（通信与信息系统专业论文）gsm无线接入网中告警关联分析系统的研究.pdf

g s m 无线接入网中告警关联分析系统的研究 摘要 随着电信网络的发展，网络规模越来越庞大，网络管理工作也越 来越复杂。在实际生产过程中，g s m 无线接入网网络管理人员，经 过长期的网络监控与管理工作发现：网络中相关设备之间的告警信息 存在某些特殊的关系与规律。这些关系与规律，是网络监控人员完成 故障源定位等工作的重要依据，具有举足轻重的地位。 但是，随着网络结构的复杂化，潜藏在网元故障告警之间的关系 越来越复杂，越来越难以凭借经验获得。导致使用传统监控手段的网 络管理人员，不能有效快捷地完成告警过滤、故障定位等工作。因此 人们渴望借助新技术，快速发掘潜藏在海量数据背后的规律与关系。 本论文以中国移动集团公司某市级分公司无线网元三个月的告 警信息为数据，在g s m 无线接入网网管系统中引入数据挖掘技术， 并研究与设计出一个g s m 接入网告警关联分析系统。在收集到大量 的数据之后，本系统在人们没有设定明确假设的前提下，能够自动智 能地分析数据库中的大量数据以获取知识与规则。系统挖掘出的规则 将被重新应用在g s m 接入网网管系统中。利用这些知识，网络管理 人员可高效地完成告警过滤、故障定位等工作，从而能够缩短故障查 找时间、降低故障历时、提高网络故障管理效率，最终达到提升g s m 无线接入网网管系统性能的目的。 在对课题背景进行简述后，本文首先介绍了研究对象所在的系统 背景一s m 接入网及其网管系统。接着，文章分析与对比各种常 用的挖掘技术以及挖掘算法，并根据特定应用场景与挖掘任务选择合 适的技术与算法。然后，文章深入分析经典f p g r o w t h 算法，指出该 算法在递归运算中未充分利用既往数据的缺点。针对g s m 接入网告 警信息的特点，文章提出对经典f p g r o w t h 算法的两点改进，提升了 条件项头表与f p 子树的生成速率。基于改进算法，本文研究并设计 了g s m 接入网告警关联分析系统。文章还详细讨论了系统结构、各 子系统的设计等问题。最后，文章介绍了系统在网管系统中故障管理 方面的应用，以及系统在电信网络管理中其他方面的应用前景。 关键词关联规则g s m 数据挖掘f p g r o w t h 算法 北京邮电大学硕十论文 t h ea p p l i c a t l 0 no f a ss o c l a t l 0 nr u l e 【i n i n gi ng s mw i r e l e ssn e t w o r k a bs t r a c t i nd a i l ym a n a g e m e n to fg s mw i r e l e s sn e t w o r k ，p e o p l ef o u n dt h a t t h e r ea r es o m er u l e sh i n t i n gi nm a s sa l a r m sd a t ao fg s mw i r e l e s sd e v i c e s t h o s er u l e sa r eu s e f u li nd a i l ym a n a g e m e n to fg s mw i r e l e s sn e t w o r k , w h i c hc a nh e l pw o r k e rt of i l t e ra l a r m s ，l o c a t ef a u l t sa n dr e d u c et h ef a u l t p e r i o d 晰t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o ft e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h e t r a d i t i o n a lm a n a g e m e n ta n dc o n t r o lm e t h o di sn ol o n g e rf i tf o rt h ef a s t d e v e l o p m e n to fg s mw i r e l e s sn e t w o r k i ti si n e f f i c i e n ta n di n a c c u r a t et o m i n er u l e st h r o u g he x p e r i e n c e p e o p l el o o kf o ran e ws o l u t i o nt ot h e p r o b l e m t h ep a p e r , u s i n gt h r e e - m o n t ha l a r md a t a ，i sm a i n l yd i s c u s s e dt h e a p p l i c a t i o no fa s s o c i a t i o nr u l em i n i n gi nm a n a g e m e n to fg s mw i r e l e