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工业和信息化部信息通信发展司司长 闻 库

中国电子科技集团公司第54所首席专家、院士 　孙 玉

浙江逸畅通信技术有限公司董事长 高保证

杭州紫光网络技术有限公司董事长 封建华

(排名不分先后)

主管：中国电子科技集团公司

主办：广州通信研究所

( 中国电子科技集团公司第七研究所 )

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副主任委员：杨绍华����徐���艳

顾问：李进良����万永乐

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出版：《移动通信》编辑部

出版时间：2016 年 10 月 30 日

承印单位：广州百思得彩印有限公司ISSN�1006-1010

CN�44-1301/TN中国标准连续出版物号：

广告经营许可证号：440000100048

出版物经营许可证：新出发粤刊批字第 009 号

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户名：中国电子科技集团公司第七研究所

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本刊园地公开，凡具原创性、与移动通

信有关之技术研究、行业分析、方案探讨等，

均欢迎赐稿。来稿以行文简洁、结构严谨、

观点独到为佳，撰写体例请参考本刊最新期

刊，并请具齐作者简介、联系方法及清晰近照。

为适应我国信息化建设，扩大本刊及作

者知识信息交流渠道，本刊已被国内外文献

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作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。

如有异议，请在来稿时声明，本刊将做适当

处理。

《移动通信》编辑部

征 稿 简 则

1977 年创刊 半月刊 第 40 卷

2016 年第 20 期

总第 426 期

“杰赛科技技术创新”专栏协办单位

网规网优5 LTE 基于图论与遗传算法的 PCI 重规划研究

孙克雄 鲁飞 俞晨晟 等

11 基于 PRB 底噪统计的 LTE 干扰定位方法

唐千晶

18 基于无源互调干扰分析的地铁室内分布设备选型

许光斌 胡小青

“杰赛科技技术创新”专栏22 基于关联规则和时间阈值算法的 5G 基站部署

研究 陈少权 杜翠凤

研究与探讨27 LTE 网络 CRS 功率配置及其影响研究

杨红梅 彭恋恋 弓美桃 等

31 5G 网络绿色通信技术现状研究及展望

游思晴 齐兆群

36 适用于 Ad Hoc 网络的环境自适应服务总线研究

李金凤

41 VoLTE 高清语音解决方案探讨 颜薇芳

45 VoLTE 业务的资源调度方法研究 林坤宁

50 Echarts 在移动数据通信中的应用 贾宁

54 超高吞吐率 Wi-Fi 融合应用新技术分析

杨建红 赵越 滕飞

61 基于 SDN 的 IP RAN 网络智能路由管理系统

应用研究 尹远阳 孙嘉琪 卢泉 等

66 C2G 数据国际漫游流量实时提醒实现方案研究

李雪馨 吕振华

目录1977 年创刊 半月刊 第 40 卷

第 20 期（总第 426 期）2016 年 10 月 30 日

CONTENTS

期刊基本参数：CN44-1301/TN*1977*s*16*96*zh*P*￥12*38000*18*2016-20

封面 2016 广东蜂窝物联网发展论坛

封二 2016 广东蜂窝物联网发展论坛

封三 2016 广东通信青年论坛

封底 《移动通信》杂志

第 4 页 罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司

广告索引

专用通信70 外军宽频多模战术无线电发展现状浅析

郭俊杰

设计与实现77 D-BLAST 基带系统的 FPGA 实现研究

黄虎 孔勇 李华 等

84 通信铁塔安全快速评估软件的设计与实现

王青青

88 基于新型双频匹配电路的双频低噪声放大器设计

余云忠 周可籍 何建成 等

92 云环境下资源池的防护系统设计与实现

邱红飞 黄春光

Network Planning and Optimization5 PCI Re-Planning Research Based on Graph Theory and Genetic Algorithm for LTE

SUN Ke-xiong LU Fei YU Chen-sheng et al

11 LTE Interference Identifi cation Method Based on PRB Noise Floor Statistics TANG Qian-jing

18 Subway Indoor Distribution Equipment Selection Based on Analysis of Passive Inter Modulation Interference

XU Guang-bin HU Xiao-qing

Special Column of GCI Technology Innovation22 Research on 5G Base Station Deployment Based on Association Rule and Time Threshold Algorithm

CHEN Shao-quan DU Cui-feng

Research and Discussion27 Study of CRS Power Confi guration and Impact in LTE Network

YANG Hong-mei PENG Lian-lian GONG Mei-tao et al

31 Research Status and Prospects on 5G Network Energy-Effi ciency Communication Technology YOU Si-qing QI Zhao-qun

36 Research of Environment Self-Adaptation Service Bus for Ad Hoc Network LI Jin-feng

41 Discussion of VoLTE HD Voice Solutions YAN Wei-fang

45 Research on Resource Scheduling Method for VoLTE Service LIN Kun-ning

50 Application of Echarts in Mobile Data Communication JIA Ning

54 New Integration Application Technologies of VHT Wi-Fi YANG Jian-hong ZHAO Yue TENG Fei

61 Research on Application of Intelligent Routing Management System of IP RAN Network Based on SDN

YIN Yuan-yang SUN Jia-qi LU Quan et al

66 Research on Real-Time Reminding Solution of C2G International Data Roaming Traffi c LI Xue-xin LV Zhen-hua

Private Mobile Communication70 Overview of Development Status of Foreign Military Multiband Tactical Radio GUO Jun-jie

Design and Implementation77 Research on FPGA Implementation of D-BLAST Base-Band System HUANG Hu KONG Yong LI Hua et al

84 Design and Realization for Fast Evaluation Software of Telecommunication Tower WANG Qing-qing

88 Design of Dual-Band Low Noise Amplifi er Based on Novel Dual-Band Matching Electric Circuit

YU Yun-zhong ZHOU Ke-ji HE Jian-cheng et al

92 Design and Implementation of Safety Protection System for Resource Pool in Cloud Environment

QIU Hong-fei HUANG Chun-guang

Vol.40 No.20 (Sum No.426) October 30th, 2016 Semimonthly Started in 1977

网规网优

52016年第20期

收稿日期：2016-04-12

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

LTE基于图论与遗传算法的PCI重规划研究

PCI Re-Planning Research Based on Graph Theory and Genetic Algorithm for LTE

为了解决LTE网络小区PCI规划中边界网络适配困难、模三干扰改善困难的问题，引入了基于图论与遗传算

法的小区PCI规划算法。该算法利用道路测试与网管采集的网络运行数据构建新的小区干扰关系矩阵，将

PCI规划粒度精细化到小区级别，从模三干扰、复用距离、复用层数、冲突规避四个维度对PCI重规划过程

进行约束，以此获得最优的PCI分配方案。通过对一个县级市的LTE运行数据进行综合分析，给出了PCI重

规划后的预测结果，并通过PCI规划方案的执行以及评估，验证了预测结果的准确性和算法的实用性。

模三干扰 PCI重规划 干扰矩阵 无向全连通图 遗传算法

A cell PCI planning algorithm based on graph algorithm and genetic algorithm was introduced in this paper to solve the problems of diffi culties in boundary adaption and improving mod-3 interferences in LTE cell PCI planning. A new cell interference relation matrix was constructed using data collected from drive test and network operation. The PCI planning was fi ned to the cell level. The PCI re-planning was constrained by four dimensions which are mod-3 interference, reuse distance, reuse layers and collision avoidance. In this way, an optimal PCI planning was carried out. The data of LTE network operation in a country-level city was analyzed. The result of PCI re-planning was estimated. By carrying out the PCI planning scheme and assessment, the accuracy and practicability of the algorithm was verifi ed.mod-3 interference PCI re-planning interference matrix non-directional connectivity map genetic algorithm

（1.中国移动通信集团浙江有限公司宁波分公司，浙江 宁波 315040；2.杭州华星创业通信技术股份有限公司，浙江 杭州 310007）

(1. China Mobile Group Zhejiang Co., Ltd., Ningbo Branch, Ningbo 315040, China;2. Hangzhou Huaxing Chuangye Communication Technology Stock Co., Ltd., Hangzhou 310007, China)

【摘 要】

【关键词】

孙克雄1，鲁飞1，俞晨晟1，韩明1，李海江2，陈超2

SUN Ke-xiong1, LU Fei1, YU Chen-sheng1, HAN Ming1, LI Hai-jiang2, CHEN Chao2

[Abstract]

[Key words]

1 引言

目前，我国LT E商用网络普遍采用2 0 M H z同频

组网，频率复用系数为1，小区间的同频干扰较为严

重。在LTE同频组网规划中，小区间的模三或模六干

扰是对网络质量影响最大的因素 [1]。产生模三还是模

六干扰主要是看网络所采用的MIMO（Multiple-Input

Multiple-Output，多输入多输出）技术，如果采用单

天线则只产生模六干扰，而采用双天线或更多天线时

就会产生模三干扰。模三干扰与负载关系如表1所示。

模三干扰是指同一覆盖区域内两个或两个以上小

区的PCI（Physical Cell Identifier，物理小区标识）除

以三的余数相同而产生的小区间互相干扰。同频组网

时，小区间的PCI复用距离越远越好，应尽量避免相同

覆盖区域的小区出现同频同PCI现象。

PCI规划结果决定LTE网络同频小区干扰指标，是

LTE小区参数规划最重要的环节。传统PCI规划算法一

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.001 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0005-06

引用格式：孙克雄,鲁飞,俞晨晟,等. LTE基于图论与遗传算法的PCI重规划研究[J]. 移动通信, 2016,40(20): 5-10.

网规网优

6 2016年第20期

般基于传统的蜂窝网模型，将每个基站等效为一个规

则的蜂窝网络进行PCI规划。实际上由于站高、地形、

地理位置的差异性，不同小区覆盖范围存在差异，普

通的建模方式并不能体现这种差别，即使使用无线传

播模型进行覆盖预测，也会严重依赖电子地图的精度

和基站工参的准确性，且运算量巨大，耗时较长[3]。

为了解决传统PCI规划算法的不足，本文在建立真

实干扰矩阵基础上引入图论、遗传算法来解决PCI重规

划的一些问题，从减少模三干扰、PCI复用距离、PCI

复用层数、PCI冲突规避四个维度对PCI重规划过程进

行约束，进而获得最优的PCI分配方案。

2 PCI重规划原则

2.1 模三干扰减少原则

在LTE网络中，手机收到的信号是以CRS（Cell

Reference Signal，小区参考信号）强度来表现的。

LTE系统中常见的双天线端口CRS分布图如图1所示。

LTE网络中PCI的取值范围为0～503，如果两个

同频小区的PCI模三相同，则这两个小区的CRS时频

域完全重叠，导致终端下行相干解调性能降低，SINR

（Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干

扰加噪声比）变差。PCI模三后只有3种取值（0，1，

2），而同一区域服务小区添加邻区一般会超过3个

甚至更多，所以在实际网络中模三干扰不可能完全消

除，只能通过小区天馈调整或者PCI调整尽量减少。而

减少的原则就是尽量避免同一覆盖区域内服务小区与

邻区模三相同，如果无法避免，则通过优化手段使模

三相同邻区的CRS信号强度尽可能比服务小区低。

常规PCI调整和规划的依据是以路测数据或模三

切换次数为准，而不是综合考虑，规划方法存在局限

性。而基于图论与遗传算法的PCI重规划算法是从路测

数据、小区切换数据、扫频数据和MR（Measurement

Report，测量报告）数据中选取2至4个维度综合分析

及判断，使PCI调整效果达到最优。

2.2 PCI复用距离和复用层数原则（1）PCI复用距离：与该小区同PCI的小区复用

距离的最小值[4]。

（2）PCI复用层数：与该小区同PCI的小区复用

层数的最小值，和复用距离含义类似。复用层数新算

法是以两个小区之间的连线为直径画一个圆，以两个

小区顶点画正六边形，且正六边形的六个顶点均在圆

上，正六边形内部的室外基站数量即为间隔层数。如

图2所示，A点与B点之间的站点数为6个，则间隔层数

就定为6层。

综上所述，PCI复用距离和复用层数越大越好。

图2 PCI复用层数示意图

2.3 PCI冲突和混淆规避原则（1）PCI冲突规避：互为邻区的小区不能使用相

表1 模三干扰与负载关系表[2]

模三干扰对小区吞吐率的影响 模三干扰对SINR的影响

空载 吞吐率降低28.97% SINR降低36.98%

30%加载 吞吐率降低31.49% SINR降低17.53%

50%加载 吞吐率降低16.54% SINR降低10.14%

70%加载 吞吐率降低20.71% SINR降低7.97%

图1 双天线端口CRS分布图

网规网优

72016年第20期

同的PCI。

（2）PCI混淆规避：同一个小区的邻区间不能使

用相同的PCI，否则移动终端在切换时不知道哪个为目

标小区，会导致切换失败[5]。

在PCI分配过程中，要避免发生PCI冲突和混淆。

3 基于图论与遗传算法的PCI重规划

3.1 预测干扰矩阵建立

干扰矩阵描述了小区之间的相关性，建立该相关

性的数据源包括路测数据、切换数据（网管统计）、

扫频数据或MR数据，可以使用其中的一种或多种。

PCI规划的最终目的是为了提高无线网络的SINR

和小区吞吐率，因此构建合理的干扰矩阵，重点关注

服务小区与邻小区电平差值对SINR和下行吞吐率的影

响。由于在不同的无线网络环境（包括传播模型和网

络负荷）中这种影响存在差异，所以通过现网的统计

数据中获得服务小区和邻小区电平差值与SINR和小区

下行吞吐率的对应关系比较可靠。本文采用的预测方

法如下：

（1）平均SINR值预测

基于S I N R值提升进行P C I重规划效果预测：通

过对现网路测、切换、扫频或 M R 数据等方法采集

的数据进行平均化处理，建立一个服务小区 R S R P

（Reference Signal Receiving Power，参考信号接收

功率）与邻区RSRP差值的二元关系矩阵A，该矩阵

行列关系为31×60。其中，31行对应服务小区与邻区

RSRP的差值范围（-15～15 dBm），60列对应服务小

区电平强度RSRP的范围（-115～-55 dBm），SINR均

值即为该二元矩阵对应的数值。矩阵又分为服务小区

与邻区具有模三关系和非模三关系的两张表，服务小

区电平与邻区电平差值二元关系矩阵A表（局部）如表

2所示。

对某个小区PCI规划后SINR预估方法：以干扰矩

表2 服务小区电平与邻区电平差值二元关系矩阵A表（局部）

电平/dBm

差值/dBm-91 -90 -89 -88 -87 -86 -85 -84 -83 -82 -81 -80

0 3.66 5.87 5.77 5.62 6.23 4.87 8.13 6.66 8.18 5.90 4.86 7.74

1 4.98 5.31 5.96 5.89 6.62 6.13 6.00 6.91 7.52 8.30 6.90 8.62

2 5.43 5.10 7.00 6.66 7.23 5.01 7.23 8.45 8.44 7.91 8.27 7.74

3 6.65 6.77 7.06 7.55 7.35 7.85 7.53 9.25 8.03 9.75 8.54 9.92

4 7.11 6.92 7.45 7.65 9.00 8.63 8.49 9.68 8.74 9.58 8.70 8.57

5 6.27 7.71 7.44 8.68 8.60 8.36 9.89 9.76 9.88 10.74 10.02 9.77

6 7.99 8.30 8.14 8.33 9.68 9.32 8.87 10.63 11.18 10.16 10.57 11.42

7 8.43 8.82 9.40 8.88 9.99 9.73 9.77 11.21 11.43 12.37 10.22 11.73

8 9.32 8.20 9.86 8.39 10.18 9.99 11.42 11.81 11.15 12.02 12.24 11.62

9 8.94 9.81 9.79 9.67 10.67 10.24 13.23 12.60 12.33 13.14 11.82 12.79

10 9.15 9.57 9.30 11.54 9.89 11.70 12.85 11.81 12.24 12.18 13.14 13.17

11 8.69 9.83 8.58 9.95 9.22 10.44 12.14 11.99 12.65 13.34 13.27 14.05

12 9.62 10.41 10.93 12.05 12.28 11.60 11.77 12.61 13.13 14.13 14.78 14.89

13 8.30 12.45 11.99 10.29 12.68 12.90 11.44 13.77 14.32 15.57 16.22 15.52

14 8.73 11.02 10.47 10.51 12.66 12.52 12.84 15.00 14.21 15.72 15.27 17.72

15 10.76 10.32 10.33 12.06 12.76 13.72 14.88 14.68 15.78 17.44 16.02 19.14

16 12.30 10.82 11.49 10.86 14.82 11.93 16.05 12.66 12.41 15.76 17.47 19.19

17 14.92 12.94 11.77 13.78 13.97 15.09 16.12 15.63 16.11 16.18 14.40 16.94

18 13.26 12.43 14.73 13.46 11.50 18.34 14.19 16.58 15.47 19.13 17.81 19.42

网规网优

8 2016年第20期

阵为基础，以每个预估点模三和非模三邻区干扰叠加

后对主小区SINR值的影响来计算此预估点的SINR。具

体方法是将每个预估点的SINR值累加后除以总的采样

点数量，就可以预测此小区的SINR平均值。以此类推

扩展到整个规划区域的小区，并以此SINR预估值作为

评估PCI规划方案优劣的依据。

（2）小区下行吞吐率预测

通过对现网采集的数据进行处理，计算出不同

SINR对应的下行平均速率，以此建立SINR与小区下行

吞吐率的对应关系一元表B，如表3所示：

表3 SINR与小区下行吞吐率的对应关系一元表B

SINR/dBPDCP速率/

MbpsSINR/dB

PDCP速率/Mbps

SINR/dBPDCP速率/

Mbps

-11 1.84 3 13.99 17 36.72

-10 1.40 4 14.65 18 39.91

-9 1.95 5 15.82 19 39.97

-8 4.55 6 17.95 20 42.42

-7 6.79 7 18.35 21 43.30

-6 5.16 8 19.92 22 46.22

-5 5.76 9 22.04 23 53.04

-4 7.04 10 23.00 24 57.94

-3 8.16 11 27.46 25 62.56

-2 8.52 12 26.67 26 52.80

-1 9.10 13 29.96 27 53.01

0 9.43 14 30.97 28 55.91

1 10.54 15 32.87 29 51.63

2 12.11 16 34.71 30 60.74

对某个小区PCI规划后吞吐率预估可以通过B表

计算。将预估点的小区吞吐率数值累加后除以总的采

样点数量，即可预测此小区下行吞吐率平均值。类似

地，可扩展到规划的整个区域，以此下行吞吐率预估

值作为PCI规划方案优劣的依据。

通过上面的评估算法，可以得出SINR最优或下行

吞吐率最优的两大类方案供选择（还可以给出多种折

中方案），增加方案选择的灵活性，再根据预测结果

在方案执行后验证预估的准确性。

3.2 无向全连通图模拟邻区关系图论中的图定义为由若干个不同顶点与连接其中顶

点的边组成的图形，如果图内任意一个顶点通过现有连

线均可以走到另外的任一点，就称之为全连通图[6]。如

果边是没有方向的，就称之为无向全连通图。

将每个小区位置作为顶点，小区之间有邻区关系

的画一条无向边连线，连线的长度为两个小区之间的

实际距离，直接把一张通信网变成一张顶点固定的无

向全连通图。在该模型中，小区之间的连线代表小区

之间有邻区关系，从一个小区出去的邻区连线的距离

和方向表示该小区与周围小区的实际距离和方向，完

全反映了网络的真实情况。后续PCI重规划过程中，模

三干扰、PCI复用距离和复用层数、PCI冲突和混淆均

基于该无向全连通图来评估。

3.3 构建小区模拟冲突关系

上文中对有切换次数的邻区关系（或MR中达到

一定测量门限的邻区）之间都做了连线，如果从一个

小区到另外一个小区经过的最小连线数量为1或2且

PCI相同，这两个小区即为冲突关系。冲突关系实际上

已经反映了小区的覆盖范围（此处范围不是指绝对的

面积，而是相对的影响的小区数），如果与一个小区

的冲突邻区少，则说明与该小区重叠覆盖的邻区少，

该小区覆盖范围小；如果与该小区冲突关系较多，则

说明该小区覆盖范围较大，影响邻区多。在规划过程

中，每分配一个小区的PCI后，与该小区有冲突关系的

邻区就不再规划该PCI，否则会产生PCI冲突。冲突关

系的计算采用图论中的标号法计算两点间最短距离[7]，

由于该方法属于图论的基本算法，本文不再赘述。

3.4 从边缘到中心的遗传生长算法

与传统规划算法从中心向边缘扩展的方法不同，

新算法以非规划区域为起点，采用从边缘向中心扩展

的规划方式。每个基站分配的PCI需满足：PCI复用距

离和复用层数高于设定的最低值、模三干扰影响最小

（通过3.1节中的预测干扰矩阵进行评估）、冲突小区

PCI不相同，满足这些条件的PCI组为待分配基站的合

格PCI组。

锚点基站的选择：即从未分配PCI的所有基站中

选择一个待分配PCI的基站。由于周边小区PCI已经分

配，待分配PCI的基站能够选择的合格PCI组受限，这

里选择的锚点基站即为合格PCI组最少的基站，也就是

网规网优

92016年第20期

受周边制约最大的基站。

由于锚点基站可分配的不止一个合格PCI组，需

要采用最优组筛选算法确定哪组最优，每分配一个基

站的PCI就会造成后续要

分 配 的 基 站 无 法 选 择 该

PCI，所以最优组的选择

采用影响未分配基站最少

的组作为最终选定组。

算 法 不 停 地 重 复 锚

点基站选择、评估确定最

优 组 这 两 个 过 程 ， 直 至

PCI分配完成。该过程可

能对PCI复用距离和复用

层数、PCI冲突的要求过

于严格，导致某个基站无

合格PCI组，分配过程宣

告失败。如果发生分配失

败，则适当降低对三者的

要求，直至能够完成所有

基站的PCI规划，算法计

算完成。遗传算法流程图

如图3所示。

3.5 PCI重规划前的无线优化PCI规划效果与LTE网络结构息息相关。根据规划

经验，一般小区高重叠覆盖度（邻区RSRP与服务小区

RSRP差值在6 dB以内，小区点数不小于3个，且最强

小区RSRP不小于-105 dBm[9]）区域越多，小区间相关

性越强，造成规划算法中的约束条件就越强，方案改

善幅度也越小。

因此，在PCI重规划项目开始前需要先做一轮无线

环境优化，主要对过覆盖及重叠覆盖度影响较高的小

区进行天馈调整和优化。

4 基于图论和遗传算法的PCI重规划应用

案例下面选择了一个县级市范围内的LTE小区作为PCI

重规划对象，区域包括周围的高速、国道，如图4的蓝

色区域，共涉及1253个小区。其中，黄色区域为本市

图5 PCI重规划前后复用距离对比图

图6 PCI重规划前后复用层数对比图

图3 遗传算法流程图[8]

非规划区域；绿色区域为邻市非规划站点。

图4 案例规划区域示意图

PCI重规划前后的对比效果如下：

（1）PCI复用距离和复用层数改善情况

PCI重规划前后复用距离对比图如图5所示。PCI重

规划后，复用距离由规划前的1～9km变为6～9km的区

间分布，且主要分布在9km以上，复用距离改善明显。

PCI重规划前后复用层数对比图如图6所示。PCI

重规划后，复用层数由规划前的30层以内为主变为规

划后的90层以上为主，复用层数改善明显。

（2）测试指标对比

下面分别对SINR、下载速率、模三切换及采样点

占比和改善情况进行对比分析，如表4所示。

PCI复用距离/km

0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~6 6~7 7~8 8~9 9以上

PCI复用层数/层

30以内 40 50 60 70 80 90 90以上

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10 2016年第20期

作者简介

孙克雄：中级工程师，硕士毕业于同济

大学，现任职于中国移动通信集团浙江

有限公司宁波分公司网络部，长期从事

无线网络规划、优化相关工作，目前主

要研究方向为LTE网络规划与优化。

鲁飞：工程师，硕士毕业于西南交通大

学，现任职于中国移动通信集团浙江有

限公司宁波分公司网络部，长期从事无

线网专项优化工作，目前主要研究方向

为LTE网络感知提升优化。

俞晨晟：工程师，硕士毕业于浙江大

学，现任职于中国移动通信集团浙江有

限公司宁波分公司网络部，长期从事无

线网络规划相关工作，目前主要研究方

向为LTE新型覆盖解决方案。

表4 PCI规划前后测试指标对比表

指标对比RSRP采样点

SINR/dB

SINR改善

占比/%下载速率/

Mbps下载速率

改善占比/%模三切换

占比/%模三切换

改善占比/%模三采

样点占比/%模三采样点占

比改善值/%

平均值修改前 174355 11.25

11.4622.61

7.299.94

1.0312.13

1.22修改后 161425 12.54 24.26 8.91 10.91

[7] 徐俊明. 图论及其应用[M]. 合肥: 中国科学技术大学出

版社, 2004.

[8] 周明,孙树栋. 遗传算法原理及应用[M]. 北京: 国防工业

出版社, 1999.

[9] 赵康成,王国梁,李凤花. TD-LTE无线网络中重叠覆盖优

化解决方案分析[J]. 山东通信技术, 2014(3): 40-43.

[10] 李青. TD-LTE系统PCI规划方法研究[J]. 无线电通信技

术, 2013,39(5): 66-67.★

具体如下：

◆SINR ：平均有1.29 dB的提升（规划预改善1.05 dB），

除高速提升不明显外（由于高速小区是线性覆盖，容

易规划，因此模三干扰相对较少），其它网元的SINR

都有0.59～1.83 dB的提升，改善 明显；

◆下载速率：平均有1.65 Mbps的提升；

◆模三占比：模三切换占比减少了1.03%，模三采

样点占比减少了1.22%，模三干扰有所减少，PCI重规

划效果明显。

5 结束语本文对传统的LTE小区PCI规划方法进行了改进，

引入图论与遗传算法，并结合网络道路测试、扫频、

切换、MR数据建立干扰矩阵对PCI进行重规划，以达

到减少小区PCI模三干扰且提升网络整体SINR和下载

速率的目的。该方法在实际的网络PCI规划中得到了验

证，网络现场测试和后台统计指标都有较明显的提升

及改善，从而证明了算法和工具的有效性。

参考文献：[1] Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker. LTE——

UMTS长期演进理论与实践[M]. 马霓,邬钢,张晓博,等

译. 北京: 人民邮电出版社, 2009.

[2] 龙青良,张磊. 基于用户感知的LTE网络优化关键问题

研究[J]. 邮电设计技术, 2014(10): 14-20.

[3] 韩斌杰. GSM原理及其网络优化[M]. 北京: 机械工业出

版社, 2001.

[4] 元泉. LTE轻松进阶[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012.

[5] 张守国,张建国,李曙海,等. LTE无线网络优化实践[M].

北京: 人民邮电出版社, 2014.

[6] Gary Chartrand, Ping Zhang. 图论导引[M]. 范益政,汪毅,

龚世才,译. 北京: 人民邮电出版社, 2007.

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112016年第20期

收稿日期：2016-07-15

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

基于PRB底噪统计的LTE干扰定位方法

LTE Interference Identifi cation Method Based on PRB Noise Floor Statistics

为了解决LTE网络干扰排查工作缺乏有效排查手段以及故障定位困难的问题，采用了干扰波形特征分析方

法，通过分析PRB干扰扫描数据，研究了干扰类型匹配算法，并提出了干扰波形对比干扰特征库的解决方

案。经过实验证明，干扰类型匹配算法能够快速准确地判断出干扰源的类型，由于其可软件化的特征，非

常适合在网络公司大面积推广。

干扰 定位 PRB

To solve the problem of shortage on methodologies of LTE interference clearance and identifi cation, the author of this article used interference graph characteristics analysis method, studied interference categorizing matching algorithm by analyzing PRB interference scanner data, proposed a solution matching interference graph to interference characteristics database. It is verifi ed by experiments that interference categorizing matching algorithm can identify the interferer swiftly and accurately. It is fit for broad application in network companies due to its programmability.interference positioning PRB

（青海省无线电管理办公室，青海 西宁 810000）

(Qinghai Radio Management Office, Xining 810000, China)

【摘 要】

【关键词】

唐千晶

TANG Qian-jing

[Abstract]

[Key words]

1 引言目前，LTE网络存在着普遍的干扰问题且部分小

区受干扰强度较高，导致用户对网络质量的感知较

差。在网络优化的过程中，由于LTE处于建网初期，

没有相关优化经验可以借鉴，因此在干扰处理的过程

中会耗费大量的人力和物力。本文首先阐述各种干扰

产生的原理及其在LTE网络统计指标上表现的特征；

然后对干扰产生的指标特性进行分析，并在分析过程

中详细论述每种特征所对应的干扰判断算法；最后总

结干扰类型的最终判断方法与结论。

2 干扰原理分析与算法实现主流通讯设备厂家如爱立信、华为和中兴等的基

站都会采集PRB（Physical Resource Block，物理资源

块）级干扰统计数据，如表1所示。下面将以此数据为

研究对象展开干扰分析。

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.002 中图分类号：TN978 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0011-07

引用格式：唐千晶. 基于PRB底噪统计的LTE干扰定位方法[J]. 移动通信, 2016,40(20): 11-17.

