電信網(wǎng)絡資源建模方法

林原 ，王彥斌 ，，張輝 ，楊家海

(1.中央民族大學信息工程學院，北京 100081;2.清華大學網(wǎng)絡空間研究院，北京 100084)

運營技術廣角

電信網(wǎng)絡資源建模方法

林原1，王彥斌1，2，張輝2，楊家海2

(1.中央民族大學信息工程學院，北京 100081;2.清華大學網(wǎng)絡空間研究院，北京 100084)

構建資源信息模型是運營商對電信網(wǎng)絡中資源進行有效管理的基礎和前提。提出了一種以組網(wǎng)方式為基礎，以端口為核心的電信網(wǎng)絡資源建模方法。該方法將建模過程分為確定網(wǎng)絡、識別節(jié)點、標識連接、細化設備、描述能力、空間發(fā)現(xiàn)以及模型描述7個步驟，并給出了挖掘實體間關系的詳細流程。以該建模方法為指導，構建了LTE資源信息模型，證明了建模方法的有效性。并且，從類的復雜度、繼承樹深度寬度比和類間耦合性幾個方面對所構建的LTE信息模型進行了客觀評價，結果表明該模型具有較高的質量。

電信網(wǎng)絡;信息模型;建模方法;LTE

1 引言

隨著通信技術的不斷發(fā)展及用戶需求的不斷增多，電信業(yè)務逐步向綜合化、智能化、多樣化方向發(fā)展。單純地依靠某一專業(yè)網(wǎng)絡已不能為用戶提供豐富多彩的個性化服務。因此，如何對全網(wǎng)絡資源進行統(tǒng)一管理和調度，構建跨專業(yè)網(wǎng)絡綜合資源管理及業(yè)務運營分析系統(tǒng)是各運營商必須解決的問題。構建信息模型是網(wǎng)絡管理系統(tǒng)建設的基礎和前提。一個好的信息模型可以極大地提高網(wǎng)絡管理系統(tǒng)建設的效率，有力地保證系統(tǒng)的可伸縮性;相反，一個不好的信息模型則會導致相應的系統(tǒng)建設效率低下，建成的網(wǎng)管系統(tǒng)無法滿足實際的管理需求。

SID［1］(shared information data model)是 TMF 提 出 的 構建共享信息模型的通用框架，為各運營商構建網(wǎng)絡資源信息模型提供了參考。參考文獻［2］分析了SID的模型結構，由此推導出了電信網(wǎng)的資源模型結構，并采用面向對象的方式來描述網(wǎng)絡中的各類資源。但并沒有給出真正意義上的建模方法。參考文獻［3］根據(jù)數(shù)據(jù)的來源、功能和支撐業(yè)務的不同，將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分為了基礎網(wǎng)絡數(shù)據(jù)維、運行支撐數(shù)據(jù)維和業(yè)務流程數(shù)據(jù)維。并將建模過程分解為數(shù)據(jù)抽象、模型表示和關系挖掘3個步驟。但這3個步驟描述過于簡單抽象，無法指導實際的建模工作。參考文獻［4］在SID的基礎上，構建了電信網(wǎng)絡資源基礎元模型。該元模型具有較好的通用性和擴展性。然而，并沒有給出從元模型到各專業(yè)網(wǎng)絡模型的擴展方法。

針對上述不足，在參考文獻［4］的基礎上，提出了一種以組網(wǎng)方式為基礎，以端口為核心的電信網(wǎng)絡資源建模方法，詳細描述了建模的每一個步驟。依據(jù)該建模方法，建模人員對電信網(wǎng)絡中的資源進行統(tǒng)一建模，以實現(xiàn)對全網(wǎng)資源的統(tǒng)一調度和綜合管理。為了驗證該建模方法的有效性，依據(jù)該方法構建了LTE(long term evolution)資源信息模型。并且從類的復雜度、繼承樹深度寬度比和類間耦合性3個方面對所構建的LTE信息模型的質量進行了客觀的分析。

