基于MapXtreme的直放站集中監控管理系統開發與實現

?? 蜂窩移動通信中使用的直放站作為一種中繼產品，可以在不增加基站數量的前提下保證無線網絡覆蓋，并且具有結構簡單、投資少、安裝方便等優點，可廣泛用于無線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。為保證直放站安全可靠地工作，必須對直放站設備進行集中監控，實時獲取設備的各種工作參數，出現故障時同步報警，并可根據實際需要進行參數調整。
　　隨著直放站建設規模的擴大，有必要在集中監控管理系統中引入電子地圖，將直放站的地理分布、與基站等主設備之間的關聯等信息內容用圖形方式顯示，為監控人員提供更直觀、更便利的操作界面。基于MapXtreme建設直放站集中監控管理系統是實現這一目標的可行方案[1]。
1 系統體系結構
　　基于MapXtreme的直放站集中監控管理系統是集無線通信技術、數據通信技術、動態數據處理技術、計算機技術及GIS技術于一體的綜合網絡管理系統，可對管理區域內的直放站提供實時設置、查詢、數據傳輸、遇險報警等多項功能，為運營商提供了一套完善的自動化遠程通信監控服務。
1.1 網絡結構
　　系統采用分布式體系結構設計，其網絡結構如圖1所示。直放站中的監控設備通過無線Modem將監控參數以短信形式發出，基站收到信號后，經2G/3G移動通信網絡，送到短信中心，再由短信網關送達監控中心。監控中心由位于同一局域網內的多臺服務器組成。其中，通信服務器負責收發短信中心的信息；應用服務器負責系統內各項管理業務功能的實現；Web服務器負責連接互聯網，為監控人員提供維護接口；數據庫服務器負責各類數據的查詢和管理。各監控終端通過互聯網，以B/S方式連接服務器，獲取監控信息并實施有關操作[2]。

1.2 通信協議結構
　　系統中包含多個物理實體，如直放站、短信中心、監控中心、監控終端等。為保證各實體之間可靠通信，這里采用分層原理對通信協議進行了劃分，明確層與層間的接口形式，降低層與層之間的相互干擾，實現軟件的模塊化設計。整個通信協議共分為4層，如圖2所示。從底層至頂層分別為：承載層、接入層、網絡層和監控應用層[3]。

　　(1)承載層:是通信的實際鏈路，此層可以向接入層提供面向字節的數據包,除支持短信連接外，還支持RS-232、RS-485和Ethernet等，該層協議簡稱為TP。
　　(2)接入層:定義通信傳輸的通道及相關的要求，以便實現與各種不同媒介的信息互通，承載并保證網絡層協議數據的可靠傳輸，該層協議簡稱為AP。
　　(3)網絡層:承載監控應用層協議包，實現監控應用層與通信鏈路及網絡結構的隔離，能夠向監控應用層提供本設備需要處理的監控指令和數據，該層協議簡稱為NP。
　　(4)監控應用層:針對各種監控所需功能，實現面向監控功能的數據組織，該層協議簡稱為MAP。
1.3 管理功能結構
　　系統的管理功能分為5大模塊:系統管理、直放站信息管理、任務管理、報警管理和統計分析，如圖3所示。

　　(1)系統管理模塊:主要完成用戶和權限設置、設備參數編輯、各種日志的獲取和導出操作、傳輸服務的啟動和關閉、任務列表的實時顯示和刪除、系統測試等。
　　(2)直放站信息管理模塊：主要完成工程列表查看、站點查詢、監控對象管理、關聯指配配置、電子地圖瀏覽等。由于監控中心要實現直放站近端和遠端的關聯、直放站近端和基站的關聯、主設備與相關從設備的對應關系，以及直放站與關聯小區的對應關系，所以在電子地圖上要呈現拓撲關系。