s s n e t w o r k i nt h ep a p e r , a na l a r ma n a l y z i n gs y s t e mw i l lb er e s e a r c h e da n d d e s i g n e d ，w h i c hw o u l db eh e l p f u li nm i n i n gr u l e so fa l a r me f f i c i e n t l ya n d a c c u r a t e l y t h eo u t c o m eo fs y s t e mw i l lb eu s e di nt h em a n a g e m e n to f g s mw i r e l e s sn e t w o r k ，s u c ha sg u i d i n gt h ep e o p l ea n do t h e rs o f t w a r e s y s t e mt of i l t e ra l a r m s ，l o c a t ef a u l ta n ds oo n m 一 o lh e p 印e r , t l r s t l y , g i v e s as u m m a r yo t r e s e a r c h b a c k g r o u n d a f t e r w a r d s ，i ti n t r o d u c e sg s mw i r e l e s sn e t w o r ka n dt h em a n a g e m e n t s y s t e mw h i c hi st h eb a c k g r o u n ds y s t e mo fs u b j e c ti n v e s t i g a t e d s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e sa n dc h o o s e st h ec o n c r e t ed a t a - m i n i n g t e c h n o l o g y a n da r i t h m e t i c a f t e rt h a ti tr e s e a r c h e sa n d i m p r o v e s f p - g r o w t ha r i t h m e t i c ，a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo f s u b je c ti n v e s t i g a t e d b a s e do nt h ei m p r o v e da r i t h m e t i c ，t h ep a p e rr e s e a r c h e sa n dd e s i g n s a l a r ma n a l y z i n gs y s t e m i nt h em e a n t i m e ，i tg i v e st h ed e t a i l so f d e s i g n i n g a tl a s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e mi nf a u l t i i i 北京邮电人学硕上论文 m a n a g e m e n to fg s mw i r e l e s sn e t w o r k k e yw o r d s ：a s s o c i a t i o n - r u l eg s m d a t a - - m i n i n gf p - g r o w t h i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另, u d n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二岛菇挝日期：五盘三j 4 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：辎茧 日期： 迦8 ：；：) 导师签名：了奄崭扩日期：稠岳丢j 十一 北京邮电大学硕士论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1g s m 无线接入网网络管理现状 g s m 无线接入网每天产生的告警和事件信息是十分巨大的。一个中型城市 每天仅基站断站告警就有千余条：一个o m c r 上的关系型数据库每天积累的事件 信息达十几万条，其中o m c r 为无线操作管理中心。 在实际生产工作中，网络管理人员根据经验发现：网络中相关设备之间的告 警信息存在某些特殊的关系。告警信息常常在短时间内重复出现；告警有许多衍 生告警，而且往往凭借单一告警不能准确判断网元设备的实际运行状况。例如： 基站发出断站告警时，基站的实际状态可能是断站，也可能是闪断。 