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12 2016年第20期

表1 PRB干扰噪声统计数组

PRB 0 1 …… 99

平均干扰电平/dBm -98 -95 …… -97

2.1 干扰仪算法

干扰仪的工作原理是利用锯齿波来控制压控振荡

器，使其产生设定频率的扫频信号，在每个扫频周期

内，相当于在设定频率中的每个频点上添加一个宽脉

冲（锯齿波正程所致）和一个窄脉冲（锯齿波逆程所

致）。

根据干扰仪的产品原理，可确定其干扰有以下明

显的特点：

◆产生的干扰带宽极大，产生的干扰频率从800 MHz

到2000 MHz，甚至达到4000 MHz的范围；

◆产生的脉冲电波具有周期性特点，在极短的时

间内就会产生成多个频段干扰信号；

◆产生的脉冲电波强度在单位时间内较为稳定，

在以15分钟为一个单位的统计中，其强度变化很小，

每个频点上的变化在2 dBm以内。

（1）算法设计

根据干扰仪干扰产生的原理与表现出的特征，并

结合LTE系统统计的平均干扰电平指标，可以得到如

下算法：

1）对PRB0～PRB99进行干扰噪声平均值计算，

得到干扰噪声的算数平均值P。

2）对PRB0～PRB99进行标准差计算，得到标准

差δ。

3）可设置参数A、B、C、D默认值为-105、-60、

0.5、2。

4）如果满足P>A且δ<D，

则为外部干扰。外部干扰概率

公式如下：

K=((P-A)/(B-A))×((D-δ)/

(D-C)) （1）

当P>B时，P=B；当δ<C

时，δ=C。

（2）算法验证

根据上文设计的算法，对青海移动现网的5362个小

区进行了全面的干扰仪干扰排查，共计发现37个小区疑

似是由干扰仪造成的干扰。

经优化人员现场测试验证，算法发现的37个干扰

小区中有31个小区是由干扰仪造成的干扰，3个小区为

阻塞干扰，另外还有3个小区为杂散干扰，算法准确率

为83.79%。

典型干扰仪干扰案例：西宁武警总队ZT1HZ站的

3个小区全部为高干扰小区，邻近的外滩小区等3个小

区也有不同程度的干扰现象。西宁武警总队ZT1HZ-1

小区的 P R B 干扰底噪波形图（底噪 = P R B 统计值 +

120dBm）如图1所示。

根据干扰仪算法计算，西宁武警总队ZT1HZ站的3

个小区干扰仪干扰概率为0.92、0.89和0.88。由于共站的

3个小区同时判断为干扰仪干扰，且概率极高，因此算

法判定此干扰为干扰仪干扰。经工程师现场扫频确认，

武警总队宿舍已有干扰仪在工作，故算法判断正确。

（3）算法小结

用此算法计算干扰仪的干扰概率，效率非常高，

如果利用软件五分钟之内就能完成5000多个小区的筛

查工作，而且算法的准确率也达到了80%以上，但由

于杂散干扰和阻塞干扰的波形与干扰仪干扰的波形比

较接近，若此算法后期不增加判断条件，精确度将无

法提升。

2.2 GPS偏移干扰

GPS（Global Positioning System，全球定位系

统）偏移干扰引起的主要原因是GPS失步。所谓GPS

失步，是指基站所连接的GPS时钟失去了原有的震荡

图1 干扰仪算法实例（西宁武警总队ZT1HZ-1）

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132016年第20期

频率，超前或者滞后于网络的标准时钟。

LTE TDD（Time Division Duplexing，时分双

工）网络采用的是时分双工模式，这样设计的劣势是

一旦某个基站的时钟异步，就会造成下行信号干扰上

行信号，并且干扰的强度高、范围广，对网络上运行

的其他基站会造成极大的影响，甚至可以导致局部通

讯中断。

将两个时隙的干扰功率叠加会发现造成GPS偏移

干扰，被干扰小区频谱中心6个PRB噪声明显提升。

有地区的运营商在业务信道的某些PRB上集中配

置了下行控制信道，导致集中配置控制信道的PRB表

现出和PBCH（Physical Broadcast Channel，物理广播

信道）一样的特性，即GPS偏移后，小区频谱中心6个

PRB和集中配置下行控制信道的PRB上会出现较强的

干扰。典型的GPS偏移干扰统计数据如表2所示。

（1）算法设计

根据GPS偏移干扰产生的原理与表现出的特征，

并结合LT E系统统计的平均干

扰电平指标，可以得到如下算

法：

PRB0～PRB99对应的干扰

电平数组与典型GPS干扰数组

进行相关性计算，可得到相关

指数R。

1）干扰电平数组：{X}；

典型GPS干扰数组：{Y}。

2）计算干扰电平数组与典型GPS干扰数组的相关

指数R。

3）如果相关指数R不小于0.4，则此干扰为GPS干

扰。GPS干扰概率公式如下：

K=R （2）

（2）算法验证

根据上文设计的算法，对青海移动现网的5362个

小区进行了全面的干扰仪干扰排查，共计发现18个小

区疑似是由GPS偏移造成的干扰。

经优化人员现场测试验证，算法发现的18个干扰

小区中有16个小区是由GPS偏移造成的干扰，2个小区

为互调干扰，算法准确率为88.89%。

典型干扰仪干扰案例：西宁粮油批发ZT1HZ-1小

区的PRB干扰底噪呈现出明显的中心和邻近首尾的部

分PRB干扰底噪偏高，周围和该小区有相同PCI码的小

区也有此现象，如图2所示。

根据G P S偏移干扰算法对小区进行概率计算，

表2 典型的GPS偏移干扰统计数据

P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19

8 8 8 8 8 8 8 16 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 P38 P39

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

P40 P41 P42 P43 P44 P45 P46 P47 P48 P49 P50 P51 P52 P53 P54 P55 P56 P57 P58 P59

8 8 8 8 8 8 8 25 25 25 25 25 25 25 8 8 8 8 8 8

P60 P61 P62 P63 P64 P65 P66 P67 P68 P69 P70 P71 P72 P73 P74 P75 P76 P77 P78 P79

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

P80 P81 P82 P83 P84 P85 P86 P87 P88 P89 P90 P91 P92 P93 P94 P95 P96 P97 P98 P99

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 16 8 8 8 8 8 8 8

图2 GPS偏移干扰实例（西宁粮油批发ZT1HZ-1）

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14 2016年第20期

K=0.87，概率的置信度较高，算法判断此干扰为GPS

偏移干扰。通过网管告警查找，发现距离此站210 m处

有一个基站的GPS出现了告警，现场更换后该小区干

扰消失，由此确认算法正确。

（3）算法小结

此种干扰的PRB干扰底噪波形非常特殊，极容易

判断，尤其适合数学算法的判断。通过实际验证，此

算法的准确率已达到88.89%，但因为GPS偏移干扰的

波形和本地网络的参数配置有一定的关系，所以算法

不是固定不变的，需要根据本地网络的配置进行适当

调整。

2.3 超远覆盖干扰

超远覆盖干扰和GPS干扰产生的原理本质上是一

致的，某些基站由于建设位置较高且设计的发射功率

过大，导致在很远的地方也能接收到此基站的信号。

在基站信号传输的过程中，随着传输距离的增大

所用时间也会相应增加，当远处的基站信号到达被干

扰基站时，与近处基站时钟滞后是一样的效果。

由于远距离传输造成了信

号能量的大量减少，所以造成

干扰的只有配置 P B C H 的 6 个

PRB信道。典型的超远覆盖干

扰统计数据如表3所示。

（1）算法设计

根据超远覆盖干扰产生的

原理与表现出的特征，并结合

LT E系统统计的平均干扰电平指标，可以得到如下

算法：

PRB0～PRB99对应的干扰电平数组与超远覆盖标

准数据进行相关性计算，可得到相关指数R。如果相关

指数R不小于0.4，则此干扰为超远干扰。超远干扰概

率公式如下：

K=R （3）

（2）算法验证

根据上文设计的算法，对青海移动现网的5362个

小区进行了全面的干扰仪干扰排查，共计发现6个小区

疑似由超远覆盖造成的干扰。

经优化人员现场测试验证，算法发现的6个干扰小

区中有2个小区是由超远覆盖造成的干扰，4个小区为

极窄的外部干扰造成，算法准确率为33.33%。

典 型 干 扰 仪 干 扰 案 例 ： 西 宁 城 东 污 水 处 理 厂

ZT1HZ-1的PRB干扰底噪呈现出明显的中心6个PRB的

干扰底噪偏高，如图3所示。

根据超远覆盖干扰算法对小区进行概率计算，

K=0.76，概率的置信度较高，算法判断此干扰为超远

表3 典型的超远覆盖干扰统计数据

P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 P38 P39

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

P40 P41 P42 P43 P44 P45 P46 P47 P48 P49 P50 P51 P52 P53 P54 P55 P56 P57 P58 P59

8 8 8 8 8 8 8 25 25 25 25 25 25 25 8 8 8 8 8 8

P60 P61 P62 P63 P64 P65 P66 P67 P68 P69 P70 P71 P72 P73 P74 P75 P76 P77 P78 P79

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

P80 P81 P82 P83 P84 P85 P86 P87 P88 P89 P90 P91 P92 P93 P94 P95 P96 P97 P98 P99

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

图3 超远覆盖干扰实例（西宁城东污水处理厂ZT1HZ-1）

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152016年第20期

覆盖干扰。经过现场工程师多次路测，未发现有超远

覆盖现象，而楼顶测试发现海东小峡口的山上有一基

站由于需要超远覆盖，安装了功率放大器，但没有控

制好功率，造成了对市区基站的干扰。对小区调整功

率后，西宁城东污水处理厂ZT1HZ-1的干扰消失，由

此确认算法正确。

（3）算法小结

此算法在验证中发现准确度很低，超远覆盖造成

的干扰与变电站产生的一种干扰波造成的干扰现象基

本一致，导致此算法的判断准确率较低。后期继续跟

踪此类干扰，如果变电站干扰大量存在，则算法将会

对其进行补充。

2.4 杂散干扰杂散干扰主要是由于接收机的灵敏度不高造成

的。发射机输出信号通常为大功率信号，在产生大功

率信号的过程中，会在发射信号的频带之外产生较高

的杂散。如果杂散落入某个系统接收频段内的幅度较

高，则会导致接收系统的输入信噪比降低，通信质量

恶化。

移动集团使用最多的LTE频点为F频点，也是受杂

散干扰最多的一个频点，比F频点低的频率使用非常频

繁，如移动DSC1800的基站和已退网的PHS（Personal

Handy-phone System，个人手持式电话系统）系统

（现在网络上仍存在未拆除的基站）。

杂散干扰表现出来的特征极为明显，近干扰源处

干扰噪声最大，随着远离干扰源的方向干扰噪声逐渐

减小，一般干扰噪声的最大值与最小值之间存在至少

5 dBm的差距，并呈现逐渐变化的趋势。

（1）算法设计

根据杂散干扰产生的原理与

表现出的特征，并结合LTE系统

统计的平均干扰电平指标，可以

得到如下算法：

1）PR B 0～P R B 9 9与其对

应 的 干 扰 电 平 值 组 成 二 维 数

组，将二维数组分解为多个二

维数组如下：

PRB(0)～PRB( i )， i={15,

16, 17, …, 99}

2）二维数组的PRB号为X轴，对应的干扰电平值

为Y轴，利用下面公式将每个二维数组都拟合出一条直

线，并得到可决系数r和直线斜率a。

3）每个二维数组都会得到一个可决系数r和一个

直线斜率a。

4）在所有满足a<-0.12的数组中取最大的可决系

数r。如果r>0.4，则此干扰为杂散干扰。杂散干扰概

率公式如下：

K=R （4）

（2）算法验证

根据上文设计的算法，对青海移动现网的5362个

小区进行了全面的干扰仪干扰排查，共计发现45个小

区疑似由杂散造成的干扰。

经优化人员现场测试验证，算法发现的45个干扰

小区中有37个小区是由1800 MHz基站的杂散造成的干

扰，6个小区为阻塞造成的干扰，另外还有2个小区为

干扰仪造成的干扰，算法准确率为82.22%。

典型干扰仪干扰案例：西宁新齿轮厂ZT1HZ-1的

PRB干扰底噪呈现出明显的前高后低现象，即从PRB0

开始底躁缓慢下降，与杂散干扰的特征波形极为相

似，如图4所示。

根据杂散算法对小区进行概率计算，K = 0 . 9 3，

概率的置信度极高，算法判断此干扰为杂散干扰。经

过现场工程师到基站处排查，发现此基站的铁塔上

GSM1800的3小区天线正对着LTE1小区天线。进行调

整后，西宁新齿轮厂ZT1HZ-1干扰消失，由此确认算

法正确。

图4 杂散干扰实例（西宁新齿轮厂ZT1HZ-1）

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16 2016年第20期

（3）算法小结

根据实际验证，此算法准确率也达到了8 0 %以

上，算法能够快速准确地判断杂散干扰。但通过此次

验证发现算法对阻塞干扰的误判较高，误判超过了

10%，由于杂散干扰与阻塞干扰同是共站小区干扰，

波形又存在一定的相似性，因此造成这2种干扰不易通

过算法区分，后期将引入更多的条件进行算法判断。

2.5 互调干扰

当两个或以上的频率通过同一设备（如天线、滤

波器等）混合在一起时，会产生互调干扰。在移动通

信系统中，互调干扰产生的原因大致包括：发射机互

调、接收机互调和外部效应引起的互调。

二阶互调和三阶互调干扰产生的干扰信号最强，

造成的影响也最大。二阶互调和三阶互调的频率组

合主要有：2f0、2f1、f0+f1、f0-f1、3f0、3f1、2f0-f1、

2f0+f1。

LTE小区受到互调干扰后，在查看PRB干扰统计

时，会发现有部分PRB干扰噪声提升，且有噪声提升

的P R B都不是连续的，而是表现出一个个的小的波

峰。LTE基站的互调干扰一般都来自GSM900的（互

调）二次谐波干扰和DSC1800的三阶互调干扰。

（1）算法设计

根据互调干扰产生的原理与表现出的特征，并结

合LTE系统统计的平均干扰电平指标，可以得到如下

算法：

1）通过工参收集LTE基站周围所有已开启基站信

息和基站所配置的频点。

2 ） 以 LT E 的 目 标 基 站 为 中

心、半径100 m以内的所有GSM基

站作为此次分析的对象。

3）以每个G S M小区为单位

进行二阶互调和三阶互调概率计

算，具体如下：

◆将GSM小区内的所有频点

转换为频率；

◆将目标LTE小区的PRB转换

为频率；

◆二阶计算（将GSM小区内任意两个频率相加，

直至所有频率都完成运算为止）和三阶计算（将GSM

小区内任意三个频率进行组合，然后对三个频率做

A+B-C的运算，完成三个频率所有概率运算后再进行

下一组三个频率组合运算，直至完成所有组合）；

◆将上述频率运算结果与LTE上的每个PRB频率

进行差值计算，差值小于90的PRB频率上加1；

◆计算每个PRB上的累计值；

◆每个PRB上的累计值与PRB组成数组；

◆PRB上的干扰值与PRB上的累计数两组数值做

相关指数计算，并得到相关指数R。如果相关指数R

不小于0 .4，则此干扰为互调干扰。互调干扰概率公

式如下：

K=R （5）

（2）算法验证

根据上文设计的算法，对青海移动现网的5362个

小区进行了全面的干扰仪干扰排查，共计发现62个小

区疑似被共站的GSM基站产生的互调波击中产生了互

调干扰。

经优化人员现场测试验证，算法发现的62个干扰

小区中有60个小区是由共站的GSM基站产生的互调波

击中造成的干扰，2个小区为GPS偏移干扰，算法准确

率为96.78%。

典 型 干 扰 仪 干 扰 案 例 ： 西 宁 青 海 大 学 锅 炉 房

ZT1HZ-3的PRB干扰底噪呈现出不规律波峰，无明显

特征，如图5所示。

根据互调算法对小区进行概率计算，K = 0 . 9 4，

概率的置信度极高，算法判断此干扰为互调干扰。经

图5 互调干扰实例（西宁青海大学锅炉房ZT1HZ-3）

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172016年第20期

作者简介

唐千晶：学士毕业于西安邮电大

学，现任青海省无线电管理办公室

西宁管理处工程师，长期从事无线

电频率的监测、检测工作，重点从

事对铁路、公众通信、广电等重要

部门的无线电频率监测工作和无线

电台站的审批工作。

过现场工程师到基站处排查，发现此基站的铁塔上

GSM900的1小区天线正对着LTE1小区天线，西宁青

海大学锅炉房GSM基站1小区的频点配置为10、13、

24、27、31、69共计6个频点，经计算，69和10号频

点产生二阶互调干扰、6 9和1 3号频点产生三阶互调

干扰、69号频点自身的二次谐波分别击中了PRB26、

PBB29和PRB92。将GSM小区的10、13、69号频点分

别更换为24、39、84号频点后，干扰消失，由此确认

算法正确。

（3）算法小结

根据实际验证，此算法的准确率为96 .78%，是

上述5种算法中准确率最高的。由于此算法除了分析

共站小区外，还要增加频点击中概率的计算，因此大

大减少了误判概率，很难再提升其判断的准确性。但

此算法需要读取的数据非常多且计算量大，运行效率

较低，所以只能采用软件判断，而无法采用人工手动

判断。

通过以上算法计算后，可以得到对应5种干扰类型

出现的概率，如表4所示。干扰概率越大就越接近于真

实的干扰类型。通过此表整体分析并定位小区的干扰

类型比单独使用一个算法进行判断要可靠，而且还可

以进一步提升判断干扰类型的准确性。

表4 对应干扰类型出现的概率

干扰类型 阻塞 互调 杂散 GPS偏移 超远覆盖 干扰仪

干扰概率 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

3 结束语本文通过对干扰成因的分析与干扰特征的算法建

模，总结出了一种新的干扰定位法。此方法已通过了

中国移动西宁分公司的实际验证，干扰概率最高的2

种干扰类型与实际干扰的一致率已达到83.06%，实测

数据证明这是一种非常有效的干扰定位手段，可以按

照本文思路继续增加干扰概率的分析维度，如地域、

多指标关系和变化趋势等，建立多维度干扰概率分析

法。随着分析维度的不断增加，干扰分析法定位干扰

源的准确性将不断提高，通讯行业内对此方法的应用

也将越来越广。

参考文献：[1] 杨晶晶. F频段TD-LTE与1.8GHz LTE FDD系统相互干

扰问题研究[D]. 南京: 南京邮电大学, 2014.

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[11] 余曦荣. 多网合一室内覆盖规划设计研究[D]. 广州: 华

南理工大学, 2008.★

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18 2016年第20期

收稿日期：2016-04-25

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

基于无源互调干扰分析的地铁室内分布设备选型

Subway Indoor Distribution Equipment Selection Based on Analysis of Passive Inter Modulation Interference

为了解决地铁的民用通信覆盖干扰导致的设备选型问题，采用各节点三阶无源互调干扰综合方法，分析了

互调干扰产生原理以及不同设备对系统性能的影响，研究了不同型号设备对灵敏度的恶化值，并提出了设

备选型方法。经过参数代入验证了器件选型的有效性和合理性，从而提升整体干扰抑制性能。

室内分布系统 无源互调干扰 灵敏度恶化 设备选型

In order to solve the subway civil communication coverage equipment selection problem caused by interference, using the method of three order passive intermodulation by comprehensive analysis of the principle and effect of each equipment on the performance to the system, the paper studied the deterioration of different types of equipment on the sensitivity value, put forward the equipment selection method, and verifi ed the effectiveness and reasonableness of equipment selection by parameter analysis, thus enhancing the overall performance of interference suppression.indoor distribution system passive inter modulation interference sensitivity deterioration equipment selection

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

(Huaxin Consulting and Designing Institute Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

【摘 要】

【关键词】

许光斌，胡小青

XU Guang-bin, HU Xiao-qing

[Abstract]

[Key words]

1 引言近年来，我国城市轨道交通发展迅猛，地铁成

为城市交通的重要组成部分，也是民众出行的重要工

具。各电信企业对地铁的移动信号覆盖非常重视，

但是由于屏蔽的影响，地铁隧道、站厅、站台和列

车内将成为移动通信的盲区，因此需要专门针对地

铁进行移动通信网络的覆盖。移动通信多系统、多制

式使得地铁室内分布系统变得复杂，多种系统合路造

成的干扰也比较严重 [1-3]，尤其是PIM（Passive Inter

Modulation，无源互调）干扰，所以需对室内分布系

统中的干扰进行研究分析，确认是否符合要求。

2 地铁室内分布干扰分析PIM是由天线发射系统中各种无源器件的非线性

特性引起的。在大功率、多信道系统中，由于其大功

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.003 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0018-04

引用格式：许光斌,胡小青. 基于无源互调干扰分析的地铁室内分布设备选型[J]. 移动通信, 2016,40(20): 18-21.

网规网优

192016年第20期

率特性，使传统的无源线性器件产生较强的非线性效

应，这些无源器件的非线性会产生相对于工作频率的

更高次谐波，而这些谐波与工作频率混合会产生一组

新的频率，其最终结果就是在空中产生一组无用的频

谱（如三阶互调干扰PIM3、五阶互调干扰PIM5、七阶

互调干扰PIM7等），若这些互调产物落在发射或接收

波段区间，且这些互调产物的功率超过系统中有用信

号的最小幅度，则会影响正常的通信。

同时，多器件互调产物叠加的影响不可忽视，需

提高前级器件如POI（Point of Interface，多系统合路

平台）指标以保证系统互调要求 [4-6]。在地铁站台、站

厅天线安装环境通常存在铁管、日光灯、消防喷头、

烟感探头等，这些物体对天线互调指标有着一定的影

响，形成的干扰对系统的接收灵敏度有一定恶化。通

信系统对干扰的容忍度为干扰容限，即对系统接收灵

敏度的恶化量。而接收灵敏度恶化是由干扰电平引

起，干扰电平对底噪的影响为：

0 010 10 1010 10 10

N IN

= + （1）

其中，N为系统总噪声，单位为dBm；N0为系统底

噪，单位为dBm；I0为干扰电平，单位为dBm。

由于互调产生的噪声电平增量为：

0 010 10

010 lg(10 10 )N I

N NΔ = × + −

0

0 0 0

0 0 0

0

10 10

( ) ( )

10 lg(10 10 )IS

N I NN T I N T

S I S

S

D

= + −= + + − += + −

= × + −

=

（2）

其中，ΔN为噪声增量，单位为dB；S为协议灵敏

度，单位为dBm；T为信噪比解调门限，单位为dB；D

为系统接收灵敏度恶化量，单位为dB。

3 应用案例

3.1 隧道内室分路径损耗分析地铁隧道室内分布系统采用泄露电缆方式，若多

家电信企业共用两根泄露电缆 [7-8]，则采用POI合路的

方式，其示意图如图1所示[9-10]。

其中，M、M’为泄露电缆中点，在工程设计中有

以下两种方式：

方式一：M点不断开，两端POI共用一根泄露电

缆，泄露电缆长度一般为地铁隧道两个洞室间距；

方式二：泄露电缆在M点断开，两端POI各单用一

根泄露电缆，其泄露电缆长度为方式一的一半。

单根泄露电缆的路径损耗为：

10

( )l

lP l x dx= ∫ （3）

其中，l1(x)为百米损耗函数；l为单根泄露电缆长

度。

若GSM、WCDMA、LTE采用13/8泄露电缆，则

百米损耗分别为：

l1(x) =

4.3，GSM（1820MHz）

5.2，WCDMA（2170MHz）

6，LTE（2370MHz）{ （4）

3.2 站台、站厅室分路径损耗分析对于地铁的站台、站厅多系统移动通信网络覆盖

采用POI合路的方式。如图2所示，通过耦合器和功分

器等器件进行分路覆盖，由于多器件的引入，会带来

系统内部的互调干扰。

站台、站厅室内分布系统采用的馈缆、器件等引

起的路径损耗为：

21 1 10

( )ilk C S

i i ii i i

L l x dx c s= = =

= + +∑ ∑ ∑∫ （5）

图1 地铁隧道室内分布系统安装示意图

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20 2016年第20期

其中，ci为耦合器连接路径损耗，若连接主干则为

主干损耗，若连接旁路则为耦合损耗；si为连接的功分

器损耗。

若GSM、WCDMA、LTE采用7/8馈线，则百米损

耗分别为：

l2(x) =

6.1，GSM（1820MHz）

6.46，WCDMA（2170MHz）

6.68，LTE（2370MHz）{

（6）

其中，l2(x)为馈缆百米损耗函数；k为分布系统馈

缆根数。

3.3 三阶干扰互调及接收灵敏度恶化地铁隧道和站台、站厅相应分布系统的三阶互调

干扰值公式如下：3( 1)

10

110 lg( 10 ) 43

i i iPIM P L Mn

totali

PIM+ − × +

=

= × −∑ （7）

其中，PIMi为各器件的PIM值；Pi为系统输入信号

功率；Li为相对于参考点的路径损耗；M 3为三阶互调

指数。

图 1 中 的 跳 线 1 - 1 、 跳 线 2 - 1 、 跳 线 1 - 2 、 跳

线 2 - 2 、 泄 露 电 缆 1 、 泄 露 电 缆 2 干 扰 抑 制 参 数

取 - 1 5 0 @ 2 × 4 3 d B m ， P O I 取 - 1 5 0 @ 2 × 4 3 d B m 或

者-153@2×43dBm。图2中的站台、站厅分布系统采

用的POI取-150@2×43dBm或者-153@2×43dBm，馈

缆、C1至C14干扰抑制参数取-150@2×43dBm，A1至

A16取-140@2×33dBm。由于考虑天线安装到天花板

后会受日光灯、水管、空调等的影响，因此互调值会

有所下降，这里取天线抑制参数值为-120 dBc。图1及

图2中的隧道和站台、站厅各馈缆长度如表1所示：

表1 隧道和站台、站厅各馈缆长度（单位：m）

项目 长度 项目 长度

l隧 500 l隧' 500

l1 10 l1' 10

l2 10 l2' 10

l3 15 l3' 15

l4 10 l4' 10

l5 15 l5' 15

l6 10 l6' 10

l7 40 l7' 40

lA 10 lA' 10

分布系统中采用的10 dB耦合器主干损耗为0.6 dB，

耦合损耗为10 dB；6 dB耦合器主干损耗为1.4 dB，耦合

损耗为6 dB；功分器二功分分配损耗为3.01 dB。互调干

扰以三阶互调为主，分布系统互调干扰取三阶互调干扰

值，各频段分布系统三阶互调值如表2所示。

图2 地铁站台、站厅室内分布系统示意图

网规网优

212016年第20期

表2 各频段分布系统三阶互调值（单位：dBm）

POI指标 系统 1820 MHz 2170 MHz 2370 MHz

-150 dBc

站台、站厅 -149.872 -149.875 -149.876

隧道M断 -149.881 -149.882 -149.884

隧道M连 -149.554 -149.555 -149.557

-153 dBc

站台、站厅 -152.749 -152.754 -152.756

隧道M断 -152.766 -152.767 -152.771

隧道M连 -152.413 -152.415 -152.419

根 据 各 制 式 的 协 议 接 收 灵 敏 度 （ G S M 协 议 接

收灵敏度为 - 1 0 9 . 2 d B m，W C D M A协议接收灵敏度

为-101.4 dBm，LTE协议接收灵敏度为-101.4 dBm）以

及各节点路径损耗，结合式（1）计算可得到各制式的

接收灵敏度恶化值，具体如表3所示：

表3 各制式接收灵敏度恶化值（单位：dB）

POI指标 系统 GSM WCDMA LTE

-150 dBc

站台、站厅 4.328 1.084 1.084

隧道M断 4.323 1.082 1.082

隧道M连 4.532 1.157 1.156

-153 dBc

站台、站厅 2.744 0.592 0.592

隧道M断 2.737 0.591 0.590

隧道M连 2.905 0.637 0.636

工程中对接收灵敏度恶化值的具体要求是选取

合适的干扰抑制指标的器件来做分布系统，如LT E

接收灵敏度恶化值要求小于1，则需选取互调干扰抑

制指标更高的器件，因此最前级连接器件的互调干

扰抑制指标尤为重要，即此处P O I干扰抑制指标选

取 -153@2×43dBm，这样整个分布系统干扰抑制满

足-150 dBc以上，同时也满足接收灵敏度的要求。

4 结束语在地铁的建设中，民用通信系统的覆盖是其重

要的组成部分。本文通过对各个节点以及馈缆产生的

三阶互调干扰进行分析，选取符合干扰抑制要求的设

备，避免水桶效应带来的干扰抬升，以提升整个系统

的干扰抑制能力及地铁分布系统性能，使各个电信企

业的无线网络覆盖得到进一步提升，从而提升用户的

感知度；同时，使用户充分感受到地铁交通高品质的

作者简介

许光斌：高级工程师兼副教授，中国

通信学会会员，硕士毕业于重庆邮电

大学，现任职于华信咨询设计研究院

有限公司，从事移动通信规划设计、

网络优化和项目管理等相关工作，发

表论文多篇。

胡小青：学士毕业于中国计量学院，

杭州电子科技大学项目管理专业工程

硕士在读，现任职于华信咨询设计研

究院有限公司，从事无线网络规划设

计、优化及项目管理等相关工作。

通信服务，进而提升电信企业品牌及收益。

参考文献：[1] 肖清华,汪丁鼎,许光斌,等. TD-LTE网络规划设计与优

化[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013.