　(3)任務管理模塊：主要完成任務列表的顯示、編輯和設置。任務列表顯示了用戶添加的通信任務的相關信息，具體包括：任務序號、任務名稱、通信功能、傳輸模式、生效時間、失效時間、是否生效等。
　　(4)報警管理模塊：能夠實現對報警數據的實時采集和集中監視，輔助運維人員快速發現網絡問題并定位故障，自動生成報警工單，同時提供對報警信息的各種處理功能，提供對歷史報警信息的統計和查詢功能。
　　(5)統計分析模塊：可以完成分析下行輸入、輸出功率和下行駐波的關系，統計各個站點的報警信息，檢查近遠端設備配對情況，分析站點的參數對象是否完整、各種門限是否符合要求等。
2 MapXtreme應用方案的分析與設計
　　在直放站集中監控管理系統中引入電子地圖，可以精確定位直放站的位置，并與基站的位置信息相關聯，開發報警的關聯功能，而且可以提供更直觀的用戶界面，方便監控和操作。
　　電子地圖功能可通過WebGIS系統中的MapXtreme實現。MapXtreme是MapInfo公司開發的一個基于互聯網技術的地圖應用軟件，其中，MapXtreme for Java版本是100%純Java產品，具有跨平臺、組件化、面向對象、符合J2EE規范等特點和優勢，因此選用它作為開發平臺。使用MapXtreme開發WebGIS應用，開發人員能集中控制以及維護地圖和數據庫數據，并集中實現地圖應用程序功能。此外，由于使用IE瀏覽器作為客戶端的使用界面，可使開發人員將地理信息系統緊密地與其他系統相結合，給用戶提供統一、完整的綜合信息服務。基于MapXtreme的WebGIS應用方案如圖4所示[4]。

　　IE瀏覽器是一個圖形用戶界面，采用Java Applet與JavaScript為用戶提供地圖的基本操作,實現空間數據顯示、查詢統計分析等功能。
　　Web服務器處理客戶端的請求并把對空間數據的處理命令傳遞給GIS應用服務器，回傳HTML文件及Java服務器對象組件；加載空間數據等。客戶端Java Applet通過服務器端Servlet的URL重新構造URL類，向服務器端的Servlet發出請求，Servlet調用JDBC驅動器，JDBC驅動器負責連接、操作GIS數據庫并在客戶端的瀏覽器中顯示。Web服務器層也可直接利用標準SQL語言訪問數據庫服務器以獲取較復雜的屬性數據。
　　GIS應用服務器處理來自Web服務器空間數據操作命令，進行地圖生成和操作等，同時將地圖操作結果以圖片形式輸出到Web服務器的特定目錄之下。
　　GIS數據庫服務器由SpatialWare負責管理。SpatialWare是MapInfo公司最新推出的空間數據庫管理軟件，它的主要作用是把復雜的MapInfo地圖對象存入大型數據庫中，并為其建立空間數據索引，從而在數據庫服務器上實現對屬性數據和空間圖形對象數據的統一管理。
3 關鍵技術的研究與開發
　　基于MapXtreme的WebGIS應用方案具有平***立性和平衡高效的計算負載等特點，使用Java技術在服務器端開發Java Servlet程序。MapXtreme作為一個Servlet與Web服務器相連接，通過地圖引擎來向應用程序提供可供程序腳本語言使用的地圖對象、屬性和方法。開發中涉及的關鍵技術有以下幾項。
3.1 客戶端與服務器端通信的實現
　　客戶端和服務器端之間的通信是通過HTTP協議來完成的。所有HTTP通信都使用8位字符，以確保二進制編碼文件的安全傳輸。系統采用了一種稱之為隧道技術的處理方式。隧道可以被看作一條這樣的通道：它使用己存在的通信通道HTTP，并在其中創建一個子協議來執行特殊任務。這里要創建的子協議將包含所有必要的信息，這些信息被用來創建一個Web服務器上的對象，調用這個對象中的方法，并將結果返回給客戶端。使用HTTP隧道的優點就是可以將精力集中在子協議上面，而不用關注如何在客戶端和服務器之間傳送數據包。
　　在客戶端和服務器端之間傳送一條請求要經過很多工序。出于性能上考慮，應該在每次請求/響應中傳輸盡可能多的信息。客戶端和服務器端之間的1次完整通信具體包含以下的步驟:
　　(1) 打開HTTP連接：HTTP是一種無狀態的協議，即每一個請求都被視為一個獨立的實體。因此，對于每一個請求都要建立一個新連接。
　　(2)初始化方法請求：用來描述調用什么方法和方法所需要的參數。
　　(3)設置HTTP請求頭：包含發送的數據類型和長度。
　　(4)發送請求：將二進制數據流發送到服務器。
　　(5)讀取請求：目標Servlet程序將被調用，并接收HTTP請求數據。Servlet程序就是調用所有必要的參數選擇相應的方法。如果這是客戶端的第一次請求，一個服務器對象的新的實例就會被創建。
　　(6)調用方法：方法將會被服務器端的對象所調用。
　　(7)初始化方法響應：如果調用的方法拋出一個異常，客戶將接收到出錯信息;否則，返回的類型將會被發送。
　　(8) 設置HTTP響應頭：與設置HTTP請求頭一樣，在響應頭中要設置待發送數據的類型和長度。
　　(9) 發送響應：二進制數據流將從Web服務器發送回給客戶端。
　　(10) 關閉連接。
3.2 GIS數據庫結構的設計
　　數據庫的合理構建是進行監控管理的前提。系統采用SQL Server作為GIS數據庫，其中包括空間數據庫和屬性數據庫2部分。空間數據庫采用非關系數據結構，將地圖信息和直放站的地理信息以MapInfo的自定義格式保存于若干文件中；屬性數據庫采用關系數據結構，將與地理信息無關的直放站參數信息和操作信息存儲在若干屬性表中。空間數據庫與屬性數據庫采用間接關聯的方式，二者通過一定的索引機制聯系起來，如圖5所示。