根据无线网络监控人员长期观察与积累的经验可知：在断站告警发出f j i 后1 分钟内，若该基站的所有小区都发出s t a t e c h a n g e e v e n t ( 小区状态改变信息) ，并 且状态变化为b u s y - d i s a b l e d ，则基站断站；否则基站状态是闪断，若干分钟后 该基站将自动起站。利用这些宝贵的经验，无线网络监控人员可完成告警过滤、 告警压缩、定位故障源等工作。 随着移动通信电信网络的发展，无线接入网网络规模越来越庞大，网络管理 工作也越来越复杂。根据经验获得网元设备告警之间的关联关系越来越困难。而 且凭借经验获得的关联关系的周期过长；关联关系的准确度无法量化，也无法评 估。 传统网管系统使用数据库技术解决以上问题。数据库技术中的查询与统计功 能可以为验证无线网络监控人员经验的正确性提供有力的支持。但是，传统的数 据库技术不具备获得“经验l 一告警之间关联关系的能力。也就是说，数据 库技术的引入，并没有从根本上解决挖掘关联关系这一难题。 综上所述，使用传统的网络管理与监控手段，已经不能满足g s m 无线接入 网网络发展的需求。在g s m 无线接入网网管系统中，如何快速挖掘潜藏在海量 告警背后的关联关系已经成为了一个急待解决的问题。本文将在g s m 无线接入 网网管系统中，引入新的技术以解决此问题。 北京邮电人学硕士论文 1 1 2 关键技术的研究背景 随着计算机技术、电子数据技术的不断发展以及i n t e r n e t 和各种局域网的广泛 普及，在超级市场、商业银行、金融市场、天文、医学、气象、地质及政府统计 等各个领域存储的数据量急剧增大。在这些海量数据的背后隐藏着不为人知的有 价值的数据。 在g s m 无线接入网网络管理中也有类似的问题。无线接入网每天产生的告 警和事件信息是十分巨大的。在无线网元管理工作中我们发现：告警信息往往重 复出现，而且衍生告警的情况也比较多，这就需要无线网络监控人员利用事件信 息综合考虑，以便完成告警过滤、告警压缩、定位故障源等工作。 人们在收集到大量的数据之后，渴望计算机自动智能地分析数据库中的大量 数据以获取信息。这不仅是数据挖掘产生的背景，也是数据挖掘技术发展的强大 动力。 以一个经典故事为例：美国加州某个超级市场，通过对每天记录的销售情况 和客人基本情况进行挖掘发现：年轻的爸爸经常会在给婴儿买尿布的同时也为自 己购置啤酒。于是该超级市场的经理马上对货架进行重新排列，啤酒类的商品布 置在尿布货架附近，而且在两者之间还放置诸如土豆片之类的下酒小菜。这使得 上述几种产品的销售量激增。可以看出数据挖掘能够为决策者提供非常重要、极 具价值的信息，辅佐决策，从而能使决策者占据有利位置。 数据挖掘与传统的数据分析( 如查询、报表、联机应用分析) 的本质区别是数 据挖掘是在没有明确假设的前提下去挖掘信息、发现知识。数据挖掘所得到的信 息应具有事先未知、可靠、可认知三个特征。其中事先未知的信息是指该信息是 预先未曾预料到的，也就是说，数据挖掘是要发现那些不能靠直觉发现的信息或 知识，甚至是违背直觉的信息或知识，挖掘出的信息越是出乎意料，就可能越有 价值。在商业应用中最典型的例子就是上面提到的“尿布与啤酒”的例子。 通过以上的阐述可知：一方面，数据挖掘技术的使命即为发掘潜藏在海量数 据背后那些尚且不为人知的知识；另一方面，g s m 无线接入网网络管理工作， 正面临着重大难题与重要任务快速挖掘潜藏在海量告警背后的关联关系。 本课题就在这样的研究背景中产生。本论文将探讨利用数据挖掘这种新技 术，完成g s m 无线接入网网络管理工作中告警管理关联分析的方式与方法。 1 2 研究目的和意义 对于g s m 无线接入网网络管理工作来说，准确获得告警关联关系非常重要， 因为告警关联关系是指导无线网络监控人员完成告警过滤、告警压缩、定位故障 北京邮电人学硕士论文 源等网管工作的重要依据。但是，传统的网管系统中所使用的技术，不能自动智 能地挖掘潜藏在海量告警背后的关联关系。 无线网络监控人员往往凭借多年的观察与积累获得告警关联关系，并使用数 据库技术对这些关联关系进行验证。这样的方式不仅效率低、准确率低，而且需 要花费大量的时问与人力物力。 本文将引入数据挖掘技术解决此问题。同时，本文根据g s m 无线接入网网 元告警信息的特点，调整并改进挖掘算法，设计出g s m 无线接入网告警关联分 析系统。 将该系统与g s m 无线接入网网管系统结合，可快速并准确地获得潜藏在海 量告警中的关联关系。利用挖掘出的关联关系指导实际的网管管理工作，可有效 缩短故障查找时间、降低故障历时、减少话务损失、保证网络稳定性，从而提高 网络故障管理效率。例如：系统分析出“4 8 5 号告警 3 8 2 号告警、8 3 7 号告警、 2 8 3 号告警”这一关联规则( 其中，该条规律的支持度为o 1 ，可信度为8 7 2 ) ， 利用这一强关联规则，在对关联规则的解释中可认为3 8 2 号告警、8 3 7 号告警、 2 8 3 号告警均为4 8 5 号告警的衍生告警，可将此三条告警过滤。