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移动通信, 2014,38(16): 10-15.★

“杰赛科技技术创新”专栏

22 2016年第20期

基于关联规则和时间阈值算法的5G基站部署研究

收稿日期：2016-10-09

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

Research on 5G Base Station DeploymentBased on Association Rule and Time Threshold Algorithm

为了保障高价值用户感知，从高价值用户的业务连续性出发，探寻高价值用户使用业务的局部兴趣区域，

并结合用户逗留时间来对基站进行评分，以评分高的区域作为通信运营商部署5G基站的优先点。经过实验

表明，在极具稀疏性的数据集上，基于关联规则算法的精度较以往传统的方法有明显提高，且具有较高的

扩展性。

关联规则 时间阈值 用户感知 业务连续性 兴趣区域

In order to guarantee high value user’s perception, this paper began with the business continuity of high value users, and explored their local interest region, scoring the base station considering user’s residence time, marking high score areas as priority sites for operator’s 5G base station deployment. Experiments show that the accuracy of the algorithm based on association rules is signifi cantly higher than that of the traditional methods in the very sparse data sets.association rules time threshold user perception continuity of business region of interest

（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

(GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China)

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.004 中图分类号：TP391.4 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0022-05

引用格式：陈少权,杜翠凤. 基于关联规则和时间阈值算法的5G基站部署研究[J]. 移动通信, 2016,40(20): 22-26.

【摘 要】

【关键词】

陈少权，杜翠凤

CHEN Shao-quan, DU Cui-feng

[Abstract]

[Key words]

1 引言随着第四代移动通信技术的快速发展以及移动互

联网的大规模应用，给高价值用户感知的维护带来了

严峻的挑战，目前的网络规划是否能够满足用户业务

连续性使用的需求，成为5G时代亟待解决的问题。本

文从高价值用户的业务连续性出发，探寻高价值用户

使用业务的局部兴趣区域，并结合用户逗留时间来对

基站进行评分，以此作为通信运营商部署5G基站的优

先点。

“杰赛科技技术创新”专栏

232016年第20期

2 关联规则算法的研究

2.1 问题定义

用户使用业务的 局部兴趣区域是研究用户出行行

为的一个关键性的问题，局部兴趣区域识别实质是通

过轨迹数据分析得到的用户的兴趣区域集合，再根据

设定的阈值范围筛选具有价值的兴趣区域。基于用户

的局部兴趣区域，并结合用户逗留时间来对基站进行

评分，以评分高的基站作为通信运营商部署5G基站的

优先点。

本文是采用Apriori算法挖掘出移动用户具有一定

价值的兴趣区域，再通过时间阈值对用户的兴趣区域

进行打分，以高得分的区域作为移动运营商部署5G基

站的优先点。

2.2 关联规则——Apriori算法

（1）关联规则算法

关联规则的获取主要是通过数据挖掘的方法，

从大量的事件记录数据库中找出那些用户给定的满

足一定条件的最小支持度（Minsup）和最小置信度

（Minconf）的频繁模式 [1-2]。关联规则的传统算法步

骤是：先找出所有的频繁项目集，再由频繁项目集产

生满足最小支持度和最小置信度的规则。因此，关联

规则的属性可用以下参数描述[2-3]：

◆支持度：全体事务集T中有s%同时支持事务集

X和Y，则称s%为关联规则X→Y的支持度。支持度S

（X→Y）表示规则的频繁程度，一般用Minsup表示最

小支持度。

◆置信度：全体事务集T中支持事务集X的事务里

有c%的事务同时也支持事务集Y，则称c%为关联规则

X→Y的置信度。置信度C（X→Y）表示规则的强度，

一般用Minconf表示最小置信度。

◆频繁项集：满足一定最小支持度和最小置信度

的事务集。基于关联规则的算法以Apr io r i算法为代

表，利用逐层搜索的迭代方法找出数据库中项集的关

系，以形成规则，其过程由连接（类矩阵运算）与剪

枝（去掉那些没必要的中间结果）组成。该算法中项

集（Itemset）的概念即为项的集合，包含k个项的集合

为K项集。项集出现的频率是包含项集的事务数，称

为项集的频率。如果某项集满足最小支持度，则称其

为频繁项集[4]。

（2）Apriori算法实现步骤

Apriori算法实现步骤具体如下：

◆设定最小支持度（ M i n s u p ）和最小置信度

（Minconf）。

◆Apr io r i算法是一种需要多次迭代的算法，经

过扫描一次数据库，统计数据库中单个项目的计数，

将满足最小支持度要求的单个项目提取成1-频繁项集

L1，并将频繁项目L1作为下一次扫描的基础项目 [3]。然

后重复扫描数据库，第(k-1)次扫描生成(k-1)-频繁项集

L后，第k次扫描时先通过连接操作将Lk-1中的项集生成

k-项候选集C k，再通过剪枝操作删除C k中不满足最小

支持度计数的项集，从而得到频繁项集L k。重复扫描

数据库，从该集合里产生下一级候选项集，直到不产

生新的候选项集为止[4]。

2.3 时间阈值实现步骤

时间阈值法作为移动对象频繁模式挖掘的常用算

法，其定义为：在一定时间范围内，用户发生事件之

间先后顺序的事件间隔大于δ，只有满足该条件，才能

挖掘移动对象频繁模式。本文通过检测移动用户停留

在用户频繁活动区域的时间间隔，如果用户都留在该

区域的时间大于设定的时间阈值且评分较高，则判定

该区域是5G基站部署的优先点。

其实现步骤具体如下：

（1）通过Apriori算法找到兴趣区域数据——小

区；

（2）对每个移动用户所涉及到的兴趣小区按照

时间顺序排序：Cell1(Lngt1, Lat1, t11, t12), Cell2(Lngt2,

Lat2, t21, t22), …, Cellm(Lngtm, Latm, tm1, tm2)；

（3）遍历Cel l 1-Cel l m ，判断每个Cel l的停留时

间是否大于设定的阈值δ，若大于则评分为1，否则

为0；

（4）遍历每个Cell的停驻点，计算每个用户在每

一个Cell的得分，再通过归一化得出每个基站的最终

得分。

“杰赛科技技术创新”专栏

24 2016年第20期

3 基于关联规则和时间阈值算法挖掘5G

优先部署站点

3.1 移动用户轨迹数据的提取在提取用户的轨迹数据之前，首先需要说明切

换的定义。切换是指当移动台在通话过程中从一个基

站覆盖区移动到另一个基站覆盖区或者由于外界干扰

造成通话质量下降时，必须改变原有的话音信道而转

接到一条新的空闲话音信道上，以继续保持通话的过

程。切换通常发生在移动台从一个基站覆盖小区进入

到另一个基站覆盖小区的情况下，为了保持通信的连

续性，MSC（Mobile Switching Center，移动交换中

心）将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与

新的基站之间的链路，这种切换操作不仅要识别一个

新的基站，而且要求将语音和控制信号分配到新的基

站相关信道上[5]。

在移动用户进行移动的过程中会发生各种手机业

务或者进行小区的切换，这些信息都会记录在用户的

轨迹数据里，具体如表1所示：

表1 移动用户轨迹数据表

MSISDN开始

日期

开始

时间

结束

日期

结束

时间

开始

站点

结束

站点

1563376****

2014-08-01 21:32:09 2014-08-03 35:20:34 20656 23201

2014-08-02 18:23:42 2014-08-02 35:29:19 23201 20656

…… …… …… …… …… ……

2014-08-06 11:46:35 2014-08-06 11:47:11 23201 20656

3.2 采用Apriori算法挖掘移动用户的兴趣区域本文对某地市运营商的10万VIP移动用户在一个

月工作日时间段（8点至17点）的轨迹进行分析。在实

验中，min_sup设置为0.1，min_conf设置为0.2，把数

据放进MATLAB中进行处理，得到的结果如表2所示。

由表2可知，有13 330名VIP移动用户在一个月工

作日时间段（8点至17点）同时去过基站19567和基站

19598；有3 523名VIP移动用户经过基站19567后又到

达基站19598。

通过Apriori算法找到运营商关注的VIP移动用户

的兴趣区域局部相似性，下一步需要通过计算VIP移动

用户在该区域的停留时长，才能作为5G基站部署的优

先点。

3.3 基于时间阈值识别5G基站部署的优先点通过Apriori算法确定VIP移动用户兴趣区域的相

似性后，提取每个VIP移动用户停留在兴趣区域的时

间，运营商可以设置时间阈值δ识别。如果VIP移动用

户在该区域停留的时间大于时间阈值δ且发生的得分较

高，则认为基站可作为5G基站的优先部署点。VIP移

动用户在兴趣区域的最终得分如表3所示：

表3 VIP移动用户在兴趣区域的最终得分

兴趣区域——基站 归一化后的得分情况

19567 0.35

19573 0.97

19598 0.23

19644 0.98

20137 0.99

20662 0.87

21637 0.32

…… ……

22710 0.78

表2 某地市运营商的VIP移动用户频繁活动基站表

起始基站 结束基站 支持度/% 置信度/%

19567

19598 13.33 26.43

21637 17.86 22.41

21760 12.87 27.86

23264 23.33 30.33

19573

21637 17.86 26.04

21680 12.41 31.76

22697 14.86 25.47

23264 17.32 24.90

19598 21637 19.77 30.63

…… …… …… ……

2066221197 15.17 23.66

23264 15.22 28.27

“杰赛科技技术创新”专栏

252016年第20期

由表3可知，基站19567最终得分较少，因此可以

认为部署5G基站所获得的预期收益相对较少；而该用

户在基站20137得分很高，则可以认为部署5G基站所

获得的预期收益相对较多（注：本文认为若有价值用

户在基站得分大于0.8时，则判断该基站是5G的优先部

署点）。

3.4 实验结果及分析

本文对某地市运营商的10万VIP移动用户进行关

联规则和时间阈值算法的处理后，将得到的结果与基

于传统方法得出的5G基站优先部署点进行对比分析，

具体如图1和图2所示：

通过对比图1和图2可知，采用Apriori算法和时间

阈值相结合的算法来挖掘5G基站的优先部署点具有较

高的精度。运营商根据有价值用户的业务行为确定5G

部署的优先点，不仅实现基站的精准规划建设，使用

有限的资源最大程度地满足用户的需求和提升用户的

感知，而且还能保证有价值用户对运营商自身利润的

贡献，提升市场竞争力。

4 结束语本文以高价值用户感知为出发点，提出了满足高

价值用户业务连续性使用需求的5G基站部署算法——

图1 基于传统方法的5G基站优先部署点

图2 基于关联规则和时间阈值算法的5G基站优先部署点

基于关联规则和时间阈值的算法。通过实

验证明，该算法不仅比较贴合运营商的实

际需要，还能够体现网络精细化规划的思

路，以最少的资源实现利润的最大化，在

一定程度上提升运营商网络运行和客户维

护的能力。

参考文献：[1] 郭涛 ,张代远 . 基 于关联规则数据挖掘

Apriori算法的研究与应用[J ]. 计算机技术

与发展, 2011,21(6): 101-103.

[2] 滕智源. 基于关联规则挖掘的Q-CFIsL算法

在网络入侵检测系统中的应用[J]. 企业科

技与发展, 2010(10): 59-61.

[ 3] 赵洪英,蔡乐才,李先杰. 关联规则挖掘的

Apriori算法综述[J]. 四川理工学院学报:

自然科学版, 2011,24(1): 66-70.

[4] 赵文涛,杨静. 基于数据挖掘的煤矿安全

信息管理模型的研究 [ J ] . 工矿自动化 ,

2009,35(7): 36-39.

[5] 杨飞,惠英. 基于手机切换变化模式的道路

匹配方法[J]. 系统工程, 2007,25(11): 6-13.

[6] Lu E H-C, Tseng V S, Yu P S. Mining

cluster-based mobile sequential patterns

in location-based service environments[J].

IEEE Transactions on Knowledge and Data

Engineering, 2011,23(6): 914-927.

“杰赛科技技术创新”专栏

26 2016年第20期

陈少权：中级工程师，学士毕业于

南昌大学电子与信息系统专业，现

任广州杰赛科技股份有限公司通信

规划设计院副总经理，目前主要从

事公司运营管理研究工作。

杜翠凤：中级工程师，硕士毕业于

广东外语外贸大学，现任职于广州

杰赛科技股份有限公司信息化部，

擅长于数据挖掘工具的应用，主要

从事移动用户行为分析、移动用户

轨迹分析工作。

作者简介[7] Monreale A, Pinelli F, Trasarti R, et al. WhereNext:

a location predictor on trajectory pattern mining[A].

Proceedings of the 15th ACM SIGKDD International

Conference on Knowledge Discovery and Data Mining

(KDD’09)[C]. New York: ACM, 2009: 637-646.

[8] Agrawal R, Imiclinski T, Swami A. Mining Assocation

Rules between Sets of Items in Large Database[A].

Proceedings of the 1993 ACM SIGMOD Conference on

Management of Data Table of Contents[C]. New York:

ACM, 1993: 207-216.

[9] 王德兴. 基于概念格模型关联规则挖掘的关键问题研究

[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2006.

[10] 罗可,贺才望. 基于Apriori算法改进的关联规则提取算

法[J]. 计算机与数字工程, 2006,34(4): 48-51.★

中国电信成立“网络重构开放实验室”和“5G联合开放实验室”

2016年10月21日，中国电信在北京未来科技城举办“网络重构开放实验室”和“5G联合开放实验室”成立仪

式，中国工程院院士余少华，中国电信集团公司董事长杨杰、总经理杨小伟、副总经理真才基等嘉宾出席活动。

当前，中国发展正处于动力转换、方式转变、结构调整的重要机遇期，智能高速网络与实体经济深度融

合，推动网络创新促进经济增长、加强科技供给服务社会发展，成为牵动我国发展全局的关键所在。网络架构是

智能网络的基础和核心，决定了网络的竞争力和发展潜力。5G是新一代移动通信技术的发展方向，也是实现网络

强国战略、满足“万物互联”应用需求的必然选择。中国电信网络重构和5G发展战略是践行“创新、协调、绿

色、开放、共享”五大发展理念、贯彻落实供给侧结构性改革等国家战略的具体实践，是实现企业转型升级的重

大举措。

中国工程院余少华院士指出，“CTNet2025网络重构开放实验室”和“5G联合开放实验室”的成立，是中国

电信主导的网络重构及5G研发自主创新与开放合作得以实施落地的关键一步，为我国通信产业树立了行业典范。

中国电信集团公司总经理杨小伟在致辞中指出，中国电信建立“CTNet2025网络重构开放实验室”和“5G联

合开放实验室”，将聚焦“SDN、NFV、云”为代表的网络重构和5G技术，构建“五个基本能力”，并联合通信行

业及垂直应用行业合作伙伴，共同推进网络重构和5G基础通信能力逐步成熟，推动创新应用和产品不断融合。

中国电信集团公司技术部总经理何志强介绍了开放实验室的背景、目标、建设思路和近期主要工作。他表

示，建立开放实验室是继中国电信发布网络重构战略后又一重大举措，为产业界面向下一代网络演进打开了新

局面。

工业和信息化部、北京市科委相关领导也对实验室成立表示诚挚的祝贺，并提出殷切的期望，来自政府机

构、产学研代表及专家代表出席了此次活动。（C114中国通信网）

研究与探讨

272016年第20期

LTE网络CRS功率配置及其影响研究

收稿日期：2016-05-18

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

Study of CRS Power Confi guration and Impact in LTE Network

为了解决速率和覆盖之间平衡的问题，通过深入分析CRS的3种配比的原理，并结合现网数据分析验证不同配比

对网络KPI和MR指标的影响，提出在不同场景下调整不同的CRS功率配置，使得速率和覆盖达到一个相对均衡

状态。经过功率配比现网数据分析验证，与分析结果一致，CRS在不同场景下的不同配比能够提升网络性能，

从而保证用户的良好感知。

LTE CRS 功率配置 信号覆盖

In order to balance rate and coverage, this paper analyzed the principles of the three different confi gurations of CRS, combined with the current network data, infl uence of CRS different proportions on network KPI indicators and MR was analyzed and verifi ed. It is proposed that at the different scenarios, adjust the CRS different confi guration to achieve a balance of the coverage and rate. After the power confi guration network data analysis and verifi cation, which is consistent with the analysis, the CRS different confi guration in different scenarios can improve network performance, and ensure a good perception of the user.LTE CRS power confi guration signal coverage

（1.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310；2.集宁师范学院，内蒙古 乌兰察布 012000）

(1. GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China;2. Jining Normal University, Ulanqab 012000, China)

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.005 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0027-04

引用格式：杨红梅,彭恋恋,弓美桃,等. LTE网络CRS功率配置及其影响研究[J]. 移动通信, 2016,40(20): 27-30.

【摘 要】

【关键词】

杨红梅1，彭恋恋1，弓美桃2，赵之健1

YANG Hong-mei1, PENG Lian-lian1, GONG Mei-tao2, ZHAO Zhi-jian1

[Abstract]

[Key words]

1 引言在LT E网络中，参考信号本身并不承载数据，

下行参考信号主要是用于相干检测，作为信道估计

对象，估计信道的特性并进行测量。LT E中定义了

多种下行参考信号，每种参考信号有各自不同的应

用场景。小区专用参考信号对小区内所有UE（User

E x p e r i e n c e，用户体验）都有效，其作用包括：可

被UE用于除PMCH（Physical Mult icast Channel，

物理多播信道）和TM 7/8 /9下的PDSCH（Physica l

Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）传输

之外的其他任何下行物理信道的信道估计；可被UE

用来获取CSI；基于小区特定的参考信号的终端测量

可用作决定小区选择和切换的基础。为了让用户更多

地驻留在LTE网络，可以考虑参数的优化，增加CRS

（Cell Reference Signal，小区参考信号）功率，增强

201610—20-2研究与探讨.indd 27 2016-12-5 11:36:14

研究与探讨

28 2016年第20期

覆盖，但是由于此时的业务信道功率没有变化，可能

会增加参考信号对于业务信道的干扰，造成用户速率

的降低。

2 CRS简介RS（Reference Signal，参考信号）即“导频”信

号，是由设备发射端发送给接收端，用于信道估计或

信道检测的一种已知序列信号，上下行都有传输。目

前LTE下行链路中提供了3种不同类型的参考信号，分

别为小区专用的参考信号（CRS，通常是指“公共”

参考信号，小区中所有U E都可以使用）、M B S F N

（Mult imedia Broadcas t mul t icas t serv ice Single

Frequency Network，多播/组播单频网络）专用参考信

号（仅用于多媒体广播单频网中）和UE专用的参考信

号（针对专门用户，嵌入在数据中）。其中，小区专

用下行参考信号的作用是：下行信道质量测量和信道

估计，用于UE端的相干检测和解调。

下 行 小 区 专 用 参 考 信 号 是 以 R E （ R e s o u r c e

Element，资源粒子）为单位的，即每个参考信号占

用1个RE，在非MBSFN的子帧上传输。LTE eNodeB

使用至少4个小区专用天线端口，UE需获取至少4个独

立信道估计，每半个时隙的第1个OFDM（Orthogonal

Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技

术）符号和倒数第3个OFDM符号是第一、第二天线端

口的参考信号。对于每个天线端口而言，每6个子载波

间有一个参考信号，但它们是错开的，因此在每个资

源块中，每3个子载波间有一个参考信号，第一和第

二天线端口（第三和第四天线端口）在频域上互相交

错，正常情况下双天线端口的RS分布如图1所示：

图1 下行参考信号的物理映射

特别地，如果某天线端口上使用一资源粒子传输

参考信号时，为抑制干扰，则其他的天线端口相应资

源粒子应设置为零。同时，由于基站的 大发射功率

是固定的，参考信号和业务信号的功率分配也需动态

平衡。LTE链路中下行信道或符号的功率开销是基于

参考信号（RS）功率进行设置的。目前各厂家系统为

CRS及下行信道业务传输RE的功率提供灵活配置，小

区可根据业务模型、覆盖情况等正确设置所涉及的功

率参数。现网常见的CRS功率配置有3种：18.2 dBm、

15.2 dBm和12.2 dBm，下面将会详细介绍。

3 CRS功率配比如图2所示，以双流中的一个TTI（Transmission

T i m e I n t e r v a l ， 传 输 时 间 间 隔 ） 为 例 ， 一 个 R B

（Resource Block，资源块）的功率分为三部分：RS

功率；PDSCH信道功率；RS所占位置非RS的RE功

率，一般设置为极小或者零。其中，PDSCH信道功率

又分为非RS所在列的RE功率（EA）和RS所在列非RS

的RE功率（EB）。

图2 双流TTI功率分布

在3GPP TS 36.213中，规定了RS的功率计算公式

如下：

ERS=ETotal power per channel-10lg(totalsubcarrier)+10lg(PB+1)

（1）

双流站默认带宽20 MHz下的载波发射总功率为

2×40W，总子载波数为1200。

PB的取值范围为0到3，在协议中，可根据其查

询对应的ρA/ρB。其中，ρA为EA与RS功率的比值，ρB为

201610—20-2研究与探讨.indd 28 2016-12-5 11:36:16

研究与探讨

292016年第20期

EB与RS功率的比值。根据ρA/ρB可计算P A，从而得到

PDSCH信道功率相对于RS功率的偏置。如表1所示：

表1 ρA/ρB索引表

ρB

ρB/ρA

第一天线端口 第二至第四天线端口

0 1 5/4

1 4/5 1

2 3/5 3/4

3 2/5 1/2

综上所述，可得出3种常规配置的具体参数详情。

如表2所示，在只考虑双流的情况下，当平均功率为

15.2 dBm时，通过PA与PB的变化，PDSCH信道功率与

RS功率在3 dB步长下此升彼降。当RS为18.2 dBm、PA

为-3时，表明业务信道相对参考信号的功率要低3 dB；

当RS为15.2 dBm、PA为0时，业务信道与参考信号的

功率相当；当RS为12.2 dBm、PA为3时，业务信道比

参考信号的功率要高3 dB。

表2 双流常规功率配比参数

功率配比 (18.2, -3, 1) (15.2, 0, 0) (12.2, 3, 0)

RS Power/dBm 18.2 15.2 12.2

RB数 100 100 100

PA -3 0 3

PB 1 0 0

ρB/ρA 1.00 1.25 1.25

ρA 0.50 1.00 2.00

ρB 0.50 1.25 2.49

ERS/mW 66 33 17

EA/mW 33 33 33

EB/mW 33 41 41

平均每端口发射功率/W 40 40 39

其中，RS Power决定了导频功率强度，是影响下

行覆盖的关键参数；PA、PB决定了PDSCH信道上的RE

符号功率。RS Power、PA、PB配置共同决定了LTE载

波发射功率，三者可根据不同的情形进行功率均衡。

而如何在合适的场景设置合适的功率配比，该配比对

基本性能指标有何影响，成为LTE网络优化的重要课

题，本文将通过分析调整前后各角度的数据变化来对

该问题进行研究。

4 功率配比分析验证根据以上所述，在基站发射功率2×40W下，3种

功率配比RS Power、TypeA符号和TypeB符号功率不

同配比下效果也不同，具体如下：

(18.2, -3, 1)：导频功率 强，是其他符号功率的

1倍，CRS的覆盖 好，但是数据业务的速率表现

差，牺牲业务信道功率来保覆盖，上行干扰导致上行

受限；

(15.2, 0, 0)：导频功率与TypeA功率相同，稍弱于

TypeB符号功率，业务表现和覆盖都是居中的；

(12.2, 3, 0)：导频功率约为TypeA功率的一半，数

据业务的速率表现 好，可能会牺牲CRS的覆盖。

在基站发射功率2×40W下，取部分小区调整参考

信号3种功率配比RS Power、TypeA符号和TypeB符号

功率，分别为(12.2, 3, 0)、(15.2, 0, 0)、(18.2, -3, 1)。

小区调整前后KPI（Key Performance Indicators，关键

性能指标）和MR（Measurement Report，测量报告）

指标数据提取对比分析如下：

（1）KPI指标

由图3和图4所示，功率配比调整前后的KPI指标

情况，(12.2, 3, 0)、(15.2, 0, 0)、(18.2, -3, 1)配比，用

户感知的KPI指标下降，下行用户级空口吞吐率、小区

平均CQI与接通率明显恶化。

图3 下行用户级空口吞吐率对比

201610—20-2研究与探讨.indd 29 2016-12-5 11:36:17

研究与探讨

30 2016年第20期

（2）MR指标

由图5和图6所示，功率配比调整前后的MR指标

情况，(12.2, 3, 0)、(15.2, 0, 0)、(18.2, -3, 1)配比，

RSRP（Reference Signal Receiving Power，参考信

号接收功率）小于-100 dBm的比例减少，覆盖范围提

升，弱覆盖小区减少但过覆盖小区增加。

图5 RSRP小于-100 dBm的比例对比

图6 全网功率配比前后覆盖对比

图4 小区平均CQI与接通率对比

经过验证，调整参考信号功率配比前后，对小区

KPI和MR指标影响与功率配比分析结果一致，导频功

率增强，增加了覆盖但牺牲了业务信道功率，KPI指标

恶化。

5 结束语综上所述，本文经过研究分析及数据分析验证，

得出基站发射相同功率下，参数的不同配比对信号

覆盖范围和下行数据速率都有影响。针对LTE网络情

况，基于用户MR分布，识别LTE深度覆盖需求，可进

行分场景调整小区功率配比。针对4G深度覆盖较好的区

域：区域内小区MR RSRP大于-100 dBm比例>90%，全

天MR数量>10k，网络负荷较轻，区域内小区PRB利用

率小于30%，此类场景小区可采用功率配比，参考信号

12.2 dBm，PA=3，PB=0；针对有深度覆盖需求的区域分

场景：小区MR RSRP小于-110 dBm比例>20%，全天MR

数量>10k，RF优化，规划站点落地，此类场景小区可

采用功率配比，参考信号18.2 dBm，PA=-3，PB=1，增

强导频覆盖。

参考文献：[1] Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker. LTE——

UMTS长期演进理论与实践[M]. 马霓,邬钢,张晓博,等

译. 北京: 人民邮电出版社, 2009.

[2] 3GPP TS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio

Access (E-UTRA); Physical layer procedures[S]. 2015.

[3] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld. 4G: LTE/

LTE-Advanced for Mobile Broadband[M]. 南京: 东南大

学出版社, 2012.

[4] E G Larsson. Model-Averaged Interference Rejection

Combining[J]. IEEE Transactions on Communications,

2007,55(2): 271-274.

[5] 温金辉. 深入理解LTE-A（基于3GPP Release-10协议）

[EB/OL]. (2015-09-01). http://www.mscbsc.com/bbs/

（下转第35页）

201610—20-2研究与探讨.indd 30 2016-12-5 11:36:17

研究与探讨

312016年第20期

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

收稿日期：2016-07-11

5G时代联网设备数目增多，能量消耗激增，如何实现绿色通信是5G时代的重要研究方向。首先介绍了5G通信

特点及其带来的能耗增加，分析国内外关于移动通信绿色节能的政策导向和各企业的节能措施，讨论了5G可用

于绿色通信的关键技术和发展状况，并提出未来可行的研究方向。

能量效率 扁平化IP网络架构 云计算

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.006 中图分类号：TN915.81 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0031-05

引用格式：游思晴,齐兆群. 5G网络绿色通信技术现状研究及展望[J]. 移动通信, 2016,40(20): 31-35.

