利用3G技術(shù)提高CDMA VPDN臺站通信質(zhì)量

諶 亮，李興泉，謝江濤

(四川省地震監(jiān)測中心，四川成都 610041)

隨著蜂窩移動通信技術(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，在地震觀測系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。同時，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，也對地震觀測系統(tǒng)中的臺站實際運行維護(hù)提出了挑戰(zhàn)。希望能夠總結(jié)經(jīng)驗以提高臺站數(shù)據(jù)通信質(zhì)量。

1 四川數(shù)字臺網(wǎng)現(xiàn)狀

四川數(shù)字測震臺網(wǎng)目前共有數(shù)字測震臺站60個，其中29個臺站采用基于2G蜂窩移動通信技術(shù)的CDMA VPDN無線數(shù)據(jù)通信鏈路實現(xiàn)臺站數(shù)據(jù)的實時傳輸。CDMA VPDN技術(shù)通過引入專網(wǎng)特定撥號域名，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能在用戶中心和臺站移動終端之間建立L2TP隧道，實現(xiàn)點對點網(wǎng)絡(luò)連接。在CDMA VPDN中，臺站CDMA路由器各項TCP/IP參數(shù)由部署在臺網(wǎng)中心的AAA認(rèn)證服務(wù)器根據(jù)IMSI號與撥號用戶名、密碼綁定進(jìn)行分配。因此，臺站IP、路由等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)就將確定下來，并且與臺網(wǎng)中心建立起一個虛擬專網(wǎng)連接(臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參見圖1)。VPDN撥號技術(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)。相對于過去的CDMA應(yīng)用來說，CDMA VPDN在保持了CDMA無線移動端接入方便可靠、覆蓋廣等基本特點的基礎(chǔ)上，改善了CDMA移動終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院凸芾硇浴?/p>

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

2 四川數(shù)字測震臺網(wǎng)故障現(xiàn)象與問題分析

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

圖2 CDMA終端VPDN撥號流程

2011年，四川數(shù)字測震臺網(wǎng)29個CDMA無線數(shù)據(jù)鏈路臺站運行率不同程度地降低，部分臺站甚至無法滿足基本運行率95%的要求。臺站數(shù)據(jù)傳輸斷續(xù)實例參見圖3。具體故障現(xiàn)象表現(xiàn)如下:(1)臺站數(shù)據(jù)傳輸斷斷續(xù)續(xù)，在臺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)器撥號認(rèn)證日志記錄了大量重復(fù)撥號信息;(2)情況嚴(yán)重的臺站出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端且CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端無法重?fù)艿乃罊C(jī)現(xiàn)象;(3)臺站數(shù)據(jù)傳輸在CDMA路由器重啟或重?fù)芎蠖虝r間內(nèi)效果較好，但隨著數(shù)據(jù)傳輸時間累積，效果不同程度下降，直至重?fù)芑蛩罊C(jī)。通過蒙頂山臺現(xiàn)場實時抓取CDMA路由器無線接口數(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，往往發(fā)生數(shù)據(jù)掉包，多次重傳出問題，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)特點初步分析認(rèn)為，臺站無線數(shù)據(jù)通信鏈路實際通信帶寬不足，面對地震記錄數(shù)據(jù)特有的數(shù)據(jù)量瞬間爆發(fā)式增長，這種情況容易造成無線段網(wǎng)絡(luò)擁塞、掛死。在運營商通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行3G升級后，依據(jù)無線數(shù)據(jù)通信日常需求，就會遇到單個數(shù)據(jù)包較小、總量較大的快速數(shù)據(jù)包交換量，對特大數(shù)據(jù)包支持降低并且容易丟包。CDMA 1x網(wǎng)絡(luò)在無線端依然靠占用多組語音信道點頻(每組9.6 k bit/s，有1～16組)實現(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)傳輸點頻有限時就造成臺站數(shù)據(jù)傳輸實際帶寬降低的情況。