再例如：系统分 析出如下三条强关联规n - “4 8 5 号告警 3 8 2 号告警、8 3 7 号告警、2 8 3 号告警” “4 8 4 号告警 4 8 5 号告警、2 8 3 号告警 “4 8 3 号告警 4 8 4 号告警” 若网管系统在短时间内扑获多个告警： “4 8 3 号告警、4 8 4 号告警、4 8 4 号告警、4 8 5 号告警、2 8 3 号告警、3 8 2 号 告警、8 3 7 号告警” 此时可根据挖掘出的关联规则得知，这一告警序列的源告警是4 8 3 号告警， 从而快速完成故障定位的工作。值得注意的是，关联规则的解释需在熟悉领域知 识的专业人员的配合下进行。 当g s m 无线接入网网络结构越来越庞大与复杂时，关联关系越来越复杂， 利用传统的方式解决挖掘关联关系的方式也将越来越捉襟见肘。本课题以实现降 低话务呼损、缩短故障查找时间、降低故障历时为目的，以提升g s m 无线接入 网网管系统性能为目标，在g s m 无线接入网中，引入数据挖掘技术，分析g s m 无线接入网告警关联关系，并利用关联关系指导实际生产中的告警过滤、告警压 缩、定位故障源等工作。 1 3 作者在硕士期间所做工作及成果 本人的研究方向为电信网络管理，所以在研究生期间主要从事电信网管方法 北京邮电人学硕士论文 与电信管理系统提升方面的相关研究与开发。在研究期间，我所主要参与的项目 与研究课题有以下4 个： 1 固定电话网网管系统提升方法的研究。 2 可配置报文解析系统的研究。 3 基于数据挖掘技术的移动通信故障管理研究。 4 g s m 无线接入网中告警信息关联分析系统的研究。 在第一个课题中本人系统学习了电信管理网络的相关知识，了解我国当代电 信网络管理的模式与结构。在第二个项目中，本人研究电信网络中网元设备的告 警信息特点，并提出可配置的报文解析系统模型。在第三个课题中，本人深入了 解移动公司的网络系统以及其管理方式，并在实际的开发与生产工作中发现了传 统网络管理方式的不足，并寻求新技术以解决传统网管所不能解决的若干重要问 题。在此期间，本人对数据挖掘技术进行了深入的学习与分析，大大加强了我的 实践工作能力和研究能力。以上的三个科研课题与项目为本论文的研究与设计打 下了理论和实践的基础。 1 固定电话网网管系统提升方法的研究： 本人在此项目中主要承担的工作包括： 系统学习电信管理网络理论知识； 学习并了解我国当代固定电话网络管理系统现状与问题； 设计并研究固定电话网络管理系统的改进方法与方式； 设计并开发固定电话网络静态资源管理系统。 2 可配置报文解析系统的研究： 在异质的网络中，网元设备常常由多个生产厂商提供。不同产商的告警格式 与结构都遵循各自的规范与标准，这给电信网络管理带来了不便。另一方面，随 着经济的发展，设备的更新换代非常快，网元设备在升级中往往会更改告警的格 式与结构，这难免会造成原有网管系统不得不根据告警格式的更新而调整。 以往的网管软件将告警的格式与结构用代码描述，写入软件产品中。当网络 规模越来越大，网络结构越来越复杂，告警种类越来越多时，采用以往的网络管 理方式将不能使网管系统快速跟上设备的变化。每当新设备引入或设备进行升级 改造后，网管系统软件都需要进行相应的升级改造，才能适应硬件的变化。 可配置报文解析系统模型就是在这样的背景下产生的。在该课题中，本人收 集并学习了各种告警结构，并利用面向对象的技术，抽象告警拆包过程。该模型 设计良好的数据库结构，颠覆了使用代码描述报文结构的传统方法，使用数据库 结构来勾勒告警的结构与格式，以及拆包方式。从而实现灵活地配置报文结构， 避免了网管软件随新硬件设备引入而频繁升级的缺点。 4 北京邮电大学硕十论文 以可配置报文解析系统模型为核心的软件产品最后成功开发，系统扩展性 好、稳定性高、拆包速率快，并且最终通过了用户的严格测试。 3 基于数据挖掘技术的移动通信故障管理研究： 天津移动无线网元监控手段提升系统是天津移动话务三期网管系统的辅助 系统，是在原有网管系统基础之上的升级和提高，是在天津移动原有网管系统功 能需求和中国移动集团公司颁发的网管系统相关规范的基础之上的进一步的细 化。 系统根据六个相对独立的需求划分为六个子系统。系统采用c s 结构，在服 务器运行的后台程序，即无线网元数据采集模块完成的主要任务是从无线网元设 备、o m c r 数据库、原有网管采集和获取相关数据，并对数据进行预处理提取 有效信息，最后将中问数据存放在数据库；各个子系统的前台程序根据独立工作 完成指定的任务，这六个任务同时也体现了本系统对原有网管系统的提升 本人负责基于数据挖掘技术的移动通信故障管理研究与实现等工作。在设计 与开发过程中，本人负责带领开发团队完成需求调研、系统的概要设计、详细设 计以及系统编码实现、系统测试、系统优化、用户确认测试等一系列工作。 在此期问，本人对数据挖掘技术进行了深入的学习与分析；同时向移动公司 的工作人员学习，并了解了移动公司的网络系统以及其管理方式；在实际的开发 与生产工作中发现了传统网络管理方式的不足；并寻求新技术以解决传统网管所 不能解决的若干重要问题。一方面，极大地积累了项目经验和提高了解决问题的 能力，同时也培养了理论分析与课题研究的能力。 1 4 论文结构 本论文分为六章，章节安排如下： 第一章是绪论部分，该部分讲述了本论文的研究背景与研究目的。文章指出 告警关联规则对实际生产工作的重要性，以及传统网络管理与监控手段的不足之 处，最后提出使用数据挖掘技术解决挖掘告警关联规则的课题。 