2 電信資源建模方法

本文所提出的資源建模方法采用從總體到局部，以端口為核心，逐步擴展的建模思維。具體流程如圖1所示。

圖1 電信網(wǎng)絡資源建模流程

2.1 確定網(wǎng)絡

電信網(wǎng)具有明顯的分層結構，如圖2所示，從上到下依次可分為業(yè)務層、傳送層和物理層。業(yè)務層為用戶直接提供業(yè)務。傳送層利用傳輸設備的解復用功能提供遠距離通信的透明通道。傳送層中節(jié)點之間的中繼鏈路又由物理層的光纜、電纜或微波所承載。不僅在不同專業(yè)網(wǎng)絡間存在分層關系，在同一專業(yè)網(wǎng)絡中也有明確的層次，各專業(yè)網(wǎng)絡基本上又可以分為接入層、骨干層、核心層等。因此，建模的首要任務是分析網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式，確定其由哪些層次組成以及所承載的業(yè)務。

圖2 電信網(wǎng)分層結構

2.2 識別節(jié)點

該步驟的目的是根據(jù)組網(wǎng)方式，識別出網(wǎng)絡中的節(jié)點。本文所說的網(wǎng)絡節(jié)點是一個復合資源。所謂復合資源是指將物理資源和相應的邏輯資源結合起來，真正能進行通信的功能實體。因此，網(wǎng)絡節(jié)點是一個同時具有物理特征、邏輯特征或空間特征的可管理實體。例如，“基站”是一個典型的節(jié)點示例，它是BTS(base transceiver station)硬件設備、天線、鐵塔等物理資源的集合，也是站址、小區(qū)、載頻號、邏輯端口等空間資源或邏輯資源的集合。

2.3 標識鏈接

根據(jù)識別出的網(wǎng)絡節(jié)點，分析節(jié)點間的關系。并根據(jù)節(jié)點之間的關系，將節(jié)點進行連接。在每個連接的兩端均生成獨立的端口，從而構成基礎的網(wǎng)絡結構模型。此處的端口既包含物理端口，也包含邏輯端口。端口是網(wǎng)絡中設備連接的端點，以端口為核心對網(wǎng)絡資源進行建模，可以清晰地描述網(wǎng)絡拓撲，避免信息的丟失。

2.4 細化設備

上述幾步是從復合資源的角度對網(wǎng)絡進行整體上的描述。此步是以網(wǎng)絡節(jié)點的物理端口為核心，對網(wǎng)絡進行物理層面的細化，包括如下細化內容。

· 該物理端口所在的設備容器，如板卡、槽位、機框、機盤、機柜、機架等。

· 與該物理端口直接相連的物理連接，如雙絞線、光纜、光線等。

2.5 描述能力

本步驟是從邏輯資源的角度對網(wǎng)絡進行描述。邏輯資源描述了網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡中不可見的邏輯實體及相互關系。因此，邏輯資源在網(wǎng)絡資源信息模型中被視為資源的“大腦”，反映資源所承載的業(yè)務。所以，可以通過邏輯資源表達網(wǎng)絡的相關能力，具體的細化內容如下。

· 邏輯連接，如兩個MSC(mobile switching center)之間的話路中繼、SDH(synchronous digital hierarchy)的線路時隙等。與邏輯端口相關聯(lián)的邏輯連接表示了兩端口間消息傳遞的邏輯實體。

· 與邏輯端口相關的物理端口。通常，邏輯端口會與物理端口綁定在一起，這種綁定關系描述了網(wǎng)絡拓撲模型的各組成部分是如何細化和分工的。

2.6 關系挖掘

在進行以上步驟時，都需要判定實體間的關系。根據(jù)UML(unified modeling language)2.0，實體之間的關系可分為依賴、關聯(lián)、繼承、聚合和組合。關系挖掘的具體流程如圖3所示。

