利用3G技术提高CDMA VPDN台站通信质量

谌 亮，李兴泉，谢江涛

(四川省地震监测中心，四川成都 610041)

随着蜂窝移动通信技术的不断更新换代，高带宽、高覆盖和高稳定性无线数据通信链路广泛应用，加上布设方便、组网灵活的先天优势，在地震观测系统中得到了广泛的使用。同时，随着网络结构复杂程度提高，技术涉及面更广，也对地震观测系统中的台站实际运行维护提出了挑战。希望能够总结经验以提高台站数据通信质量。

1 四川数字台网现状

四川数字测震台网目前共有数字测震台站60个，其中29个台站采用基于2G蜂窝移动通信技术的CDMA VPDN无线数据通信链路实现台站数据的实时传输。CDMA VPDN技术通过引入专网特定拨号域名，将专网用户中心(LNS)直接接入CDMA分组数据网的ATM IP承载网络，使分组数据网中PDSN能在用户中心和台站移动终端之间建立L2TP隧道，实现点对点网络连接。在CDMA VPDN中，台站CDMA路由器各项TCP/IP参数由部署在台网中心的AAA认证服务器根据IMSI号与拨号用户名、密码绑定进行分配。因此，台站IP、路由等网络参数就将确定下来，并且与台网中心建立起一个虚拟专网连接(台网络拓扑结构参见图1)。VPDN拨号技术增加了终端到客户中心的自有认证手段，可规划控制的认证方式(终端拨号流程见图2)，使CDMA分组数据网提供类专线的数据传输服务。相对于过去的CDMA应用来说，CDMA VPDN在保持了CDMA无线移动端接入方便可靠、覆盖广等基本特点的基础上，改善了CDMA移动终端数据传输的可靠性和管理性。

图1 CDMA台网网络拓扑结构

2 四川数字测震台网故障现象与问题分析

2.1 CDMA 1x 2G网络数据承载能力低

图2 CDMA终端VPDN拨号流程

2011年，四川数字测震台网29个CDMA无线数据链路台站运行率不同程度地降低，部分台站甚至无法满足基本运行率95%的要求。台站数据传输断续实例参见图3。具体故障现象表现如下:(1)台站数据传输断断续续，在台址背景噪声较大的日间或记录地震的情况下断线情况加重，中心认证服务器拨号认证日志记录了大量重复拨号信息;(2)情况严重的台站出现网络终端且CDMA数据传输终端无法重拨的死机现象;(3)台站数据传输在CDMA路由器重启或重拨后短时间内效果较好，但随着数据传输时间累积，效果不同程度下降，直至重拨或死机。通过蒙顶山台现场实时抓取CDMA路由器无线接口数据包发送情况后发现，每遇见大数据包发送较多时，往往发生数据掉包，多次重传出问题，多次累积恶化后产生重拨与死机现象。综合上述故障现象，结合CDMA 1x分组数据网特点初步分析认为，台站无线数据通信链路实际通信带宽不足，面对地震记录数据特有的数据量瞬间爆发式增长，这种情况容易造成无线段网络拥塞、挂死。在运营商通信网络进行3G升级后，依据无线数据通信日常需求，就会遇到单个数据包较小、总量较大的快速数据包交换量，对特大数据包支持降低并且容易丢包。CDMA 1x网络在无线端依然靠占用多组语音信道点频(每组9.6 k bit/s，有1～16组)实现数据通信，当网络部分繁忙、拥挤和基站BTS可供数据传输点频有限时就造成台站数据传输实际带宽降低的情况。

