摘 要：在直放站集中监控管理系统中引入电子地图，可以提供更直观的用户界面，方便监控和操作。介绍了系统采用的分布式网络结构、分层式通信协议结构和模块式管理功能结构，分析和设计了基于MapXtreme的应用方案，针对开发中的关键问题给出了解决方法。系统的实现大大提高了运营商的资产利用率和工作效率，降低了运行维护成本。
关键词：直放站； 集中监控；WebGIS； MapXtreme
蜂窝移动通信中使用的直放站作为一种中继产品，可以在不增加基站数量的前提下保证无线网络覆盖，并且具有结构简单、投资少、安装方便等优点，可广泛用于无线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。为保证直放站安全可靠地工作，必须对直放站设备进行集中监控，实时获取设备的各种工作参数，出现故障时同步报警，并可根据实际需要进行参数调整。
随着直放站建设规模的扩大，有必要在集中监控管理系统中引入电子地图，将直放站的地理分布、与基站等主设备之间的关联等信息内容用图形方式显示，为监控人员提供更直观、更便利的操作界面。基于MapXtreme建设直放站集中监控管理系统是实现这一目标的可行方案[1]。
1 系统体系结构
基于MapXtreme的直放站集中监控管理系统是集无线通信技术、数据通信技术、动态数据处理技术、计算机技术及GIS技术于一体的综合网络管理系统，可对管理区域内的直放站提供实时设置、查询、数据传输、遇险报警等多项功能，为运营商提供了一套完善的自动化远程通信监控服务。
1.1 网络结构
系统采用分布式体系结构设计，其网络结构如图1所示。直放站中的监控设备通过无线Modem将监控参数以短信形式发出，基站收到信号后，经2G/3G移动通信网络，送到短信中心，再由短信网关送达监控中心。监控中心由位于同一局域网内的多台服务器组成。其中，通信服务器负责收发短信中心的信息；应用服务器负责系统内各项管理业务功能的实现；Web服务器负责连接互联网，为监控人员提供维护接口；数据库服务器负责各类数据的查询和管理。各监控终端通过互联网，以B/S方式连接服务器，获取监控信息并实施有关操作[2]。
1.2 通信协议结构
系统中包含多个物理实体，如直放站、短信中心、监控中心、监控终端等。为保证各实体之间可靠通信，这里采用分层原理对通信协议进行了划分，明确层与层间的接口形式，降低层与层之间的相互干扰，实现软件的模块化设计。整个通信协议共分为4层，如图2所示。从底层至顶层分别为：承载层、接入层、网络层和监控应用层[3]。
(1)承载层:是通信的实际链路，此层可以向接入层提供面向字节的数据包,除支持短信连接外，还支持RS-232、RS-485和Ethernet等，该层协议简称为TP。
(2)接入层:定义通信传输的通道及相关的要求，以便实现与各种不同媒介的信息互通，承载并保证网络层协议数据的可靠传输，该层协议简称为AP。
(3)网络层:承载监控应用层协议包，实现监控应用层与通信链路及网络结构的隔离，能够向监控应用层提供本设备需要处理的监控指令和数据，该层协议简称为NP。
(4)监控应用层:针对各种监控所需功能，实现面向监控功能的数据组织，该层协议简称为MAP。
1.3 管理功能结构
系统的管理功能分为5大模块:系统管理、直放站信息管理、任务管理、报警管理和统计分析，如图3所示。
(1)系统管理模块:主要完成用户和权限设置、设备参数编辑、各种日志的获取和导出操作、传输服务的启动和关闭、任务列表的实时显示和删除、系统测试等。
(2)直放站信息管理模块：主要完成工程列表查看、站点查询、监控对象管理、关联指配配置、电子地图浏览等。由于监控中心要实现直放站近端和远端的关联、直放站近端和基站的关联、主设备与相关从设备的对应关系，以及直放站与关联小区的对应关系，所以在电子地图上要呈现拓扑关系。
(3)任务管理模块：主要完成任务列表的显示、编辑和设置。任务列表显示了用户添加的通信任务的相关信息，具体包括：任务序号、任务名称、通信功能、传输模式、生效时间、失效时间、是否生效等。
(4)报警管理模块：能够实现对报警数据的实时采集和集中监视，辅助运维人员快速发现网络问题并定位故障，自动生成报警工单，同时提供对报警信息的各种处理功能，提供对历史报警信息的统计和查询功能。