【摘 要】

【关键词】

游思晴1，齐兆群2

Research Status and Prospects on 5G Network Energy-Effi ciency Communication Technology

With more and more devices connected to 5G network, energy consumed is exploding. Energy-effi ciency of 5G is an important research direction. In this paper, fi rstly, the characteristics of 5G and the energy increasing were introduced; secondly, policy guidance and measures from enterprises for 5G energy-efficiency were analyzed; finally, researches on energy-efficiency technologies were discussed with the research direction for the future pointed out.energy effi ciency fl at IP network architecture cloud computing

YOU Si-qing1, QI Zhao-qun2

[Abstract]

[Key words]

(1. School of Information, Beijing Wuzi University, Beijing 101149, China;2. Beijing Future Network Innovation Center, Beijing University of Technology, Beijing 100142, China)

（1. 北京物资学院信息学院，北京 101149；

2. 北京工业大学北京未来网络科技创新中心，北京 100142）

1 引言2010年，以LTE-Advance[1]为标准的4G网络已经

在全球范围内商用，预计在未来十年，无线数据量将

每年增加一倍，国际电信联盟正在加紧制定5G的全球

标准，并计划在2020年实现商用。

相比于4G，5G具有如下的基本特征：

（1）数据流量增长百倍，峰值吞吐量至少达到

100 Gbps/km2；

（2）联网设备数目增长百倍，达到100万/km2；

（3）峰值速率至少达到10 Gbps；

（4）用户可获得的速率达到10 Mbps；

（5）短时延和高可靠性；

（6）频谱利用率较4G提升5~10倍；

（7）网络能耗低[2]。

5G高速发展的同时，信息与通信行业的能量损耗

问题日趋严重，预计在2020年能量损耗将达到1430吨，

占到全球能源损耗的10%[3]，这将是全球第五大耗能产

5G网络绿色通信技术现状研究及展望

201610—20-2研究与探讨.indd 31 2016-12-5 11:36:18

研究与探讨

32 2016年第20期

业。我国《通信业“十二五”发展规划》明确提出，

通信业万元电信业务总量能耗要实现下降1 0 %的目

标，研究5G网络绿色通信迫在眉睫。

2 5G时代的能量损耗通信设备的能耗很大程度上取决于业务负载。随

着用户数量上升，通信能耗将呈几何级增长。2 0 1 0

年，我国三大运营商部署的3G基站数量分别是中国

电信30万个、中国移动55万个、中国联通36万个 [4]。

根据中国联通发布的2015年下半年服务质量报告，到

2015年底，中国联通4G基站整体规模约为40万个，而

同期中国移动达到了120万个，中国电信达到了46万

个。以一个传统基站能耗的两大主体（主设备和温控

系统）为主要计算对象，一天的耗电量约为100 kWh，

一年耗电约3.5×104 kWh。在2015年一年，三大运营

商就带来7×10 10 kWh新增电能能耗。据研究报告，

大量的无线接入设备占到整个通信网络80%~90%的

能耗。而即将到来的5G时代，通信业务量将爆炸式

增长，通信设备的能耗问题将更为严重。据相关资料

统计，信息和通信行业将是全球第五大耗能产业，其

中，移动通信网络占到ICT产业总能耗的43%。同时，

5G已经开始尝试在物联网（车联网）、智能楼宇等对

网络能耗要求较高的场景下部署，在这些场景下，降

低能耗更是比时延、命中率更加重要的优化目标。

另一方面，文献[5]指出目前网络骨干链路的宽带

利用率不到40%，但是由于没有采取有效措施，通信

网络大部分时间工作在低负载高能耗的模式下。

综上所述，如何在未来合理部署5G网络实现绿色

通信，这是一个亟待解决的问题。

3 国内外绿色通信政策导向和发展战略5 G 通 信 即 将 带 来 的 巨 大 能 量 损 耗 已 经 引 起 国

内 外 通 信 业 的 关 注 。 欧 洲 电 信 委 员 会 在 第 七 次 框

架项目（F P 7）发起面向真实能效的网络设计项目

TREND、基于节能的认知无线电和协作技术研究项目

（C2P0WER）。法国电信发起了移动无线网络节能优

化项目（OPERA-NET），计划在2020年节能20%[6]。

英国MVCE提出Green Radio项目，该项目致力于研究

网络架构和绿色无线技术[7]。

在通信节能减排方面，我国国家发改委建立了

节能减排统计监测指标。国资委根据能耗贡献量，在

2010年将三大运营商由节能减排“一般企业”调整为

“关注类企业”。工信部提出大力发展绿色ICT产业，

推广绿色IDC和绿色基站。以上措施表明我国政府对

通信实现绿色节能的强制性要求。

为了引起全产业链关于绿色通信的关注，我国国

资委、发改委、工信部从2008年起组织一年一度的绿

色通信大会。2012年，大会以“问道绿色发展 构建高

效运营”为主题，设立了“绿色通信规划与基础网络节

能”、“绿色通信的关键环节与路径实现”两大主题论

坛。2013年，大会以“绿通信的创新与实践”为主题，

聚焦绿色通信的网络建设与运营，交流探讨产业链绿通

信的产品创新、技术创新和方案创新。同年2月，工业

和信息化部正式印发了“进一步加强通信业节能减排工

作的指导意见”。2014年，大会以“绿色4G网络建设

与节能创新”为主题，围绕新形势下的节能减排需求与

挑战，聚焦4G网络建设，分享通信行业节能解决方案

与实践典范。2015年，工信部组织通信行业节能减排大

会，大会以“互联网+下的绿色通信”为主题，以“互

联网+”下的通信行业、节能创新成果应用发布及经验

交流等热门话题展开经验分享与技术交流。

在实现绿色通信方面，我国三大运营商也采取了

战略措施。中国电信通过“绿色通信、绿色产品、绿

色采购”实现节能减排，分别采取了光网城市、高耗

能设备改造、推广分布式基站、云网络等措施。中国

移动从发展C-RAN网络结构、推广无机房基站建设模

式、采用绿色能源等措施实现“绿色行动计划”。中

国联通推广分布式基站、智能节能关断技术完善来进

行节能减排。

在各国政府、行业协会、运营商和产业链各方的努

力推动下，绿色通信概念将在5G时代得到良好的发展。

4 5G网络绿色通信的关键技术研究状况目前国内外关于5 G绿色通信的关键技术研究包

括：网络架构、网络部署、资源调度、链路级技术等

方面。

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研究与探讨

332016年第20期

4.1 网络架构

在5 G时代将采用偏平化的 I P网络，网络层次简

单，实现分布式架构，使得无线资源管理更加灵活高

效，实现用户在核心网的无缝切换。扁平化IP网络架

构减少了数据通道中的网元数量和传输过程中的能量

损耗，降低了建网和运营成本。

5G网络还将是一个基于云计算的异构网络。中国

移动在2010年4月发布了C-RAN（Cloud Radio Access

Network），采用了集中处理、协作无线电和及时云技

术。在此基础上，5G网络架构将包含灵活操作的无线

接入云、开放智能的控制云、高效低成本的转发云[8]。

通过将网络资源云化可实现资源划分和管理。通过云端

将无线接入和节点虚化，利用SDN（软件定义网络）传

输，可大大降低网络建设和运营成本。其中SDN将路由

器中的路由决策等控制功能从设备中分离出来，统一

由中心控制器通过软件进行控制，实现控制和转发的

分离，使得控制更加灵活，设备更加简单。

4.2 网络部署

5 G采用基站分层部署的策略。通过部署包括家

庭基站（HeNB）、微微蜂窝基站（Pico Cell）、微

蜂窝（Micro Cell）、中继（Relay）等多种低功率节

点的方式提升系统容量，如图1所示，宏基站（Marco

C e l l）设计用来增加覆盖范围，而微蜂窝（M i c r o

Cell）和微微蜂窝基站用于密集通信场所。在宏基站

的覆盖范围内，各种低功率节点的部署密度将达到现

有站点部署密度的1 0倍以上，站点之间的距离将缩

小到10 m甚至更小，支持每平方米高达上万数量的用

户， 终形成激活用户数和服务站点数1:1的超级密集

异构网络。

分层基站部署将大幅度降低能量损耗。文献[9]、

文献[10]指出宏基站大概需要5 kW的功率，而微微蜂窝

基站只需要10 W左右。如果采用多个微微蜂窝基站达

到宏基站相同的覆盖面积，能量损耗只有采用宏基站覆

盖方式的七分之一。文献[11]提出在高用户密度区域增

加微微蜂窝基站部署，可以提高整个网络的能量效率。

以上研究均是采用较为简单的业务模型和单一的

用户行为特征分布，采用 优化算法进行资源调度，

得出5G的分层基站部署能够在一定程度上降低网络

能耗的结论。该结论具有片面性，与实际场景出入较

大。后续研究能够利用目前大数据分析的优势，对海

量数据进行分析统计，得出更加有效的适合复杂情景

的算法。

4.3 资源调度

通信网络建设初期，通常按照网络流量高峰期的

资源需求原则进行规划设计。

在实际应用中，网络流量会随时间变化，不同的

小区有不同的变化规律，呈现出高低起伏的“潮汐效

应”。比如，网络流量一般会出现“昼高夜低”的现

象，而工作区和住宅区会出现“此消彼长”的特性。当

网络流量降低时，基站容量冗余，就导致能量的浪费。

如何在合适的时机对网络资源进行控制，这是提

高网络能量效率的有效解决方案。小区的开关技术是

解决潮汐现象的常用方法，在基站业务量低时，通过

信令控制部分基站休眠，由相邻基站承担休眠基站原

先的覆盖区域的业务传输和容量补偿。针对5G网络，

文献[12]提出将流量分布拟合成关于时间的正弦分布

函数，动态调整基站的工作状态。文献[13]提出了一

种基于网络流量预测的基站休眠节能方法，通过流量

预测方法，对网络流量进行合并，通过链路和节点开

关的方式，使得处在低利用率的链路休眠。文献[14]

提出了Poisson-Vorono i-Tessellation（PVT）的随机蜂

窝网络运行效能模型。

综上所述，目前的研究结果都是基于假设小区接

入用户和业务均匀分布，小区覆盖均匀等前提下得到

的，与实际场景出入较大。

未来只有在保证Qos条件下实时监测网络负载，同

时在参考业务流量长期历史数据的基础上，有效进行

网络规划和优化的参数设计，在运行阶段提前预留相

中继站

个人小区宏站

物联网

微站D2D

WL

图1 5G基站分层结构图

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研究与探讨

34 2016年第20期

邻基站资源来接收休眠小区用户，才有可能提高整个

网络的能量效率。

4.4 链路级技术5G采用了大量的先进技术来提高用户速率、降低

时延、减少能耗。主要包括以下几种：

（1）高阶MIMO，又称为Massive MIMO，通过

在基站端放置大规模天线阵列，使得用户矢量信道趋

于正交，消除用户间干扰。文献[15]证明高阶MIMO能

够大幅度降低基站的功耗和成本。文献[16]提出随着

天线数目的增加，基站可以使用低功耗的放大器。

（2）D2D（设备到设备）无需基站即可实现通信

终端之间的直接通信，扩展了网络链接和接入方式。

该方式信道质量高，频率资源利用效率高，提高了链

路灵活性和网络可靠性。但D2D通信还存在功率消耗

和资源分配优化的问题。

（3）NOMA（非正交多址接入）将一个资源分配

给多个用户，提高了资源利用率。

5 5G时代绿色通信可能的研究方向从以上分析可以看出，5 G通过扁平化 I P网络架

构、分层基站部署、先进的链路技术可以实现绿色通

信。但是正如上文分析的一样，由于网络规划实施阶

段都是按照峰值流量进行基站部署的，没有考虑网络

的“潮汐效应”，造成网络资源利用率低，能耗高的

情况，在未来建议可以利用大数据技术提高网络能量

效率。开展面向用户行为和业务特征的无线网络大数

据建模和分析。目前网络采集的业务数据都是应用层

面的，需要对无线网络大数据的获取、管理和分析重

新进行设计，合理布置数据采集节点。通过对采集数

据的分析和深度挖掘，研究用户行为和业务特征的时

空模型，进一步研究不同业务类型网络流量的时间相

似性和周期性、空间相关性和低秩性。提出合理的网

络流量预测模型，使流量预测能够准确跟踪实时流量

数据的空时特性。在此基础上，有效优化网络资源，

用 少的网络资源，来保证通信质量。

6 结束语随着5 G时代的临近，用户将获得更高的传输速

率，通信技术也将更加普及，通信能量损耗已经成为

不可忽视的问题，引起国内外政府、电信企业、学术

机构的重视，各国纷纷出台支持移动通信绿色节能技

术发展的政策，业界提出有效的节能减排措施，随着

研究的深入，在不久的将来我们将感受到5G为我们带

来的绿色生活。

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研究与探讨

352016年第20期

作者简介

游思晴：博士研究生毕业于北京邮电

大学，现任北京物资学院信息学院讲

师，主要研究方向为通信网络、移动

通信。

齐兆群：博士研究生毕业于北京邮电

大学，现任职于北京工业大学北京未

来网络科技创新中心，主要研究方向

为未来网络、移动通信。

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(2010-07-10) . h t tp : / /b log.s ina .com.cn/s /

blog_673b30dd0100jy7i.html.★

杨红梅：中级工程师，硕士毕业于

河北工业大学，现任职于广州杰赛

科技股份有限公司通信规划设计

院，主要从事无线网络规划、优化

相关工作。

彭恋恋：助理工程师，硕士毕业于

湖南大学，现任职于广州杰赛科技

股份有限公司通信规划设计院，主

要从事无线网络规划、优化相关工

作。

弓美桃：讲师，硕士毕业于河北工

业大学，现任职于集宁师范学院物

理系，主要研究方向为信号处理、

扩频码理论。

作者简介

（上接第 30 页）

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责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

收稿日期：2015-12-03

为了解决民用服务总线技术在Ad Hoc网络环境的局限性问题，采用结合终端呈现能力的宽带服务缓存与离线服

务、自适应内容分发与数据自适应压缩技术，提出了适用于Ad Hoc网络环境自适应的服务总线架构方案，并通

过实验验证了设计的有效性。

Ad Hoc网络 服务总线 数据内容自适应

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.007 中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0036-05

引用格式：李金凤. 适用于Ad Hoc网络的环境自适应服务总线研究[J]. 移动通信, 2016,40(20): 36-40.

【摘 要】

【关键词】

李金凤

Research of Environment Self-Adaptation Service Bus for Ad Hoc Network

In order to solve the limitation problem of civil service bus technology in the Ad Hoc network environment, technologies such as for caching broadband service, offl ine service, adaptive content distribution and adaptive data compression with terminal presentation ability are adopted. Environment self-adaptation service bus architecture scheme for Ad Hoc network is proposed. The effectiveness of the design is verifi ed through experiments.Ad Hoc network service bus data content self-adaptation

LI Jin-feng

[Abstract]

[Key words]

(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

1 引言针对日益增长的信息共享和业务整合的需求，基

于SOA（Service Oriented Architecture，面向服务的

体系架构）的企业应用集成已是大势所趋。基于SOA

的ESB（Enterprise Service Bus，企业服务总线）可屏

蔽各类异构网络环境、操作系统、编程语言的差异，

在固定网络环境得以有效应用。若将其应用于Ad Hoc

网络，则需考虑其适应性。现有的SOA关键技术XML

（Extensible Markup Language，可扩展标记语言）、

Web Service等均建立在具备可靠通信、高带宽能力

的T CP/IP（Transmission Control Protocol/Internet

P ro toco l，传输控制协议 /因特网互联协议）网络 之

上，而Ad Hoc网络具有通信不稳定、带宽受限、终端

性能低下等特点 [1]，如果无线用户想要获取固定网络

的服务资源，必然受到无线环境的约束，无法忍受固

定网络服务技术带来的负荷影响。因此，需要对目前

现有的服务技术进行改进，以解决无线环境的适应性

难题，提高无线用户访问固定网络服务的可行性和效

率，从而实现Ad Hoc网络环境的信息共享和业务整合

需求。

鉴于国外的研究经验以及国内的技术基础 [2-3]，本

适用于Ad�Hoc网络的环境自适应服务总线研究

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研究与探讨

372016年第20期

文提出一种适用于Ad Hoc网络的环境自适应服务总线

架构，通过数据内容自适应技术来解决Ad Hoc网络环

境的约束。

2 系统结构在Ad Hoc网络环境中搭建基于SOA的系统框架，

实现服务共享与协作，需要增加适应于无线受限环境

的设计技术，以减轻其约束影响，如图1所示。可以从

两个角度来考虑设计方法：

（1）与服务相关的：将设计方法作为服务的一部

分，直接在服务中增加对环境的适应性处理；

（2）独立于服务的：将设计置于服务总线之中，

既减轻服务的复杂性，也便于重用[4-6]。

本文选用方法（2），提出一种适用于Ad Hoc网

络的环境自适应服务总线架构。

图1 Ad Hoc网络服务总线的系统环境

本文提出的Ad Hoc网络环境自适应服务总线包括

两大组件：业务逻辑组件和数据访问组件。其系统结

构如图2所示：

图2 Ad Hoc网络环境自适应服务总线的系统结构

2.1 业务逻辑组件

业务逻辑组件由四大功能部件组成，包括：A d

Hoc网络接口、固定网络接口、服务代理和数据内容

自适应。数据内容自适应作为核心功能部件，可进一

步分解为：宽带服务缓存、离线服务、自适应内容分

发、数据自适应压缩和协议转换。

◆Ad Hoc网络接口：为服务总线提供与Ad Hoc

网络的通信接口，实现无线环境消息的接收和发送功

能。考虑到带宽有限，根据终端呈现能力的不同，本

系统选择灵活、标准、轻量级的消息格式，包括VMF

（Variable Message Format，二进制消息格式）、经过

高效压缩的SOAP（Simple Object Access Protocol，

简单对象访问协议）消息，为无线用户提供高效的传

输服务。在国内外Ad Hoc网络研究中，VMF协议已在

无线终端得以有效推广使用。

◆固定网络接口：为服务总线提供与固定网络

的 通 信 接 口 ， 实 现 固 定 网 络 消 息 的 接 收 和 发 送 功

能。使用XML/SOAP/Web Serv ice技术，实现面向

服务架构。

◆服务代理：服务总线为各服务提供代理功能，

它通过UDDI（Universal Description Discovery and

Integration，通用描述、发现和集成）目录 服务器获取

待访问服务的属性（包括服务地址、接口等信息），

代理客户端访问服务以获取服务应答，并向客户端转

发服务应答。

◆数据内容自适应：根据Ad Hoc网络环境特点，

以减轻网络带宽占用和终端处理负荷为目标，开展针

对性设计。包括：

宽带服务缓存：将远端的固定网络服务（简称宽

带服务）前端化，提供服务数据的临时缓存，以提高

访问效率。在有效期内，当用户重复请求该服务或服

务器离线时，对用户返回本地缓存的服务数据。

离线服务：为无线用户的不稳定连接提供服务保

证。若无线用户请求服务时发生连接中断，则服务总

线为其保存服务应答，并在用户恢复连接时向其推送

服务应答。

自适应内容分发：根据接收方无线终端的设备

能力（如屏幕大小、计算能力、内存、存储容量、操

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研究与探讨

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作系统、浏览器和网络带宽 等），自适应调整传输内

容。接收终端能力越差，送达的数据内容将越少，以

减小终端处理负荷。

数据自适应压缩：根据用户终端呈现能力，对服

务数据进行自适应的数据压缩，以实现Web服务的轻

量化。

协议转换：提供消息翻译功能，实现Ad Hoc网络

与固定网络之间消息的协议格式转换。例如，无线终

端选用轻量级二进制协议VMF技术，服务总线通过对

VMF消息与SOAP/XML消息协议转换，支持无线用户

对固定网络服务的访问。

（1）宽带服务缓存与离线服务

Ad Hoc网络服务总线通过将固定网络服务（简称宽

带服务）如气象、地图服务等的服务数据在本地缓存，

为无线用户访问宽带服务提供网关功能，如图3所示：

图3 “宽带服务缓存与离线服务”流程

◆当无线用户初次成功获取固定网络服务（如气象

服务）时，将服务数据写入服务总线的本地缓存，则有

效期内当用户再次访问该服务时，直接通过本地缓存提

供服务应答而无需访问网络，以提高访问效率。

◆当服务器离线或拥塞时，对用户返回本地缓

存，以提高服务成功率。

◆服务总线为离线用户保存服务数据，并在用户

恢复连接时向其推送服务应答。

（2）自适应内容分发

Ad Hoc网络服务总线结合呈现服务，根据接收方无

线终端的设备能力（如屏幕分辨率、CPU类型、内存、

存储容量、系统软件特性和网络带宽等特征），自适应

调整传输内容。接收终端能力越差，送达终端的数据内

容将越少，以减小终端处理负荷，提高服务应答效率。

以访问气象服务为例，实现流程如图4所示：

图4 “自适应内容分发”流程

◆无线终端定期向呈现服务器上报自身的设备能

力，呈现服务定期更新终端能力的数据信息。

◆当用户请求气象服务时，服务代理结合呈现服

务提供的终端设备能力信息，根据预设规则选择适合

的数据内容调整方法，将服务应答数据（气象信息）

转换为适用于当前用户接收的数据格式后再行分发，

从而实现自适应内容分发。

◆ 数据内容调整方法包括内容分页显示、分层显

示、多媒体格式转换与调整技术等。

（3）数据自适应压缩

根据客户端接入带宽能力和服务应答数据类型，

本系统提供一种数据自适应压缩的机制，实现Web服

务的轻量化。该策略可以降低数据传输量与响应时

间，有效地改善Web服务性能。

◆根据“呈现服务”提供的客户端接入带宽信

息，服务总线决定是否对SOAP应答消息进行压缩。

当客户端为窄带接入时，则对应答消息进行压缩；当

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客户端为宽带接入时，则不予压缩处理，以减少由压

缩、解压缩带来的处理性能负荷。

◆参考文献[7]至文献[13]对SOAP/XML压缩算法

的研究，本系统选择XMill和Gzip压缩算法。对典型结

构的SOAP/XML文本消息，XMill算法能实现至少20%

的压缩率；Gzip对小于20 kB的文本具有良好的压缩性

能，可以对携带图片、声音等二进制附件的SOAP消息

进行压缩。经过权衡这2种算法的优缺点，服务总线根

据SOAP应答消息的大小和携带的附件类型动态来选择

压缩算法。

2.2 数据访问组件数据访问组件包括宽带服务数据库和离线服务数

据库两部分，具体如下：

（1）宽带服务数据库：用于保存固定网络的服务

数据，由“宽带服务缓存”部件负责建立与维护；

（2）离线服务数据库：用于保存用户因离线无法

接收到的服务数据，由“离线服务”部件负责建立与

维护。

3 实验分析下面将通过实验具体分析在无线带宽、链路稳定

性受限因素影响下，该软件设计方案中服务运行的有效

性。

3.1 实验环境实验环境如图5所示。Ad

Hoc网络服务总线、UDDI目录

服务器、Web服务器（呈现服

务、气象服务）和无线终端共

同搭建形成SOA平台，硬件/软

件运行环境如表1所示。

3.2 实验结果无线终端通过SOAP协议

接入服务总线，发起气象预报

服务请求。服务应答初始大小

4 . 5 M B，其中携带图片大小

2.3 MB。通过Linux系统工具

设置网络链路带宽、时延和丢

包率，以模拟无线链路。服务

总线设备分别启用民用服务总线、Ad Hoc网络服务总

线，开展测试100次，比较在接入侧无线链路不同带

宽、时延、丢包率环境下，获取服务的成功率、响应

平均时延和服务应答大小。实验结果如表2所示。

由表2可见，在无线网络环境下，通过宽带服务缓

存与离线推送、数据压缩技术、图片内容自适应分发

技术的应用，本文提出的适用于Ad Hoc网络的服务总

线明显优于民用传统服务总线，服务成功率高且服务

响应平均时延、服务应答占用带宽明显减小。

4 结束语本文在民用企业服务总线的基础上，结合无线受

限环境特点，提出一种适用于Ad Hoc网络环境自适应

表1 实验设备列表

序号 设备名称运行环境

用途硬件环境 软件环境

1服务总线

设备

PC机：CPU Intel i7，内存8 GB

操作系统：RedHat Enterprise Linux6.4 64bit

分别安装民用服务总线或A d Hoc网络服务总线软件作为被

测软件。

2 路由器 COMME陪测设备。用于搭建网络

交换平台。

3UDDI

目录服务器PC机：CPU Intel

i7，内存8 GB

陪测设备。安装UDDI目录服务

软件，辅助搭建SOA框架。

4Web

服务器

陪测设备。安装呈现服务和气

象服务软件。作为服务提供

者，辅助搭建SOA框架平台。

5无线终端

模拟器

PC机：CPU Intel i5，内存2 GB

操作系统：RedHat Enterprise Linux6.4 64bit通过Linux系统工具设置

网络链路带宽、时延和丢

包率，以模拟无线链路。

陪测设备。安装无线客户端模

拟软件。作为服务请求者，辅

助搭建SOA框架平台。

图5 实验环境：无线用户请求固定网络服务

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研究与探讨

40 2016年第20期

的服务总线架构并进行研究。在Ad Hoc网络中，通信

的不稳定性和带宽有限是实现SOA架构的主要障碍。

实验结果表明，通过结合终端的呈现能力，本系统提

供的宽带服务缓存与离线服务、自适应内容分发与数

据自适应压缩技术，可减少对网络带宽的占用，实现

服务轻量化，并提高了服务访问效率。由此可见，本

文提出的适用于Ad Hoc网络的服务总线技术可降低无

线受限环境的约束影响，加速实现服务共享的进程。

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表2 实验结果

无线链路参数

服务总线类型服务成

功率/%

服务响应

平均时延/ms

服务应答

大小带宽/Mbps

链路时延/ms

丢包率/%

2

100

5

民用服务总线 90.12 18 256 4.5MB

适用于Ad Hoc网络的服务总线

100 3 990 926kB

10

民用服务总线 80.20 20 525 4.5MB

适用于Ad Hoc网络的服务总线

100 4 120 926kB

200

5

民用服务总线 88.60 22 350 4.5MB

适用于Ad Hoc网络的服务总线

100 4 109 926kB

10

民用服务总线 78.32 30 556 4.5MB

适用于Ad Hoc网络的服务总线

100 5 669 926kB

1

100

5

民用服务总线 89.74 40 010 4.5MB

适用于Ad Hoc网络的服务总线

100 8 977 926kB

10

民用服务总线 75.69 68 970 4.5MB

适用于Ad Hoc网络的服务总线

100 10 090 926kB

200

5

民用服务总线 89.94 41 169 4.5MB

适用于Ad Hoc网络的服务总线

100 9 123 926kB

10

民用服务总线 80.26 77 900 4.5MB

适用于Ad Hoc网络的服务总线

100 9 986 926kB

[13] Hartmut L, Dan S. XMill: an efficient compressor for

XML data[R]. AT&T Labs-Research, 2004.★

作者简介

李金凤：工程师，硕士毕业于华南

理工大学通信与信息系统专业，现

任职于中国电子科技集团公司第七

研究所，主要研究方向为通信技

术、栅格服务控制。

201610—20-2研究与探讨.indd 40 2016-12-5 11:36:21

研究与探讨

412016年第20期

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

收稿日期：2016-06-02

为了能够在LTE网络上承载语音通话以及视频通信，给用户带来更优质的体验，在LTE网络上引入了VoLTE技

术，这是一种全新的高清语音解决方案。通过对IMS核心架构、RCS等方面进行分析，详细阐述了VoLTE高清语

音解决方案，并充分说明了VoLTE成为LTE语音解决方案的可行性及优势。

VoLTE IMS RCS

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.008 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0041-04

引用格式：颜薇芳. VoLTE高清语音解决方案探讨[J]. 移动通信, 2016,40(20): 41-44.