圖3 實體間關系挖掘示意

· 如果兩個類之間存在“是”的描述，那么這兩個類之間存在一種關系——繼承。在繼承關系中“是”后面的類稱為父類，前面的類稱為子類。

·聚合是關聯(lián)關系的一種特例，它體現(xiàn)的是整體與部分的關系，即“擁有”的關系。此時整體與部分之間是可分離的，它們可以具有各自的生命周期，部分可以屬于多個整體對象，也可以被多個整體對象共享。

·組合關系體現(xiàn)的是一種“包含”的關系，這種關系比聚合關系更強，也稱為強聚合，它同樣體現(xiàn)整體與部分的關系。但此時整體與部分是不可分的，整體的生命周期結束也就意味著部分生命周期結束。

·如果兩個類之間存在“關聯(lián)”關系，那么它們之間的關系為關聯(lián)關系。關聯(lián)關系標識兩個類之間存在某種語義上的關聯(lián)。它是一種結構關系，規(guī)定了一種事物對象可以與另一種事物的對象相連。

·關聯(lián)定位:當連接的某一端是一個一般—特殊結構時，要考慮連接線應該連接到結構中的哪個類符號上。原則是:如果這個關聯(lián)適應結構中的每一個類的對象實例，則應該連接到一般類上;如果只適合其中某些特殊類，則應該連接到相應的特殊類上。

·給出關聯(lián)名角色名:給關聯(lián)取一個適當?shù)拿郑员硎具@個關聯(lián)描述了一種什么關系。

·多重性分析:對于每個關聯(lián)，從它每個端點上的類來考察，看本端的一個對象實例可以和另一端的多少對象實例發(fā)生關聯(lián)，以確定另一端對象實例的數(shù)據(jù)約束，把分析結果標注到連接線的另一端。確定關聯(lián)的多重性對于清晰地描述一個關聯(lián)是不可缺少的重要步驟，對關聯(lián)的實現(xiàn)也至關重要。

·當要指明一個事物使用另一個事物時，即“使用”，就使用依賴關系。

2.7 空間發(fā)現(xiàn)

空間資源主要包括安裝網(wǎng)絡設備的地域以及網(wǎng)絡管理所劃分的邏輯區(qū)域，如行政管理區(qū)域、維護管理區(qū)域、站點、機房等。

2.8 模型描述

實體及實體關系分析完成后，應采用模型化語言將其定義和描述。為使信息模型具有較強的通用性和可移植性，應采用語義透明的模型描述語言。UML是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的建模語言。因此，建議采用UML作為模型描述語言。

3 LTE信息模型

圖4 網(wǎng)絡資源元模型

圖4為參考文獻［4］所描述的部分網(wǎng)絡資源元模型，可以在此元模型的基礎上，根據(jù)提出的建模方法進行逐步擴展，從而構建LTE網(wǎng)絡資源信息模型。根據(jù)圖5可知，LTE網(wǎng)絡由兩部分組成，分別是EPC(evolved packet core)和E-UTRAN(evolved universal terrestrial radio access network)。因此，對LTE網(wǎng)絡中的資源建模涉及核心網(wǎng)和無線網(wǎng)兩個專業(yè)網(wǎng)絡。并且，其所承載的業(yè)務包括信令和話務。LTE網(wǎng)絡是一種具體的網(wǎng)絡，因此“LTE網(wǎng)絡”實體可繼承自圖4中的“網(wǎng)絡”實體。