　　GIS數據表示地理實體的空間位置或直放站所處的地理位置，表達了物體地理實體的幾何定位特征，以坐標數據表示。為了提高查詢和處理效率，系統采用層次結構對GIS數據進行組織，即根據不同的專題將地圖分層，通過“圖層”對地理信息和直放站信息進行管理和存儲，圖層以透明的方式重疊在一起，形成了地圖。圖層由圖元和屬性數據組成，圖元和地理數據相關聯。這樣，由圖層組成的地圖就可以實現信息查詢、數據分析和數據可視化顯示。每個圖層的數據分別存儲于4個文件名相同、擴展名不同的文件中，即TAB文件、DAT文件、ID文件和MAP文件。這4個文件各自的作用如下：
　　(1)TAB代表屬性數據表結構文件，其中定義了地圖屬性數據的表結構，包括字段數、字段名稱、字段類型、字段寬度、索引字段及相應圖層的一些關鍵空間信息描述。
　　(2)DAT代表屬性數據文件，用于存放完整的地圖屬性數據。在文件頭之后，為表結構描述，其后首尾相接地緊跟著各條具體的屬性數據記錄。
　　(3)ID代表交叉索引文件，記錄了地圖中每一個空間對象在空間數據文件(MAP)中的位置指針。每4個字節構成一個指針。指針排列的順序與屬性數據文件(DAT)中屬性數據記錄存放的順序一致。交叉索引文件實際上是一個空間對象的定位表。
　　(4)MAP代表空間數據文件，具體包含了各地圖對象的空間數據，如空間對象的幾何類型、坐標信息和顏色信息等。
3.3 GIS數據的雙向查詢
　　基于WebGIS的數據查詢功能是系統的重要管理功能之一，包括從圖到表和從表到圖兩種查詢方式。也就是說，用戶可以從地圖上直放站的空間信息得到直放站的所有屬性信息；同時，也可以通過直放站的參數和信息得到其地理位置和其他地理信息。
　　從圖到表的查詢是通過直放站圖元的位置，得到該直放站的相關參數和報警信息等。地圖中對圖元的選擇、定位以及控制功能只針對直放站圖層，該圖層數據來源于空間數據庫。對于選擇直放站圖元的方式，系統提供了點選和矩形區域選擇功能，以適應不同情況下對直放站的操作和篩選。經過區域選擇，可以得到一組符合條件的直放站圖元列表。系統提供定位功能，通過定位選中圖元中的某一個，從而得到此圖元的詳細地理信息和屬性信息。
　　從表到圖的查詢是根據一定條件來查詢滿足條件的直放站圖元。利用直放站屬性和直放站地理信息對應的關系，通過屬性信息得到直放站的地理信息，將符合要求的直放站圖元在地圖上高亮顯示。
　　本文提出針對移動通信直放站集中監控管理系統的解決方案，實現了在B/S模式下對直放站的日常監控管理，具備了比較完備的功能。監控人員可以通過Web頁面實時查看網內直放站的參數，對報警進行處理，發送輪巡等命令。圖6為客戶端對電子地圖進行操作的顯示界面，可完成放大、縮小、移動、測量距離、查看站點基本信息和查找站點等功能。系統的實現大大提高了運營商的工作效率和資產利用率，降低了運行維護成本。