【摘 要】

【关键词】

颜薇芳

Discussion of VoLTE HD Voice Solutions

In order to make voice calls and video communication on the LTE network, and bring customers a better experience, the VoLTE technology was introduced into the LTE network as an innovative high defi nition voice solution. This article made analysis of the IMScore architecture, RCS (Rich Communcation Suite), etc., and expounded the VoLTE HD voice solution in detail, fully illustrated the feasibility and advantage of VoLTE as the LTE voice solution.VoLTE IMS RCS

YAN Wei-fang

[Abstract]

[Key words]

(Hunan Planning and Designing Institute of Post and Telecommunication Co., Ltd., Changsha 410126, China)

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410126）

1 引言运营商部署VoLTE不仅为数据、语音、视频等业

务的融合创造了条件，而且还极大地提高了无线频谱

利用率，降低了网络成本，更重要的是开启了传统语

音向移动带宽语音的演进之路 [1]。需要说明的是，LTE

网络是一张全IP网络，只能提供分组域业务，因此要

想在LTE网络上进行语音通信即VoLTE，就必须基于

IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）

核心业务架构来实现。基于IMS架构的VoLTE语音技

术可以提供高QoS（Quality of service，服务质量）的

语音、视频业务[2]，并具有漫游、带宽等业务连续性保

障机制，使用户拥有语音、可视电话等业务的完美体

验。本文从核心业务架构以及具体的解决方案等多个

方面，全方位论证了VoLTE将成为LTE网络的终极语音

解决方案。

2 VoLTE架构体系

2.1 IMS核心业务架构

IMS是一种开放式的体系架构，呼叫的建立时间

VoLTE高清语音解决方案探讨

201610—20-2研究与探讨.indd 41 2016-12-5 11:36:22

研究与探讨

42 2016年第20期

很快，话音编码速率可调整，支持多种接入方式，能

够在全IP网络的环境中实现语音、视频和数据业务。

此外， I M S核心业务架构不仅具有丰富的多媒体业

务，而且能够实现固话、移动电话、互联网通信的整

合，大大降低运营商的运营成本，将来IMS 终会成

为移动网络的核心业务架构。

2.2 基于IMS系统的VoLTE网络架构

基于IMS系统的VoLTE业务环境复杂，涉及众多

网元的配合，需要全面考虑LTE网络、IMS系统以及

PCC（Personal Code Calling，个人代码呼叫）等设

备的部署和搭建 [3]。其核心思想是采用 IMS作为业务

控制层系统，提供呼叫管理等功能，由EPS（Evolved

Packet System，演进分组系统）提供承载，VoLTE用

户通过LTE网络接入IMS网络进行注册，而后IMS网络

为用户分配IP地址，以达到在LTE网络上通话即VoLTE

的目的。

VoLTE业务的典型系统架构如图1所示。其中，

主要包括UE、eNodeB、MME（Mobile Managenment

E n t i t y ，移动管理实体）、 S - G W 、 P - G W 、 H S S

（Home Subsc r ibe r Se rve r，归属用户服务器）、

PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略

与计费规则功能单元）、IMS域P-CSCF（Proxy Call

S e s s i o n C o n t r o l F u n c t i o n，代理会话控制功能） /

I-CSCF（Interrogating Call Session Control Function，协

商会话控制功能）/S-CSCF（Serving Call Session Control

Function，服务会话控制功能）/AS（Authent icat ion

Server，认证服务）、MMTel（MultiMedia Terminal，

多媒体终端） AS等网元[4]。

核心网全面部署能够提供CSCF（Cal l Sess ion

Control Function，呼叫会话控制功能）等以及HSS、

MMTel AS和IP-SM-GW（IP Service Message GateWay，

I P业务消息网关）等互通功能的 I M S系统 [ 5 ]，接入

与承载网引入能够提供承载通道和Q o S控制能力的

LT E设备S / P - G W、M M E等，再加上E P S网络的配

合，语音、视频、数据以及电话会议、呼叫转移、

来电显示等各种业务便可在全 I P的网络基础上得以

实现。

3 VoLTE语音解决方案

3.1 3种LTE语音解决方案对比

目前，国际主流的LT E语音解决方案包括双待

机、CSFB（Circuit Switched Fallback，电路交换域回

落）和VoLTE，而VoLTE是普遍认可的LTE语音 佳解

决方案[6]。

（1）双待机方案

双待机的工作原则即同时接入2 G / 3 G和LT E网

络，语音业务在2G/3G电路实现 [7]，而数据业务则通

过LTE网络承载，3种模式之间没有互操作的要求，

可以实现语音和数据业务的并发，无需回落，缺点是

功耗较大。

（2）CSFB方案

CSFB方案可以实现LTE网络提供数据业务，当有

语音业务需要接入时自动回落到CS域，此时4G网络

将会断开而不能再进行数据有关的行为，如微博、微

信、QQ等相关应用将无法收发信息，缺点是影响用户

感知。

（3）VoLTE方案

VoLTE基于LTE网络承载语音和数据业务，针对

目前LTE并没有达到无缝覆盖的实际情况，在LTE盲

区通过eSRVCC（enhanced Single Radio Voice Call

Continuity，增强的单一无线语音呼叫连续性）技术以

图1 基于IMS系统的VoLTE网络架构

201610—20-2研究与探讨.indd 42 2016-12-5 11:36:22

研究与探讨

432016年第20期

确保LTE语音实现无缝切换到2G/3G语音，保证用户语

音接续，为用户带来 优质的体验。随着LTE大力部

署，2G/3G会逐步退出历史舞台而被LTE完全代替。

此外，VoLTE采用AMR-WB（Adaptive Mult i -

Rate Wideband，自适应多速率宽带编码）技术拓展了

低频和高频区域，提高了采样的频率，使得音质效果

与普通的话音质量相比更加逼真、自然且有现场感，

即使环境嘈杂语音也十分清晰。该技术在VoLTE的应

用，保证了用户能够充分享受高清的语音和视频。

在Vo LT E解决方案中，采用U D C（U s e r D a t a

Convergence，用户数据融合）架构将原本分散存储

在C S域和 I M S域的用户数据融合统一，满足用户在

不同域上获得相同业务体验的需求，以此来确保用户

体验业务的一致性。另一方面，目前仍然有大部分的

2G/3G用户，为了实现2G/3G用户与4G用户之间的短

信互通，新增了IP-SM-GW网元的应用。

3.2 现网升级改造及RCS技术引入

VoLTE基于LTE承载语音，能够充分利用LTE无

线技术高频谱利用率、抗衰落性、高带宽、大容量

的优点 [8]，呼叫建立时长和切换时延更短，易于融合

RCS（Rich Communcation Suite，富媒体通信），为

用户提供多样的业务体验。而双待机和CSFB这2种语

音解决方案则依赖CS域来提供语音业务，势必会造成

2G/3G、LTE网络的长期共存，增加网络运行的复杂

度。由于VoLTE可以支持在纯LTE网络上运行语音和数

据业务，完全符合全IP的网络演进要求，因此VoLTE

是LTE网络语音解决方案的 佳选择，但是现有的网

络要想支持VoLTE则需要进行升级改造。

（1）核心网升级改造

IMS演进架构——CM-IMS（China Mobi l e IP

Multimedia Subsystem，移动IP多媒体子系统）是一

种面向全业务的核心架构，它完全可以做到灵活快速

地为用户提供多媒体电话、媒体会议、即时消息等业

务，不仅如此，它还能借助Web技术实现拨号、Web呼

叫、Web即时消息等服务，让用户充分感受到互联网

与IMS业务融合的完美新体验。

新一代核心网络CM-IMS能够基于PS域为用户提

供包含话音的各种多媒体业务，CS域逐步退化为IMS

的一个接入网络 [9]，随着LTE网络的大规模部署以及

VoLTE服务的逐步推出，CM-IMS即IMS核心网络将出

现新一轮的升级改造建设高潮，成为统一融合的核心

网[10]。

（2）无线网及承载网升级改造

为满足IPv6、VoLTE业务质量控制等功能需求，

需升级改造IP专用承载网AR（Address Register，地址

寄存器）、CE（Custom Edge，用户边缘路由）等设

备支持IPv6功能，并开启IP专网及CMNET网络的QoS

机制 [11]。为了提升VoLTE话音体检，降低开销，需升

级改造全网eNodeB支持eSRVCC测量及切换流程，头

压缩（IPv4、IPv6）、SPS等无线增强功能，为支持

2G→4G小区重选功能，需进行2G无线网络升级及参

数配置。

（3）业务平台及智能网升级改造

业务层面的部署需要考虑如何保障VoLTE用户在

2G/3G网络以及LTE网络下的基本语音、补充业务及

增值业务体验的一致性问题 [12]，解决方案是部署IM-

SSF（IP Multimedia Service Switching Function，

IP多媒体服务交换功能），升级现有业务平台和智能

网以实现补充业务、增值业务、智能业务等在VoLTE

下的继承。

（4）2G/3G/4G三网融合改造

2G/3G/4G三网融合改造需要替换不支持三网融合

的HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）

设备，升级改造现网2G/3G/4G融合HSS/HLR，从而确

保4G用户无需换卡换号即可使用VoLTE业务。另外，

还需要对电路域软交换设备MSC及分组域设备MME/

SGSN（Gateway GPRS Support Node，网关GPRS支

持节点）、SAE GW（System Architecture Evolution

G a t e Wa y ， 系 统 结 构 演 进 网 关 ） 、 G G S N / P C E F

（Policy and Charging Enforcement Function，策略与

计费执行功能）等进行升级改造，以实现VoLTE业务

承载及互操作的需求。

（5）RCS功能应用

201610—20-2研究与探讨.indd 43 2016-12-5 11:36:23

研究与探讨

44 2016年第20期

RCS系统基于CM-IMS架构，通过SIP（Session

Initiation Protocol，会话启动协议）与CM-IMS核心网

的S-CSCF进行交互，并且将根据用户需求的扩展不断

演进，实现集语音、消息、视频、内容共享等多种通

信方式及功能为一体的融合通信服务，为用户提供丰

富的通信体验。

此外，为了保证RCS业务的全球互通性以及给用

户以统一的感知，全球移动通信协会（GSMA）提出

了基于RCS-e的“Joyn”品牌。“Joyn”分为对终端

的认证和对运营商网络的认证，对于用户而言，所

有获得“Joyn”品牌使用权的终端或运营商网络均具

备和其他“Joyn”终端或网络进行互通的能力，通过

这种方式，RCS可以在全球范围内快速获得用户的认

可，并可保证用户所能使用的业务是一致的 [ 1 3 ]。因

此，RCS是一种面向未来通信的全方位沟通服务，在

优化用户体验的同时推动着通信产业链的不断发展，

成为未来通信发展不可缺少的驱动力。

4 结束语本文从VoLTE架构体系、VoLTE解决方案等各方

面进行了分析，相较于传统网络，VoLTE引入了新的

架构体系，并对原有核心业务层面进行了升级。为了

保证各个领域的互联互通，原有核心网、承载网、业

务平台等必须进行升级改造以满足VoLTE对网络的需

求，而VoLTE解决方案中也同样引入了传统网络没有

的新技术，使用户享受到更加优质的语音和视频业

务。事实证明，VoLTE语音解决方案不仅是可行的，

而且将给用户带来基于LTE网络的高速移动性的语音

及数据业务体验。在不久的将来，无论是运营商、终

端用户还是设备制造厂商，都将逐步过渡到一个纯

LTE的网络环境。

参考文献：[1] 李进良. 我国移动互联网向LTE-A协同演进的分析与主

张[J]. 移动通信, 2015,39(3): 12-16.

[2] 夏晓威,周雄. LTE语音业务解决方案[J]. 中国新通信,

2014(17): 88-89.

[3] 周莹,唐克,胡祎. IMS网络在VoLTE阶段的发展及部署

研究[J]. 邮电设计技术, 2015(9): 59-64.

[4] 杨红梅,胡泊. VoLTE关键技术及相关标准[J]. 电信网技

术, 2013(2): 57-60.

[5] 于艳丽,张艳. VoLTE的核心网解决方案[J]. 电脑与电信,

2014(6): 55-57.

[6] 郑巍,马磊. LTE时代语音解决方案探讨[J]. 信息通信,

2014(1): 239-240.

[7] 童恩,邵建. VoLTE关键技术应用及现网规划建设研究

[J]. 移动通信, 2014,38(17): 46-50.

[8] 买望,董原,孙向前. LTE语音解决方案比较及分析[J]. 现

代电信科技, 2013(10): 56-59.

[9] 张永明. IMS组网技术及网络融合探讨[J]. 邮电设计技

术, 2011(1): 66-69.

[10] 朱军. 基于IMS的VoLTE解决方案研究[J]. 电信技术,

2014(7): 28-32.

[11] 李宝岩,于富东. VoLTE的部署对核心网改造需求的研

究[J]. 电信网技术, 2014(8): 22-26.

[12] 刘国平,尼松涛,尹翔宇. VoLTE语音业务部署方案探讨

[J]. 邮电设计技术, 2015(9): 47-52.

[13] 李勇辉,吕光旭,符刚,等. 电信运营商RCS部署建议[J].

邮电设计技术, 2013(4): 1-5.★

作者简介

颜薇芳：学士毕业于江苏科技大

学，现任湖南省邮电规划设计院有

限公司高级无线通信设计员，主要

研究方向为无线通信技术。

201610—20-2研究与探讨.indd 44 2016-12-5 11:36:23

研究与探讨

452016年第20期

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

收稿日期：2016-08-04

为提高VoLTE业务质量，对VoLTE的资源调度方法进行了探究，分别尝试了开启全业务NI频选功能、QCI业务NI

频选调度以及RLC分片限制功能。实验结果证明功能开启后VoLTE业务的MOS均值、误块率、RTP抖动以及上

行MCS均值等均有一定程度的提升，可以有效改善VoLTE的业务质量。

VoLTE业务 资源调度 非频率选择性调度

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.009 中图分类号：TN929.53 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0045-05

引用格式：林坤宁. VoLTE业务的资源调度方法研究[J]. 移动通信, 2016,40(20): 45-49.

【摘 要】

【关键词】

林坤宁

Research on Resource Scheduling Method for VoLTE Service

In order to improve the service quality of VoLTE, the resource scheduling methods of VoLTE were explored, attempts were made respectively to open a full-service NI frequency-selective function, QCI business NI frequency selective scheduling and RLC fragmentation limiting function. Experimental results show the MOS value mean, block error rate, RTP jitter and uplink MCS mean of the VoLTE service are improved to a certain extent, effectively improving the service quality of VoLTE.VoLTE service resource scheduling non frequency selective scheduling

LIN Kun-ning

[Abstract]

[Key words]

(China Mobile Group Guangxi Co., Ltd., Wuzhou Branch, Wuzhou 543002, China)

（中国移动通信集团广西有限公司梧州分公司，广西 梧州 543002）

1 引言现代通信已经全面进入4G时代，而VoLTE业务将

逐渐替代传统的GSM业务，随之而来的是VoLTE业务

需求快速增长，所以保证VoLTE业务也成为运营商优

化工作的重中之重。VoLTE业务在上行远点调度时，

其使用的编码、LTE网络协议栈各层的功能参数以及

对数据包的传送方式等，对LTE网络空口容量、VoLTE

用户业务质量影响较大。因此，有必要对上述问题进

行进一步的研究，包括协议的关键技术策略。

2 VoLTE业务资源调度的关键技术TD-LTE系统中，为了有效地利用和分配有限的空

口资源，无线侧在采用共享信道资源机制的基础上，

通过定义不同的资源调度策略，实现不同用户间的资

源调度。

2.1 上行调度方式

下行通过U E的C Q I反馈进行频选，而上行基于

VoLTE业务的资源调度方法研究

201610—20-2研究与探讨.indd 45 2016-12-5 11:36:23

研究与探讨

46 2016年第20期

S R S的探测对数据业务进行频选，但对小数据量、

固定周期的语音包，基于S R S的质量评估达不到语

音在时间和频率粒度的要求。基于R B的N I（N o i s e

Indication，噪声指示）探测作为上行频选对小包业务

可以起到更好的作用，加之弱场下的干扰敏感性，更

需要 佳频选来提升上行质量效果。

（1）调度功能分为物理资源相关选择的决策、资

源分配策略以及必要的资源管理。调度时需考虑QoS

需求、缓冲区状态、用户的业务信道状态、小区中的

干扰情况等。

（2）上行调度方式分为频率选择性调度及非频

率选择调度，采用非频率选择性调度中的三段分配

模式。

（3）上行受限场景下的上行干扰对网络质量的影

响尤为明显，三段分配模式未考虑频带的NI信息，在

上行远点不是 佳的调度方式。

2.2 三段分配模式

三段分配模式是非频率选择性调度（NFSS，Non

Frequency Selective Scheduling）的一种，是上下行资

源调度的现网设置，其原理为网络侧将频域带宽分为

3段，根据CellType确定授权给终端的PRB资源的起始

位置。

（1）三段分配模式：现网配置，根据后台参数配

置计算出的CellType是固定的。

（2）三段轮转分配模式：由于Bias随时间周期性

地变化，导致CellType的计算结果随Bias变化周期0、

分配PUSCH资源。

OMC功能实现：开启全业务NI频选调度策略。

根据SRS带宽配置（0）、SRS初始接入带宽（2），

确定划分子带数量为 4 ，即每个 S R S 在频域上占用

的R B数m S R S与上行系统带宽、小区特定的配置参

数 s r s - B a n d w i d t h C o n f i g、U E特定的配置参数 s r s -

Bandwidth相关。假设s rs -BandwidthConf ig配置为

0，srs-Bandwidth配置为2，则使用窄带SRS每个SRS

的带宽为24RB，频域上被分为N0×N1×N2=4份，

如图2所示。

2.4 QCI1业务NI频选VoLTE业务感知灵敏，单次调度的数据量较小，

对上行PRB的需求也相对较低，调度上更容易选择低

图1 eNodeB选择最优的频率资源分配给UE的过程

表1 CellType取值随Bias变化周期循环变化

CellType 分配策略 备注说明

0以 低频率的RB0开

始，从低频到高频

分配。CellType=(PCI+Bias+Offset)mod 3PCI：物理小区标识，用于区分不

同小区，0～503。

Bias：三段分配模式时，Bias取0；三段轮转分配模式时，将系统

时间（10 s）均分为3部分，每部

分Bias分别取值0、1、2。

Offset：参数PRB随机化偏置，

0、1、2和随机，修改可改变

CellType。

1

从带宽1/3处第34个

RB开始（RB33）

优先向高频分配，

次优先分配RB0到

RB32。

2以 高频率RB开始

分配，从高频到低

频分配。

图2 开启全业务NI频选调度策略的OMC功能实现

1、2循环变化，具体如表1所示。

2.3 全业务NI频选eNodeB实时统计当前上行频带每

个PRB的干扰强度，并根据UE上行业

务的资源需求，选择 优的频率资源

（对应PRB位置上NI 低）分配给UE

的上行PUSCH传输，如图1所示。

（1）根据当前TTI小区下所有UE

需求的上行资源数，确定是否实施基于

NI的频选调度。

（2）根据当前TTI该UE上行业务

需求的资源数，确定以PRB或子带方式

上行需求少于5个PRB，选择当前NI最小的连续 PRB

201610—20-2研究与探讨.indd 46 2016-12-5 11:36:24

研究与探讨

472016年第20期

NI的PRB。

（1）新传基于NI的频选打开

针对建立了QCI1业务的UE的所有新传调度进行基

于NI的频选，包括这些UE的SR响应也进行基于NI的

频选。

（2）重传时基于NI的频选打开

仅针对建立了QCI1的业务的UE的重传，后台配置

为自适应重传，基于NI频选的方式进行重传调度，后

台配置为IR非自适应重传，不进行NI的频选调度。

表2为新传基于NI频选开关和重传基于NI频选开

关的组合取值情况。

表2 新传基于NI频选开关和重传基于NI频选开关的组合取值情况

开关取值 新传基于NI频选 重传基于NI频选

0 关 关

1 开 关

2 关 开

3 开 开

2.5 RLC分片限制RLC分片限制功能希望通过限制语音包的RLC

大分片段数，抬升单次调度的语音信息包大小，配合

重传合并增益，降低单个语音包在空口的传输时延，

进而减少终端PDCP层语音包弃包。

（1）RLC根据MAC层指示的RLC PDU大小，分

段 /串联RLC SDU并增加RLC头，然后将生成的RLC

PDU发给MAC层。

（2）现网RLC分片限制功能关闭，默认为RLC的

分片数量不受限制。在上行远点，RLC拆片过多，调

度效率低下，容易导致PDCP弃包。

（3）基站上行调度时根据语音包长度，配合无线

侧的调度能力及 大RLC分片数量限制，反算每个分

片的长度要求。当信道质量不足以支持每个分片的长

度时，不降低RLC分片长度，而是用抬升MCS的方式

在空口完成调度。

（4）在UE侧的弃包可以缓解，虽然HARQ失败

的机率相对上升，但相对RLC分片过 多导致的弃包会

产生累积效果，HARQ失败仅造成部分空口丢包，有

利于改善端到端的连续丢包。

3 功能评估

3.1 全业务NI频选（1）典型站点NI分布对比：开启功能后，小区全

带宽内的NI分布呈现明显的均化趋势。NI高点，尤其

是RB33位置附近的高NI区域下降十分明显。图3为功

能开启前后忙闲时NI分布对比情况。

图3 功能开启前后忙闲时NI分布对比情况

功能开启后NI降低，接通、掉线理论上应该表现

地更为优秀。

（2）RB级NI分布：开启功能后，除载波两端因

PUCCH占用的RB NI较高外，其余RB上的NI出现了均

化的趋势，高NI的RB位置不再固定在几个位置上。这

样对于系统而言，可减少由于调度在该NI位置而损失

的容量。图4为功能开启前后天粒度NI分布对比情况，

图5为功能开启前后忙时NI分布对比情况。

图4 功能开启前后天粒度NI分布对比情况

图5 功能开启前后忙时NI分布对比情况

RB

RB数量/个信

号强

度/d

Bm

关闭功能忙时 关闭功能闲时 开启功能忙时 开启功能闲时

RB数量/个

信号

强度

/dB

m

功能关闭 功能开启

RB数量/个

信号

强度

/dB

m

功能关闭 功能开启

-105

-125

1 4 7 10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

49

52

55

58

61

64

67

70

73

76

79

82

88

91

94

97

100

201610—20-2研究与探讨.indd 47 2016-12-5 11:36:24

研究与探讨

48 2016年第20期

（3）上行业务表现：上行MCS出现了升阶，上行

业务（包括QCI1）速率较功能开启前有一定幅度的提

高，上行全业务增加约9.83%，QCI业务增加约3%。

图6为上行平均MCS与上行平均干扰NI情况，图7为

QCI1上行平均PDCP速率与上行平均干扰NI情况。

功能开启后，试点区域内的业务量呈持续增长的

趋势，随着业务量的增长，区域内的平均NI也开始逐

步上升（整体增幅约0.8 dB）。

图6 上行平均MCS与上行平均噪声干扰NI情况

图7 QCI1上行平均PDCP速率与上行平均噪声干扰NI情况

3.2 QCI1业务NI频选为方便确定开启QCI1频选调度功能后的增益，优

选系统内干扰特征明显的小区，通过PCI与高NI RB位

置来确定。

（1）开启NI频选后，初始RB分配位置发生了较

大的变化，PRB16成为概率 大的起始分配位置，除

PRB8外，其余高概率的起始分配位置均与功能关闭时

不同。表3为NI开启前后PRB起始分配位置的概率对比

情况。

（2）功能开启前后VoLTE业务的MOS均值、误块

率、RTP抖动及上行MCS均值均有一定提升。表4为功

能开启前后VoLTE业务指标的对比情况。

表4 功能开启前后VoLTE业务指标的对比情况

资源调度方式VoLTE平

均MOS值

PUSCH BLER/%

RTP抖动

/ms上行平均

MCS值

三段分配模式 3.87 1.24 13.01 19.23

全业务NI频选 3.92 1.19 12.48 20.48

QCI1业务频选 3.90 1.07 12.85 19.56

3.3 RLC分片限制（1）通过在弱场下的VoLTE语音互拨，确认默认

配置下的RLC分片分布情况。功能关闭时，RLC分片

个数为6及以下占比达到94.5%，重点对RLC分片参数

设定在2、4、6这三种情况进行验证。图8为RLC分片

个数占比情况。

（2）通过限定测试环境，对比RLC分片参数设置

为2、4、6下的VoLTE业务MOS、上行MCS、丢包及

重传的变化，如表5所示。

1）开启RLC限制功能时，重传比例都有一定升

高，符合理论预期（强制RLC分片大小后会抬升空口

调度的MCS，引起上行Bler抬升和重传加大）。

2）RLC分片为6时MOS均值 优，RLC分片为

2、4时不能提升VoLTE质量，同时增加了空口重传，

不推荐RLC 大分片限制为2、4。

上行

平均

PDC

P速率

/kbp

s

平均噪声

干扰

/dB

m

QCI1上行平均PDCP速率 平均噪声干扰

平均

噪声

干扰

/dB

m

上行

平均

MC

S

上行平均MCS 平均噪声干扰

表3 NI开启前后PRB起始分配位置的概率对比情况

NI开启前 NI开启后

UE1 占比/% UE2 占比/% UE1 占比/% UE2 占比/%

9 19.54 9 19.51 16 24.39 16 29.98

8 13.53 11 14.52 8 18.13 12 15.43

11 13.16 8 13.41 12 13.00 8 14.92

13 11.08 13 10.31 20 10.71 20 11.94

15 7.45 15 7.15 24 4.41 24 5.29

10 5.17 10 6.40 10 3.20 10 3.09

12 5.07 12 5.40 13 2.88 28 2.64

17 4.69 17 4.17 4 2.56 13 2.12

14 4.19 14 4.00 9 2.42 9 1.58

16 2.73 19 2.51 28 2.37 17 1.47

19 2.62 16 2.49 18 2.12 52 1.30

其他 10.76 其他 10.12 其他 13.80 其他 10.24

201610—20-2研究与探讨.indd 48 2016-12-5 11:36:25

研究与探讨

492016年第20期

3 ） 结 合 Q C I 1 业 务 N I 频 选 功 能 可 进 一 步 改 善

VoLTE质量。

4 结束语提出了VoLTE业务的资源调度，在试点区域开启

QCI业务NI频选调度及RLC分片限制（限制为6片）

功能后，通过分析验证发现VoLTE业务质量有一定幅

度的提升。接下来，扩大区域，进一步改善VoLTE质

量，使用户对VoLTE语音业务感知更加敏感，提高客

户感知。

参考文献：[1] 刘建华,陈俊,刘磊. VoLTE无线关键技术研究[J]. 移动通

信, 2016,40(4): 36-42

[2] 黄冰柏,程佳鸣,林永兴,等. 提升VoLTE客户感知的优化

分析方法浅析[J]. 移动通信, 2016,40(6): 25-29.

[3] 熊炼,彭先武. TD-LTE室分系统VoLTE容量性能分析[J].

移动通信, 2016,40(7): 70-73.

作者简介

林坤宁：助理工程师，学士毕业于广

西财经学院，现任职于中国移动通信

集团广西有限公司梧州分公司，主要

研究方向为通信基站自主维护、自主

优化、通信工程。

表5 RLC分片参数设置为2、4、6下的VoLTE业务指标的对比情况

指标 RLC-OFF RLC-2段 RLC-4段RLC4段且QCI1业务上行频选

RLC-6段RLC6段且QCI1业务上行频选

MOS均值 3.75 3.68 3.74 3.89 3.87 4.06

UE2下行平均RSRP/dBm -120.64 -119.92 -121.72 -119.60 -121.03 -119.01

UE2上行平均SINR/dB 6.64 7.43 6.21 8.38 7.96 7.90

UE2上行平均MCS 2.57 4.06 3.49 3.68 3.42 3.22

UE2上行PDCP丢包率/% 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

UE2上行平均重传率/% 3.17 5.76 5.46 5.45 3.91 3.69

[4] 李泉 . TD-LTE网络优化分析和研究[J]. 移动通信 ,

2016,40(10): 3-6.

[5] 邵建,武晓涛,沈彩凤. LTE网络增强技术的研究与现网

实践[J]. 移动通信, 2016,40(11): 36-39.

[6] 喻嘉兵,于航,姚锐,等. VoLTE容量性能研究[J]. 移动通

信, 2016,40(12): 63-69.

[7] 陈秀敏,王兵,黄毅华,等. LTE无线资源与业务的关联分

析[J]. 移动通信, 2016,40(14): 7-12.

[8] 李永强,任丽玮,张瑞. 基于用户感知的语音性能管理系

统的研究与实现[J]. 移动通信, 2016,40(12): 52-54

[9] 宋谱,孙震强,李英奇. LTE无线网络QoS业务承载能力

分析[J]. 电信技术, 2015(02): 32-36.

[10] 盛璟,刘洋,许国平. LTE无线网络优化的考量[J]. 邮电

设计技术, 2014(12): 1-5.★

图8 RLC分片个数占比情况

201610—20-2研究与探讨.indd 49 2016-12-5 11:36:26

研究与探讨

50 2016年第20期

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

收稿日期：2016-07-12

为了改善用户对流量的模糊定义的现状，通过采集流量数据，利用Echarts工具，介绍了Echarts混搭、拖拽重计

算、数据视图、动态类型切换、图例开关等特点。研究了流量去向的问题，分析了Echarts语言对数据做出的柱

状图和线状图的视图效果。实验证实Echarts工具能够以视图的形式生动地展示流量的变化问题，提醒用户数据

流量问题。

可视化 HTML Echarts 移动数据通信

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.010 中图分类号：TN919.81 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0050-04

引用格式：贾宁. Echarts在移动数据通信中的应用[J]. 移动通信, 2016,40(20): 50-53.

