利用3G技術(shù)提高CDMA VPDN臺(tái)站通信質(zhì)量

諶 亮，李興泉，謝江濤

(四川省地震監(jiān)測(cè)中心，四川成都 610041)

隨著蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，高帶寬、高覆蓋和高穩(wěn)定性無(wú)線數(shù)據(jù)通信鏈路廣泛應(yīng)用，加上布設(shè)方便、組網(wǎng)靈活的先天優(yōu)勢(shì)，在地震觀測(cè)系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度提高，技術(shù)涉及面更廣，也對(duì)地震觀測(cè)系統(tǒng)中的臺(tái)站實(shí)際運(yùn)行維護(hù)提出了挑戰(zhàn)。希望能夠總結(jié)經(jīng)驗(yàn)以提高臺(tái)站數(shù)據(jù)通信質(zhì)量。

1 四川數(shù)字臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)狀

四川數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)目前共有數(shù)字測(cè)震臺(tái)站60個(gè)，其中29個(gè)臺(tái)站采用基于2G蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的CDMA VPDN無(wú)線數(shù)據(jù)通信鏈路實(shí)現(xiàn)臺(tái)站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。CDMA VPDN技術(shù)通過(guò)引入專網(wǎng)特定撥號(hào)域名，將專網(wǎng)用戶中心(LNS)直接接入CDMA分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的ATM IP承載網(wǎng)絡(luò)，使分組數(shù)據(jù)網(wǎng)中PDSN能在用戶中心和臺(tái)站移動(dòng)終端之間建立L2TP隧道，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接。在CDMA VPDN中，臺(tái)站CDMA路由器各項(xiàng)TCP/IP參數(shù)由部署在臺(tái)網(wǎng)中心的AAA認(rèn)證服務(wù)器根據(jù)IMSI號(hào)與撥號(hào)用戶名、密碼綁定進(jìn)行分配。因此，臺(tái)站IP、路由等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)就將確定下來(lái)，并且與臺(tái)網(wǎng)中心建立起一個(gè)虛擬專網(wǎng)連接(臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參見圖1)。VPDN撥號(hào)技術(shù)增加了終端到客戶中心的自有認(rèn)證手段，可規(guī)劃控制的認(rèn)證方式(終端撥號(hào)流程見圖2)，使CDMA分組數(shù)據(jù)網(wǎng)提供類專線的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。相對(duì)于過(guò)去的CDMA應(yīng)用來(lái)說(shuō)，CDMA VPDN在保持了CDMA無(wú)線移動(dòng)端接入方便可靠、覆蓋廣等基本特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，改善了CDMA移動(dòng)終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院凸芾硇浴?/p>

圖1 CDMA臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 四川數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)故障現(xiàn)象與問(wèn)題分析