图3 台站数据2小时传输断续实例

2.2 CDMA 1x 2G网络数据传输低优先级

2013年，四川数字测震台网凉山彝族自治州7个CDMA无线数据链路台站运行率显著降低，特别是美姑、玄生坝等台站的数据通信几乎全部中断。具体故障现象是，台站数据传输在每日凌晨网络闲时运行率相对于日间网络忙时相差大;现场测试台站CDMA路由器无线网络信号强度高，但多次拨号不成功或频繁拨号。使用定向天线进行选择性使用特定基站信号之后，运行情况稍有好转，但运行率依然无法达到要求。通过玄生坝、美姑台站实测，同时联合凉山彝族自治州电信公司共同查找原因后发现，凉山彝族自治州电信CDMA通信网络基站无线资源分配方式统一变更为语音优先，所以根据这种变化我们随即调整基站设置，之后大部分台站的数据通信质量得到恢复。但是，美姑台因当地用户数量激增，电信CDMA通信网络依然无法满足地震台站数据要求。综合上述故障现象并且结合CDMA 1x分组数据网特点，初步分析后认为，面对日益增加的无线业务量，需要占用多组无线点频的CDMA 1x网络就会因面临基站点频资源不足而造成瓶颈。在运营商通信网络进行3G升级后，依据用户无线数据通信日常需求，需要一方面逐步降低2G数据通信业务量，另一方面在保障语音业务的同时，提高3G数据传输业务服务量占有率。CDMA 1x网络数据传输中因无线信号强弱关系，必然存在地震台站网络数据通信被挤掉线的情况。

3 解决方案

在CDMA 1x系统中，中低速数据业务和语音业务是码分复用的，他们共享基站发射功率、扩频码和频率资源。基站通过快速闭环功率控制技术补偿因信道衰落带来的影响，从而获得较高的频谱利用效率，对于中低速数据及语音业务而言，这种方式是使整个蜂窝移动网络同时具备语音与分组数据传输能力的最佳选择。但是，对于高速分组数据业务，这种快速功率控制已经无法保证系统获得较高的频谱利用率，尤其是当高速分组数据业务与传统的语音业务采用码分方式来共享频率和基站功率资源时，系统资源使用效率会降低，从而影响地震台站网络数据通信业务运营。综上所述，四川数字测震台网所遇到的两次CDMA VPDN无线信道台站大面积通信质量下降的问题，究其原因是CDMA 1x数据通信网络的问题，根源依然是其以语音通信为主要设计目的而产生的，因此对其又有“2.5G”即“两代半”等别称也就不足为奇了。要做到釜底抽薪式地根本解决问题，必然是在保证台网通信平台兼容性的基础上将台站无线数据通信链路制式上向第三代(3G)技术演进。

图4 美姑台通信升级前后12小时运行率统计

CDMA2000 EV-DO技术为国际3G标准无线数据通信制式，它是由CDMA 1x制式进化而来的，故具备良好的向下兼容性。其基本设计思想是将高速分组数据业务与低速语音及数据业务从资源分配中分离开来，利用单独载波提供的高速分组数据业务。而传统的语音业务和中低速分组数据业务依然由CDMA2000 1x系统提供，以获得更高的频谱利用效率，网络设计灵活，其覆盖范围更广。因此，通过在地震台站端使用3G CDMA数据通信终端替换原2G设备，于是CDMA 1x无线数据通信网络存在的根本问题就得到解决。通信终端升级前后美姑台运行率对比见图4。

相比较而言，3G蜂窝数据通信网络具备以下4个特点:(1)网络带宽高。目前CDMA2000 EV-DO 3G网络通信制式最高支持2M bit/s下行或1.8 M bit/s上行数据传输速率，完全能够满足地震台站数据传输需求。(2)网络灵活性高。只要存在蜂窝网络覆盖的地区均能实现地震数据快速有效地传输。(3)网络可靠性高。由于蜂窝移动通信系统固有特性，多个基站能够实现相互的补充与备份。(4)网络安全性高。CDMA码分多址技术从理论上将不容易产生窃听、数据获取等情况。而3G无线数据技术以其带宽高、覆盖广、功耗低、费用低等特点恰恰弥补了SDH与卫星通信存在的弊端。同时，还可以为绝大多数光纤通信地震台站提供一种经济、可靠的备份通信手段。

［1］林曙光.CDMA 2000分组域网络技术［M］.北京:邮电大学出版社，2006.

［2］方海鹰.CDMA网络工程设计［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［3］王余伟.CDMA无线数据传输在地震监测系统中的应用［J］.地震地磁观测与研究，2007，28(2):115-118.

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