【摘 要】

【关键词】

贾宁

Application of Echarts in Mobile Data Communication

To help users solve the problem of fuzzy definition of data traffic, through collection of data traffic, using the Echarts tool, the characteristics of the mash-up, the drag and drop recomputation, data view, dynamic type switch and legend switch were introduced. Data traffi c directions were studied, and the visual effect of histogram and line graph of data was analyzed using Echarts. Experiments verify that Echarts can demonstrate data traffi c change with vivid graphs, thus reminding users of their data traffi c.visualization HTML Echarts mobile data communication

JIA Ning

[Abstract]

[Key words]

(Geomatics College of Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

（山东科技大学测绘学院，山东 青岛 266590）

1 引言现代社会高速发展，科技发达，信息流通，大

数据已然是这个高科技时代的产物。大数据时代下，

需要对大批量数据进行总结、发现其规律，可视化是

能显示数据规律的 好方法。信息可视化具有交互性

强、数据显示多维性的特点。随着技术的不断改进，

催生了许多可视化的工具。不同的可视化工具针对不

同的情况能够发挥其应有的价值。目前，百度刚推出

的Echarts可视化工具以其多功能的特点，受到广泛的

关注。

在互联网高速发展的今天，移动通信将世界织成

一张网。随着科技信息的不断发展，移动通信进入到

4G时代。移动通信技术具有传输速度更高、通信服务

多元化、智能化程度更高、兼容性良好等特点。移动

通信4G技术可以不考虑时间、地点等因素的限制，使

用户可以在任何地点、任何时间创建网络平台，享受

Echarts在移动数据通信中的应用

201610—20-2研究与探讨.indd 50 2016-12-5 11:36:26

研究与探讨

512016年第20期

流畅的服务，同时可以随时随地接入宽带。4G移动通

信技术不仅将网络环境大大改善，还可以对数据进行

跟踪定位以及无线远程控制，成为多功能的宽带移动

多媒体信息体系。

移动通信用户不断壮大的同时，随之而来的就是

一系列的问题。流量使用多少的问题是需要大家尤为

关注的。每到月末用户对自己的流量使用情况以及使

用方式比较关心，本文将运用Echarts工具结合移动通

信对数据流量的使用量进行可视化分析，让数据用图

表说话。

2 Echarts的功能分析Echarts即Enterprise Charts商业产品图表库，它

是由百度商业前端数据可视化团队开发出来的，底层

基于Zrender是一个全新的轻量级Canvas类库。Echarts

开源组件是基于HTML5 Canvas的纯Javascript绘制图

形的方法。Echar t s是新型的可视化工具，是由坐标

系、图例、提示、工具箱等基础组件构成，并可以在

此构建出折线图、柱状图、散点图、K线图、饼图、雷

达图、地图、和弦图、力导布局图、仪表盘以及漏斗

图，它同时支持任意纬度的堆积和多图表混合表现。

Echarts支持IE6/7/8/9+、chrome、firefox、safara等多

个浏览器。

Echarts具有多种功能和炫酷的视图效果，能够满

足用户的多种需求。Echarts具有混搭、拖拽重计算、

数据视图、动态类型切换、图例开关、数据区域选

择、多图联动、值域漫游、炫光特效、大规模数据模

式、动态数据添加、标线辅助多维度堆积、子区域地

图模式、GeoJson地图扩展、标注&标线、事件交互、

百搭时间轴等特点。

本文研究Echarts对手机流量进行的可视化统计，

针对这一情况，通过实验的方式进行验证应用。对

于数据的统计分析，选择使用Echar t s工具，在使用

Echarts工具前，需要引入Echarts。引入Echarts有多种

方式，其中包括模块化包引入、模块化单文件引入、

标签式单文件引入等方式。本次实验采用的是模块化

单文件引入。

对于模块化单文件引入，如果使用模块化开发

但并没有自己的打包合并环境或者说不希望在项目

里引入第三方库的源文件，建议使用单文件引入，

同模块化包引入一样，需要熟悉模块化开发。其具

体步骤如下：

（1）新建一个echarts.html文件，为Echarts准备

一个具备大小（宽高）的Dom。

（2）新建 < s c r i p t > 标签，引入模块化单文件

echarts.js。

（3）新建 < s c r i p t > 标签中为模块加载器配置

echarts和所需图表的路径（相对路径为从当前页面链

接到echarts.js）。

（4）<scr ipt>标签内动态加载Echar ts和所需图

表，回调函数中可以初始化图表并驱动图表的生成。

在此需要设置option属性给图表设置数据，并对tooltip

提示框、legend图例、calculable设置是否拖拽。其中

需要注意的是option为数组元素。

3 Echarts实例应用选择一台智能手机，记录这台手机的常用软件，

经总结将其分为六类，分别为腾讯QQ、腾讯新闻、手

机淘宝、支付宝、新浪微博、其他。记录其在11日到

16日的流量使用情况，具体如表1所示。对于表中的数

据，通过记录6天的数据使用情况，可以通过数据分析

出数据流量的流向与流量。

表1 数据流量统计表

11日 12日 13日 14日 15日 16日

腾讯QQ腾讯新闻

手机淘宝

支付宝

微博

其他

8.4712.75 21.73 2.139.781.57

7.65 9.873.541.467.651.20

19.37 10.239.763.14

15.343.42

2.34 15.7820.011.78

17.862.76

4.78 14.3230.782.07

10.452.53

30.127.89

10.961.73

18.743.19

注：流量单位为MB

现将部分标签展示如下：

Option={

Title:{

Text:‘某月手机流量统计’，

Subtext:‘数据来自统计 单位：MB’},

201610—20-2研究与探讨.indd 51 2016-12-5 11:36:26

研究与探讨

52 2016年第20期

Tooltip:{

Trigger:‘axis’,

axisPointer:{

type:‘shadow’},

Legend:{

Data:[‘腾讯QQ’，‘腾讯新闻’，‘手机淘宝’，

‘支付宝’，‘微博’，‘其他’]}}}

总体效果如图1所示，从图1可以看出某一天中每

个软件的流量使用累计量，点击某一天，会出现图1中

的说明，对当天的信息进行全部显示。若想查看某一

软件在 近几天的流量使用情况，点击上面的图例，

可以通过图例的暗亮来控制图形的显示与隐藏。将所

有的图例关闭，点击所要查看的图例，即可出现所要

查看的图例。关闭所有图例，点击腾讯新闻，即可出

现如图2所出现的图形信息。显示信息表示同一软件在

11日至16日的使用情况。

柱状图描述计量资料的频数分布，能够使读者一

眼看出各个数据的大小，易于比较数据之间的差别，

能清楚地表示出数量的多少。折线统计图既可以反映

数量的多少，更能反映数量的增减变化。从折线统计

图上不仅可以看出数量增减变化，还可以根据曲线变

化趋势分析产生的原因，推测下一阶段的数量变化情

况。该实验通过Echarts作出其线状图，如图3所示，系

统默认用不同颜色代表不同软件，折线的变化趋势可

以看出每一种软件与其他软件的总体使用趋势和使用

量多少的对比。关闭所有图例，打开某一图例如图4所

示，可以单独查看某一软件的变化趋势。对于统计数

图1 多种数据柱状统计图

某月手机流量统计

数据来自统计 单位：MB 微博 其他支付宝手机淘宝腾讯QQ 腾讯新闻

11日 12日 13日 14日 15日 16日

80

60

40

20

0

图2 单一数据柱状统计图

微博 其他支付宝手机淘宝腾讯QQ 腾讯新闻

某月手机流量统计

数据来自统计 单位：MB

11日 12日 13日 14日 15日 16日

20

15

10

5

0

图3 多种数据线性图

11日 12日 13日 14日 15日 16日

80

60

40

20

0

微博 其他支付宝手机淘宝腾讯QQ 腾讯新闻 单位：MB

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研究与探讨

532016年第20期

作者简介

贾宁：硕士研究生就读于山东科技

大学测绘工程专业，研究方向为地

理信息系统开发与应用。

据，若是存在变化，可以点击数据视图 ，会出现图5

的情况，可直接查看数据并对数据进行编辑。

4 结 束语本文采用Echar t s工具对数据流量进行可视化分

析，分析结果以图表的形式展示出来。抓住4G移动通

信技术在研发、推广和应用的机遇是我国通信行业的

共识，Echarts与移动通信的结合实现了移动通信技术

与其他领域的初步研究和开发工作，实现在不同种类

的工作和不同类型的业务的应用。在今后的发展中，

可视化的作用会愈加强大，可视化的功能愈发多样。

与此同时，移动通信技术也在不断发展前进，两者结

合迸发出的火花越发让人期待。

参考文献：[1] 李再扬,吴名花,杨少华. 移动通信技术扩散的实证研

究：基于中国1990—2012年的统计数据[J]. 当代经济

科学, 2013(6): 1-13.

[2] 张玉龙,李志峰,赵勋. 对4G移动通信技术应用与发展的

展望[J]. 信息通信, 2013(1): 226.

[3] 胡海明,董绍经,姜有田,等. 第四代移动通信技术浅析

[J]. 计算机工程与设计, 2011(5): 1563-1567.

[4] 施盛建. 4G移动通信技术的特点分析与实践应用[J]. 信

息通信, 2014(1): 231-232.

[5] 朱建华. 移动通信技术的发展、回顾和展望[J]. 电信科

学, 2000(1): 21-25.

[6] 胡俊. 数据挖掘可视化模型机器应用[D]. 北京: 北京交

通大学, 2009.

[7] 雷蕾. 常用数据可视化技术分析[J]. 现代电视技术,

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[8] 杨建业,耿建平. 基于HTML5的实时Web数据监测系统

[J]. 桂林电子科技大学学报, 2015(2): 136-141.

[9] 王锡良,卿光勇,武敬锋. 基于HTML5的数据图表在公共

气象服务中的应用[J]. 电脑编程技巧与维护, 2015(15):

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[10] 朱文. 基于HTML5 Canvas技术的在线图像处理方法

的研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.

[11] 李渊. 基于K-means算法的数据挖掘可视化技术的应

用研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2008.★

图4 单一数据线性图

图5 数据视图

数据视图

11号，12号，13号，14号，15号，16号

腾讯QQ：

8.47，7.65，19.37，2.34，4.78，30.12

腾讯新闻：

12.75，9.87，10.23，15.78，14.32，7.89

手机淘宝：

21.73，3.54，9.76，20.01，30.78，10.96

支付宝：

2.13，1.46，3.14，1.78，2.07，1.73

微博：

9.78，7.65，15.34，17.86，10.45，18.74

其他：1.57，1.2，3.42，2.76，2.53，3.19

11日 12日 13日 14日 15日 16日

40

30

20

10

0

微博 其他支付宝手机淘宝腾讯QQ 腾讯新闻

单位：MB

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研究与探讨

54 2016年第20期

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

*基金项目：国家自然科学基金项目（61401375）

收稿日期：2016-07-18

分析了超高吞吐率Wi-Fi在无线网络密集部署情况下的典型应用及其性能需求，提出超高吞吐率Wi-Fi基于软件

定义网络的网络架构、无线网络侧虚拟化等新型机制。实验结果表明：超高吞吐率Wi-Fi能有效提升网络吞吐

率，但与802.11a/n并存将导致网络性能变差，结合SDN、NFV技术可以实现延展性和抗干扰性的提高，在吞吐

率性能上获得更大的提升，保障超高吞吐率Wi-Fi在未来密集部署的无线网络中发挥重要作用。

超高吞吐率Wi-Fi 密集部署 软件定义网络 网络功能虚拟化

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.011 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0054-07

引用格式：杨建红,赵越,滕飞. 超高吞吐率Wi-Fi融合应用新技术分析[J]. 移动通信, 2016,40(20): 54-60.

【摘 要】

【关键词】

杨建红1，赵越2，滕飞3

New Integration Application Technologies of VHT Wi-Fi

The paper analyzes, in the case of intensive-deployed wireless network, the typical applications and performance requirements of Wi-Fi VHT, and proposes its network architecture based on SDN, wireless network virtualization mechanisms. The experimental results show that while VHT Wi-Fi can effectively improve the network throughput, the coexistence of VHT Wi-Fi and 802.11a/n will lead to poor network performance. Combination of SDN and NFV, however, can achieve scalability and interference immunity, improve considerably the throughput performance and ensure the role of the VHT Wi-Fi in future dense wireless network deployments.VHT Wi-Fi dense deployment SDN NFV

YANG Jian-hong1, ZHAO Yue2, TENG Fei3

[Abstract]

[Key words]

(1. The Second Research Institute of CAAC, Chengdu 610041, China;2. Communication Security Laboratory, Chengdu 610041, China;

3. Post Scientific Research and Planning Academy, Beijing 100096, China)

（1.中国民航局第二研究所，四川 成都 610041；

2.保密通信重点实验室，四川 成都 610041；

3.邮政科学研究规划院，北京 100096）

1 引言随着无线网络的快速发展和用户对高带宽、灵活

性网络的需求，无线网络的网络架构正经历着巨大变

革。新一代无线网络呈现出密集部署、异构网络并存

的多样化形态，这种无缝覆盖、相互融合的网络拓扑

结构虽然非常接近频谱利用率的理论极限[1]，但依然存

在3个严重的问题。第一，移动回程网络成为吞吐率受

限的瓶颈，无法满足无线接入网络数据流量增长的需

求。第二，现有的网络协议由于无法有效解决网络干

扰、快速切换等问题，不能直接应用于密集部署的无

线网络。第三，LTE基站（eNodeB）发射功率较高，

造成能耗增加，不利于通信环境“绿色化”。

Wi-Fi技术具有吞吐率高、投资成本低、组网灵

活、维护简便等优势，被认为是能解决无线网络密集

超高吞吐率Wi-Fi融合应用新技术分析*

201610—20-2研究与探讨.indd 54 2016-12-5 11:36:28

研究与探讨

552016年第20期

部署问题的有效方案。目前，IEEE制定

802.11ac和802.11ad作为新一代超高吞

吐率（Very High Throughput，VHT）

Wi-Fi，很好地适应高速无线数据业务发

展的需要[2]。但是，由于VHT Wi-Fi工作

在非许可证频段，需要与其它的802.11

网络共享频段，其所采用带冲突避免

的载波侦听多址接入（CSMA/CA）机

制无法完全避免相邻网络的干扰，也

无法保障良好的服务质量（Qual i ty of

Service，QoS），Wi-Fi在密集部署下的

网络性能是需要重点关注的问题。软件

定义网络（Software-Defined Networking，SDN）和

网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，

NFV）技术是目前研究的热点，这些技术将会指导未

来Wi-Fi的设计及应用，SDN、NFV如何与Wi-Fi应用

结合也是需要引起关注的问题。

本文分析VHT Wi-Fi在无线网络密集部署情况下的

典型应用及其性能需求，结合基于SDN的Wi-Fi网络架

构、无线网络侧虚拟化等关键技术，更好地提升VHT

Wi-Fi的延展性和灵活性。通过搭建实验环境对共存

性、网络干扰进行测试分析。本文对VHT Wi-Fi网络架

构和虚拟资源管理等方面提出了分析和探讨，期望可

以对未来无线网络的网络规划提供支持与借鉴。

2 应用场景VHT Wi-Fi技术的几个典型应用场景如图1所示，

包括Wi-Fi替代千兆以太网、多用户多入多出（Multi-

User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）传

输、构建Wi-Fi回程网络以及基于Wi-Fi实现移动数据

流量卸载。

2.1 替代千兆以太网

近期，Wi-Fi联盟提出VHT Wi-Fi取代传统的千兆

以太网，这是改善无线接入点（Access Point，AP）与

用户设备（User Equipment，UE）、UE与UE之间连接

的可靠、经济的途径。如图1中AP1采用工作于5 GHz

频段的802.11ac，支持多路空间流传输；AP2采用工作

于60 GHz的高频段的802.11ad，由于该频段载波穿透

力极差，传输距离、信号覆盖范围均受到很大影响，

802.11ad主要用来作为单个房间内设备间的高速无线传

输通道，为家庭用户提供超高速短距离无线应用服务。

2.2 数据流量卸载

LTE等移动蜂窝网的业务量不断增长，通过数据

流量卸载技术将LTE网络部分用户的业务转接到Wi-Fi

网络，Wi-Fi与LTE网络的负载均衡可以显著降低LTE

网络的数据流量压力。数据流量卸载技术尤其适用于

移动业务热点区域中位置固定或低速移动的UE。此

外，3GPP Rel .10提出一种更高效的IP流移动性（IP

Flow Mobility）技术 [3]，支持UE依据业务类型和网络

负载等情况，分配数据流同时接入到多个无线接入网

络。图1中UE3可以同时通过AP2、eNodeB接入到同

一个核心网，Wi-Fi和LTE网络存在接口，并且判断

Wi-Fi是否可信建立两种接入方式。如果Wi-Fi被视为

可信的接入网络，则UE通过Wi-Fi直接与LTE网络的演

进分组核心网（Evolved Packet Core，EPC）交互。

如果Wi - F i被视为不可信的接入网络，则需要在U E

与EPC间建立Internet协议安全性（Internet Protocol

Security，IPSec）隧道，让数据流通过这条隧道进行

传输，提供数据源认证、完整性认证、数据加解密等

安全保护措施。

数据流量卸载的另一个应用场景是仅在Wi-Fi环

境下将数据流量从拥挤的2.4 GHz/5 GHz频段转移到

802.11ad使用的60 GHz频段。由于60 GHz频段传输距

离受限，可以有效地避免网络干扰，单个房间内环境

图1 Wi-Fi技术应用场景

201610—20-2研究与探讨.indd 55 2016-12-5 11:36:28

研究与探讨

56 2016年第20期

的网络吞吐率可以与有线网络相比。因此，Wi-Fi可以

使用2.4 GHz/5 GHz构建作为连接各房间的回程网络，

使用60 GHz为房间内的UE提供超快速数据传输。

2.3 无线回程网络传统上，回程均基于有线网络，但AP部署密集

化后，并非每台AP都能有线回程，这是因为有线回

程部署的位置和数量对密集部署的无线网络的性能影

响很大。数量太多，成本很高，数量太少或位置规

划不合理，回程能力有限。图1中AP3与eNodeB之间

通过802.11ac替代千兆以太网，为现阶段广泛应用的

802.11g/n无线局域网提供回程技术支持。回程网络

的关键性能指标是网络吞吐率，VHT Wi-Fi不仅能支

持非常高的网络吞吐率，而且具有投资成本低、组网

灵活可扩展等优势，尤其在光纤无法覆盖的区域，可

使用Wi-Fi在视距传输距离提供无线回程连接。虽然

Wi-Fi使用开放的无线频谱资源会受到其它使用此频段

网络的干扰，但由于回程链路是点到点固定连接，可

以使用定向天线有效避免网络干扰。MIMO传输技术

得益于MIMO阵列天线的发展，不仅支持点到点链路

的定向数据传输，而且可以控制天线发射功率以调整

覆盖范围。

2.4 多用户MIMO传输802.11ac协议采用了下行MU-MIMO传输技术，

AP为多天线配置，利用发射波束赋形和多用户分集技

术，为多台UE同时传输数据。802.11ac定义了一种新

型发送机会（Transmitting Opportunity，TXOP）共享

机制[4]，下行数据帧中根据业务类别划分为不同的接入

等级（Access Categories，AC）的发送队列，支持不

同发送队列同时进行数据传输，多个AC不会因为相互

竞争TXOP而造成“虚拟碰撞”问题，有效降低了低接

入等级发送队列的延迟与负载，改善了信道带宽的资

源利用率。如图1所示，AP4提供可区分的、分布式的

3个AC，分别对应语音、视频、尽力而为不同的业务

类型，支持同时接入不同业务流。

3 性能需求为了能够发挥上述应用场景的效能，需要对Wi-Fi

的吞吐率、频谱利用效率、能量效率、安全切换时间

等性能需求进行分析。

3.1 吞吐率

802.11标准化工作重点就是不断提高Wi-Fi的吞

吐率，以802.11ac和802.11ad协议为例的VHT Wi-Fi

均基于高阶调制编码方式（802.11ac可采用256QAM

调制，802.11ad采用64QAM调制）、超高信道带宽

（802 .11ac支持高达160 MHz信道带宽，802 .11ad

更是支持高达 2 . 1 6 G H z 信道带宽）、增强型传输

（802.11ac采用多用户分集和波束赋形，802.11ad采用

波束赋形）等物理层增强技术。此外，数据链路层也

定义了一些新的特性，包括空闲信道评估、发送请求/

发送清除（request to send/clear to send，RTS/CTS）

等机制解决多台UE竞争信道产生的碰撞问题。还可以

使用帧聚合策略，将多个数据帧重新封装组合成新的

数据帧进行发送，减少MAC头、物理层前导、帧间间

隔等，进一步提高Wi-Fi吞吐率。

3.2 频谱利用效率

密集部署的无线网络虽能提升频谱利用效率，但

需要相应的网络管理策略进行保障，避免重叠覆盖区

域由于网络干扰导致性能下降。如图1所示，处于交叠

基本业务集（Overlap Basic Service Set，OBSS）场景

的UE3受到网络干扰比较严重，在频谱有限的情况下会

导致QoS变差。解决方法是量化相邻网络的干扰和负载

状况，形成状态信息并交互，依此进行信道选择和协

作资源共享[5]。此外，相邻网络可以使用认知无线电技

术感知周围的频谱环境，实时选择 优频点的信道进

行数据传输，保证相邻网络同时使用的信道频率相互

正交，从而降低OBSS干扰对频谱利用效率的影响。

3.3 能量效率Wi-Fi能效优化目标就是在降低功率消耗（延长

UE待机时间和降低AP运行成本）的同时保持非常高

的吞吐率。802.11ac与其它的802.11系列协议相比，

提供了更宽的信道带宽、更高阶的调制方案和更多

并发的空间流。但是，设置 高的系统参数值（如

256-QAM调制及编码码率5/6，160 MHz信道和8×8

MIMO）并不一定能够达到 优的Wi-Fi性能，尤其是

再考虑能效将变得更加复杂。文献[6]通过实验分析得

出结论：利用更宽的信道带宽和较低阶的调制编码方

201610—20-2研究与探讨.indd 56 2016-12-5 11:36:29

研究与探讨

572016年第20期

案（Modulation and Coding Scheme，MCS）与使用

较高阶的MCS和较小的信道带宽相比，可以通过较少

的能量损耗，达到相同的吞吐率性能。文献[7]分析能

量效率与信道带宽、自适应传输速率、空间流的相互

关系，得出的结论是：可以通过三个方法降低能量损

耗，分别是提升信道带宽，采用自适应调制和编码技

术，增加并行的空间流数目。802.11ac 大限度地利

用信道带宽，根据不同UE的信道情况提供自适应的调

制与编码选择，支持1至8路空间流，因此802.11ac的

能量效率很高。

3.4 安全切换时间切换过程通常伴随着UE、AP与EPC之间交互的各

种信令报文，存在伪AP、拒绝服务与重放攻击等安全

威胁。为了保证切换前后UE通信的正常运行，802.11

系列协议设计了安全切换处理流程，首先建立与新AP

的新信道，然后进行接入认证与密钥协商， 后完成

业务关联[8]。802.11ac的目的是减少切换的时延，支持

对时延敏感的实时业务。切换时延包括执行802.11安

全协议所产生的认证时延、密钥交换时延以及重关联

时延等。802.11ac通过研究新的认证协议、新的密钥

管理协议、更快的成对临时密钥（Pairwise Transient

Key，PTK）算法以及在重关联或者关联之前的资源预

留，使安全切换时间压缩到 小程度[9]。

4 融合发展随着Wi-Fi技术的发展，传统与新型Wi-Fi设备共

存、密集部署的无线网络间干扰以及安全切换时延成

为网络应用发展的瓶颈，结合SDN、NFV、增强型认

证与快速切换等关键技术，更好地适应未来网络延展

性、灵活性、安全性的需求。

4.1 基于SDN的Wi-Fi网络架构新一代Wi-Fi的显著特征是灵活性与适应性。如图

2所示，基于SDN理念重新构建Wi-Fi网络架构，网络

划分为基础设施层、控制层、应用层。基础设施层部

署虚拟化的接入适配网元，适配Wi-Fi在内的各种无线

网络制式，大量可编程的SDN交换机实现业务数据传

输、转发、处理和状态收集。控制层由一系列分布式

的SDN控制器组成，SDN控制器集中管理网络感知、

接入控制、路由选择、资源分配等网络服务，SDN控

制器与SDN交换机采用开放流表（OpenFlow）协议

作为通信接口。应用层由众多不同业务组成，这些业

务可由S D N控制器调度和分配，S D N控制器和网络

服务之间通过开放的应用程序编程接口（Application

Programming Interface，API）衔接。

SDN技术可以解决无线网络密集部署出现的干扰

复杂和负载分布不均问题，以CROWD项目为例 [10]，

802.11ac网络资源（包括空口资源和回传网络资源）

集中形成一个资源池并对其进行统一管理和动态分

配，SDN控制器能够掌握实时的网络动态，多个SDN

控制器可以进行协同和交互，实现更大范围内的管理

信息共享，并提供所需的支持策略部署的灵活性网络

资源管理。S D N交换机支持业务数据流进行本地转

发，提升交换机设备的转发能力，减轻网络负载压

力。SDN技术在提升802.11ac网络资源利用率、降低

能耗的同时，还可以通过协作化技术来有效实现干扰

协调和负载均衡，提升网络性能。

图2 基于SDN的Wi-Fi网络架构模型

4.2 无线网络侧虚拟化现有无线网络的基础设施归属于不同网络运营

商，服务供应商希望提供给UE在不同网络资源共享、

无缝切换的使用体验。在Wi-Fi技术中引入NFV技术，

将网络资源（包括物理设备资源和频谱资源）从硬件

中解耦出来，集成为以软件为基础的管理平台，实现

201610—20-2研究与探讨.indd 57 2016-12-5 11:36:29

研究与探讨

58 2016年第20期

不同网络的共存与管理，支持业务上下文感知和网络

资源优化配置。NFV技术以业务为基础，针对不同的

业务和应用类型选择不同的虚拟资源为其提供服务，

AP作为数据节点不再是独立的物理实体，而视为抽

象的处理资源，网络根据实际的业务负载，动态地将

资源分配给对应的网络。文献[11]提出802.11ac的业

务不再局限于由固定的网络基础设施提供，而是综合

无线信号质量、数据节点负载程度以及业务QoS需求

等因素，由多个数据节点通过协同多点（Coordinated

Muti-Point，CoMP）传输技术为某一业务提供高速率

和稳定的优质服务。

UE移动过程中为其提供服务的数据节点需要发生

改变，以获取持续的优质服务，NFV技术可以有效解

决密集部署无线网络场景下的移动性问题。首先，来

自核心网的数据汇聚到Wi-Fi管理节点，由管理节点转

发到底层各数据节点，降低了核心网路径转换概率和

时延。其次，UE在加入虚拟网络时，就已经完成接入

控制、资源预留以及上行同步，避免了原切换过程中

这部分操作带来的时延。 后，用户或业务的上下文

信息在各节点之间共享和同步，可以随着UE的移动随

时快速转换数据节点，避免了复杂的切换过程[12]。

5 实验与性能分析本节重点研究新一代Wi-Fi应用的3个典型实例：

（1）VHT Wi-Fi设备与传统Wi-Fi设备共存；（2）密

集部署的无线网络间干扰；（3）UE在VHT Wi-Fi间移

动切换。首先介绍实验平台，然后对各实例进行测试

与性能分析。

5.1 实验平台

实验平台使用符合COTS 802.11ac、802.11a、

802 .11n标准的设备（包括AP、UE）。802 .11ac设

备配有Broadcom BCM4360双频AC芯片组，支持多

达三个空间流和20 MHz/40 MHz/80 MHz信道带宽。

802.11a、802.11n的设备配有Atheros AR9580芯片组，

信道带宽分别为20 MHz、40 MHz。部署实验环境A

室（2 m×5 m，AP密集部署）和B室（8 m×15 m，

A P 松散部署）。在实验环境周围没有其它工作在

2.4 GHz/5 GHz频段的无线网络。通过Iperf进行网络

性能测试，AP与UE下行链路 大吞吐率的平均值达

到700 Mbps（802.11ac，80 MHz带宽）、300 Mbps

（802.11n，40 MHz带宽）、25 Mbps（802.11a，20 MHz

带宽）。

5.2 共存性分析未来8 0 2 . 11 a c系列设备大量涌入市场，新型和

传统Wi-Fi设备间的共存性问题必将引发关注，实验

分析添加802.11ac AP对现有的网络性能的影响以及

802.11ac AP能否有效替代现有的802.11a/n AP。

如图3所示，在A室测试对比一台802.11ac AP接入

802.11a/n/ac等多台UE，与802.11a/n/ac多台AP各接入

一台相同模式UE的网络性能，每台UE的业务类型相

同。当802.11ac AP接入802.11a/n UE与接入802.11ac

UE相比，整个网络吞吐率下降严重，其中接入802.11a

UE的下降幅度要比接入802.11n UE的下降幅度更加

明显。对于后一种情景，即使AP间使用互不相交的

信道，在狭小环境内配置多台不同模式AP与仅配置

一台802.11ac AP相比，整个网络吞吐率也会变差，

然而802.11a/n设备可以达到的吞吐率稍高。这是由于

AP间受邻道干扰的影响导致网络性能下降，但是增加

802.11a/n AP比单台802.11ac AP更好地支持802.11a/n

U E 的 无 线 数 据 传 输 。 尽 管 传 统 W i - F i 设 备 （ 例 如

802.11a）向后兼容性差而导致网络性能的下降，但

仍可以与新型Wi-Fi设备共存，单独配置一台802.11ac

AP为802.11n/ac UE提供的吞吐率可以满足高速率的应

用服务需求。

图3 Wi-Fi设备间共存性分析测试

5.3 网络干扰分析密集部署的无线网络易受干扰，实验分析Wi-Fi

700

600

500

400

300

200

100

01AP(802.11ac) 2APs(802.11n/ac) 1AP(802.111ac) 3APs(802.11a/n/ac)

网络配置

合计802.11ac UE802.11n UE802.11a UE

吞吐

率/M

bps

201610—20-2研究与探讨.indd 58 2016-12-5 11:36:29

研究与探讨

592016年第20期

频域有多个网络运行相互产生的影响。如图4（a）所

示，在B室分别对三种配置进行性能测试，其中AP1、

AP2为802.11ac设备，AP3、AP4为802.11n设备，每一

台AP均接入一台相同模式UE。其中，配置1的AP1与

AP2复用带宽为80 MHz的信道；配置2的AP1、AP3分

别使用带宽为80 MHz、40 MHz相交的信道；配置3的

AP1、AP3、AP4分别使用带宽为80 MHz、40 MHz、

40 MHz相交的信道，但AP3、AP4使用信道不相交。

测试结果如图4（b）所示，配置1中两台802.11ac

AP使用的信道重合，吞吐率性能受同频干扰影响较为

严重，与单个802.11ac AP独自运行相比，吞吐率下降

约10%~15%。配置2中AP3虽然仅与AP1使用带宽的

部分信道重合，但产生的干扰也会导致AP1和AP3下

行链路吞吐率的明显下降，其中802.11n性能受干扰影

响更为严重，当与802.11ac AP重合时，吞吐率下降约

35%~40%。配置3中一个802.11ac AP与两个802.11n AP

复用信道时，整个网络吞吐率进一步下降，802.11ac

AP吞吐率近似于802.11n AP在没受到干扰情况下的吞

吐率，802.11n AP吞吐率下降约为50%~55%。

基于上述的测试结果，得出的结论是：以802.11ac

为代表的 V H T W i - F i 有效提升网络吞吐率，但与

802 .11a /n并存时，网络性能变差是不可避免的，尤

其在网络空间较小及使用的信道相互交叠时。因此，

密集部署的无线网络对SDN技术具有强烈需求。图4

（c）为不同网络配置情况下，基于SDN的Wi-Fi网络架

构与传统网络架构的吞吐率比较。SDN控制器能够实

时掌握UE侧的信号强度，AP侧的空闲带宽和无线链路

干扰状况，对网络资源进行合适的调配，有效实现干

扰协调和负载均衡，相比传统网络架构能提供更好的

吞吐率性能。从图4（c）可以看出，配置1、配置2和

配置3的吞吐率性能分别提升45%~50%、35%~40%和

25%~30%。其中，802.11ac比802.11n能更有效支持频

谱分析，其与SDN相结合能更好地实现对AP工作信道

的集中控制管理，在吞吐率性能上获得更大的提升。

6 结束语无线网络密集部署是解决未来移动业务快速增长

需求的必然趋势。本文关注VHT Wi-Fi在无线网络密

集部署的典型应用，评估相关应用对VHT Wi-Fi性能

的需求，研究VHT Wi-Fi与SDN、NFV结合后的网络

架构和虚拟资源管理等。搭建实验环境测试传统与新

型Wi-Fi设备共存、密集部署的无线网络间干扰。实验

结果表明：VHT Wi-Fi能有效提升网络吞吐率，但与

802.11a/n并存时，网络性能变差无法避免，尤其是在

空间较小及使用信道相互交叠时。结合SDN、NFV等

技术可以实现延展性和抗干扰性，在吞吐率性能上获

得更大的提升，保障VHT Wi-Fi在未来密集部署的无

线网络中发挥重要作用。

1

2

3

5170MHz 5250MHz频域

AP2

AP1

AP1

AP3

AP1

AP4AP3

配置 AP1 AP2 AP3 AP4

吞吐率/Mbps

3

2

1

网络

配置

0 100 200 300 400 500 600 700

AP1AP2AP3AP4

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

3

2

1

网络

配置

吞吐率/Mbps

传统网络架构基于SDN网络架构

（a）网络配置

（b）网络干扰分析性能测试

（c）基于SDN网络架构与传统网络架构性能比较

图4 Wi-Fi网络间干扰分析测试

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研究与探讨

60 2016年第20期

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Wireless Information Networks and Systems (WINSYS)

[C]. Reykjavik, 2013: 207-214.★

作者简介

杨建红：硕士毕业于四川大学无线

电系无线电电子学专业，现任职于

中国民航局第二研究所，主要研究

方向为电路与系统、无线通讯技

术、机场弱电系统、嵌入式系统应

用和LED照明技术。

赵越：高级工程师，博士毕业于西

南交通大学通信与信息系统专业，

现任职于保密通信重点实验室，主

要研究方向为无线网络与信息安

全，在国际、国内学术刊物及会议

上发表论文30余篇，申请技术发

明专利6项、已授权3项，IEEE标

准提案1项。

滕飞：硕士毕业于兰州大学电子科

学与技术专业，现任职于邮政科学

研究规划院，主要研究方向为嵌入

式系统应用，大型信息系统研发。

201610—20-2研究与探讨.indd 60 2016-12-5 11:36:31

研究与探讨

612016年第20期

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

收稿日期：2016-06-21

随着数据业务的不断发展，IP网络规模建设不断扩大。根据SDN技术架构要求，提出IP RAN网络智能路由管理

系统，通过实验测试表明所研发的智能路由管理系统能实现全局网络路由可视化、路由抖动、故障告警及事件

回放等管理功能，对后续简化网络运维具有重要的指导意义。

智能路由 IP RAN网络 SDN技术 集约化

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.012 中图分类号：TN915.06 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0061-05

引用格式：尹远阳,孙嘉琪,卢泉,等. 基于SDN的IP RAN网络智能路由管理系统应用研究[J]. 移动通信, 2016,40(20): 61-65.