(5)统计分析模块：可以完成分析下行输入、输出功率和下行驻波的关系，统计各个站点的报警信息，检查近远端设备配对情况，分析站点的参数对象是否完整、各种门限是否符合要求等。
2 MapXtreme应用方案的分析与设计
在直放站集中监控管理系统中引入电子地图，可以精确定位直放站的位置，并与基站的位置信息相关联，开发报警的关联功能，而且可以提供更直观的用户界面，方便监控和操作。
电子地图功能可通过WebGIS系统中的MapXtreme实现。MapXtreme是MapInfo公司开发的一个基于互联网技术的地图应用软件，其中，MapXtreme for Java版本是100%纯Java产品，具有跨平台、组件化、面向对象、符合J2EE规范等特点和优势，因此选用它作为开发平台。使用MapXtreme开发WebGIS应用，开发人员能集中控制以及维护地图和数据库数据，并集中实现地图应用程序功能。此外，由于使用IE浏览器作为客户端的使用界面，可使开发人员将地理信息系统紧密地与其他系统相结合，给用户提供统一、完整的综合信息服务。基于MapXtreme的WebGIS应用方案如图4所示[4]。
IE浏览器是一个图形用户界面，采用Java Applet与JavaScript为用户提供地图的基本操作,实现空间数据显示、查询统计分析等功能。
Web服务器处理客户端的请求并把对空间数据的处理命令传递给GIS应用服务器，回传HTML文件及Java服务器对象组件；加载空间数据等。客户端Java Applet通过服务器端Servlet的URL重新构造URL类，向服务器端的Servlet发出请求，Servlet调用JDBC驱动器，JDBC驱动器负责连接、操作GIS数据库并在客户端的浏览器中显示。Web服务器层也可直接利用标准SQL语言访问数据库服务器以获取较复杂的属性数据。
GIS应用服务器处理来自Web服务器空间数据操作命令，进行地图生成和操作等，同时将地图操作结果以图片形式输出到Web服务器的特定目录之下。
GIS数据库服务器由SpatialWare负责管理。SpatialWare是MapInfo公司最新推出的空间数据库管理软件，它的主要作用是把复杂的MapInfo地图对象存入大型数据库中，并为其建立空间数据索引，从而在数据库服务器上实现对属性数据和空间图形对象数据的统一管理。
3 关键技术的研究与开发
基于MapXtreme的WebGIS应用方案具有平台独立性和平衡高效的计算负载等特点，使用Java技术在服务器端开发Java Servlet程序。MapXtreme作为一个Servlet与Web服务器相连接，通过地图引擎来向应用程序提供可供程序脚本语言使用的地图对象、属性和方法。开发中涉及的关键技术有以下几项。
3.1 客户端与服务器端通信的实现
客户端和服务器端之间的通信是通过HTTP协议来完成的。所有HTTP通信都使用8位字符，以确保二进制编码文件的安全传输。系统采用了一种称之为隧道技术的处理方式。隧道可以被看作一条这样的通道：它使用己存在的通信通道HTTP，并在其中创建一个子协议来执行特殊任务。这里要创建的子协议将包含所有必要的信息，这些信息被用来创建一个Web服务器上的对象，调用这个对象中的方法，并将结果返回给客户端。使用HTTP隧道的优点就是可以将精力集中在子协议上面，而不用关注如何在客户端和服务器之间传送数据包。
在客户端和服务器端之间传送一条请求要经过很多工序。出于性能上考虑，应该在每次请求/响应中传输尽可能多的信息。客户端和服务器端之间的1次完整通信具体包含以下的步骤:
(1) 打开HTTP连接：HTTP是一种无状态的协议，即每一个请求都被视为一个独立的实体。因此，对于每一个请求都要建立一个新连接。
(2)初始化方法请求：用来描述调用什么方法和方法所需要的参数。
(3)设置HTTP请求头：包含发送的数据类型和长度。
(4)发送请求：将二进制数据流发送到服务器。
(5)读取请求：目标Servlet程序将被调用，并接收HTTP请求数据。Servlet程序就是调用所有必要的参数选择相应的方法。如果这是客户端的第一次请求，一个服务器对象的新的实例就会被创建。
(6)调用方法：方法将会被服务器端的对象所调用。
