HFC网络管理系统整体解决方案
HFC网络管理系统整体解决方案
程永军
[摘要]：本文较系统的介绍了HFC网络管理系统的功能、标准、设计原理和技术指标以及在网络中的应用。
[关键词]：FSK调制解调HMS标准网管前端控制器应答器
【Abstract】This paper introduce that functions , standards , design principium and techno-guidebooks of HFC network management system.
概述：随着中国有线电视网络建设不断的发展，网络规模也越来越大。同时，伴随着数字电视，数据、语音、宽带INTERNET的接入，有线电视网络系统正逐步成为技术统一，互联互通的宽带信息网络。但在网络建设、运营、管理、效益和可靠性方面所出现的问题也愈来愈成为网络运营商最为关心的问题。中国目前有线电视网络的管理同电信网络管理相比几乎等于零，落后是非常巨大和明显的。超过95%以上的有线电视网络没有网络管理功能，导致网络运行管理和维护成本越来越高，不能及时发现网络系统上出现的问题，增加了用户的不满和对有线电视网络可靠性的质疑。广电总局已经注意到这一问题的严重性、并成立了HFC网络标准化研究小组，制定一些相关的网络管理系统标准。
广电HFC网络是国家信息化建设中的重点建设项目，适合广电网络管理标准的网管系统将具有越来越大的应用前景，其作用和管理能力也越来越被广电运营商所重视。所以建设一个能适应HFC网络发展方向的网络管理系统，是目前急需要开展的工作，本文就如何建设一个HFC网络管理系统提出了一个较全面的解决方案，以便在HFC网络中得到推广和应用。
一、HFC网络管理的功能、特点和标准：
1、HFC网管的系统功能：
HFC网络管理功能是一个相对专业的HFC网络设备和用户的管理系统，目前还没有涉及到诸如财务、人力、运营、器材、档案管理等广义方面的网络管理。主要功能包括监测网络和控制网络的运行状态、性能、品质等方面，收集和分析网络性能数据，对这些数据进行分析和处理并显示，发出预警和告警信号，起用备份设备和转移路由，控制网络的不正常状况，对网络的路由进行合理调度，对用户控制及收费管理等内容。可概括为五大功能：设备性能管理、故障管理、控制管理、安全管理、资费管理。
2、HFC网管系统的特点：
l 可靠性极高
采用了嵌入式实时操作系统技术，极大的提高了系统的可靠性；
l 双机热备份
管理PC主机上的网络管理程序运行于Windows98/2000中文平台下。为了解决PC 机软硬件系统可靠性的问题，网络管理控制器支持两台PC机同时工作，一主一备，主备间可以自动切换；
l 全面的网络管理
能独立监控多达48000个网络节点，提供网络拓扑管理，故障管理，安全管理，维护管理等全方位的管理层次，使系统的管理和维护变得简便、安全、高效；
l 完善的监控功能
高速可靠的监控机制，能实时显示系统运行状况并作历史记录，优先报告和处理系统异常情况，确保系统平稳运行；
l 直观的管理界面
Windows98/2000下的图形化操作界面，以图标的形式标识电路的工作状态和告警状态，以列表和拓扑图的形式显示电路资源的占用情况，操作简便，一目了然；
l 清晰的网络结构
可配置生成网络拓扑图，并可随远端网络的改变而更新；
l 完备的报表和日志生成
提供网路报表、单元电路统计报表、端口统计报表、节点状态报表等，自动记录操作日志；
l 灵活的远端维护
通过Internet远程登录，可在任意时间、任意地点安全地对系统进行管理维护工作。
3、HFC网络管理系统的标准问题：
国家广电总局目前正在制订行业网管标准，所下发的《hfc设备管理系统征求意见稿20031118 》基本上遵循了HMS规范。HMS物理层规范描述的中心前端控制器（HE）与室外设备网络单元（NE）应答器的接口（该接口遵循HMS规范）之间的物理层协议。该标准规范网络单元与前端控制器通信所用的频率、调制方法和数据速率。它采用FSK 调制方式以38.4Kb/S的数据率双向传输数据；可编程控制前端控制器和应答器的发射和接收频率跳变；数据链路和网络层规范访问规则，信号同步、寻址和网络单元与前端控制器之间的通信包协议结构；采用媒体访问控制（MAC）协议来提供及时通知报警、带宽效率、可测性、可靠性、低成本等性能。信息数据通信协议标准将规范单元管理软件传给节点、放大器和电源的信息容量。
由于国家标准没有制定下来，国内许多厂家的网络管理系统并不兼容，即使号称满足HMS标准协议的网管也不能完全互相兼容。但可以在上层兼容SNMP协议或通过增加协议转换来达到兼容的目的。