圖5 LTE組網(wǎng)方式

根據(jù)LTE組網(wǎng)方式可知，LTE網(wǎng)絡節(jié)點總體上可分為LTE無線網(wǎng)節(jié)點和LTE核心網(wǎng)節(jié)點。具體包括DRA(diameter routing agent)、HSS (home subscriber server)、PCRF (policy and charging rule function)、MM(mobility managemententity)、SGW(servinggateway)、PGW(PDNgateway)、eNode B。并且在實際中，SGW和PGW常被SAE-GW(system architecture evolution gateway)代替。SAE-GW是SGW和PGW的合設網(wǎng)元，同時具備SGW和PGW兩種網(wǎng)元設備的功能。HSS又分為集中式和分布式兩種。其中，集中式HSS負責對業(yè)務進行邏輯處理，同時存儲用戶數(shù)據(jù);分布式HSS將業(yè)務邏輯與數(shù)據(jù)分離，下掛FE(front end)和BE(back end)兩個物理實體。為了滿足系統(tǒng)負荷均衡分擔和設備的容災性，在LTE網(wǎng)絡中引入了pool的概念，一個MME pool由多個MME組成。對于SGW、SAE-GW、PGW同樣定義了 SGW pool、SAE-GW pool、PGW pool。以上所描述的LTE網(wǎng)絡節(jié)點根據(jù)其所屬的不同專業(yè)網(wǎng)絡，分別繼承自“LTE無線網(wǎng)節(jié)點”實體和“LTE核心網(wǎng)節(jié)點”實體。而“LTE無線網(wǎng)節(jié)點”和“LTE核心網(wǎng)節(jié)點”均繼承自元模型中的“網(wǎng)絡節(jié)點”。

以上是從復合資源的角度對LTE網(wǎng)絡資源進行建模。實際中，LTE網(wǎng)絡節(jié)點包含許多物理設備，物理設備又包含硬件。因此，一個LTE核心網(wǎng)節(jié)點包含多個LTE核心網(wǎng)物理設備。而一個LTE核心網(wǎng)物理設備也包含多個LTE核心網(wǎng)硬件，如板卡、機槽、機框等。LTE無線網(wǎng)節(jié)點也同樣如此。

根據(jù)圖5可知，eNode B沒有直接與核心網(wǎng)設備相連，而是由傳輸網(wǎng)承載。因此，可以從邏輯角度描述它們之間的連接關系、設備接口以及所承載的話務和信令業(yè)務。根據(jù)安裝網(wǎng)絡設備的地域以及網(wǎng)絡管理所劃分的邏輯區(qū)域，可生成機房、鐵塔等實體。

在確定上述實體間的關系時，可根據(jù)圖3所示的關系挖掘流程進行判定。最后，采用UNL語言對上述實體及實體間關系進行了描述。完整的LTE資源信息模型如圖6所示。該模型完整地描述了LTE網(wǎng)絡中資源實體及實體間的關系。并且，信息模型與物理模型相比具有通用性、可移植性等特點，其應用不依賴于具體的平臺。雖然元模型具有較好的通用性和可擴展性，但往往過于抽象，在實際使用時，需要對其進行擴展。

圖6 LTE資源信息模型

4 模型分析

為了對信息模型的質量進行客觀的分析，本文參考黃鸝聲等［5］提出的信息模型質量評價方法，并結合實際情況，從類的復雜度、繼承樹深度寬度比和類間耦合性3個方面對所構建的LTE信息模型進行了評價。

(1)類的復雜度

類的復雜度又稱建模粒度一致性，主要評價類粗細的一致程度。統(tǒng)計每個類的內部元素(屬性、動作、通知等)，分別記為 R1，R2，…，Rn，其中 n 表示模型中類的個數(shù)。其計算過程如下所示:

(2)繼承樹深度寬度比

在信息模型中，類之間往往存在繼承關系。對于一個模型，其對象之間的繼承樹是固定的，某一棵繼承樹的DIT(depth of inheritance tree)指標為從該繼承樹的根節(jié)點到葉子的最大跳數(shù);某一棵繼承樹的WIT(width of inheritance tree)指標為該樹中所有父節(jié)點的直接孩子數(shù)的最大值。繼承樹深度寬度比的計算過程如下:

· 計算模型中每一棵繼承樹的DIT指標，分別記為D1，D2，…，Dn，n 為模型中類的個數(shù);

·計算模型中每一棵繼承樹的WIT指標，分別記為W1，W2，…，Wn;

· 求該信息模型的繼承樹深度 D=max(D1，D2，…，Dn)及繼 承 樹 寬 度 W=max(W1，W2，…，Wn);

