质量的目的；在上行链路中，按照类似的工作方式由重发天线拾取覆盖区内 来自移动终端的信号，经过上行放大链路滤波、放大处理后进一步传递并发射到 相应基站，从而完成基站与移动终端之间的通信。 衡量直放站性能的指标主要有：发射功率以及波长( 即频率) 、效率、增益( 是 指对信号的放大能力) 、o i p 3 ( o u t p u t3 r do r d e ri n t e r c e p tp o i n t ) 、i i p 3 ( i n p u t3 r d o r d e ri n t e r c e p tp o i n t ) 、底噪声电平、a c p r ( 邻信道功率比) 、噪声系数、e v m ( 误 差向量幅度) 、抗干扰能力( 包括隔离度、抗阻塞能力、抗自激能力、对无用信号 的抑制能力和消除能力) 、整机可靠性( 高低温、高低压、高低湿、e m c 性能、防 尘防水等环境适应性能) 、智能化程度( 本地监控、远程遥测遥控、适时的预校正 能力、整机适时状态的监测和控制、自适应智能直放站等等) 。 按照不同的分类方式，移动通信直放站可以被分为多种不同的类型【1 2 1 ，如表 2 1 所示。 表2 1 直放站的分类 5 重庆邮电大学硕士论文第二章直放站及其监控系统 g s m ( d c s ) 直放站、c d m a 直放站、 传输信号 t d s c d m a 直放站、w c d m a 直放站、 c d m a 2 0 0 0 直放站、t d l t e 直放站、 t e t r a 直放站 传输带宽宽带直放站、选频( 选信道) 直放站 传输方式无线直放站、光纤直放站、移频直放站 2 1 2 光纤直放站 光纤直放站由光近端机、光纤、光远端机( 也可称为覆盖单元) - - 个部分组成。 网络拓扑图如图2 2 所示： 光纤直放站一，j 。 图2 2 光纤直放站拓扑图 近端机靠近基站，其定向天线接收基站下行信号，该信号经滤波和放大后通 过电光转换转换为光信号，再送到光波复用器，经光缆传到远端机；远端机将 输入的光信号进行光电转换，还原成下行信号，再经远端机内部功放放大，由 全向天线发射出去送给移动台，实现区域覆盖。移动台的上行信号经过类似的过 程逆向到达基站，这样就完成了基站与移动台之间的信号传递l l2 。 光纤直放站有很多优点，例如：光纤直放站通过光纤传输信号，不受地理环 境、天气变化或施主基站覆盖范围调整的影响，因此工作稳定，覆盖效果好；光 纤直放站在设计时不需要考虑安装地点能否接收到信号的问题；空间隔离度好， 不产生同频干扰，兼备宽带、选带、选频等功能，传输距离可以达到2 0 k m ，重发 天线可以采用全向天线，以提高覆盖率。 因此，当基站和拟建直放站区之间空间距离过大或两者之间有高山阻隔，同 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章直放站及其监控系统 时，覆盖区和基站之间能够支持光纤连接时，可以选择使用光纤直放站。 2 1 3w c d m a 数字光纤直放站 光纤直放站有数字和模拟之分。相比之下，数字光纤直放站的具有更优良的 性能，它先将r f 信号转换成数字光信号，然后进行数字化传输，数字传输的时延 就可以通过计算来校正。另外，模拟信号到数字信号的转换几乎不会产生噪声， 因此数字光纤直放站的使用越来越普遍。 w c d m a 数字光纤直放站是传输w c d m a 信号的数字光纤类直放站，其工作 原理如图2 3 和图2 4 所示【l 驯： 图2 3 近端机系统 光i基l d a 收i y la d i 发i 处卜 器l理l a d z 发射机 接收机i 接收机2 双 工 器 图2 4 远端机系统 近端机和远端机的结构类似，都包含有射频接收子系统和射频发射子系统、 上变频器和下变频器模块、a d c ( 模拟数字转换器) 和d a c ( 数字模拟转换器) 子系统、基带处理单元、光纤收发模块、电源子系统和监控子系统。 w c d m a 数字光纤近端机首先将接收到的基站信号传送到下变频器，r f 信号 被转换中频信号，然后经过模数转换模块( a d ) 变换到数字信号，并按一定帧格 式将其打包成串行数据，经光纤收发器发送到远端机，远端机的基带处理单元将 7 量一 重庆邮电大学硕士论文第二章直放站及其监控系统 数据解帧，恢复出中频信号，再经上变频到射频频段，经光收发器发射到覆盖区。 