基于CDMA網(wǎng)絡大容量移動短數(shù)據(jù)傳輸

田青峰，丁有志

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國北方電子設備有限公司，北京100191)

0 引言

隨著各行業(yè)信息化建設的推廣，面對多樣化的評估應用需求，各種大量移動點的信息采集傳輸是一個關鍵的基礎需求。這一需求對傳輸系統(tǒng)的傳輸性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求。為了保證各類采集數(shù)據(jù)及時上傳和各種指令的準確下達，擁有一套穩(wěn)定可靠的無線傳輸系統(tǒng)顯得尤為重要。

文中的案例是采集評估系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸，支持的業(yè)務主要是大容量移動短數(shù)據(jù)的傳輸，其特點是:“數(shù)量龐大、數(shù)據(jù)短小、位置隨機、發(fā)送頻繁、存在井噴?！蓖瑫r支持一定的語音和綜合數(shù)據(jù)的傳輸。

1 技術實現(xiàn)分析

綜合使用需求及通信傳輸?shù)奶攸c，要求通信系統(tǒng)要具備技術成熟、覆蓋面廣、系統(tǒng)處理容量大、支持終端移動以及穩(wěn)定可靠等特點，才能滿足信息傳輸需求。通過對GSM技術、數(shù)字集群技術和CDMA技術等成熟技術的分析和比較，確定信息傳輸系統(tǒng)采用cdma2000_1x移動通信技術，利用采用短信方式解決信息的傳輸。通過有針對性的設計及配置，滿足信息傳輸需求。

選擇cdma2000_1x移動通信技術，基于以下原因:

(1)頻率資源

一種無線系統(tǒng)的使用，都必須有無委許可的頻率資源。CDMA系統(tǒng)在電信具有10 MHz的帶寬，同時，國內有5 MHz的CDMA系統(tǒng)的行業(yè)使用許可(上行:835 ～840 MHz;下行:880～885 MHz)，可以支撐3個獨立的載頻。這是其他民用商用無線通信系統(tǒng)不具有的資源優(yōu)勢。

(2)系統(tǒng)容量

理論上，在使用相同頻率資源情況下，CDMA移動網(wǎng)系統(tǒng)容量比GSM要大4～5倍，系統(tǒng)容量可靈活配置。在CDMA系統(tǒng)中，用戶的增加相當于背景噪聲的增加，造成服務質量下降。但對用戶數(shù)量并無限制，使用者可在容量和服務質量之間折中考慮。另外多小區(qū)之間可根據(jù)用戶數(shù)量和干擾情況自動均衡。

(3)可擴展性

CDMA系統(tǒng)頻率規(guī)劃簡單。用戶按照不同的序列碼區(qū)分，相同的載波可以在相鄰的小區(qū)使用，網(wǎng)絡規(guī)劃靈活，擴展簡單。通過系統(tǒng)升級，使它成為cdma2000 1x/EV_DO Rev.A專網(wǎng)。cdma2000 1x/EV_DO最高速率為前向3.1 Mbps，反向最高速率為1.8 Mbps。將可以適度解決圖像、寬帶數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的需求。

(4)技術優(yōu)勢

CDMA移動通信系統(tǒng)是由擴頻、多址接入、蜂窩組網(wǎng)和頻率復用等幾種技術結合而成，是當今主流的商用技術，具有抗干擾性好、抗多徑衰落、保密安全性高、同頻率可在多個小區(qū)重復使用以及容量和質量之間可做均衡取舍等屬性。

(5)實用性和穩(wěn)定性

系統(tǒng)是成熟的商用的系統(tǒng)，具有很高的穩(wěn)定性和可用性。CDMA網(wǎng)絡覆蓋范圍大，系統(tǒng)容量高，所需基站少，建網(wǎng)成本低。終端設備價格低廉，適宜大量應用。

2 CDMA專網(wǎng)系統(tǒng)的構成

2.1 基本網(wǎng)絡結構

cdma2000_1x系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 cdma2000_1x系統(tǒng)網(wǎng)絡結構示意圖

CDMA網(wǎng)絡主要設備包括認證、授權和計費(AAA)、移動臺(MS)、移動軟交換中心(MSC)、歸屬位置寄存器(HLR)、歸屬代理(HA)、分組數(shù)據(jù)業(yè)務節(jié)點(PDSN)、短消息中心(SMC)、基站控制器(BSC)、基站收發(fā)信臺(BTS)和拜訪位置寄存器(VLR)，系統(tǒng)作為一個獨立的數(shù)字移動通信系統(tǒng)使用。

2.2 模式選擇

CDMA2000系統(tǒng)的短信業(yè)務可以由3種途徑實現(xiàn)，即可分別由接入信道、業(yè)務信道承載及其數(shù)據(jù)業(yè)務承載。

接入信道是用來傳遞信令的信道，短消息可以經(jīng)接入信道傳輸，但其長度有限制。根據(jù)3GPP2協(xié)議，終端的MAX CAP SIZE最大可設置為7，此時接入信道消息最大可以承載的數(shù)據(jù)量約為110字節(jié)，傳遞時間為260 ms，每秒大約可以發(fā)送3.85條短消息。每載扇配置30個接入信道，則每站點(按3載扇、3扇區(qū)計算)能夠同時發(fā)送消息的能力為30×3×3×3.85=1039.5條/s。由于CDMA系統(tǒng)短消息接入為隨機接入，考慮到終端發(fā)起短信的時間不定，可能會發(fā)生碰撞，按照30%接入負荷計算，接入信道能夠傳輸?shù)亩绦艞l數(shù)在300條左右。