本课题的主要研究与分析对象是g s m 无线接入网网管系统中的告警信息。 另一方面，g s m 无线接入网网管系统是本课题成果的主要服务对象。因此在第 二章中，本文简单介绍了研究对象的系统背景g s m 无线接入网及其网管系 统。 在第三章中，论文介绍了几种常见的相关技术，并阐述了技术选型的依据与 技术选型的结果。 第四章是论文的重要部分。在第四章中，论文对课题研究对象g s m 无 线接入网的告警信息进行了分析，并指出其特点。根据研究对象的特点与具 北京邮电大学硕十论文 体的应用场景，论文优化并改进了经典f p g r o w t h 算法。提升子f p 树与条件项 头表的生成速率，并降低生产用数据库服务器的负担。最后讨论了改进算法的复 杂度与适用场景。 第五章，同样是本文的重要组成部分。在本章中，论文以第四章中的研究成 果为基础，研究并设计g s m 无线接入网告警关联分析系统。首先，文章给出系 统的总体设计，然后对挖掘流程中各个阶段与各模块进行详细的设计和实现，并 给出各模块的相关图表、数据库设计和伪代码。 第六章中，论文介绍了系统在g s m 无线接入网的应用。系统可以在故障管 理方面，指导无线网络监控人员完成告警过滤、告警压缩、定位故障源等网管工 作，可有效缩短故障查找时间、降低故障历时、减少话务损失、保证网络稳定性， 从而提高网络故障管理效率。另外，论文还展望了系统以及数据挖掘技术在电信 网络管理的其他方面的应用前景。 6 北京邮电人学硕上论文 第二章g s m 无线接入网及其网管系统 g s m 无线接入网是本课题研究对象所在的背景系统。本章将首先简要介绍 g s m 无线接入网，然后介绍与本课题的研究有着密切关系的g s m 无线接入网网 管系统。 本课题所研究的告警关联分析系统不仅要依托于网管系统，最终的研究成果 也将与网管系统相结合，用于提高网管系统在故障管理等方面的性能。因此，在 本章的最后将介绍g s m 无线接入网与其网管系统的关系，尤其是无线接入网与 其故障管理模块的关系。 2 1 g s m 无线接入网概述 我国的g s m 网络，自1 9 9 4 年建设至今己建成世界上最大的g s m 网络。 随着移动通信技术的不断发展，网络规模的不断扩大，新技术、新设备、新业务 不断出现，我国的g s m 网络飞速发展。g s m 语音用户增长趋势迅猛，交换网 络规模继续扩大，移动i p 电话业务、数据多媒体业务及网络呈迅速发展之势。 现在我国相关运营商还正在g s m 网络基础之上，建设的中国移动互联网 ( c m n e t ) 和移动数据多媒体网络( g p r s ) ，g s m 正从单一语音服务向综合服 务发展【1 1 。 图2 - 1g s m 的业务网与电信管理网 g s m 系统的典型结构如图2 1 所示。从图中可以看出，g s m 系统是由若 干个子系统或功能实体组成。 移动台( m s ) 是公用g s m 通信网中用户能够直接接触的整个g s m 系统中的 7 北京邮电大学硕一i ：论文 唯一设备，它可以是车载型、便携型和手持型的移动台。移动台和用户二者是完 全独立的，任何一个移动用户只要拥有自己的用户识别卡( s i n ) 就可以使用不同 的移动台( 紧急呼叫除外) 。 基站子系统( b s s ) 由基站收发台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 两种功能实体 构成，通过无线接口，直接与移动台相连，负责无线发送接收和无线资源管理。 其中一个b s c 可管理多个b t s 设备。 网路子系统( n s s ) 又称交换子系统，主要完成g s m 系统的交换功能和用于用 户数据管理、移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对g s m 移动用户之 间的通信以及移动用户与其他通信网用户之间通信起着管理作用。网路子系统由 移动业务交换中一i 二, ( m s c ) 、归属用户位置寄存器( h l r ) 、来访用户位置寄存器 ( v l r ) 、鉴权中一t , ( a u c ) 、设备识别寄存器( e i r ) 和操作维护中，l , ( o m c ) 六种 功能实体组成，其核心是m s c 。操作支持子系统主要包括网路管理中心( n m c ) 、 安全性管理中，l , ( s e m c ) 、用于用户识别卡管理的个人化中，l , ( p c s ) 以及用于集 中计费管理的数据后处理系统( d p p s ) 等功能实体，以实现对移动用户管理、移动 设备管理及网络操作与维护。 基站子系统与网路子系统中的m s c 相连，实现移动用户之问或移动用户与 固网用户之间的通信连接传送系统信号和用户信息。 操作支持子系统( o s s ) 负责监控和管理网络设备的各种情况，由o m c 与各个 b s c 相连，获取各种告警与事件信息，并上传给n m c 模块。 g s m 无线接入部分使用典型的蜂窝移动通信系统结构。蜂窝移动通信系统 将服务区域分为若干小的小区。基站与移动台之间通过无线方式连接。每个小区 上承载若干载频。