随着网管系统的使用，其功能是不断的从简单到复杂完善的发展过程，人们将不断的提出新的要求以满足发展的网络建设和质量保证的需要。
二、HFC网络管理系统的设计
1、系统的基本组成：
HFC网络管理系统主要是由监控平台、前端/分前端中心前端控制器和节点应答器组成。应答器直接采集网络节点的状态信息并上报给中心前端控制器，同时接受中心前端控制
器下行的控制信息来控制节点工作状态。前端控制器负责管理本地及远端的应答器，协调通讯过程，保证无差错传输。监控平台则是显示、报告、处理和记录网络运行状况的人机对话界面，包括网络层、服务层和应用层，分别负责网络管理、服务管理和应用管理。
监控平台是基于SNMP协议的网络管理系统的管理器软件，运行于IP局域／城域网上的计算机管理系统中。管理主机和前端/分前端控制器（通讯管理单元）采用标准的IP 接口和232接口，前端控制器（管理单元）与前端被管理设备的接口采用232和485接口，前端管理单元（控制器）与应答器的接口采用HMS标准规定的RF接口（HMS MAC 层协议）。
前端控制器（Headend Element）：简称HE，安装于前端或分前端，用于实现与光纤同轴混合网络中应答器（I类应答器）进行数据通讯的一种设备或数种设备的组合，主要包括数据调制解调单元、数据收发单元、数据处理单元，以及与计算机管理系统的接口单元。前端控制器是HFC网络管理系统与IP局域／城域网之间的网关（Gateway）
图1：HFC网络管理系统框图。
注：网络节点的设备可以是前端设备、光节点、电源、放大器等，前端设备也可以通过IP网络由网管计算机直接管理。
2、符合HMS标准的网管系统实现
我们所设计的HFC网管系统是为了有效的管理在HFC网络上运行的各种各样设备而研制的。所有硬件在设计时遵循有关行业标准，HMS标准的物理层规范，软件遵循HMS标准的MAC层规范、SNMPV1.0协议和HMS标准的MIB数据库。
l 通信模型：根据HMS标准，HFC网管的通信模型见图2。
l 图2：协议模型
l 硬件的设计框图：
前端控制器硬件设计的原理框图：
图3：前端硬件设计原理框图
应答器硬件设计原理框图：
RF
图4：应答器硬件设计原理框图
前端设备网管硬件设计原理框图：
图5：前端设备网管硬件设计原理框图
l 网管软件的设计
前端网管计算机设备监控软件是建立在C/S（客户/服务器）模式下的可视化应用系统，它基于WINDOWS98/2000操作系统，采用了Inprise公司的C++Builder5.0编程工具开发而成，它提供了对标准C++的完全支持，并拥有强大的用户界面设计能力，且提供了对当今所有主流数据库的良好支持，所有的数据库连接操作指令均会通过其全新的32位数据库引擎BDE(Borland Database Engine)进行处理。
数据库采用了C++Builder自身提供的Interbase数据库管理系统，它可运行在许多操作系统平台上，包括Windows9x，WindowsNT，各种UNIX平台。当系统启动时，Interbase 会自动启动。网管软件与Interbase服务器端软件一起安装即网管机器也作为一台Interbae服务器。数据库文件Data.gdb安装在服务器上，内建多个数据表和存储过程负责记录设备的各项工作状态参数并被应用程序所调用。
软件流程图：
通过以太网口发送
轮询或广播信息
处理数据包
进行CRC校验
校验通过，发消息
通知接收数据包
为0xff
判断数据类型发消息，处理数据
响应包
其他
建立设备处理类
TDeviceData
建立类TExplainner
得到设备模拟量和数字量
判断是否有发消息通知其他
有新设备窗口控制类
报警信息否不存储上传数据
是否改变
是
数据包括模拟量
存数据到表CurItem 数字量、报警量
Histroyalarm和alarm
软件通信方式采用轮询和竞争两种。兼容电子地图，是一个多模块、多文档应用程序。主要由SNMP通信模块、MAC通信模块、协议转换模块、系统树、拓扑图、历史报警记录、设备属性、读数窗口、报警窗口、用户管理等模块组成。软件主窗体提供了文件、系统、报警、窗口、帮助等主菜单，覆盖了该软件系统的全部功能。
l 通信接口：从硬件原理框图中已经可以看出网管系统的各种接口。以太网接口为以太网RJ45接口。前端设备间的通信接口选用RJ45/RS485接口进行通信。由于在一条RS485串口线上可同时挂接128台设备，该接口电路在波特率为9600bit/s时，双绞线可传输1.2KM，所以选用RS485接口可实现设备间的较远距离(如一栋大楼内)通信和较强的扩充性能。?
