利用3G技術提高CDMA VPDN臺站通信質量

諶 亮，李興泉，謝江濤

(四川省地震監測中心，四川成都 610041)

隨著蜂窩移動通信技術的不斷更新換代，高帶寬、高覆蓋和高穩定性無線數據通信鏈路廣泛應用，加上布設方便、組網靈活的先天優勢，在地震觀測系統中得到了廣泛的使用。同時，隨著網絡結構復雜程度提高，技術涉及面更廣，也對地震觀測系統中的臺站實際運行維護提出了挑戰。希望能夠總結經驗以提高臺站數據通信質量。

1 四川數字臺網現狀

四川數字測震臺網目前共有數字測震臺站60個，其中29個臺站采用基于2G蜂窩移動通信技術的CDMA VPDN無線數據通信鏈路實現臺站數據的實時傳輸。CDMA VPDN技術通過引入專網特定撥號域名，將專網用戶中心(LNS)直接接入CDMA分組數據網的ATM IP承載網絡，使分組數據網中PDSN能在用戶中心和臺站移動終端之間建立L2TP隧道，實現點對點網絡連接。在CDMA VPDN中，臺站CDMA路由器各項TCP/IP參數由部署在臺網中心的AAA認證服務器根據IMSI號與撥號用戶名、密碼綁定進行分配。因此，臺站IP、路由等網絡參數就將確定下來，并且與臺網中心建立起一個虛擬專網連接(臺網絡拓撲結構參見圖1)。VPDN撥號技術增加了終端到客戶中心的自有認證手段，可規劃控制的認證方式(終端撥號流程見圖2)，使CDMA分組數據網提供類專線的數據傳輸服務。相對于過去的CDMA應用來說，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上，改善了CDMA移動終端數據傳輸的可靠性和管理性。

圖1 CDMA臺網網絡拓撲結構

2 四川數字測震臺網故障現象與問題分析

2.1 CDMA 1x 2G網絡數據承載能力低

圖2 CDMA終端VPDN撥號流程

2011年，四川數字測震臺網29個CDMA無線數據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。臺站數據傳輸斷續實例參見圖3。具體故障現象表現如下:(1)臺站數據傳輸斷斷續續，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，中心認證服務器撥號認證日志記錄了大量重復撥號信息;(2)情況嚴重的臺站出現網絡終端且CDMA數據傳輸終端無法重撥的死機現象;(3)臺站數據傳輸在CDMA路由器重啟或重撥后短時間內效果較好，但隨著數據傳輸時間累積，效果不同程度下降，直至重撥或死機。通過蒙頂山臺現場實時抓取CDMA路由器無線接口數據包發送情況后發現，每遇見大數據包發送較多時，往往發生數據掉包，多次重傳出問題，多次累積惡化后產生重撥與死機現象。綜合上述故障現象，結合CDMA 1x分組數據網特點初步分析認為，臺站無線數據通信鏈路實際通信帶寬不足，面對地震記錄數據特有的數據量瞬間爆發式增長，這種情況容易造成無線段網絡擁塞、掛死。在運營商通信網絡進行3G升級后，依據無線數據通信日常需求，就會遇到單個數據包較小、總量較大的快速數據包交換量，對特大數據包支持降低并且容易丟包。CDMA 1x網絡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)實現數據通信，當網絡部分繁忙、擁擠和基站BTS可供數據傳輸點頻有限時就造成臺站數據傳輸實際帶寬降低的情況。