各个小区均有对应的基站为其提供小功率发射机。在逻辑上每 个基站包含若干个小区，但在物理上，小区与基站占据相同物理空间。每个基站 控制器管理一定数量的基站，基站与小区的任何告警信息与事件信息将通过基站 控制器传送给上级管理设备。 在无线接入网部分，o m c 设备被称为o m c r 。o m c r 设备作为b s s 设备厂商 提供的维护管理设备，负责搜集管辖范围内的无线网元告警与事件信息。另外用 户需要登陆某无线网元设备需要通过o m c r 进行操作，从而为上层t m n 实现性 能监控、故障管理、配置管理、安全控制等提供原始数据与保障。 2 2g s m 无线接入网网管系统 随着科学技术的进步，电信网络规模越来越大，多种通信业务网络也越来越 紧密联系在一起。通信已经成为关系国计民生的重要行业，社会中越来越多的行 业对网络的依赖性越来越强。政府、公众对网络的可靠性、服务质量及灵活性的 北京邮电大学硕上论文 要求越来越高。而电信网对提供服务的优劣，一方面与网络基础建设有关，另一 方面与对电信网络的监控与管理密不可分，因此电信网络管理的重要性日益突 出。 一般而言，网管系统与电信网的关系如下图所示： 图2 - 2t m n 与业务网的关系结构图 网管系统属于电信支撑网的一部分，它与电信业务网本身具有相对独立性， 但又密不可分。由上图可看出，网管系统是一种独立于电信网，支撑故障率低、 高效稳定运转的网络管理网络。它要求建立集中监控系统，并要求从通用网络的 角度使不同的网络在同一种操作方式下兼容。这样对于业务网来说设备差异是透 明的，可使网管人员轻松地掌握管理网络的方法，而无须详细了解每家厂商的具 体网管技术细节。这使得电信管理网在网络扩容扩建的情况下依然能兼容网络的 变化。 关于网管系统，国际上流行着t m n 、t o m 、e t o m 、n g o s s 等多种参考模 型。t m n 作为目前国际及国内电信行业普遍采用的电信网和电信业务配置、维 护、保障和运营的经典管理体系结构，其有关信息模型和接口标准为网络资源管 理，物理层连接提供了标准依据。 本论文将从功能体系、系统结构以及管理模型等方面，简要介绍基于t m n 的g s m 无线接入网网管系统。 2 2 1 物理结构 基于t m n 的g s m 无线接入网网管系统的物理结构，是实现其功能所需要 的各种物理配置。其物理结构是由下列物理成分组成的： 9 北京邮电人学硕j ：论文 图2 - 3t m n 的物理结构“1 1 管理系统o s ：即网管系统，是执行o s 功能的系统，实际上是一种大型的 管理网络资源的系统程序，o s 通过内部的管理者( m a n a g e r ) 实体与n e 通 信，完成各种管理功能。o s 中的管理者实体通过n e 中的代理实体向特 定的m o 发送管理操作消息；m o 响应该消息，产生相应的行为并作用于实 际资源来完成该操作。同时，当有事件发生时，m o 也能产生相应的报告， 并通过代理实体向o s 中的管理者发送； 2 数据通信网络d c n ： 3 协调设备m d ：执行协调功能( m f ) 的设备，主要完成o s 与n e 之间的协 调功能，按o s 的要求对来自下层的信息进行适配、滤波和压缩处理； 4 工作站w s ； 5 网络单元n e ：可管理( 又称智能化) 的电信设备和业务，在n e 内部，所有 与管理功能相关的资源，无论物理的或逻辑的、动态的或静态的，都被抽象 成管理对象( m a n a g e do b j e c t ，m o ) 。n e 维持一个属于自身域的m o 的视 图，并通过代理( a g e n t ) 实体与o s 交换管理信剧l 】； 6 q 适配器q a ：用于将不标准的t m n 接口的n e 和o s 连接到网管系统 中，用来对t m n 接口和非t m n 接口进行转换；q 接口是o s 功能、q a 功 能、m f 和n e 功能相连接所使用的接口，通常将不与o s 功能相连的q 接口称为q x 接口，而将与o s 功能相连的称为q 3 接口【l 】； 7 0 3 接口：网管系统实体之间最重要的界面之一，在网管系统中起着举足 轻重的作用，在一定程度上q 3 接口成为衡量一种设备的网管是否与网 管系统兼容的关键。在电信总局颁布的用户接入网管理功能及管理接 l o 北京邮电大学硕士论文 口技术规范暂行规定中，明确规定了接入网网管必须具备q 3 接口， 正因为如此，各大电信设备厂家纷纷推出了具有q 3 接口的接入网设备。 q 3 接口的实现方式可以分为两种：一种是直接由设备提供，即所谓嵌入 式q 3 接1 3 ；另一种是由设备管理终端计算机( 网管服务器) 提供，即 所谓m d ( m e d i a t i o nd e v i c e ) 方式【1 j ； 8 x 接口：网管系统之间或者一个t m n 和其它任何类型的管理网之间的 接口； 9 f 接口：与w s 功能相连的接口( 包含与o s 功能相连的接口) 。 此外，由于某些电信设备的复杂性，被连接的功能块可以是嵌入在单独的设 备中，这时，参考点变为一个接口( q f g x ) 。在网管系统中，o s 和n e 之问的 接口是标准化的，称为q 接e l 。