【摘 要】

【关键词】

尹远阳，孙嘉琪，卢泉，杨广铭

Research on Application of Intelligent Routing Management System of IP RAN Network Based on SDN

With the continuous development of data services, IP network construction scale continues to expand. According to the requirements of SDN technical architecture, this paper proposed IP RAN intelligent routing management system, the experimental test result shows that the research and development of intelligent routing management system can realize the function of the whole network visualization of network routing, routing jitter, routing fault alarm and event playback management, providing important guidance for the following simplifi cation of network operation and maintenance.intelligent routing IP RAN SDN intensive management

YIN Yuan-yang, SUN Jia-qi, LU Quan, YANG Guang-ming

[Abstract]

[Key words]

(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

1 引言随着宽带互联网业务与LTE移动承载网络的大规

模部署与快速发展，以中国移动的PTN网络、中国联

通和中国电信的IP RAN网络为典型，基站业务的接入

承载网络都在大规模地进行建设部署。IP网络规模日

益庞大，作为运营商如何为客户提供高速协同接入、

高效运维管理、质量按需保障的业务差异化服务，这

也是运营服务商网络由传统的“哑管道”向精细化的

“智能管道”转变的动力源泉[1]。国内外目前只有美国

的Packet Design公司研发的Explorer Router是一款比

较成熟的路由分析系统，但是该系统非常昂贵而且是

基于license来实现服务网络规模，并且运维人员在没

有经过特殊培训的情况下使用该系统有一定的技术难

基于SDN的IP�RAN网络智能路由管理系统应用研究

201610—20-2研究与探讨.indd 61 2016-12-5 11:36:32

研究与探讨

62 2016年第20期

度。运营商是网络服务中智能管道的提供者，而数据

IP网是一种动态的、智能的网络。路由协议的动态性

及网络路由故障的未知性一直困扰着网络管理者和维

护人员，使网络管理人员难以掌握全局的网络路由控

制能力 [1，3，6]。针对超大规模的IP RAN网络维护问题

以及如何提高智能管道差异化服务问题，网络服务提

供者有必要针对自己网络的特性，对IP网络路由实现

智能化管理进行深入的应用研究，实现对IP RAN超大

规模网络路由状态进行观察、监控、分析。

2 IP RAN网络发展及面对的问题IP RAN是指以IP/MPLS协议及关键技术为基础，

主要面向移动业务承载并兼顾提供二三层通道类业务承

载，以省为单位，依托CN2骨干层组成的端到端的业务

承载网络[3]。在IP RAN网络中主要包括接入层、汇聚层

和核心层，而核心层又分为城域核心层、省核心层，具

体IP RAN承载网络的基本架构如图1所示[3，4]：

图1 IP RAN综合承载网络基本架构

接入层A设备接入的业务主要包括基站业务、政

企类业务。政企通道业务主要采用二层PW方式。对

于汇聚层B设备，主要实现的是终结p w业务，开启

L2VPN或L3VPN业务。逻辑上接入环内采用的是IGP

路由协议中的OSPF协议，而汇聚环以上采用ISIS路由

协议与接入环实现路由隔离。IP RAN承载网络随着4G

及4G+的部署商用和政企专线业务承载，甚至后续作

为新建DCI云承载网络的延伸接入，使得IP RAN这张

网络显得越来越重要，采用的技术也就越来越复杂，

对于超大规模IP RAN网络路由管理和维护将会出现以

下几个问题：

（1）超大规模的IP RAN网络路由管理

未来5G时代IP RAN网络需要接入更多基站、承载

带宽更大、时延要求更低、网络调度能力更智能。因

此对IP RAN承载网而言，整张网络路由数量也会对应

增加。如果网络域内或域间路由发生变化或是异常抖

动，路由收敛速度直接影响到整张网络的稳定性，进

一步增加了运维人员排除网络障碍的难度。

（2）多种网络路由协议维护

IP RAN承载网络设备之间运行了多种网络路由

协议，比如IGP、BGP、IBGP、MPLS VPN路由信息

等。当网络间路由抖动或部分路由发生异常时，通过

传统网管展现的物理链路拓扑已经无法监测逻辑路由

的变化，因此无法准确定位网络故障的根源，很难监

测网络的服务质量以及缺少对VPN路由管理的监控手

段，只能通过一段一段地测试进行排除，工作量大，

耗时长。

（3）统一可视化的网络路由智能化管理

新型SDN技术的兴起，根据现网建设和维护的要求

如何在现有的IP RAN网络中采用SDN技术架构设计理

念对IP RAN网络中海量网元进行统一性管理，掌握全

局网络路由信息，实现全网IGP、BGP路由拓扑可视化

管理、路由抖动监测、故障报表、VPN路由时间监测、

路由回放等功能，满足业务快速响应、故障快速定位等

功能要求是实现智能路由管理重要的研究内容。

SDN技术是一种新的网络架构发展 [5，12]，它的兴

起改变了传统网络的发展模式，同时也为整个通信领

域的后续发展和演进提供了技术支持和方向选择，是

简化网络管理和运维 为理想的实现方式。本文针对

上述几个问题，重点对IP RAN承载网络中路由管理问

题进行研究，并根据网络的实际要求对研发的路由管

理系统进行了实验测试，取得了一定的成果。

201610—20-2研究与探讨.indd 62 2016-12-5 11:36:32

研究与探讨

632016年第20期

3 基于SDN技术的IP RAN网络智能路由

系统

3.1 RAN智能路由管理系统架构

IP RAN这张网所采用的设备和技术都是新技术的

集合，是一张扁平化和集约化管理的承载接入网络。

IP数据网络是通过路由协议的交互来保证整个网络的

通信。对于刚接触IP RAN网络维护的人员来讲，现有

的简单运维技术还无法准确对网络路由抖动及故障进

行定位，也没有一套完整的分析系统对现有网络资源

数据进行整合和挖掘分析。

在 I P网络中网络路由具有动态性、可变性等特

点，本文对现有网络特点及路由特征进行分析，确定

基本的路由管理系统实施方案。以SDN技术理念为指

导，初步设计了基于SDN技术的智能路由管理系统的

基本架构[5]，在系统设计中根据路由管理功能要求，确

定各模块功能并对其进行开发，系统架构如图2所示：

图2 智能路由管理系统架构

由图2可知智能路由管理系统主要分为三层，每

层之间通过开放接口协议来实现各组件之间的信息交

互，各模块之间信息处理由控制器统一进行，数据都

存入在DB（Data Base）库中。

（1）应用层：这是系统的展示层，该层的主要功

能是将SDN控制器处理后的数据通过北向接口，按照

规定的格式要求提出相关数据，并将数据转换成对应

的图形界面及按钮形式展现给运维人员。可以实现路

由全局逻辑拓扑视图，在该视图上可以实时动态地监

测路由状态、路由抖动、故障分析报表、路由快照回

放、VPN路由监测等功能。

（2）控制层：主要是由处理核心控制器、事务处

理模块、数据库管理等子模块组成。该层主要是实现

整个网络中路由信息收集和加工处理以及完成对历史

事件的存储。考虑到设备的支持能力及要求，系统设

计方案可以有两种实现方式：一种是在基础设施层本

地网或单域内设置普通路由代理器方式，通过该区域

代理路由器收集全局路由信息，再经过TCP协议封装

上报给控制层的管理中心。另一种是基于开源技术的

ODL方式，在不同区域部署ODL方式开发的仿真路由

器通过标准的REST北向接口上报全局路由信息给控制

层[2]，实现全网路由监测。

（3）基础设施层：主要是被监测物理网络的路由

器设备，在路由器中运行了各种路由协议，物理路由

器与开发的路由仿真器之间通过路由协议交互信息。

3.2 智能路由管理系统代理路由器与控制层通信

设计

（1）路由代理与控制层中心管理平台通信建立流程

步骤1：协议启动，加载所开发的代理路由器通信

模块，打开TCP连接并周期性地发送Hello心跳报文；

步骤2：若3次发出Hello后未收到控制层中心管理

平台发送Hello报文，则代理路由器通信组件将连接状

态置为DOWN；

步骤3：连接状态为DOWN时代理路由器模块不

处理任何数据上报消息，直到TCP连接状态变为UP

为止；

步骤 4 ：当控制层的中心管理平台启动并发出

Hello报文后，代理路由器模块收到心跳Hello后将接口

通信连接置为UP；

步骤5：代理路由器模块通过路由协议模块请求网

络路由信息，并全量上报路由（状态）信息。

（2）控制层中心管理平台主动请求数据上报流程

步骤1：代理路由器仿真节点在IP RAN智能路由

管理系统启动后，会主动与路由管理系统进行会话通

信，完成会话后，主动上报网络路由信息；

步骤2：中心管理平台根据自身需求（如同步数据

等），发送请求到代理模块请求指定类型数据上报；

201610—20-2研究与探讨.indd 63 2016-12-5 11:36:32

研究与探讨

64 2016年第20期

步骤3：代理路由器节点根据请求消息向内部协议

请求相应数据并上报给中心管理平台。

路由代理启动与中心平台请求上报数据交互过程

如图3所示：

图3 路由代理启动与中心平台请求上报数据交互过程

通过上述的两个交互过程，路由代理器和中心控

制平台之间已经建立起可靠的TCP连接用来彼此传输

需要的数据。在建立好连接的情况下，中心管理平台

向路由模块发送请求上报路由状态信息，本地路由代

理进程将路由状态信息全量发送给路由代理中心，然

后路由代理将收集路由信息（如IGP路由状态、BGP路

由信息、路由代理、OSPF、ISIS、BGP/RTM），数

据按照路由协议标准封装成标准的TCP数据流，全量

上报给中心管理平台。由中心平台控制器还原所收集

的区域网络逻辑拓扑结构，在监控管理平台以可视化

的网络图形展现给维护人员。该平台还能根据链路监

测要求对链路路由拓扑进行实时分析。

4 基于SDN的IP RAN网络智能路由系统

验证实验

4.1 验证系统性能网络仿真测试

为了验证系统的基本功能是否满足路由的可视化

监测以及动态路由管理等功能，为此通过思博伦仪表

仿真不同路由节点，节点数量为4000个，模拟一个完

整的网络模型。该模型中主要分为三层：接入层、汇

聚层、核心层，具体测试网络部署的拓扑示意图如图4

所示。

图4中路由代理基于TCP传输方式，主动收集区域

内路由信息，与智能路由管理系统建立通信连接后，

当中心管理平台请求全量上报时，路由代理的通信

组件将当下路由信息以定义好的数据格式主动上报给

中心管理平台数据中心，从而实现实时的路由拓扑视

图。当域内或域间路由发生变化时，路由代理监控到

路由变化，应用层能动态地展示路由抖动状态，并保

存原有路由状态信息，实现路由抖动监控和路由状态

统计。

4.2 IP RAN网络智能路由系统测试结果

在智能路由管理系统中，为了实现可视化查询路

由状态的变化情况，该系统能完成全局路由拓扑信息

视图展示、路由统计报表、TOPN报表、路由故障告警

展示、路由历史事件回放等可视化管理。

（1）测试结果1：全网路由拓扑及路由抖动实时

展现

代理路由器将接收的模拟网络的LSP路由信息上

报给智能路由管理系统的控制器处理，控制器按照路

由协议及定义的封装格式将提出的数据进行封装。然

后由智能监控平台处理后将数据转换为可视化的方式

图4 网络测试实验拓扑

201610—20-2研究与探讨.indd 64 2016-12-5 11:36:33

研究与探讨

652016年第20期

实时展示给网络维护者和相关使用用户，同时系统支

持实时刷新加载网络中新增的路由逻辑拓扑管理。根

据图4的要求进行网络部署，登录系统点击对应的可控

键就可以看到实时的路由拓扑展示，具体如图5所示。

当路由发生抖动时该界面视图会产生红线（闪动）提

示用户该段路由发生故障，如图5中的红色线条所示。

（2）测试结果2：链路路由故障告警统计展示

在模拟的网络中选择一条或数条原本正常的路

由，在路由器上经过配置操作使其路由不断发生撤销

然后又重新收敛建立等操作，IP RAN智能路由管理系

统根据系统收集的数据处理，将对应的路由关键标识

存入到后台的数据库中，用户只要在系统界面点击对

应的按钮，通过筛选查询就可以获得该段时间路由故

障的报表，并将所有监测信息以TOPN的报表形式呈现

在网络维护人员面前。

（3）测试结果3：路由历史事件回放功能展示

IP RAN网络智能路由管理系统可以根据用户需要

在界面指定时间间隔来定期生成路由拓扑快照并存储

在系统中。通过该事件的回放功能对比处理用户可以

轻松观察一段时间内路由的变化过程，用户可全天候

查看整个过程的各个时间段的回放基准点，回放全网

路由在什么时间段发生了哪些变化。对于路由历史事

件回放功能，维护人员可以自由选择记录的路由快照

作为路由回放起点，观察这期间路由拓扑前后时间段

发生的变化，实现路由故障定位、定点分析。

5 结束语超大规模IP RAN网络的复杂路由管

理、路径优化和业务质量保障等问题一

直困扰着网络运维人员。本文对IP RAN

网络特点进行了分析，为了进一步提高

IP RAN网络智能化管理程度，重点对

SDN开源技术和网络运维需求进行了深

入研究，提出了基于SDN的超大规模IP

RAN网络智能路由管理系统设计方案。

根据网络维护管理的实际要求对智能路

由管理系统进行了定位分析和系统软件

研发， 终完成了系统功能测试。研究

及测试结果表明所研发的智能路由管理

系统能实现网络路由拓扑可视化管理、网络路由抖动

实时监测、路由故障告警、TOPN统计等管理功能，并

对系统的可靠性做了充分的论证。同时研究内容对进

一步推动IP RAN网络向SDN智能网络演进提供了重要

的指导意义。

参考文献：[1] 王歆平,王茜,刘恩慧,等. 基于SDN的按需智能路由系统

研究与验证[J]. 电信科学, 2014(4): 8-14.

[2] Open daylight. OpenDaylight：开源 SDN [EB/OL].

[2016-06-15]. http://www.opendaylight.org.

[3] 中国通信标准协会. YD/T 3020-2016基于SDN的IP

RAN网络技术要求[S]. 2016.

[4] 尹远阳,卢泉,杨广铭,等. IP RAN综合承载网络中引入

SDN技术的应用研究[J]. 移动通信, 2015(24): 39-44.

[5] 杨沛霖,吕光宏,张团利. 关于软件定义网络可扩展性的

综述[J]. 计算机应用研究, 2016(4): 967-972.

[6] 刘彩红,魏战争. 对计算机网络问题中路由器故障的分

析[J]. 黑龙江科技信息, 2016(9): 175.

[7] 孙嘉琪,杨广铭,卢泉. IP RAN SDN的研究与实践[J]. 互

联网天地, 2014(9): 44-49.

[8] 陶智勇,高潮. 基于OpenFlow网络的流媒体传输QoS的

研究与设计[J]. 电视技术, 2015 (3): 133-135.

图5 全网路由拓扑及路由抖动实时展现图

（下转第 69 页）

201610—20-2研究与探讨.indd 65 2016-12-5 11:36:33

研究与探讨

66 2016年第20期

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

收稿日期：2016-07-15

针对后付费用户出国使用漫游数据业务出现的天价话单问题，提出实时提醒功能实现方案。通过在国际漫游

GGSN设备上配置基于Diameter协议的Gy接口，新建流量实时提醒平台，从而实现流量监控、提醒和控制的功能。

C2G国际数据漫游 Diameter协议 信用控制 实时提醒

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.013 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0066-04

引用格式：李雪馨,吕振华. C2G数据国际漫游流量实时提醒实现方案研究[J]. 移动通信, 2016,40(20): 66-69.

【摘 要】

【关键词】

李雪馨，吕振华

Research on Real-Time Reminding Solution of C2G InternationalData Roaming Traffi c

Targeting the shocking bill of international data roaming service, the real-time reminding solution was presented. By confi guring the Gy interface based on Diameter protocol in the international roaming device GGSN, the new traffi c real-time reminding platform was built to realize the function of traffi c monitoring, reminding and controlling.C2G international data roaming Diameter protocol credit control real-time reminding

LI Xue-xin, LV Zhen-hua

[Abstract]

[Key words]

(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

1 引言随着生活水平的提升，人们出国旅游的需求出现

爆发式增长。同时，微信、微博、地图导航等互联网

应用的普及，促使数据上网成为 基本的通信需求。

与此同时，因为国际漫游话单是由漫游地运营商产

生，回传至国内运营商计费中心存在延时，天价数据

漫游费的新闻不断爆出，少则上千，多则几十万，这

给消费者和运营商都造成极大的困扰。如何对用户的

数据漫游用量进行实时监控和控制，杜绝天价费用，

已成为运营商的当务之急。

2 C2G数据国际漫游原理及计费流程

2.1 数据漫游原理C 2 G 数据国际漫游网络组织架构如图 1 所示，

信 令 网 和 I P 网 络 中 相 关 设 备 共 同 完 成 数 据 漫 游 业

务。其中，关键设备包括GC网关、SGSN（Serving

GPRS Support Node，服务GPRS支持节点）、GGSN

（Gateway GPRS Support Node，网关GPRS支持节

点）、CG（Charging Gateway，计费网关）和DNS

（Domain Name System，域名系统）等。

GC网关担当GSM HLR的角色，支持与SGSN之

C2G数据国际漫游流量实时提醒实现方案研究

201610—20-2研究与探讨.indd 66 2016-12-5 11:36:34

研究与探讨

672016年第20期

间的Gr接口与GGSN之间的Gc接口，使CDMA用户漫

游到GSM网络后，能够使用GPRS提供的服务及GPRS

信息处理和移动性管理。SGSN为移动台提供移动性

管理、路由选择、加密及身份认证等服务。GGSN是

用于接入外部数据网络和业务的节点。CG负责原始漫

游话单的采集，预处理后转发给计费中心。DNS则根

据用户接入时的APN（Access Point Name，接入点名

称）解析出对应的GGSN地址。

C2G数据漫游业务建立流程如下：

（1）用户在漫游地发起附着流程，附着上漫游地

的SGSN。

（2）漫游地SGSN通过信令网发起回归属地GC网

关/HLR的接入鉴权流程。

（3）用户使用GPRS业务时，先进行PDP激活流

程。漫游地SGSN检查用户所使用的APN，通过DNS解

析得到对应的GGSN地址。

（4）漫游地SGSN向相应的GGSN发送PDP激活

请求，GGSN进行APN解析并在响应消息中为终端分

配IP地址，建立GTP隧道连接。

（5）用户使用数据漫游业务，CG设备收集计费

话单。

2.2 数据漫游计费流程

数据漫游计费流程分为国际和国内段处理过程，

如图2所示。

（ 1 ）用户在漫游地使用上网业务后，漫游地

SGSN生成原始话单，经CG网关预处理后，发送至归

属地运营商的全国计费中心。此处，全国计费中心每

天接收1次国际出访话单。

（2）全国计费中心对漫游话单批价后，下发至各

省计费部门，下发频次是15分钟。

图2 数据国际漫游计费流程

由上述流程可以看出，通过计费系统对国际数据

漫游进行用量/高额监控，延迟至少1天以上，而1天时

间足以产生巨额话费。

3 C2G数据国际漫游流量实时提醒方案本方案通过在GGSN配置基于Diameter协议的Gy

接口，实时监控用户流量，从而实现数据国际漫游用

量的实时提醒功能。

Diameter协议是新一代的AAA（Authentication鉴

别、Authorization授权、Accounting计费）协议，在

此基础上扩展的信用控制协议（Credit Control）具备

实时监控流量的功能，包含信控服务器和信控客户端

两部分。信控服务器类似预付费服务器，根据预先配

置的额度或者用户订购信息，按照信控流程向信控客

户端下发可用配额。信控客户端根据服务器下发的配

额放通用户的业务使用，当配

额为零时，业务将被终止，如

图3所示。

信用控制详细流程如下：

（1）用户申请建立业务连

接，需向AAA服务器申请业务

授权，鉴权通过后向CC服务器

发送信用控制请求（CCR）消

息，申请初始配额。CC服务器

根据配置策略，通过信用控制

应答（CCA）消息下发初始配

额。AAA服务器授权用户使用图1 C2G数据国际漫游组网架构及业务建立流程示意图

201610—20-2研究与探讨.indd 67 2016-12-5 11:36:34

研究与探讨

68 2016年第20期

业务，CC服务器启动流量监控流程。

（2）用户使用业务过程中，C C客户端与C C服

务器之间通过CCR和CCA消息对申请和下发信用进

行配额。

（3）当用户使用的流量达到预先配置的额度，

C C服务器通过C C A消息告知C C客户端信用额度已

用完，连接拆除，业务停止使用。后续，CC客户端

通过CCR消息告知CC服务器本次业务连接使用的总

额度，CC服务器累计用户的用量后向CC客户端返回

CCA消息。

基于以上D i a m e t e r信用控制原理，国际漫游流

量实时提醒功能的实现方案如图4所示。新建国际漫

游流量实时提醒平台（ C C 服务器），通过 G y 接口

（支持D i a m e t e r信用控制协议）与国

际漫游设备G G S N（C C客户端）相连

接，实时监控用户数据流量。同时，

平台与短信中心相连接，用于向用户

下发提醒短信。

具体流程如下：

（1）用户发起数据业务连接，海外

SGSN向国内GGSN申请建立PDP连接。

（2）GGSN触发Radius鉴权请求，

送至省AAA进行鉴权。

（3）鉴权通过后，触发与流量实

时提醒平台的Gy交互流程，如果Gy交互

通过，则GGSN建立本次PDP连接。如

果Gy流程中收到平台的拒绝响应消息，

则GGSN拒绝建立本次PDP连接。如果

G G S N与平台之间的G y接口故障，则

GGSN默认建立本次PDP连接。

（4）用户使用数据业务，平台根据设定的流量

额度，实时以短信方式通知用户使用情况。一旦超出

高额控制门限，立即暂停数据业务使用，并短信通知

用户。

4 结束语目前流量实时提醒平台已在试点省上线运营，

用户能实时了解自己的流量使用情况，使用起来更放

心。基于Gy接口的流量实时提醒平台，通过实时监

控用户流量，及时提醒用户数据漫游用量情况，提高

了用户的满意度。高额提醒或断网功能能够避免用户

因疏忽或恶意使用数据业务带来的运营收入损失。后

续平台还可以与PCRF（Policy Control and Charging

Rules Function，策略控制和计费规则功能）设备相

连，制定更丰富的QoS策略，如包天不限量限速流量

包等，为用户提供更多样和方便的业务形态，增加客

户黏性。

参考文献：[1] Fajardo. Diameter Base Protocol[S]. 2012.

[2] Hakala. Diameter Credit-Control Application[Z]. 2005.

图3 Diameter信用控制原理示意图

图4 C2G数据国际漫游流量实时提醒方案示意图

201610—20-2研究与探讨.indd 68 2016-12-5 11:36:34

研究与探讨

692016年第20期

（上接第 65 页）

[3] 王一新 ,冯征 . 基于Gy接口的分组域实时计费系统

[J]. 电信工程技术与标准化, 2012(9): 63-67.

[4] 钟青峰,王霞德,王军. CtoG数据漫游技术与实现[J].

电信科学, 2010(S1): 155-161.

[5] 于化龙. 移动国际漫游市场定价及结算模式研究[D].

北京: 北京邮电大学, 2010.

[6] 杨静雯,张忠平. GSM/GPRS漫游接入数据用户路由

回归属地的研究[J]. 电信科学, 2007(10): 11-16.

[7] 唐国芳,陈春玲. Diameter协议及其在3G计费中的应

用[J]. 广东通信技术, 2008(1): 69-73.

[8] 于富东,杨林,孙逊,等. GPRS核心网实时计费方案研

究[J]. 电信工程技术与标准化, 2012(9): 59-62.

[9] 刘小发,宋齐军,张珂珂. 国际出访用户数据业务实时

计费实现方案探讨[J]. 邮电设计技术, 2010(8): 11-14.

[10] 王义,崔萌. GPRS网络实时计费组网研究[J]. 互联

网天地, 2013(1): 26-34.★

作者简介

李雪馨：硕士研究生毕业于华南理

工大学通信与信息系统专业，现任

职于中国电信股份有限公司广州研

究院，主要研究方向为移动通信、

WLAN无线网络、国际漫游产品研

发与支撑。

吕振华：高级工程师，毕业于北

京邮电大学计算机通信专业，现

任职于中国电信股份有限公司广

州研究院，主要从事下一代网络

技术研究及国际漫游增值业务产

品研发工作。

作者简介

尹远阳：硕士毕业于重庆邮电大

学，现任职于中国电信股份有限公

司广州研究院，主要从事IP技术

和IP数据网络研究、SDN技术应用

研究等工作。

孙嘉琪：硕士毕业于中山大学，现

任职于中国电信股份有限公司广州

研究院，主要从事IP技术研究和

SDN技术应用研究等工作。

卢泉：高级工程师，硕士毕业于哈

尔滨船舶工程学院，现任职于中国

电信股份有限公司广州研究院，主

要从事IP技术研究和SDN技术应用

研究工作。

[9] 俞淑妍,丁健,刘江,等. 校园级SDN创新试验平

台的研究与实践[J]. 信息通信技术, 2014(1):

30-35.

[10] 陈斌,季文翀,邱忠辉. IPv6网络管理与运营支撑

系统的研究与设计[J]. 中兴通讯技术, 2006(1):

17-21.

[11] 何鹏,陆建新,陈继红,等. 针对路由信息残缺

的网络拓扑发现研究与实现[J]. 计算机工程,

2009(3): 130-132.