移动终端上行的信号经远端机接收后，下变频到中频信号，再通过上述的逆过程， 经光纤回到近端机，被基站接收，这样就提高了移动通信基站的远端覆盖区，成 为基站的一种拉远端。 w c d m a 数字光纤直放站采用数字的方式来传输信号，其数字接口采用 c p r i ( t h ec o m m o np u b l i cr a d i oi n t e r f a c e ) 接口系统，c p r i 定义了基站收发单元 r e ( r a d i oe q u i p m e n t ) 与基站数据处理控制单元r e c ( r a d i oe q u i p m e n tc o n t r 0 1 ) 之间 的接口关系，近端机与远端机之间的数据传送采用标准的以太网光纤收发器。 2 2 直放站监控子系统 直放站监控子系统是一种管理系统，主要用来监控直放站内部各种射频模块 工作参数、环境和故障情况，以保证直放站更好地运行。直放站通过本地及远程 通信实时提取直放站以下信剧1 4 】： 低噪声放大器的衰减和故障； 功率放大器的衰减、a l c 、过功率、功放开关、驻波比； 光收发模块的收发信号状态 电源及机箱状态：交流输入、直流输出、风扇状态、门禁； 本地控制软件通过计算机r s 2 3 2 接口与监控终端相连，测试各项监测功能。 2 2 1 直放站监控子系统的发展历程 直放站监控子系统从简单到复杂，大致经历了以下四个阶段的发展【1 0 】： 第一阶段：简单的本地调测 八十年代末，在生产直放站过程中，工人需要花费大量时间对直放站各项技 术指标进行调测，迫切需求一种自动化工具，直放站监控子系统应运而生。最初 的监控系统由电缆将维护中心和直放站直接连起来，用于生产测试和工程开通， 如图2 5 所示，是直放站监控子系统的雏形。 i 维护中心 i 电鲫 l 直放站 l 图2 5 简单本地调测 第二阶段：简单的远程监控阶段 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章直放站及其监控系统 九十年代中后期，随着越来越多的直放站应用到通信工程中，如何维护和管 理这些直放站成为一个问题，本地调测不能很好地适应这一需求，急需一种有效 的管理方式实现远程调测以及出现故障时上报告警，第二代监控系统在这样的技 术背景下产生。该阶段中，9 6 k b p s 的异步电路交换型无线数传业务被应用，作 为维护中心和直放站之间的通信方式，通过自定义协议交换数据来管理自己厂家 的直放站设备，由于数传业务的限制，能够管理的直放站设备数量非常有限。具 体的系统结构如图2 6 所示： 图2 6 简单远程监控 第三阶段：统一网管监控 二十一世纪初，随着移动通信技术的迅猛发展，我国各大运营商开始大规模 建设直放站，直放站的日常维护管理成本也在日益增加，引起了运营商的广泛关 注，集中监控的需求逐渐紧迫，一些直放站厂家着手统一网关系统的研制，为运 营商提供低成本高效率的集中式解决方案，该方案的思路是在一个平台上集中监 控众厂家的直放站设备，统一性主要体现在四个方面：统一管理g s m 9 0 0 、d c s 1 8 0 0 和c d m a 8 0 0 网络，统一监控g s m c d m a 直放站、室内分布系统等，统一 接入多种协议，统一使用多种功能，例如远程监控、故障处理、自动巡检。基本 结构如图2 7 所示。 图2 7 统一网管监控 第四阶段：综合网管监控 近几年，直放站的建设规模在不断扩大，运营商的运营维护模式也在向前发 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章直放站及其监控系统 展，该阶段监控中心的结构和功能也都发生了变化，之前的单机操作模式已无法 满足实际运营要求，由多个相对功能独立部分组成的综合系统取代了单纯的单机 版软件，嵌入了初步的企业资源管理思想，还纳入了与直放站建设相关的管理信 息，除此之外，为了更好地与运营商实际运营模式相结合，增加了很多综合管理 ( 维护管理、工程管理、资产管理) 的内容，引入了电子地图，并且具备了典型 的网络结构，将直放站与基站等主设备之间组成网络系统管理。