这里，标准化的含义有两层，一是协议的标准化，即 t m n 采用i s o 提出的公共管理消息协议( c m i p ) 作为应用层的协议标准：二是指二 者之间传递信息的标准化，即双方对信息的语法和语义的理解是一致的。o s 和 n e 共享管理知识，协同完成管理功能。 目前，g s m 无线接入网网络管理系统主要通过o m r o m c r 接入各种类型 的网元，主要接入g s m 设备的接口方式有数据库复制方式、文件传送方式、文 本流等。 到目前为止，我国g s m 网络中n m c 与o m c 的接口正在逐步满足q 3 c o r b a 接口方式。话务网网管系统同时也将与网元设备直接相连的方式作为 o m c r 的辅助方式，实现对移动网内全部设备的管理。 2 2 2 功能体系 网管系统的构建目标：使运营商对网络告警与事件反应所需的时间达到最 短，优化管理信息流，充分考虑控制的区域分布，以及强化对业务运营的支撑力 度和提高服务质量。我们可以从三个不同侧面对网管系统功能体系进行了解：管 理业务、管理层次和管理功能。三个侧面在逻辑上是一种三维的交叉关系，可以 表达为一种立体的逻辑分层体系结构。 北京邮电大学硕1 j 论文 昧 爿 剐 扭 用户管理 信令管理 话务管理 传输管理 性能故障配置计费安全 触皂 网络管理层 图2 - 4t m n 功能结构逻辑图心1 按照被管对象分，管理业务包括用户管理、传输管理、信令管理、话务管理 等方面。 管理层次分为事务管理层、业务管理层、网路管理层和网元管理层。其中事 务管理层由支撑整个企业决策的管理功能组成，比如：产生经济分析报告、质量 分析报告、任务和目标的决定等。业务管理层包括业务提供、监控、检测以及计 费等相关处理。网路管理层提供网上的管理，比如：话务监控、保护路由调度、 中继路由质量的检测、网元故障综合分析等【2 】。网元管理层包括操作一个或多个 网元的功能，例如：基站、基站控制器、m s c 等设备的远端操作维护、软硬件 管理等。在五层管理系统中，电信设备开发商更关心前三层的管理活动，其中网 元和网元管理与硬件设备紧密相关，所以必须由电信设备厂商完成，网络管理一 般也需要电信设备厂商提供，但是因为当前制定了标准接口，所以也可以由非设 备制造商来开发，例如有的网络管理软件就是由电信运营商自行开发的。 管理功能包括上节所述性能管理、故障管理、配置管理、计费管理和安全管 理五个方面。 性能管理：一组评价管理对象行为和通信活动有效性的设施。性能管理提供 对通信设备的性能、网络、或网络单元的有效性进行评价和给出报告的能力。 性能管理模块的基本功能是收集统计数据，并对网络和网络设备的性能进行 监视，以便发现和校正网络或网络设备的性能和有效性偏离或下降。同时，性能 监控模块还对网络的规划和设计提供支持。 性能管理通常通过采用一定的性能指标来评价网络是否满足吞吐量的要求， 是否有充裕的响应时间，是否过载或网络是否得到有效的使用。 性能管理必须实现以下功能：性能监测、分析和控制。 1 2 北京邮电大学硕士论文 1 性能监测：通过对网络中的设备进行测试，采集网络设备当前性能参数。 在g s m 无线接入网部分，包括小区无线利用率、无线利用率& 语音信 道拥塞率、r s l 利用率、s d 拥塞小区、t c h 拥塞( 不含切换) 、t c h 拥塞( 含切换) 、s d c c h 试呼总次数等。 2 性能分析：对网络设备上采集到的性能参数建立性能统计日志，对网络 或某一设备的性能进行分析，若存在性能差异，则产生性能告警并分析 原因，同时对当前和以前的性能进行比较以预测未来趋势。 3 性能监控：设置超门限、超频次告警值，当实际性能参数超出门限，则 进入异常情况，并产生告警信息，提交到上级部门或下发到下游处理机 构。 故障管理：检测和确定网络环境中异常操作所需的一组设施。无论故障的历 时是长或是短，都可能是导致网络系统不能达到预期的运营指标。故障管理功能 模块通过网元设备提交的告警报告，以及检测异常事件来发现故障。该模块还通 过日志来记录故障情况，并根据故障现象采取相应的跟踪、诊断和测试措施。 故障管理有关的管理参数，主要包括故障类型、故障原因、故障级别和故障 时间等。故障管理可分为故障检测、诊断定位和恢复三部分。 1 故障检测是指通过对网络运行状况进行监视的过程中发现故障信息，或 从其他管理功能模块或设备上获得故障告警，在检测到故障后，发出故 障告警信息，并通知故障诊断与定位【3 】。 2 故障诊断和定位的功能首先启用备份设备来代替故障设备，然后对故障 设备进行测试与分析，定位故障位置、评估故障程度，然后启动故障恢 复【3 1 。 3 故障恢复包括对软件的恢复与硬件的恢复，软件恢复部分可以利用预先 设定好的控制命令来排除故障；硬件故障，需要维修人员参与，故障恢 复可提供派单功能【3 】。 配置管理：网络管理系统根据需要对网络中的网络单元( n e ) 进行控制和 标识，并从网络单元收集数据，同时为网络单元提供数据。 为了保证网络经济、可靠、安全和高效的运行，配置管理模块需要对网络上 的配置进行调整，配置网络上各种工作设备、备份设备、设备之间关系的状态。 