l 上下行信道的频率配置和调制方式的选取：
按GY/T 106 - 1999和GY/T 180 – 2001的规定，设备管理信号上行信道的频谱配置为5～65MHz。宜选用5.0～20.2MHz（R1～R5）频段的某一信道作上行信道。设备管理信号下行信道宜选108MHz～119MHz的某一频段。上、下行通道中心频率的设置都应避开强干扰信号。
表1上、下行信道的频谱配置建议
上行信道（MHz）下行信道（MHZ）
R1 R2 R3 R4 R5 最低频率最高频率
5.0～7.4 7.4～10.6 10.6~13.8 13.8~17 17~20.2 108MHz 119MHz
RF通信方式选用FSK调制解调方式。
l 兼容问题：在国家标准制定以前，许多厂商已经开发了自己的网管系统，其定义的协议各不相同，所以，满足HMS标准的网管系统必须具有对原有系统的兼容能力，为此，可以在系统里增加一个SNMP代理模块，负责完成不同厂商自定义协议到SNMP/MIB协议的转换，在物理层完成自定义接口到以太网接口的转换，通过IP网络与网管主机通信。这样可以方便的解决兼容问题。
3、HFC网管系统的主要设计指标：
对于上、下行信道，光纤同轴混合网设备管理系统的物理层RF通道和调制技术规范见表2。
表2光纤同轴混合网设备管理系统物理层RF通道及调制技术规范
项目前端控制器I类应答器
输出电平+100dBuV~+111dBuV +85dBmV～+105dBmV
输出电平稳定度±2dB ±3dB
输出电平步长2dB 2dB
输出频率在108MHz—119MHz中的某一指定频段在5.0MHz~20.2MHz中的某一指定频段
发送机调谐范围在每个确定的8MHz工作频段内全可调或固定频率在每个确定的3.2MHz工作频段内全可调或固定频率
输出频率调节步长100kHz 100kHz
输出频率准确度±10kHz ±10kHz
RF输出关断度不适用≥60dB
RF输出关断时间不适用≤1秒
发送机开机状态下，工作频道带外寄生辐射-65dB，全部下行频带内（相对于未调制下行载波）-55dB，全部上行频带内
发送机关机状态下，工作频道带外寄生幅射不适用单端口设备：30dBmV（5～1000MHz）双端口设备，发射端口：30dBmV(5～200MHz)45dBmV(200～1000MHz)双端口设备，接收端口：45dBmV(5～65MHz)30dBmV(65～1000MHz)
频谱形状<400kHz@100dBc/Hz，108～119MHz <800kHz@95dBc/Hz，5～13MHz<400kHz@95dBc/Hz，13～20MHz
发送信号带外噪声抑制在全部下行频带的任意5.75MHz测量带宽内，C/N >60dB 不适用
RF输入/输出阻抗75Ω 75Ω（外置式）
RF输入/输出反射损耗≥12dB ≥12dB （外置式）
最大上升时间不适用≤100m s (从峰值电平的10%到90%)
最大下降时间不适用≤100m s (从峰值电平的90%到10%)
发送机前沿时间不适用600ms～1.2ms
接收功率动态范围40dBmV～80dBmV 40dBmV～80dBmV
接收机调谐范围在确定的3.2MHz上行工作频段内全可调或固定频率在确定的8MHz 下行工作频段内全可调或固定频率
接收机频率步长100kHz 100kHz
接收机C/(N+I)（BER<10E-6）≥20dB ≥20dB
接收机选择性在通带边沿的CW载波可比带内接收到的信号电平高10dB 在偏离接收机中心频率±250kHz处的CW载波，可比带内接收到的信号电平高10dB
发送机的最大转换时间≤8ms ≤15ms
调制方法FSK，Δf＝100kHz±10kHz FSK，Δf＝100kHz±10kHz
调制变换传号= fc+△f，空号= fc-△f 传号=fc+△f，空号=fc-△f
通信速率38.4kbps 38.4kbps
比特率精度±100ppm ±100ppm
传号和空号的发送机功率差1dB 2dB
双向传输方式半双工
传输模式连续数据包传输，在数据包之间为传号突发数据包传输，在未传输数据包期间关闭信号
工作温度范围0℃～＋40℃-25℃～＋65℃
光纤同轴混合网设备管理统设备的可靠性指标：平均无故障工作时间（MTBF）的下限值应不低于1x105小时。