2.1 CDMA 1x 2G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)承載能力低

圖2 CDMA終端VPDN撥號(hào)流程

2011年，四川數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)29個(gè)CDMA無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路臺(tái)站運(yùn)行率不同程度地降低，部分臺(tái)站甚至無(wú)法滿足基本運(yùn)行率95%的要求。臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸斷續(xù)實(shí)例參見圖3。具體故障現(xiàn)象表現(xiàn)如下:(1)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸斷斷續(xù)續(xù)，在臺(tái)址背景噪聲較大的日間或記錄地震的情況下斷線情況加重，中心認(rèn)證服務(wù)器撥號(hào)認(rèn)證日志記錄了大量重復(fù)撥號(hào)信息;(2)情況嚴(yán)重的臺(tái)站出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端且CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端無(wú)法重?fù)艿乃罊C(jī)現(xiàn)象;(3)臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸在CDMA路由器重啟或重?fù)芎蠖虝r(shí)間內(nèi)效果較好，但隨著數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間累積，效果不同程度下降，直至重?fù)芑蛩罊C(jī)。通過(guò)蒙頂山臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)抓取CDMA路由器無(wú)線接口數(shù)據(jù)包發(fā)送情況后發(fā)現(xiàn)，每遇見大數(shù)據(jù)包發(fā)送較多時(shí)，往往發(fā)生數(shù)據(jù)掉包，多次重傳出問(wèn)題，多次累積惡化后產(chǎn)生重?fù)芘c死機(jī)現(xiàn)象。綜合上述故障現(xiàn)象，結(jié)合CDMA 1x分組數(shù)據(jù)網(wǎng)特點(diǎn)初步分析認(rèn)為，臺(tái)站無(wú)線數(shù)據(jù)通信鏈路實(shí)際通信帶寬不足，面對(duì)地震記錄數(shù)據(jù)特有的數(shù)據(jù)量瞬間爆發(fā)式增長(zhǎng)，這種情況容易造成無(wú)線段網(wǎng)絡(luò)擁塞、掛死。在運(yùn)營(yíng)商通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行3G升級(jí)后，依據(jù)無(wú)線數(shù)據(jù)通信日常需求，就會(huì)遇到單個(gè)數(shù)據(jù)包較小、總量較大的快速數(shù)據(jù)包交換量，對(duì)特大數(shù)據(jù)包支持降低并且容易丟包。CDMA 1x網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線端依然靠占用多組語(yǔ)音信道點(diǎn)頻(每組9.6 k bit/s，有1～16組)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部分繁忙、擁擠和基站BTS可供數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)頻有限時(shí)就造成臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸實(shí)際帶寬降低的情況。

圖3 臺(tái)站數(shù)據(jù)2小時(shí)傳輸斷續(xù)實(shí)例

2.2 CDMA 1x 2G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)

2013年，四川數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)涼山彝族自治州7個(gè)CDMA無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路臺(tái)站運(yùn)行率顯著降低，特別是美姑、玄生壩等臺(tái)站的數(shù)據(jù)通信幾乎全部中斷。具體故障現(xiàn)象是，臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸在每日凌晨網(wǎng)絡(luò)閑時(shí)運(yùn)行率相對(duì)于日間網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)相差大;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試臺(tái)站CDMA路由器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度高，但多次撥號(hào)不成功或頻繁撥號(hào)。使用定向天線進(jìn)行選擇性使用特定基站信號(hào)之后，運(yùn)行情況稍有好轉(zhuǎn)，但運(yùn)行率依然無(wú)法達(dá)到要求。通過(guò)玄生壩、美姑臺(tái)站實(shí)測(cè)，同時(shí)聯(lián)合涼山彝族自治州電信公司共同查找原因后發(fā)現(xiàn)，涼山彝族自治州電信CDMA通信網(wǎng)絡(luò)基站無(wú)線資源分配方式統(tǒng)一變更為語(yǔ)音優(yōu)先，所以根據(jù)這種變化我們隨即調(diào)整基站設(shè)置，之后大部分臺(tái)站的數(shù)據(jù)通信質(zhì)量得到恢復(fù)。但是，美姑臺(tái)因當(dāng)?shù)赜脩魯?shù)量激增，電信CDMA通信網(wǎng)絡(luò)依然無(wú)法滿足地震臺(tái)站數(shù)據(jù)要求。綜合上述故障現(xiàn)象并且結(jié)合CDMA 1x分組數(shù)據(jù)網(wǎng)特點(diǎn)，初步分析后認(rèn)為，面對(duì)日益增加的無(wú)線業(yè)務(wù)量，需要占用多組無(wú)線點(diǎn)頻的CDMA 1x網(wǎng)絡(luò)就會(huì)因面臨基站點(diǎn)頻資源不足而造成瓶頸。在運(yùn)營(yíng)商通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行3G升級(jí)后，依據(jù)用戶無(wú)線數(shù)據(jù)通信日常需求，需要一方面逐步降低2G數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量，另一方面在保障語(yǔ)音業(yè)務(wù)的同時(shí)，提高3G數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)服務(wù)量占有率。CDMA 1x網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中因無(wú)線信號(hào)強(qiáng)弱關(guān)系，必然存在地震臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信被擠掉線的情況。