業(yè)務信道是系統(tǒng)用來傳遞話音、短消息、數(shù)據(jù)的通道。cdma2000_1x業(yè)務信道建立、發(fā)送、拆除時間為3～5 s，每載扇最大能同時支持40個用戶，則每站點(按3載扇、3扇區(qū)計算)能夠同時發(fā)送消息的能力為40×3×3/(3～5)=72～120條/s。

1x數(shù)據(jù)業(yè)務信道建立、發(fā)送、拆除時間為5 s左右，每載扇最大能同時支持的用戶數(shù)不足40個用戶，則每站點(按3載扇、3扇區(qū)計算)能夠同時發(fā)送消息的能力40×3×3/(3～5)=72～120條/s。

綜合以上論述，CDMA專網(wǎng)基站采用3載頻、3載扇配置，短消息接入采用接入信道模式，可以實現(xiàn)300條/s的短數(shù)據(jù)傳輸能力。

2.3 關鍵技術

CDMA通信系統(tǒng)主要用于電信運營商。應用場景與所建專網(wǎng)不同。運營商在短信應用方面不存在密集區(qū)域用戶同時并發(fā)大量上行短信的應用，主要面對的是下行大量短信發(fā)送，短信是在業(yè)務信道上承載的。短信傳輸無實時性要求。

專網(wǎng)短信應用方式在局部存在密集用戶且有可能同時上行大量短信，且短信傳輸時延有一定要求，關鍵數(shù)據(jù)傳輸時延在1 s內。

為了使CDMA通信系統(tǒng)能夠適應專網(wǎng)傳輸需求，在網(wǎng)絡和終端側均做了相應的改進?；緹o線信道資源配置方面，每載扇固定1條導頻信道，1條同步信道，1條尋呼信道，其他默認為業(yè)務信道。

反向:每載扇配置30條接入信道，其他默認為業(yè)務信道。并對接入消息長度、接入消息前導報頭長度、接入信道探測序列回退范圍、功率、短信有效字節(jié)等相關參數(shù)優(yōu)化，采用接入信道發(fā)送短消息方式。終端側修改短信發(fā)送格式，優(yōu)化短信幀結構，去掉一些無效字符，確保短信字符數(shù)據(jù)凈荷在52 Bytes以內。經(jīng)過改進和優(yōu)化，CDMA通信系統(tǒng)能夠滿足信息傳輸需求。

3 性能驗證

為了驗證CDMA專網(wǎng)的性能是否滿足訓練信息對容量和傳輸時延的要求，系統(tǒng)建成后進行了專項測試。

3.1 傳輸時延驗證

短信在網(wǎng)絡中傳輸流程如圖2所示。專用系統(tǒng)上行處理時延統(tǒng)計點為從空口收到終端發(fā)來短消息開始，到短消息中心將短消息發(fā)送到網(wǎng)關結束，即點①到點②的時間，實際統(tǒng)計可以用點①到點③時間除以2估算。

圖2 cdma2000_1x短信傳輸流程示意圖

通過CDMA網(wǎng)絡業(yè)務維護系統(tǒng)界面可以監(jiān)測短信傳輸時間。經(jīng)過多次測試驗證，短信在網(wǎng)絡內傳輸時間在300～500 ms之間。測試驗證專用系統(tǒng)處理上行短信時間小于1 s。

3.2 系統(tǒng)容量驗證

由于無法采用數(shù)千臺終端同時測試基站的容量。容量測試采用等效測試方法。關閉基站8個載扇，僅測試一個載扇的容量，然后將測試數(shù)據(jù)乘以9等效為整個基站的容量，測試框圖如圖3所示。

圖3 cdma2000_1x系統(tǒng)容量測試示意圖

驗證方法如下:

測試設備控制多部終端并發(fā)短信，通過統(tǒng)計BSS的A1/A1p口(ADDS Transfer)消息，獲得短消息到達的時間間隔。統(tǒng)計從首條短信到達開始1 s內收到的短信到達條數(shù)即可視為系統(tǒng)單載扇處理短信容量。

①測試儀器控制75部終端同時發(fā)送短信，在BSC側通過BSS維護臺進行A1/A1p接口消息跟蹤，獲得全部終端的A接口信息;

②將數(shù)據(jù)導出到Excel表，對消息類型進行篩選，選擇ADDS Transfer消息;

③對數(shù)據(jù)排序，按照到達時間升序排序，從首條達到時間開始計算到1 s時收到“ADD Transfer”消息條數(shù)，即1 s內并發(fā)短信條數(shù)。

總共進行了5次測試，一秒鐘內收到短信條數(shù)分別為 42、52、48、45、48。經(jīng)過換算，改進后的 9 載扇的基站，處理短信的能力大于300條/s。

4 結束語

實際應用表明，cdma2000_1x技術體制在民用市場上的大規(guī)模商用，千錘百煉，它的實用性、可擴展性、穩(wěn)定性和技術演進及產(chǎn)業(yè)鏈的支持是一般專用系統(tǒng)或其他技術體制無法比擬的;通過合理的參數(shù)配置，構建專網(wǎng)，作為一種安全可靠的大容量井噴短數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，滿足特殊的應用需求是行之有效的技術途徑。

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