(7)初始化方法响应：如果调用的方法抛出一个异常，客户将接收到出错信息;否则，返回的类型将会被发送。
(8) 设置HTTP响应头：与设置HTTP请求头一样，在响应头中要设置待发送数据的类型和长度。
(9) 发送响应：二进制数据流将从Web服务器发送回给客户端。
(10) 关闭连接。
3.2 GIS数据库结构的设计
数据库的合理构建是进行监控管理的前提。系统采用SQL Server作为GIS数据库，其中包括空间数据库和属性数据库2部分。空间数据库采用非关系数据结构，将地图信息和直放站的地理信息以MapInfo的自定义格式保存于若干文件中；属性数据库采用关系数据结构，将与地理信息无关的直放站参数信息和操作信息存储在若干属性表中。空间数据库与属性数据库采用间接关联的方式，二者通过一定的索引机制联系起来，如图5所示。
GIS数据表示地理实体的空间位置或直放站所处的地理位置，表达了物体地理实体的几何定位特征，以坐标数据表示。为了提高查询和处理效率，系统采用层次结构对GIS数据进行组织，即根据不同的专题将地图分层，通过“图层”对地理信息和直放站信息进行管理和存储，图层以透明的方式重叠在一起，形成了地图。图层由图元和属性数据组成，图元和地理数据相关联。这样，由图层组成的地图就可以实现信息查询、数据分析和数据可视化显示。每个图层的数据分别存储于4个文件名相同、扩展名不同的文件中，即TAB文件、DAT文件、ID文件和MAP文件。这4个文件各自的作用如下：
(1)TAB代表属性数据表结构文件，其中定义了地图属性数据的表结构，包括字段数、字段名称、字段类型、字段宽度、索引字段及相应图层的一些关键空间信息描述。
(2)DAT代表属性数据文件，用于存放完整的地图属性数据。在文件头之后，为表结构描述，其后首尾相接地紧跟着各条具体的属性数据记录。
(3)ID代表交叉索引文件，记录了地图中每一个空间对象在空间数据文件(MAP)中的位置指针。每4个字节构成一个指针。指针排列的顺序与属性数据文件(DAT)中属性数据记录存放的顺序一致。交叉索引文件实际上是一个空间对象的定位表。
(4)MAP代表空间数据文件，具体包含了各地图对象的空间数据，如空间对象的几何类型、坐标信息和颜色信息等。
3.3 GIS数据的双向查询
基于WebGIS的数据查询功能是系统的重要管理功能之一，包括从图到表和从表到图两种查询方式。也就是说，用户可以从地图上直放站的空间信息得到直放站的所有属性信息；同时，也可以通过直放站的参数和信息得到其地理位置和其他地理信息。
从图到表的查询是通过直放站图元的位置，得到该直放站的相关参数和报警信息等。地图中对图元的选择、定位以及控制功能只针对直放站图层，该图层数据来源于空间数据库。对于选择直放站图元的方式，系统提供了点选和矩形区域选择功能，以适应不同情况下对直放站的操作和筛选。经过区域选择，可以得到一组符合条件的直放站图元列表。系统提供定位功能，通过定位选中图元中的某一个，从而得到此图元的详细地理信息和属性信息。
从表到图的查询是根据一定条件来查询满足条件的直放站图元。利用直放站属性和直放站地理信息对应的关系，通过属性信息得到直放站的地理信息，将符合要求的直放站图元在地图上高亮显示。
本文提出针对移动通信直放站集中监控管理系统的解决方案，实现了在B/S模式下对直放站的日常监控管理，具备了比较完备的功能。监控人员可以通过Web页面实时查看网内直放站的参数，对报警进行处理，发送轮巡等命令。图6为客户端对电子地图进行操作的显示界面，可完成放大、缩小、移动、测量距离、查看站点基本信息和查找站点等功能。系统的实现大大提高了运营商的工作效率和资产利用率，降低了运行维护成本。
参考文献
[1] 王亚丽. 直放站网管系统的现状与发展分析[J].移动通信，2004(5):98-100.
[2] 张敏.基于B/S结构的直放站集中监控网管的设计与实现[J].商场现代化，2008(12下旬刊)：11-12.
[3] 中国移动通信有限公司.中国移动直放站设备网管接口技术规范1.0.0[S]. QB-W-003-2005，2005.
[4] 杨阳，郭建忠.基于MapXtreme_Java技术的WebGIS开发实践[C].中国地理信息系统协会第八届年会论文集，2004:235-239.