综合网管系统的 结构如图2 8 所示： 图2 8 综合网管监控 主控业务台是整个综合网管系统的核心，是一台配置较高的服务器，放在机 房，用于承载各种数据库以及兼作w e b 服务器；普通业务台的界面与主控业务台 的界面基本相同，由核心维护人员管理，用于设备的远程管理等基本业务操作； 客户端类似于即时交流工具，内嵌了维护工作流程处理，用于维护人员收发维护 工单和维护消息等；代理公司使用w e b 模块进行远程管理，当维护人员出差时也 可通过该模块进行异地管理等；维护人员的手机用来接收主控业务台以短信形式 发送的故障信息，以便随时随地了解直放站的故障状态。 该阶段中与短信中心直接通信的方式有效解决了通信瓶颈问题，使得直放站 数量大大增加，同时能够支持不同厂家和类型的直放站接入，安全的权限管理和 灵活的组网方式保证了监控系统能够及时采集各种信息，及时准确地发现网络中 存在的问题并在最短时间内排除故障。这一技术的突破实现了省级组网结构，使 1 0 重庆邮电大学硕七论文 第二章直放站及其监控系统 得集中管理全省设备成为可能，是一种既方便又快捷的管理方式。 2 2 2 直放站监控子系统网络拓扑和构成 现阶段采用综合网管监控系统的方式对直放站进行管理，其网络拓扑如图2 9 所示： 5 “”4 ”1 ”一 i ， 3 g 直放站监控系统 ji jijl lii ： ： 一直放站设备网管接口 i l i： 丫 r 专 1 ， 1 光纤直放站基站延伸干放移频直放 宽带直放站选频直放站 载波池 近端设备( 信j 醺)站近端 1| f 先纤直放站光纤直放站 干放干放 移颊直放站远 远端远端端 图2 9 直放站监控子系统网络拓扑 直放站监控子系统北向接口是监控系统与上级网管中心之间的网管接口。 直放站设备网管接口是管理设备的接口，3 g 直放站监控子系统中的远程监控 中心o m c 通过该接口与各类直放站建立通信，完成对直放站设备的告警管理、配 置管理、远程升级等功能1 1 9 j 。 监控系统由监控终端、通信信道和监控中心三个部分组成，系统结构图如图 2 1 0 所示。监控中心发送的命令信息通过通信信道传到监控终端，以达到对直放 站的控制和监控；监控终端采集直放站内部各模块的现场数据，通过通信信道发 送给监控中心l l 。 重庆邮电大学硕士论文 第二章直放站及其监控系统 汐酣雠吣 图2 1 0 直放站监控子系统 监控终端是安装在直放站内部的通信模块，是整个直放站监控子系统的关键 部分，基本功能包括对直放站设备的故障告警管理、数据实时采样和配置管理。 监控终端由系统硬件部分和系统软件部分组成，硬件部分包括核心微处理器、选 频电路、外部接口、电源等；主程序、若干子程序和中断程序组成了监控终端的 软件部分。 通信信道用于监控中心与监控终端之间的数据传送，通信方式有两种：使用 r s 2 3 2 串口直接相连的直接数据通讯方式和采用m o d e m 收发s m s 的方式。点对 点数据通讯的成本较高但实时性强、传送速度快；s m s 方式的原理是首先将信息 发送到s m s c ( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，短信息中心) ，然后由短信中心排队 依次发送到各个目标地，s m s 方式的成本最低，不存在占用信道的问题，但通讯 速度慢实时性较差。 监控中心由p c 机和i s m g ( i n t e m e ts h o r tm e s s a g eg a t e w a y ，短消息网关) 组成， i s m g 是具有短消息转发功能的短消息网关，各直放站站点的数据库管理由运行在 p c 机上的应用软件完成。监控中心通过i s m g 与s m s 连接，以短信方式与直放 站进行信息的交互，完成对设备的操作维护、配置管理、安全管理和故障告警性 能管理等i i 川。 2 2 3 监控终端的工作原理 嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【1 6 1 。 进入二十世纪九十年代，嵌入式技术的应用全面展开，由于嵌入式系统采用的是 微处理器，采用独立的操作系统，实现相对单一的功能，所以往往不需要大量的 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章直放站及其监控系统 外围器件，因而在体积上和功耗上有其自身的优势，目前已成为通信和消费类产 品的共同发展方向。 