圖3 臺站數據2小時傳輸斷續實例

2.2 CDMA 1x 2G網絡數據傳輸低優先級

2013年，四川數字測震臺網涼山彝族自治州7個CDMA無線數據鏈路臺站運行率顯著降低，特別是美姑、玄生壩等臺站的數據通信幾乎全部中斷。具體故障現象是，臺站數據傳輸在每日凌晨網絡閑時運行率相對于日間網絡忙時相差大;現場測試臺站CDMA路由器無線網絡信號強度高，但多次撥號不成功或頻繁撥號。使用定向天線進行選擇性使用特定基站信號之后，運行情況稍有好轉，但運行率依然無法達到要求。通過玄生壩、美姑臺站實測，同時聯合涼山彝族自治州電信公司共同查找原因后發現，涼山彝族自治州電信CDMA通信網絡基站無線資源分配方式統一變更為語音優先，所以根據這種變化我們隨即調整基站設置，之后大部分臺站的數據通信質量得到恢復。但是，美姑臺因當地用戶數量激增，電信CDMA通信網絡依然無法滿足地震臺站數據要求。綜合上述故障現象并且結合CDMA 1x分組數據網特點，初步分析后認為，面對日益增加的無線業務量，需要占用多組無線點頻的CDMA 1x網絡就會因面臨基站點頻資源不足而造成瓶頸。在運營商通信網絡進行3G升級后，依據用戶無線數據通信日常需求，需要一方面逐步降低2G數據通信業務量，另一方面在保障語音業務的同時，提高3G數據傳輸業務服務量占有率。CDMA 1x網絡數據傳輸中因無線信號強弱關系，必然存在地震臺站網絡數據通信被擠掉線的情況。

3 解決方案

在CDMA 1x系統中，中低速數據業務和語音業務是碼分復用的，他們共享基站發射功率、擴頻碼和頻率資源。基站通過快速閉環功率控制技術補償因信道衰落帶來的影響，從而獲得較高的頻譜利用效率，對于中低速數據及語音業務而言，這種方式是使整個蜂窩移動網絡同時具備語音與分組數據傳輸能力的最佳選擇。但是，對于高速分組數據業務，這種快速功率控制已經無法保證系統獲得較高的頻譜利用率，尤其是當高速分組數據業務與傳統的語音業務采用碼分方式來共享頻率和基站功率資源時，系統資源使用效率會降低，從而影響地震臺站網絡數據通信業務運營。綜上所述，四川數字測震臺網所遇到的兩次CDMA VPDN無線信道臺站大面積通信質量下降的問題，究其原因是CDMA 1x數據通信網絡的問題，根源依然是其以語音通信為主要設計目的而產生的，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，必然是在保證臺網通信平臺兼容性的基礎上將臺站無線數據通信鏈路制式上向第三代(3G)技術演進。

圖4 美姑臺通信升級前后12小時運行率統計

CDMA2000 EV-DO技術為國際3G標準無線數據通信制式，它是由CDMA 1x制式進化而來的，故具備良好的向下兼容性。其基本設計思想是將高速分組數據業務與低速語音及數據業務從資源分配中分離開來，利用單獨載波提供的高速分組數據業務。而傳統的語音業務和中低速分組數據業務依然由CDMA2000 1x系統提供，以獲得更高的頻譜利用效率，網絡設計靈活，其覆蓋范圍更廣。因此，通過在地震臺站端使用3G CDMA數據通信終端替換原2G設備，于是CDMA 1x無線數據通信網絡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蜂窩數據通信網絡具備以下4個特點:(1)網絡帶寬高。目前CDMA2000 EV-DO 3G網絡通信制式最高支持2M bit/s下行或1.8 M bit/s上行數據傳輸速率，完全能夠滿足地震臺站數據傳輸需求。(2)網絡靈活性高。只要存在蜂窩網絡覆蓋的地區均能實現地震數據快速有效地傳輸。(3)網絡可靠性高。由于蜂窩移動通信系統固有特性，多個基站能夠實現相互的補充與備份。(4)網絡安全性高。CDMA碼分多址技術從理論上將不容易產生竊聽、數據獲取等情況。而3G無線數據技術以其帶寬高、覆蓋廣、功耗低、費用低等特點恰恰彌補了SDH與衛星通信存在的弊端。同時，還可以為絕大多數光纖通信地震臺站提供一種經濟、可靠的備份通信手段。

［1］林曙光.CDMA 2000分組域網絡技術［M］.北京:郵電大學出版社，2006.

［2］方海鷹.CDMA網絡工程設計［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［3］王余偉.CDMA無線數據傳輸在地震監測系統中的應用［J］.地震地磁觀測與研究，2007，28(2):115-118.

［4］諶亮.CDMA VPDN構建IP數字測震臺網［J］.地震地磁觀測與研究，2008，29(1):69-76.