从网络运行的角度看，配置管理可以分为两个阶段：网络( 或设备) 初次运 行的初始配置管理( 通常称为网络指配，也称为网络预配置) 和网络( 或设备) 正常运行时的工作配置( 通常称为配置控制) 。从管理对象的角度看，配置管理 的对象分为两类：被管理网络本身和网络管理质量控制模式。 配置管理主要完成对网络设备和设施进行控制的功能。例如，故障诊断中启 北京邮电大学硕上论文 用备用设备来代替故障设备，就需要借助配置管理功能来完成，再比如业务量过 大时，可以启用备用电路群来疏散过负载业务。 计费管理则采集用户的通话时长、通话次数、异地本地呼p q 被叫等信息， 把这些信息存储到用户账户中，另一方面送交自费管理中心计算费用。 安全管理是网络管理的重要功能，主要完成保护网络资源的作用。 2 2 3 网络结构 网管系统的网络结构是指不同管理业务的o s 之间的互联形式，以及具有同 一种管理业务的o s 在不同的管理领域上的组网形式。由i t u t 定义的网络结构 如下图所示： o s ：警曩暴蕊 w s ：工椎站 图2 - 5t m n 网络结构图1 网管系统的组成结构还与所管理的业务网和其网管系统得结构有关，如一般 地业务网的网络分为骨干网、省内二级网和本地三级网，其网管系统业分为三级： 全国网管中心、省级网管中心和本地网管中心。按照通信网等级结构组成的具有 三级网管中心的t m n 网络结构，自上而下包括全国网管中心、省级网管中心和 本地网管中心三个级别，其中本地网管中心直接管理各个网元【4 1 。 g s m 网管系统分为全国网管系统、省级网管系统和操作维护中心( o m c ) 三级结构，分别完成对全国移动网运行状态的监控、对高层的网路协调、监控全 省移动网的运行状态并完成对话务数据的收集处理、对辖区内移动交换设备和基 站设备进行集中监控、修改局数据并完成故障的修复等等工作。 目前接入网的网管系统可以实现在地区一级对县市一级的一对一管理能力， 1 4 北京邮电人学硕上论文 即地区局的网管中心仅能监控管理一个县局的接入网设备，一个c o n s o l e 仅对应 一个s e r v e r ，不能管理其他县局的接入网设备，也不能满足发展的网络管理系统 需求。本地网管并不具有全网管理的能力，而二级网管的目的就是将全网g a s e r v e r ( 最多1 0 0 个) 集中在一个网管终端中进行管理。二级网管终端与二级网 管代理g a s e r v e r a g e n t 之间的通信接口为w a n ，传输方式为d d n 或e 1 ，速率 为6 4 k b i t s 2 m b i t s 。全国网管系统由各个省级网管系统分而治之，省级网管系统 定期向全国网管系统提交各种报告与报表【引。 2 3g s m 无线接入网及其网管系统的关系 g s m 网管系统是一种独立于电信网，支撑故障率低、高效稳定运转的网络 管理网络，它属于电信支撑网的一部分。它与g s m 无线接入网本身具有相对独 立性，但又密不可分。g s m 网管系统要求建立集中监控系统，并要求从通用网络 的角度使不同的网络在同一种操作方式下兼容。这样对于业务网来说设备差异是 透明的，可使网管人员轻松地掌握管理网络的方法，而无须详细了解每家厂商的 具体网管技术细节。这使得电信管理网在网络扩容扩建的情况下依然能兼容网络 的变化。以m o t o r o l a 设备为例，g s m 无线接入网与其网管系统的关系如下图所 不： 图2 - 6g s m 无线接入网与其网管系统的关系 由上图可见，g s m 无线接入网呈现树形网络结构，一个o m c r 设备管理多 个b s s 系统。在o m c r 管辖内，g s m 无线接入网设备的所有状态信息由所属 o m c r 进行收集。而所有的o m c r 数据信息又可以汇总到n m c 中。由于每个 o m c r 中包含一个大型的关系型数据库，在该数据库中存放着所辖区域内所有 无线网元设备的所有告警与事件信息，该数据库的数据量非常大。n m c 无需也 不能获取所有o m c r 的所有告警与事件信息。n m c 中设置有采集机，负责准实 时地采集各个o m c r 中的相关数据。 还以m o t o r o l a 设备为例，无线网元设备定时从其数据库中往o m c r 送出性 能数据文件，每一个网元的每一种性能参数放在一个文件，每个文件有且只存放 北京i t l g _ g 人学硕一i ：论文 l 小时的性能数据，每个网元的数据文件到达o m c r 的顺序不同步。如果由于 网络或其它原因，无线网元没能将数据文件传送到o m c r 时，通信设备会保留 数据在其数据库中，在故障排除后会重新传送所有未传送的数据文件，但每个文 件依然是1 小时数据。所以事件信息采集机需要定时从o m c r 采集所有所需性 能数据文件【6 1 。 特别是在故障管理模块中，网管系统利用特定的规则，将采集到的数据进行 分析，使网络监控人员能够迅速了解网元设备的运行状态，了解无线网元上各种 资源的利用率等信息。一方面，网络监控人员或相关软件将通过t e l n e t 等技 术，登陆o m c r 设备，然后对无线网元设备发送控制指令。另一方面，对于无 法用软件