嵌入式监控终端的核心是使用功能强大的嵌入式微处理器，并在其上加载嵌 入式操作系统，通过任务调度算法将多个任务集中到单个嵌入微处理器来完成， 即嵌入式微处理器既可以实现与监控中心的通信又能够实时采集设备运行参数并 保存，各个任务之间既相对独立又可以通过任务间通信机制进行关联，大大提高 了系统的灵活性【l 。 对嵌入式系统架构架而言，各个任务模块相当于软件上的一个任务，任务之 间交换数据时，只需要采用全局变量或者任务间消息传递便可完成而不需要外部 通信，等同于传统构架中模块之间交换数据。这种构架大幅度提升了系统稳定性、 可靠性和数据实时性，如果系统任务需要重新划分或者软件需要升级打补丁，只 需集中修改软件就能够解决，极大地方便了后期的系统维护和升级管理。 2 3 本章小结 本章首先介绍了直放站的定义和工作原理，以及直放站从不同角度的分类， 结合结构框图详细说明了数字光纤直放站的工作原理，然后阐述了直放站监控子 系统的概念，介绍了它的发展历程和组成原理以及网络拓扑图，明确了监控终端 在整个监控系统中所处的位置。最后介绍了嵌入式监控终端的组成和工作原理。 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第三章直放站监控终端总体设计方案 第三章直放站监控终端总体设计方案 3 1w c d m a 数字光纤直放站监控需求 本设计所研究的w c d m a 数字光纤直放站监控终端按照电子产品开发的标准 步骤进行：需求分析、软硬件设计、系统集成、调试与测试【l 引。首先参照3 g 直 放站监控子系统南向接口技术规范、3 g 直放站监控数据要求，明确w c d m a 数字光纤直放站监控终端的设计应满足的三方面需求，分别是功能需求、数据需 求和性能需求。所设计的监控终端必须严格按照监控协议的要求进行硬件的配置 和软件的编写。下面将详细分析这三个方面的需求，为监控终端的开发提供理论 依据。 3 1 1 功能需求分析 直放站监控终端应具备这样的功能：配合远程监控中心o m c 和现场维护终端 o m t 完成对直放站设备的监控和维护，包括配置管理、告警管理、性能数据采集 和远程升级。下面将具体说明各个功能的详细内容。 配置管理功能i l 川 配置管理功能是指监控终端支持o m c o m t 对直放站设备配置参数的查询和 设置，能够给o m c o m t 发送配置变更上报、开站上报和巡检上报。 配置参数的查询和设置是由o m c o m t 发起的查询或设置命令，用于读取和 修改直放站的配置参数。读取时，监控终端根据读取命令地址读取相应参数的值 并返回给监控中心；设置时，设置的内容应被保存在直放站设备的不挥发存储器 中，重新启动设备时，根据这些数据来重新恢复各项设置值。 配置变更上报是指当工程技术人员改变了设备的硬件配置或者更换设备后， 在现场操作直放站设备相应的物理接口，监控终端检测到该物理接口的消息后， 向监控中心发送配置变更上报，目的是通知监控中心该设备的配置已改变，监控 中一i i , 将对设备的配置进行查询，以监控终端返回的数据为依据更新监控中一i i , 数据 库。 开站上报是指当工程技术人员安装并调试好一台新的直放站设备后，在现场 操作直放站设备相应的物理接口，监控终端接收到接口数据后向监控中心发送开 站上报，以通知监控中心建立该站点。 巡检上报与开站上报类似。直放站设备巡检完毕后，由设备维护人员在现场 发起( 通过操作直放站设备相应的物理接口) ，之后监控终端向监控中心发送巡检 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章直放站监控终端总体设计方案 上报消息，通知监控中心已经对该站点进行巡检维护。 告警管理功能【1 9 j 告警管理功能是指直放站监控终端应具备告警实时上报、告警同步、故障修 复上报功能。 告警实时上报：当设备发生告警或者告警恢复时，监控终端及时向o m c o m t 发送直放站设备相应的告警信息或告警恢复信息。 告警同步：当o m c o m t 查询直放站设备的告警信息时，应返回设备当前的 告警状态。当设备的监控模块掉电前，应将得到o m c o m t 确认的告警状态保存 在设备的不挥发存储器中，以便监控模块恢复正常工作以后的告警状态与 o m c o m t 保持一致。 故障修复上报：当设备维护人员在修复设备后，现场操作直放站设备相应的 物理接口( r s 2 3 2 、按键等) ，监控终端检测到接口消息后向监控中心发送故障修 复上报，通知监控中心该设备已修复。 