基于CDMA網絡大容量移動短數據傳輸

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的傳輸性能和穩定性提出了更高的要求。為了保證各類采集數據及時上傳和各種指令的準確下達，擁有一套穩定可靠的無線傳輸系統顯得尤為重要。

文中的案例是采集評估系統中的數據傳輸，支持的業務主要是大容量移動短數據的傳輸，其特點是:“數量龐大、數據短小、位置隨機、發送頻繁、存在井噴。”同時支持一定的語音和綜合數據的傳輸。

1 技術實現分析

綜合使用需求及通信傳輸的特點，要求通信系統要具備技術成熟、覆蓋面廣、系統處理容量大、支持終端移動以及穩定可靠等特點，才能滿足信息傳輸需求。通過對GSM技術、數字集群技術和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

一種無線系統的使用，都必須有無委許可的頻率資源。CDMA系統在電信具有10 MHz的帶寬，同時，國內有5 MHz的CDMA系統的行業使用許可(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不具有的資源優勢。

(2)系統容量

理論上，在使用相同頻率資源情況下，CDMA移動網系統容量比GSM要大4～5倍，系統容量可靈活配置。在CDMA系統中，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。另外多小區之間可根據用戶數量和干擾情況自動均衡。

(3)可擴展性

CDMA系統頻率規劃簡單。用戶按照不同的序列碼區分，相同的載波可以在相鄰的小區使用，網絡規劃靈活，擴展簡單。通過系統升級，使它成為cdma2000 1x/EV_DO Rev.A專網。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、寬帶數據傳輸業務的需求。

(4)技術優勢

CDMA移動通信系統是由擴頻、多址接入、蜂窩組網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)實用性和穩定性

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

2 CDMA專網系統的構成

2.1 基本網絡結構

cdma2000_1x系統的基本網絡結構如圖1所示。

圖1 cdma2000_1x系統網絡結構示意圖

CDMA網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)、分組數據業務節點(PDSN)、短消息中心(SMC)、基站控制器(BSC)、基站收發信臺(BTS)和拜訪位置寄存器(VLR)，系統作為一個獨立的數字移動通信系統使用。

2.2 模式選擇

CDMA2000系統的短信業務可以由3種途徑實現，即可分別由接入信道、業務信道承載及其數據業務承載。

接入信道是用來傳遞信令的信道，短消息可以經接入信道傳輸，但其長度有限制。根據3GPP2協議，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據量約為110字節，傳遞時間為260 ms，每秒大約可以發送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扇區計算)能夠同時發送消息的能力為30×3×3×3.85=1039.5條/s。由于CDMA系統短消息接入為隨機接入，考慮到終端發起短信的時間不定，可能會發生碰撞，按照30%接入負荷計算，接入信道能夠傳輸的短信條數在300條左右。

業務信道是系統用來傳遞話音、短消息、數據的通道。cdma2000_1x業務信道建立、發送、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扇區計算)能夠同時發送消息的能力為40×3×3/(3～5)=72～120條/s。

1x數據業務信道建立、發送、拆除時間為5 s左右，每載扇最大能同時支持的用戶數不足40個用戶，則每站點(按3載扇、3扇區計算)能夠同時發送消息的能力40×3×3/(3～5)=72～120條/s。

綜合以上論述，CDMA專網基站采用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300條/s的短數據傳輸能力。

2.3 關鍵技術

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

專網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，關鍵數據傳輸時延在1 s內。

為了使CDMA通信系統能夠適應專網傳輸需求，在網絡和終端側均做了相應的改進。基站無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，其他默認為業務信道。

反向:每載扇配置30條接入信道，其他默認為業務信道。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、短信有效字節等相關參數優化，采用接入信道發送短消息方式。終端側修改短信發送格式，優化短信幀結構，去掉一些無效字符，確保短信字符數據凈荷在52 Bytes以內。經過改進和優化，CDMA通信系統能夠滿足信息傳輸需求。

3 性能驗證

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

3.1 傳輸時延驗證

短信在網絡中傳輸流程如圖2所示。專用系統上行處理時延統計點為從空口收到終端發來短消息開始，到短消息中心將短消息發送到網關結束，即點①到點②的時間，實際統計可以用點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網絡業務維護系統界面可以監測短信傳輸時間。經過多次測試驗證，短信在網絡內傳輸時間在300～500 ms之間。測試驗證專用系統處理上行短信時間小于1 s。

3.2 系統容量驗證

由于無法采用數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，然后將測試數據乘以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短信，通過統計BSS的A1/A1p口(ADDS Transfer)消息，獲得短消息到達的時間間隔。統計從首條短信到達開始1 s內收到的短信到達條數即可視為系統單載扇處理短信容量。

①測試儀器控制75部終端同時發送短信，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將數據導出到Excel表，對消息類型進行篩選，選擇ADDS Transfer消息;

③對數據排序，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，即1 s內并發短信條數。

總共進行了5次測試，一秒鐘內收到短信條數分別為 42、52、48、45、48。經過換算，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模商用，千錘百煉，它的實用性、可擴展性、穩定性和技術演進及產業鏈的支持是一般專用系統或其他技術體制無法比擬的;通過合理的參數配置，構建專網，作為一種安全可靠的大容量井噴短數據傳輸系統，滿足特殊的應用需求是行之有效的技術途徑。

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