3 解決方案

在CDMA 1x系統(tǒng)中，中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)是碼分復(fù)用的，他們共享基站發(fā)射功率、擴(kuò)頻碼和頻率資源?；就ㄟ^(guò)快速閉環(huán)功率控制技術(shù)補(bǔ)償因信道衰落帶來(lái)的影響，從而獲得較高的頻譜利用效率，對(duì)于中低速數(shù)據(jù)及語(yǔ)音業(yè)務(wù)而言，這種方式是使整個(gè)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具備語(yǔ)音與分組數(shù)據(jù)傳輸能力的最佳選擇。但是，對(duì)于高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這種快速功率控制已經(jīng)無(wú)法保證系統(tǒng)獲得較高的頻譜利用率，尤其是當(dāng)高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)采用碼分方式來(lái)共享頻率和基站功率資源時(shí)，系統(tǒng)資源使用效率會(huì)降低，從而影響地震臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。綜上所述，四川數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)所遇到的兩次CDMA VPDN無(wú)線信道臺(tái)站大面積通信質(zhì)量下降的問(wèn)題，究其原因是CDMA 1x數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，根源依然是其以語(yǔ)音通信為主要設(shè)計(jì)目的而產(chǎn)生的，因此對(duì)其又有“2.5G”即“兩代半”等別稱也就不足為奇了。要做到釜底抽薪式地根本解決問(wèn)題，必然是在保證臺(tái)網(wǎng)通信平臺(tái)兼容性的基礎(chǔ)上將臺(tái)站無(wú)線數(shù)據(jù)通信鏈路制式上向第三代(3G)技術(shù)演進(jìn)。

圖4 美姑臺(tái)通信升級(jí)前后12小時(shí)運(yùn)行率統(tǒng)計(jì)

CDMA2000 EV-DO技術(shù)為國(guó)際3G標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信制式，它是由CDMA 1x制式進(jìn)化而來(lái)的，故具備良好的向下兼容性。其基本設(shè)計(jì)思想是將高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與低速語(yǔ)音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)從資源分配中分離開來(lái)，利用單獨(dú)載波提供的高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。而傳統(tǒng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)和中低速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)依然由CDMA2000 1x系統(tǒng)提供，以獲得更高的頻譜利用效率，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)靈活，其覆蓋范圍更廣。因此，通過(guò)在地震臺(tái)站端使用3G CDMA數(shù)據(jù)通信終端替換原2G設(shè)備，于是CDMA 1x無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)存在的根本問(wèn)題就得到解決。通信終端升級(jí)前后美姑臺(tái)運(yùn)行率對(duì)比見圖4。

相比較而言，3G蜂窩數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)具備以下4個(gè)特點(diǎn):(1)網(wǎng)絡(luò)帶寬高。目前CDMA2000 EV-DO 3G網(wǎng)絡(luò)通信制式最高支持2M bit/s下行或1.8 M bit/s上行數(shù)據(jù)傳輸速率，完全能夠滿足地震臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸需求。(2)網(wǎng)絡(luò)靈活性高。只要存在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)均能實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)快速有效地傳輸。(3)網(wǎng)絡(luò)可靠性高。由于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)固有特性，多個(gè)基站能夠?qū)崿F(xiàn)相互的補(bǔ)充與備份。(4)網(wǎng)絡(luò)安全性高。CDMA碼分多址技術(shù)從理論上將不容易產(chǎn)生竊聽、數(shù)據(jù)獲取等情況。而3G無(wú)線數(shù)據(jù)技術(shù)以其帶寬高、覆蓋廣、功耗低、費(fèi)用低等特點(diǎn)恰恰彌補(bǔ)了SDH與衛(wèi)星通信存在的弊端。同時(shí)，還可以為絕大多數(shù)光纖通信地震臺(tái)站提供一種經(jīng)濟(jì)、可靠的備份通信手段。

［1］林曙光.CDMA 2000分組域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京:郵電大學(xué)出版社，2006.

［2］方海鷹.CDMA網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［3］王余偉.CDMA無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸在地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2007，28(2):115-118.

［4］諶亮.CDMA VPDN構(gòu)建IP數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2008，29(1):69-76.