性能数据采集功能【l 9 】 性能参数的采集功能由监控中心发起，用于读取直放站的性能参数。 3 g 规范要求对直放站性能数据进行批量采集，采集过程中监控终端要能够按 照设定时间启动和停止设备的批量采集功能，采集完成后能将批量采样后的数据 传输到监控中心。 远程升级功能【1 9 】 远程升级功能是指在o m c o m t 可以针对选定的设备，通过远程下载的方式 升级其监控模块中运行的设备监控软件，以实现新的监控功能或解决软件缺陷。 升级过程中，当升级失败时应能够从断点处恢复。也就是说，当再次对设备 进行远程升级时，可以从上次中断处继续升级，避免重复传输上次成功写入到设 备的文件，以提高升级效率。当然，也可以选择不从设备提供的断点处继续升级， 而是从文件开始位置重新进行升级操作。 设备成功升级以后，为了提高操作灵活性，直放站设备上应保存远程升级前、 后这两个版本的监控软件，设备操作人员可以通过o m c o m t 控制设备回退到升 级前的版本运行。 3 1 2 数据需求分析 根据3 1 1 对直放站监控功能需求的分析，可以总结出一系列监控数据，本设 计中w c d m a 数字光纤直放站监控终端对应的监控数据可分为六大类，分别是： 设备监控数据、设备采样数据、设备设置数据、设备告警数据、上报数据口0 1 。具 1 5 重庆邮电人学硕士论文第三章直放站监控终端总体设计方案 体的监控数据量如表3 1 所示： 表3 1w c d m a 数字光纤直放站监控数据列表 设备厂商代码、设备类别、设备型号、设备生产序列号、 设备实际载波总数、设备经度、设备纬度、设备监控参 量列表、当前监控软件版本、监控软件运行模式、软件 远程升级结果、设备远程升级方式、站点编号、设备编 设备监控数据 号、短信中心服务号码、查询设置电话号码、上报号码、 监控中心i p 地址、心跳包间隔时间、通信方式、上报类 型、数据块长度、文件传输控制、文件数据包应答、文 件数据块序号、批量采集开始时间、批量采集时长、批 量采集对象、批量采集开关、批量采集状态、批量采集 数据每组长度、远程数据通信模块 功放温度值、上行输出功率电平、下行输入功率电平、 设备采样数据 下行输出功率电平、上行理论增益、下行实际增益、下 行驻波比值、上行驻波比值、光收功率、光发功率、批 量采集数据、光纤链路延时 射频信号开关、功放开关、工作信道号、上行衰减值、 下行衰减值、功放过温门限、上行驻波e b f - j 限、下行驻 设备设置数据 波比门限、下行输入欠功率门限、下行输入过功率门限、 下行输出欠功率门限、下行输出过功率门限、上行输出 过功率门限、上行输出欠功率门限、告警使能、工作信 道开关 电源掉电告警、电源故障告警、监控模块电池故障告警、 位置告警、门禁告警、功放过温告警、本振失锁告警、 上行低噪放故障告警、下行低噪放故障告警、上行功放 设备告警数据 故障告警、下行功放故障告警、下行输入欠功率告警、 下行输入过功率告警、下行输出欠功率告警、下行输出 过功率告警、上行输出过功率告警、上行输出欠功率告 警、下行驻波比告警、上行驻波比告警、光收发故障告 警、主从监控链路告警、外部告警、数字信号异常告警 告警上报、开站上报、巡检上报、故障修复上报、配置 上报数据 变更上报、登录到监控中心上报、心跳上报、设备监控 软件更新上报、批量采集结束上报、软件异常复位上报 1 6 重庆邮电大学硕士论文第三章直放站监控终端总体设计方案 3 1 3 性能需求分析 3 g 直放站监控子系统南向接口技术规范对直放站监控终端的开发提出相 应的性能要求，直放站监控终端必须保证通信响应的实时性和安全性，具备数据 帧容错处理能力和高强度数据传递能力。此外，为了时序上保证消息或命令的可 靠到达，通信过程中使用保护定时器。下面将对各项技术要求进行具体分析。 实时性 实时性即时延要求，包括查询传递时延、上报传递时延、设置传递时延和远 程升级时长，基于两种应用环境，分别是短信方式和g p r s 方式。短信方式下 o m c o m t 通过以太网接入短信网关，g p r s 方式下o m c o m t 通过以太网接入 g p r s 网络。各时延要求对丛塑的重焦望垄旦鱼型壁三 查询传递时延是指从监控中心发出查询命令开始到该监控中心接收到查询回 应的时延。在网络连接正常的情况下，查询传递时延在短信方式下应小于2 0 秒。 g p r s 方式时查询监控