圖3 臺站數(shù)據(jù)2小時傳輸斷續(xù)實例

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

2013年，四川數(shù)字測震臺網(wǎng)涼山彝族自治州7個CDMA無線數(shù)據(jù)鏈路臺站運行率顯著降低，特別是美姑、玄生壩等臺站的數(shù)據(jù)通信幾乎全部中斷。具體故障現(xiàn)象是，臺站數(shù)據(jù)傳輸在每日凌晨網(wǎng)絡(luò)閑時運行率相對于日間網(wǎng)絡(luò)忙時相差大;現(xiàn)場測試臺站CDMA路由器無線網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度高，但多次撥號不成功或頻繁撥號。使用定向天線進(jìn)行選擇性使用特定基站信號之后，運行情況稍有好轉(zhuǎn)，但運行率依然無法達(dá)到要求。通過玄生壩、美姑臺站實測，同時聯(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)基站無線資源分配方式統(tǒng)一變更為語音優(yōu)先，所以根據(jù)這種變化我們隨即調(diào)整基站設(shè)置，之后大部分臺站的數(shù)據(jù)通信質(zhì)量得到恢復(fù)。但是，美姑臺因當(dāng)?shù)赜脩魯?shù)量激增，電信CDMA通信網(wǎng)絡(luò)依然無法滿足地震臺站數(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，初步分析后認(rèn)為，面對日益增加的無線業(yè)務(wù)量，需要占用多組無線點頻的CDMA 1x網(wǎng)絡(luò)就會因面臨基站點頻資源不足而造成瓶頸。在運營商通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行3G升級后，依據(jù)用戶無線數(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，另一方面在保障語音業(yè)務(wù)的同時，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)傳輸中因無線信號強(qiáng)弱關(guān)系，必然存在地震臺站網(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。基站通過快速閉環(huán)功率控制技術(shù)補(bǔ)償因信道衰落帶來的影響，從而獲得較高的頻譜利用效率，對于中低速數(shù)據(jù)及語音業(yè)務(wù)而言，這種方式是使整個蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)同時具備語音與分組數(shù)據(jù)傳輸能力的最佳選擇。但是，對于高速分組數(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)的語音業(yè)務(wù)采用碼分方式來共享頻率和基站功率資源時，系統(tǒng)資源使用效率會降低，從而影響地震臺站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)運營。綜上所述，四川數(shù)字測震臺網(wǎng)所遇到的兩次CDMA VPDN無線信道臺站大面積通信質(zhì)量下降的問題，究其原因是CDMA 1x數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的問題，根源依然是其以語音通信為主要設(shè)計目的而產(chǎn)生的，因此對其又有“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題，必然是在保證臺網(wǎng)通信平臺兼容性的基礎(chǔ)上將臺站無線數(shù)據(jù)通信鏈路制式上向第三代(3G)技術(shù)演進(jìn)。

圖4 美姑臺通信升級前后12小時運行率統(tǒng)計

CDMA2000 EV-DO技術(shù)為國際3G標(biāo)準(zhǔn)無線數(shù)據(jù)通信制式，它是由CDMA 1x制式進(jìn)化而來的，故具備良好的向下兼容性。其基本設(shè)計思想是將高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與低速語音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)從資源分配中分離開來，利用單獨載波提供的高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。而傳統(tǒng)的語音業(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)計靈活，其覆蓋范圍更廣。因此，通過在地震臺站端使用3G CDMA數(shù)據(jù)通信終端替換原2G設(shè)備，于是CDMA 1x無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)存在的根本問題就得到解決。通信終端升級前后美姑臺運行率對比見圖4。

相比較而言，3G蜂窩數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)具備以下4個特點:(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。由于蜂窩移動通信系統(tǒng)固有特性，多個基站能夠?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無線數(shù)據(jù)技術(shù)以其帶寬高、覆蓋廣、功耗低、費用低等特點恰恰彌補(bǔ)了SDH與衛(wèi)星通信存在的弊端。同時，還可以為絕大多數(shù)光纖通信地震臺站提供一種經(jīng)濟(jì)、可靠的備份通信手段。

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