基于CDMA网络大容量移动短数据传输

田青峰，丁有志

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.中国北方电子设备有限公司，北京100191)

0 引言

随着各行业信息化建设的推广，面对多样化的评估应用需求，各种大量移动点的信息采集传输是一个关键的基础需求。这一需求对传输系统的传输性能和稳定性提出了更高的要求。为了保证各类采集数据及时上传和各种指令的准确下达，拥有一套稳定可靠的无线传输系统显得尤为重要。

文中的案例是采集评估系统中的数据传输，支持的业务主要是大容量移动短数据的传输，其特点是:“数量庞大、数据短小、位置随机、发送频繁、存在井喷。”同时支持一定的语音和综合数据的传输。

1 技术实现分析

综合使用需求及通信传输的特点，要求通信系统要具备技术成熟、覆盖面广、系统处理容量大、支持终端移动以及稳定可靠等特点，才能满足信息传输需求。通过对GSM技术、数字集群技术和CDMA技术等成熟技术的分析和比较，确定信息传输系统采用cdma2000_1x移动通信技术，利用采用短信方式解决信息的传输。通过有针对性的设计及配置，满足信息传输需求。

选择cdma2000_1x移动通信技术，基于以下原因:

(1)频率资源

一种无线系统的使用，都必须有无委许可的频率资源。CDMA系统在电信具有10 MHz的带宽，同时，国内有5 MHz的CDMA系统的行业使用许可(上行:835 ～840 MHz;下行:880～885 MHz)，可以支撑3个独立的载频。这是其他民用商用无线通信系统不具有的资源优势。

(2)系统容量

理论上，在使用相同频率资源情况下，CDMA移动网系统容量比GSM要大4～5倍，系统容量可灵活配置。在CDMA系统中，用户的增加相当于背景噪声的增加，造成服务质量下降。但对用户数量并无限制，使用者可在容量和服务质量之间折中考虑。另外多小区之间可根据用户数量和干扰情况自动均衡。

(3)可扩展性

CDMA系统频率规划简单。用户按照不同的序列码区分，相同的载波可以在相邻的小区使用，网络规划灵活，扩展简单。通过系统升级，使它成为cdma2000 1x/EV_DO Rev.A专网。cdma2000 1x/EV_DO最高速率为前向3.1 Mbps，反向最高速率为1.8 Mbps。将可以适度解决图像、宽带数据传输业务的需求。

(4)技术优势

CDMA移动通信系统是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成，是当今主流的商用技术，具有抗干扰性好、抗多径衰落、保密安全性高、同频率可在多个小区重复使用以及容量和质量之间可做均衡取舍等属性。

(5)实用性和稳定性

系统是成熟的商用的系统，具有很高的稳定性和可用性。CDMA网络覆盖范围大，系统容量高，所需基站少，建网成本低。终端设备价格低廉，适宜大量应用。

2 CDMA专网系统的构成

2.1 基本网络结构

cdma2000_1x系统的基本网络结构如图1所示。

图1 cdma2000_1x系统网络结构示意图

CDMA网络主要设备包括认证、授权和计费(AAA)、移动台(MS)、移动软交换中心(MSC)、归属位置寄存器(HLR)、归属代理(HA)、分组数据业务节点(PDSN)、短消息中心(SMC)、基站控制器(BSC)、基站收发信台(BTS)和拜访位置寄存器(VLR)，系统作为一个独立的数字移动通信系统使用。

2.2 模式选择

CDMA2000系统的短信业务可以由3种途径实现，即可分别由接入信道、业务信道承载及其数据业务承载。

接入信道是用来传递信令的信道，短消息可以经接入信道传输，但其长度有限制。根据3GPP2协议，终端的MAX CAP SIZE最大可设置为7，此时接入信道消息最大可以承载的数据量约为110字节，传递时间为260 ms，每秒大约可以发送3.85条短消息。每载扇配置30个接入信道，则每站点(按3载扇、3扇区计算)能够同时发送消息的能力为30×3×3×3.85=1039.5条/s。由于CDMA系统短消息接入为随机接入，考虑到终端发起短信的时间不定，可能会发生碰撞，按照30%接入负荷计算，接入信道能够传输的短信条数在300条左右。

业务信道是系统用来传递话音、短消息、数据的通道。cdma2000_1x业务信道建立、发送、拆除时间为3～5 s，每载扇最大能同时支持40个用户，则每站点(按3载扇、3扇区计算)能够同时发送消息的能力为40×3×3/(3～5)=72～120条/s。