· 取一個適合用戶的理想深度寬度比R，通常R的取值范圍建議為0.1～0.3。計算繼承樹的深度寬度比評分通常，計算出的繼承樹深度寬度比不應超出預期值R的兩倍。

(3)類間耦合度

類間耦合度主要評測類之間的耦合程度。這里的耦合程度是由類間的關聯(lián)關系產(chǎn)生的。類間耦合與管理對象類的設計相關，耦合越低，表明單個管理對象類的封裝性越強，獨立性越好。計算過程如下:

·統(tǒng)計與某個類有關聯(lián)關系的其他類的個數(shù)Ri;

· 對模型中的每一個類都采用如上方法，得到R1，R2，…，Rn;

(4)總體評分

根據(jù)上述的模型評價指標，設理想的深度寬度比R為0.3，對所構建的LTE資源信息模型進行評價，評價結果如圖7所示。其中，復雜度評分為0.896 6，繼承樹深度寬度比評分為0.750 0，類間耦合度評分為0.963 3，總體得分為0.870 0。因此，采用本文所提出的電信網(wǎng)絡資源建模方法所構建的LTE資源信息模型具有較高的質量。

圖7 模型評價結果

5 結束語

SID對電信網(wǎng)絡資源基礎元模型有較為完整詳細的介紹。各運營商可以參考SID構造出適合自己的元模型。然而，元模型是對不同專業(yè)網(wǎng)絡資源的概括和抽象，不涉及各專業(yè)網(wǎng)絡資源的特征。在現(xiàn)有網(wǎng)絡資源基礎元模型的基礎上，結合專業(yè)網(wǎng)絡的特征生成專業(yè)網(wǎng)絡資源信息模型并非易事，難以實現(xiàn)對全網(wǎng)資源的有效管理。并且，運營商在理論上并沒有具體的建模方法來指導從網(wǎng)絡資源基礎元模型到專業(yè)網(wǎng)絡資源信息模型的派生過程。本文根據(jù)電信網(wǎng)絡的組成結構，提出了以端口為核心的網(wǎng)絡資源建模方法，給了建模過程的具體步驟。并根據(jù)某運營商的實際情況，構建了LTE資源信息模型。并且對模型進行了定量分析，給出了客觀的評價結果。因此，該建模方法可以有效地指導各專業(yè)網(wǎng)絡資源及綜合網(wǎng)絡管理系統(tǒng)信息模型的建設。

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Modeling method of telecommunication network resources

LIN Yuan1，WANG Yanbin1，2，ZHANG Hui2，YANG Jiahai2
1.School of Information Engineering，Minzu University of China，Beijing 100081，China 2.Research Institute of Network Science&Cyberspace，Tsinghua University，Beijing 100084，China

Based on the well designed resource information model，the telecom operators can effectively manage the telecom network resource.A resource modeling methodology was proposed.The modeling methodology was based on the network topology and the port.The modeling process was divided into seven sub-processes:network analysis，network node identification，connection identification，equipment description，ability description，space resource analysis and model expression.In addition，a discussion on the relationships between entities had been made.Based on the modeling methodology，the LTE resource information model was constructed.Therefore，the validity of the modeling methodology was proven.Moreover，the LTE resource information model was objectively evaluated through three aspects:the complexity of the class，the ratio of depth and width of the inheritance tree and the coupling degree between classes.Results show that this model is high-quality.

telecommunication network，information model，modeling methodology，LTE

The Research Fund of the Ministry of Education and China Mobile(No.MCM20123041)

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016018

2014-11-18;

2015-12-17

教育部—中國移動科研基金資助項目(No.MCM20123041)

林原(1955-)，男，中央民族大學信息工程學院計算機系主任、副教授，CCF會員，主要研究方向為網(wǎng)絡管理、計算機應用。

王彥斌(1988-)，男，中央民族大學信息工程學院碩士生，主要研究方向為網(wǎng)絡管理。

張輝(1973-)，男，清華大學網(wǎng)絡空間研究院高級工程師，主要研究方向為網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡測量、網(wǎng)絡安全。

楊家海(1966-)，男，博士，清華大學網(wǎng)絡空間研究院研究院博士生導師，CCF高級會員，主要研究方向為網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡測量、云計算。