1x数据业务信道建立、发送、拆除时间为5 s左右，每载扇最大能同时支持的用户数不足40个用户，则每站点(按3载扇、3扇区计算)能够同时发送消息的能力40×3×3/(3～5)=72～120条/s。

综合以上论述，CDMA专网基站采用3载频、3载扇配置，短消息接入采用接入信道模式，可以实现300条/s的短数据传输能力。

2.3 关键技术

CDMA通信系统主要用于电信运营商。应用场景与所建专网不同。运营商在短信应用方面不存在密集区域用户同时并发大量上行短信的应用，主要面对的是下行大量短信发送，短信是在业务信道上承载的。短信传输无实时性要求。

专网短信应用方式在局部存在密集用户且有可能同时上行大量短信，且短信传输时延有一定要求，关键数据传输时延在1 s内。

为了使CDMA通信系统能够适应专网传输需求，在网络和终端侧均做了相应的改进。基站无线信道资源配置方面，每载扇固定1条导频信道，1条同步信道，1条寻呼信道，其他默认为业务信道。

反向:每载扇配置30条接入信道，其他默认为业务信道。并对接入消息长度、接入消息前导报头长度、接入信道探测序列回退范围、功率、短信有效字节等相关参数优化，采用接入信道发送短消息方式。终端侧修改短信发送格式，优化短信帧结构，去掉一些无效字符，确保短信字符数据净荷在52 Bytes以内。经过改进和优化，CDMA通信系统能够满足信息传输需求。

3 性能验证

为了验证CDMA专网的性能是否满足训练信息对容量和传输时延的要求，系统建成后进行了专项测试。

3.1 传输时延验证

短信在网络中传输流程如图2所示。专用系统上行处理时延统计点为从空口收到终端发来短消息开始，到短消息中心将短消息发送到网关结束，即点①到点②的时间，实际统计可以用点①到点③时间除以2估算。

图2 cdma2000_1x短信传输流程示意图

通过CDMA网络业务维护系统界面可以监测短信传输时间。经过多次测试验证，短信在网络内传输时间在300～500 ms之间。测试验证专用系统处理上行短信时间小于1 s。

3.2 系统容量验证

由于无法采用数千台终端同时测试基站的容量。容量测试采用等效测试方法。关闭基站8个载扇，仅测试一个载扇的容量，然后将测试数据乘以9等效为整个基站的容量，测试框图如图3所示。

图3 cdma2000_1x系统容量测试示意图

验证方法如下:

测试设备控制多部终端并发短信，通过统计BSS的A1/A1p口(ADDS Transfer)消息，获得短消息到达的时间间隔。统计从首条短信到达开始1 s内收到的短信到达条数即可视为系统单载扇处理短信容量。

①测试仪器控制75部终端同时发送短信，在BSC侧通过BSS维护台进行A1/A1p接口消息跟踪，获得全部终端的A接口信息;

②将数据导出到Excel表，对消息类型进行筛选，选择ADDS Transfer消息;

③对数据排序，按照到达时间升序排序，从首条达到时间开始计算到1 s时收到“ADD Transfer”消息条数，即1 s内并发短信条数。

总共进行了5次测试，一秒钟内收到短信条数分别为 42、52、48、45、48。经过换算，改进后的 9 载扇的基站，处理短信的能力大于300条/s。

4 结束语

实际应用表明，cdma2000_1x技术体制在民用市场上的大规模商用，千锤百炼，它的实用性、可扩展性、稳定性和技术演进及产业链的支持是一般专用系统或其他技术体制无法比拟的;通过合理的参数配置，构建专网，作为一种安全可靠的大容量井喷短数据传输系统，满足特殊的应用需求是行之有效的技术途径。

［1］ 廖建国，夏靖波.基于宽带CDMA的数据传输技术［J］.无线电工程，2008，38(11):41-44.

［2］ 袁超伟.CDMA蜂窝移动通信［M］.北京:邮电大学出版社，2003.

［3］ 华为技术有限公司.cdma2000_1x无线网络规划与优化［M］.北京:人民邮电出版，2005.

［4］ 孙宇彤，赵文伟，蒋文辉.CDMA空中接口技术［M］.北京:人民邮电出版社，2004.

［5］ 杨大成.cdma2000 1x移动通信系统［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［6］ (美)加克.第三代移动通信原理与工程设计［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［7］ (美)格罗.CDMA移动无线电设计［M］.北京:人民邮电出版社，2002.

［8］ 信息产业部.YD/T 10299-1999 800MHz CDMA数字蜂窝移动通信网设备总技术规范［S］.