[12] E Haleplidis, J Hadi Salim, S Denazis. Towards

a network abstraction model for SDN[J]. Journal

of Network & Systems Management, 2014,23(2):

1-19.★

201610—20-2研究与探讨.indd 69 2016-12-5 11:36:35

专用通信

70 2016年第20期

外军宽频多模战术无线电发展现状浅析

收稿日期：2016-10-12

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

Overview of Development Status of Foreign Military Multiband Tactical Radio

为了全面分析外军宽频多模战术无线电的发展现状，首先介绍了美军战术无线电的部署情况和战术装备要

求，随后分析了外军现役宽频多模战术无线电的应用现状和技术特点，最后得出外军宽频多模电台发展对我

军的启示。希望通过对外军宽频多模战术电台的详细分析，能够对我军战术电台的研制和发展提供借鉴。

军事通信 宽频多模 战术电台

In order to comprehensively illustrate the development status of foreign military multiband radio, the deployment and requirement of the US military tactical radio were first introduced. Then its present application status and technical characteristics of serving multiband tactical radio were discussed, with inspiration to our military, hoping to provide reference to the research and development of our own.military communication multiband radio tactical radio

（海能达通信股份有限公司 鹤壁天海通信整机产品线，江苏 南京 210012）

(Hebi Tianhai Communication Equipment Production Line of Hytera Communications Co., Ltd., Nanjing 210012, China)

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.014 中图分类号：E962 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0070-07

引用格式：郭俊杰. 外军宽频多模战术无线电发展现状浅析[J]. 移动通信, 2016,40(20): 70-76.

【摘 要】

【关键词】

郭俊杰

GUO Jun-jie

[Abstract]

[Key words]

1 引言在军事通信中，战术通信装备是为保障战术兵

团、部（分）队实施战斗指挥而必需的通信设备。战

术通信装备以短波、超短波、微波、卫星等无线通信

手段为主，各种通信方式结合并用，共同构建覆盖整

个作战区域的高度机动、安全保密、抗毁抗扰、支持

多种业务的通信网络，为诸军兵种遂行战术作战行

动、实施战场信息传送与分发提供通信手段。

短波 /超短波战术电台在军事通信中应用广泛、

装备数量较大，常规的窄带短波/超短波跳频电台与新

型的宽频多模电台并存共用，且还将延续较长一段时

间。其中机载电台伴随着作战飞机的发展得到了优先

发展，但是也存在品种繁多、标准不一致、通信兼容

性差、后勤保障困难、网络应用受限等诸多问题。在

多频段多模式、多功能多业务、传统波形及未来新型

波形兼容性、抗共址干扰抗电子战干扰等方面仍有较

大的提升空间。美国空军为解决这些问题推行使用标

准机型的电台产品，以期加快更新换装的速度。陆地

战术电台普遍发展缓慢，仍存在多种型号、多种体制

产品共存的现象。从技术水平来看，战术电台在小型

化、低功耗、抗干扰能力、多任务化等方面都有很大

的改进。从配置使用上看，战术电台在人机交互便捷

专用通信

712016年第20期

性、通信覆盖范围、电台组网应用等方面都达到了较

高的水平。

随着现代抗干扰通信理论与技术、数字信号处理

及软件无线电技术的飞速发展，外军新型的宽频多模电

台不仅能够兼容早期的HF/VHF窄带跳频波形，实现话

音和低速数据业务的传输，还增加了UHF宽带及跳频

抗干扰波形、多跳自组网波形、卫星通信波形等，实现

了视距范围和非视距范围的话音、数据、视频等综合业

务同传的能力，而且采用了软件无线电架构，能够兼

容未来扩展波形。软件无线电电台可通过软件编程，

实现一机多用、一机多能，实现一种装备能够适应

海陆空联合作战的通用多频段多模式无线电台，这为

三军联合作战和各军兵种之间的高效可靠通信提供了

技术手段，更为美军消除各军兵种烟囱式指挥体系，

建立扁平一体化指挥体系，建立综合信息系统提供了

技术保障。美军综合信息系统并不是多种信息系统的

简单叠加，而是集多种通信手段一体，各军兵种综合

应用的巨大军事信息系统。美军已在全球信息栅格系

统、战术级作战人员信息网、联合战术无线电系统等

军事信息系统中开发新型体系结构和相关通信技术。

2 战术无线电的部署和装备要求

2.1 美军战术无线电的部署

战术通信系统及战术电台在部队机动作战、火力

控制、情报侦察、指挥控制、警戒、后勤保障等方面

都发挥着重要的作用。下面对美军战术装备在各级指

控单元的部署情况做一简要说明。

（1）战区： 本级战术部署取决于旅战斗队或远征

军执行的军事任务类型和所需的通信保障。战斗网的

部署示例：单信道战术卫星系统及战术电台、短波电

台、增强型定位与报告系统、 单信道地空无线电通信

系统、联合网络节点等。

（2）军区：本级战术指控系统及战术装备主要

由综合战区通信营或远征通信营提供，并由他们来安

装、配置、维护军区内及各军区间的通信指控网络。

联合网络节点的主要功能是将各军区所有要素单元接

入战斗网，在军区作战区域发挥辅助作用。

（3）师：本级通信和信息支持由首席信息官/G-6

办公室和师通信连提供，由联合网络节点、移动枢纽

节点、战术枢纽点、局部区域枢纽点、战术互联网、

战斗无线电和全球广播服务网等构建师级通信系统，

师通信连负责联合网络节点和战术互联网的部署。战

斗网无线电系统主要由 单信道地空无线电、单信道战

术卫星系统和短波电台等组成。这些系统绝大部分提

供了用户权限配置，网络控制由上级指挥官负责。

（4）旅：本级通信和信息支持由机动旅自身拥

有的战斗网无线电装备提供。单信道地空无线电、单

信道战术卫星系统和短波电台是机动旅主要的通信手

段。旅内部的指控系统由旅战术作战中心通信连构

建。旅以下通信手段以联合网络节点和移动用户装备

为主，战斗网无线电系统为辅。

（5）旅战斗队：本级通信和信息支持由旅通信连

提供，旅通信连在组织结构和功能配置上都是不可或

缺的。它由命令网络操作中心、通信支援营、战术作

战中心节点和通信支援排组成。排级通过联合网络节

点、单信道战术卫星系统、明密话音、数据、视频业

务的旅用户节点、增强型定位与报告系统、无线网络

扩展系统、单信道地空无线电通信系统等通信手段与

战斗旅队保持联络。

战术互联网是美军现役战场通信网络，战术互联

网是以无线通信和互联网技术为基础，将战术电台、

交换路由设备和信息终端等互联而成的，面向美军数

字化战场的一体化战术通信系统。美军战术互联网架

构如图1所示。

2.2 战术无线电的装备要求

在敌我双方对阵的战斗前线，部队机动化要求

高、电子化程度高、作战环境严酷，不仅要求装备体

积小、重量轻、待机时间长、便于携带，还要求装备

能够满足各种严酷的作战环境，抗毁性、抗干扰能力

强，能够保证各种作战地形和作战环境下的通信需

求。这些都对战术无线电装备提出以下要求：

（1）在陌生地域能够快速构建通信网络，能够支

持较远的单跳距离、更多的跳数和节点数，同时通信

网络需具备较强的抗毁性和较好的自愈性。

专用通信

72 2016年第20期

（2）在复杂的电磁环境下，具备较强的抗干扰能

力、防窃听、防破译能力。

（3）为了提高部队的机动性和单兵作战能力，应满

足小型化、轻量化、长待机时间、多用途等苛刻要求。

（4）为了适应严酷的战场环境，必须抗高低温、

浸渍、振动、跌落、盐雾，具备很强的环境适应性，

适用于丛林、山区、河海、平原等各种地形条件。

（5）作为战场指控设备，必须具备高可靠性、低

故障性、便于维修、拆装便捷等特点，具有较长的平

均无故障工作时间。

（6）为了便于使用，应配备PDA、耳咪、无线PTT

等各种附配件，保证各种使用条件下人机交互顺畅。

3 外军现役宽频多模战术无线电发展现状宽频多模战术无线电是在早期的30 MHz—88 MHz

窄带VHF电台基础上发展的兼容VHF窄带波形、HF短

波波形（兼容该波形的现役装备还比较少），增加UHF

宽带波形、宽带自组网波形、卫星波形以及未来先进波

形后的宽窄带战术无线电，实现视距范围和非视距范围

的话音、数据、视频等综合业务同传的能力，还可通过

多跳自组网、中继等功能拓展通信距离。

外军现役宽频多模陆地战术电台的装备形态以手

持式、背负式和车载式为主。如图2所示，其电台类型

主要有5种，即30 MHz—512 MHz手持电台、30 MHz—

512 MHz车载电台、30 MHz—512 MHz双通道车载电

台、2 MHz—2500 MHz双通道背负和车载电台以及

30 MHz—2500 MHz双通道手持电台。下面分别针对这

5种电台进行阐述。

图2 外军陆地宽频多模战术电台类型

3.1 外军30 MHz—512 MHz手持电台发展现状

通过战争得来的经验教训是军事理论中要长期

遵守的准则。手持战术无线电台在阿富汗战争和伊拉

克战争中的表现为我们提供了借鉴经验。哈里斯公司

（HARRIS）的军事通信设备国际销售主管查尔斯•施

皮拉（Charles Spyra）指出，手持战术无线电台将具

备更多功能。这体现在以往特种部队使用的电台所具备

的功能被越来越多地移植到普通单兵无线电台上。不仅

仅是美国HARRIS、法国THALES、以色列TADIRAN等

国际领先的军工企业研发出30 MHz—512 MHz战术手持

台，波兰RADMOR、捷克DICOM等中小型军工单位

也研发出了相关战术手持台，积极进行市场开拓。外

军现役30 MHz—512 MHz手持电台形态如图3所示：

图3 外军现役30 MHz—512 MHz手持电台形态

MSE：移动用户设备；

TPN：战术分组网；

NTDR：近代数字电台；

EPLRS：增强型位置定位报告系统；

SINCGARS：单信道地面和机载无线电系统；

TMG：战术多网网关；

INC：互联网控制器。

图1 美军战术互联网架构

2MHz-2500MHz双通道背负/车载电台

30MHz-2500MHz双通道手持电台

30MHz-512MHz

30MHz-512MHz

30MHz-512MHz双通道车载电台

专用通信

732016年第20期

美国HARRIS公司的RF-7800HH手持电台不仅

兼容早期的VHF窄带波形，还采用了1.2 MHz带宽的

M-TNW波形，可提供话音、数据、图像和视频业务传

输能力，而且内置GPS模块，支持单网64节点自组网

波形和MUOS卫星波形，能够通过中继、自组网功能

拓展通信距离。满足视距（VHF/UHF）范围和非视距

（SATCOM）范围内的一体化通信需求。该电台能够

以1.6 Mbps的速度传输数据。2014年8月27日中国国防

科技信息网报道：位于俄亥俄州赖特帕特森空军基地的

空军生命周期管理中心的战场飞行员分部宣布了一项

1950万美元的合同，向哈里斯公司订购1500台RF-7800HH

无线电通信设备和配件。哈里斯公司在纽约州罗切斯

特执行本合同任务，将于2019年6月完成任务。

法国THALES公司的AN/PRC-148 MBITR手持

电台兼容宽带单兵网络波形和宽带移动自组网波形，

可提供数话同传业务能力。不仅可应用于陆地战术通

信，还可兼容地空波形，装备于9 km高度以内的直升

机。泰勒斯通信公司对外宣布，已经生产并向美军交

付了10万台AN/PRC-148多频带无线电台。该电台是体

型最小、重量最轻、装备领域最广的战术手持无线电

台，已装备于美国及全球范围的盟军和联合部队，在

阿富汗战争和伊拉克战争中被广泛应用。

以色列TADIRAN公司的SDR-7200HH是专门为

单兵提供的手持电台，可提供实时态势感知和多跳移

动自组网功能，兼容宽窄带高性能波形，高速数据率

高达115 kbps（VHF/UHF 25 kHz窄带波形）和1 Mbps

（UHF宽带波形）。该电台内置2.8寸高分辨率彩色

显示屏，摄像机可以直接连接到手持台，使视频流传

输和接收不需要借助外部设备，士兵可以通过实时情

报，如地图、视频和目标信息来进行作战决策。

3.2 外军30 MHz—512 MHz单/双通道车载电台

发展现状30 MHz—512 MHz单通道车载电台是在30 MHz—

512 MHz手持电台基础上研发车载功放，配套车通系

统、车载天线、车载显控终端等满足作战指控人员的

车上通信需求。作战人员上车后可快速将手持电台嵌

入到车载功放中，经简单的手动连接实现单通道车载

电台的战场应用。通过外接功放不仅拓展通信距离到

20 km~30 km，还兼顾了车上、车下作战人员的灵活应

用，提升了装备作战效能。图4为外军现役典型车载电

台的形态。

HARRIS的RF-7850-V51车载电台是将原RF-7850

手持电台嵌入到车载50 W功放而形成的，能够与携带

有手持电台的车下单兵进行互联互通。THALES公司也

有两款车载电台，同样采用了手持电台外扩车载功放

的形态。据HARRIS公司网站2015年12月21日报道：收

到了价值6600万美元的订单，为一个中东国家提供猎鹰

III宽带战术无线电及附件，作为整体通信现代化改装的

一部分；无线电装备包括RF-7800H、RF-7800M-MP、

RF-7850-V51、RF-5800H、车通系统、附件和培训服

务。据泰利斯公司2006年7月13日报道：美陆军通信与

电子司令部（CECOM）12日向泰利斯通信公司采购逾

9000套泰利斯AN/VRC-111车辆适配放大器（VAA）

系统。

30 MHz—512 MHz双通道车载电台是在单通道车

载台的基础上解决共址干扰问题，实现双通道设计，

该设计思路是对原单通道车载台的升级和完善，可满

足转信、中继、备份和双通道同时工作的需要。图5为

外军现役30 MHz—512 MHz车载双通道电台形态。

图5 外军现役30 MHz—512 MHz车载双通道电台形态

图4 外军现役30 MHz—512 MHz车载电台形态

专用通信

74 2016年第20期

3.3 外军2 MHz—2500 MHz双通道背负/车载电台

发展现状2 MHz—2500 MHz双通道背负 /车载台在兼容原

30 MHz—88 MHz窄带波形、225 MHz—512 MHz宽带波

形、自组网波形的基础上，增加短波波形、225 MHz—

2500 MHz宽带波形、UHF频段卫星波形、L/S频段卫

星波形，这是一款多种通信手段共存的宽频多模电

台。具备视距、超视距、卫星通信能力，双通道电台

可分别接入上下级网络，支持转信功能，是一款通用

多功能战术电台。目前HARRIS公司、通用动力公司

有类似产品，DICOM、RADMOR、国内均没有相关

产品。图6为外军现役2 MHz—2500 MHz双通道背负/

车载电台形态。

图6 外军现役2 MHz—2500 MHz双通道背负/车载电台形态

HARRIS公司的117G背负/车载电台重量为5.44 kg，

尺寸为34.3 cm×18.7 cm×9.3 cm，频段为30 MHz—

2000 MHz（单通道），发射功率最大20 W，兼容视距

宽窄带波形、卫星波形和宽带自适应自组网波形，还

可接入海事卫星通信终端，是一款通用的单通道多频

段背负/车载电台。HARRIS公司的158背负/车载电台

是在117G单通道电台基础上发展的双通道电台，重量

5.76 kg，尺寸为36.2 cm×18.7 cm×8.9 cm，与117G相

当，频段为双通道30 MHz—2500 MHz，波形与117G

兼容，可嵌入ISR接收模块、MANET模块和SIGINT

（信号情报）模块，是一款小型化双通道多频段背负/

车载电台。

据美国西部防务网站 2 0 11 年 7 月 11 日的报道：

HARRIS公司根据一份1220万美元的订单，继续为美

国国防部提供“猎鹰”III AN/PRC-117G多频带便携式

无线电系统。国防部采购该无线电台用于满足部队的

宽带网络化、视距和超视距战术通信需求。AN/PRC-

117G无线电台是第一个通过联合战术无线电系统通信

框架体系认证和美国国家安全局类型I保密认证的无线

电台，并已应用于美国国防部、联邦政府机构和美国

主要同盟国，包括英国、加拿大、德国、其他北约国

家和澳大利亚。

美国通用动力公司的AN/PRC-155双通道背负电台

频段2 MHz—2500 MHz，这是一款兼容HF短波波形、

VHF/UHF宽窄带视距波形、地空视距波形、卫星波形

和未来波形的通用战术电台。带电池重量仅6.35 kg，尺

寸31.6 cm×25.7 cm×7.6 cm，发射功率最大20 W，可

扩展50 W车载功放，是目前功能最齐备的战术电台。

据通用动力网站2012年11月30日报道：美国陆军授

予通用动力C4系统公司一项价值约3.06亿美元的AN/

PRC-155 Manpack无线电生产订单。据防务宇航网站

2014年6月23日报道：1月份签订了1500台PRC-155便

携式无线电的订单，至此美陆军将拥有5300台PRC-155

便携式无线电。

3.4 外军30 MHz—2500 MHz双通道手持电台发展

现状

单兵通信装备正向小体积、轻量化的方向发展，

不仅要求装备功能齐全，而且要求装备便于携带，能

够接入上下级网络，双通道手持台是满足未来战场需

求的新型装备。30 MHz—2500 MHz双通道手持台是

30 MHz—512 MHz手持台的升级产品。其中一个通道

具备原手持台的功能，另一个通道具备单兵网络电台

的功能，通道频率到2500 MHz，可用于双通道同时

工作，同时接入上下级网络，具备转信、中继功能。

该产品技术难度大，目前只有HARRIS、THALES、

DICOM公司有类似产品，国内没有相关产品。图7为

外军30 MHz—2500 MHz双通道手持电台形态。

图7 外军30 MHz—2500 MHz双通道手持电台形态

专用通信

752016年第20期

T H A L E S公司的P R C 1 4 8 _ M B I T R 2是一款双通

道一体化手持电台，通道1与原1 4 8手持台的功能相

同，通道2覆盖频段为225 MHz—512 MHz，兼容单

兵网络电台波形，可接入单兵通信网，还覆盖L波段

1250 MHz—1390 MHz & 1750 MHz—1850 MHz频

段。内置GPS，支持移动自组网。PRC148_FMV-MM

是在原148手持电台基础上增加1个后置通道模块实现

视频接收功能。DICOM的RF40与PRC148_FMV-MM

类似，也是在原单通道手持电台基础上增加后置通道

模块实现双通道功能。

HARRIS公司最新的RF-335M手持电台RF-335M首次

公开亮相是在2016年美国特种作战部队行业展销会上，

HARRIS公司宣称，RF-335M旨在为美国特种作战部队司

令部的指战员提供下一代指挥、控制、通信、计算机、

情报、监视、跟踪、侦察（C4ISTAR）系统，能够在最

严酷的环境下使用，并且能够满足战术无线电台体积

小、重量轻、多频带、多功能、多任务的严格需求。该

电台是真正意义上的双通道手持电台，重量为1.22 kg，

尺寸为15.24 cm×5.08 cm×7.62 cm，通道（电台）1兼

容VHF（30 MHz—88 MHz、118 MHz—512 MHz）

和UHF（225 MHz —512 MHz）宽窄带视距波形和

MUOS卫星波形，能够与原单通道电台互联互通，通

道（电台）2兼容UHF（225 MHz—450 MHz）宽带视

距波形、卫星波形和L波段（1300 MHz—2600 MHz）未

来波形，发射功率5 W，速率可达16 Mbps，可外扩车载

50 W功放形成车载双通道电台。据简氏网站2016年5月

30日报道：HARRIS公司将于2017年9月向美军特种作

战司令部提交首批RF-335M战术电台，总合同额度为

3.9亿美元。

3.5 战术电台的发展方向

从以上分析不难看出，外军战术电台正由窄带

低速数据通信向高速数据通信方向发展，由单一的

传输技术向全自适应技术方向发展，由较窄的通信

频段向宽频多模方向发展，由单通道电台向双通道

电台方向发展，电台体积重量由庞大厚重向小型化

方向发展，通信系统由数字化向软件化、网络化方

向发展。

4 外军战术电台的发展启示知己知彼，方能百战不殆。分析世界先进国家

的宽频多模电台的发展经验，可为我军装备发展提

供借鉴。

（1）形态可重构。手持电台或背负电台外扩车载

功放形成车载台。

（2）多通道易扩展。手持电台外扩后置通道适配

模块形成双通道手持电台，两部单通道车载电台解决

共址干扰问题形成双通道/转信车载电台。

（3）宽带多频多模多功能。可提供数据、话音、

图像、视频等宽窄带中高速综合业务传输，覆盖HF、

VHF、UHF频段及L/S频段，兼容短波波形、VHF/

UHF视距波形、卫星波形、多跳低延时移动自组网波

形及未来波形，具备中继、转信功能。

（4）软件无线电架构。在突破宽带天线技术、线

性功放技术、多波形兼容自适应数字信号处理技术和

宽带移动自组网技术后研制一体化多频段电台。

（5）人机友好。小体积、轻量级、低功耗；使用

便捷，操作界面友好（触控屏、双屏）；接口、附件

丰富，便于应用扩展；配套机械发电配件、太阳能电

池；环境适应性、电磁兼容性好。

5 结束语在对军事通信的研究工作中，对外军战术无线电

的装备现状和战技指标进行了资料收集和分析，综述

了美军战术无线电的部署和装备要求，对30 MHz—

5 1 2 M H z 手 持 电 台 、 3 0 M H z — 5 1 2 M H z 车 载 电

台、30 MHz—512 MHz双通道车载电台、2 MHz—

2500 MHz双通道背负/车载电台和30 MHz—2500 MHz

双通道手持电台的发展现状进行了详细分析，在此基

础上总结了外军战术电台的发展方向和发展启示，以

期对我军战术电台的研制和发展提供借鉴。

参考文献：[1] George F Elmasry. 战术无线通信与网络[M]. 曾浩详,田

永春,译. 北京: 国防工业出版社, 2014.

专用通信

76 2016年第20期

[2] 赵志法,鲁道海,冉隆科. 现代战术通信系统概述[M]. 北

京: 国防工业出版社, 1998.

[3] 王淑波,孙海鹏,梅文华. 外军短波超短波跳频电台发展

综述[A]. 中国电子学会青年学术年会 [C]. 2004.

[4] 姚富强. 外军通信抗干扰发展趋势综述[J]. 现代军事通

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[5] 阎瑾. 美军战术互联网体系架构研究[J]. 通信技术,

2011(9): 105-107.

[6] 夏伟,艾艳松. 外军陆地战术超短波电台发展情况浅析

[J]. 外军信息战, 2013(5): 52-54.

[7] 蔡晓霞. 多频段、多模式数字化机载超短波电台的同

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[8] 王金龙. 短波数字通信研究与实践[M]. 北京: 科学出版

社, 2013.

[9] Harris Corporation. Department of Homeland Security

Tactical Communications Equipment and Services

Catalog, Harris IT Services 2235 Monroe Street Herndon,

VA 20171[Z]. 2013.

[10] THALES. Radio communication Products and Solutions

[Z]. 2015.

[11] Field Manual No 6-02.53. TACTICAL RADIO

OPERATIONS, Department of the Army Washington, DC

5[Z]. 2009.★

郭俊杰：高级工 程师，学士学位，

现任海能达通信股份有限公司鹤壁

天海通信整机产品线产品经理，长

期从事通信整机产品研发工作。

作者简介

TD-LTE获2016年度国家科技进步特等奖

2016年10月21日下午消息，据业内人士透露，

由工业和信息化部推荐，由中国移动通信集团公司

联合中国信通院等14个单位合作申报的《第四代移

动通信系统（TD-LTE）关键技术与应用》项目已经

通过专家组评审，被正式授予“2016年度国家科技

进步奖”特等奖。

2016年6月30日，国家科学技术奖励办公室在

“国家科学技术奖励网站”发布第84号公告，公布

了2016年度国家科学技术奖初评结果。《第四代移

动通信系统（TD-LTE）关键技术与应用》项目的初

评结果为特等奖。

《第四代移动通信系统（TD-LTE）关键技术与

应用》项目的主要完成单位包括：中国移动通信集

团公司，工业和信息化部电信研究院，电信科学技

术研究院，华为技术有限公司，中兴通讯股份有限

公司，展讯通信（上海）有限公司，北京电信技术

发展产业协会，宇龙计算机通信科技（深圳）有限

公司，北京邮电大学，清华大学，东南大学，北京

星河亮点技术股份有限公司，上海创远仪器技术股

份有限公司，联想移动通信科技有限公司。

《第四代移动通信系统（TD-LTE）关键技术与

应用》项目的主要完成人包括：曹淑敏，王晓云，徐

学兵，陈山枝，张平，赵先明，黄宇红，王志勤，杨

骅，魏丽红，边燕南，王映民，邓爱林，向际鹰，吴

迪，沈嘉，杨光，刘光毅，汪恒江，魏贵明，邢宏

涛，蒋远，徐菲，孙晓南，万蕾，徐慧俊，刘迪军，

高全中，张万春，聂宇田，蔡亚莉，段晓东，李文

宇，魏然，李星，孙韶辉，白欣，柏燕民，张玉胜，

肖善鹏，周世东，果敢，王东明，王可，江立红，张

诗壮，李斌，蔡月民，熊兵，邱刚。

《第四代移动通信系统（TD-LTE）关键技术与

应用》之所以能够入选最终的特等奖，主要是在第

四代移动通信TD-LTE标准化、研发产业化、规模商

用化取得了一系列国际领先的创新。

（C114中国通信网）

772016年第20期

设计与实现

D-BLAST基带系统的FPGA实现研究

Research on FPGA Implementation of D-BLAST Base-Band System

设计了适合于现场可编程门阵列实现的多输入多输出系统的对角分层空时码编译码算法。采用Verilog硬件

描述语言在Xilinx Virtex4-VC4VSX55现场可编程门阵列开发板上实现了3×3对角分层空时编码基带处理系

统。通过现场可编程门阵列仿真评估了采用迫零串行干扰抵消和 小均方误差串行干扰抵消检测算法时3×3

对角分层空时编码基带系统的误码率性能。仿真分析和实验表明了现场可编程门阵列对角分层空时编码基带

处理系统设计的正确性和高效性。同时，还论证了在同样条件下对角分层空时编码系统的性能优于垂直分层

空时编码系统。

多输入多输出 对角分层空时编码 串行干扰抵消 现场可编程门阵列 误码率

A MIMO D-BLAST codec algorithm fi tted for FPGA implementation was designed. A 3×3 MIMO D-BLAST base-band processing system on the Xilinx Virtex4-VC4VSX55 test-bed was developed based on Verilog hardware description language. The BER performance of the 3×3 D-BLAST was simulated by FPGA implementation where two detection algorithms, ZF-SIC and MMSE-SIC, were adopted respectively. Simulation analysis and experimental results show the correctness and effi ciency of the FPGA D-BLAST base-band processing system. It also shows that the BER performance of D-BLAST is better than V-BLAST under the same condition.MIMO D-BLAST successive interference cancellation FPGA BER

（1.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076；2.北京中测安华科技有限公司，北京 100085；

3.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214072；4.中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，北京 100048）

(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Research and Development Center, Beijing 100076, China;2. Beijing ZCAH Technology Co., Ltd., Beijng 100085, China;

3. China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214072, China;4. China Unicom Network Communication Co., Ltd., Technology Research Institution, Beijing 100048, China)

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.015 中图分类号：TN911.23 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0077-07

引用格式：黄虎,孔勇,李华,等. D-BLAST基带系统的FPGA实现研究[J]. 移动通信, 2016,40(20): 77-83.

【摘 要】

【关键词】

黄虎1，孔勇2，李华3，孙乐4

HUANG Hu1, KONG Yong2 , LI Hua3, SUN Le4

收稿日期：2016-07-06

[Abstract]

[Key words]

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

1 引言未来移动通信的空中接口将采用多输入多输出

（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术成

倍地提高通信系统的容量和频谱利用率 [1]。Foschini

所提出的贝尔实验室分层空时（B e l l L a b o r a t o r i e s

Layered Space-Time，BLAST）编码方案是一种有

效的MIMO处理算法 [2]。BLAST系统的基本思想是把

高速数据业务分解为若干个低速数据业务，通过普通

并行信道编码器编码后，使用向量编码器对其进行并

78 2016年第20期

设计与实现

行的分层编码，编码信号经调制后用多个天线发射，

实现发射分集 [3]。

根据分层后的天线映射方式和数据流的不同，

B L A S T可分为对角分层空时码（D i a g o n a l l y – B e l l

Laboratories Layered Space-Time，D-BLAST）与垂

直分层空时码（Vertically–Bell Laboratories Layered

Space-Time，V-BLAST）结构。D-BLAST是将每一

层的数据流在N根天线上依照次序循环地发送，即每

一个数据层都是在发射矩阵的对角线上；而V-BLAST

的映射关系是固定的，即每层数据流都在同一根天线

上传输，每个数据层都对应于发射矩阵的某一行。

D-BLAST的数据流在各发射天线上是遍历的，其优点

是D-BLAST具有较好的空时特性和层次结构，子信道

的深衰落对它的影响要比V-BLAST小。

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate

Ar ray，FPGA）具有架构灵活、算法高效、吞吐率

高、可实现并行计算和动态配置等优势，特别适合

用于设计并验证无线通信系统基站中的基带处理部

分功能。

为此，通过Xilinx FPGA开发平台，设计了基于

FPGA的D-BLAST系统结构、算法，实现了D-BLAST

高效的编译码器和检测，并对不同的检测算法进行了

分析和性能仿真，对研发D-BLAST类MIMO原型系统

具有重要的参考价值。

2 MIMO D-BLAST系统模型图1为MIMO D-BLAST系统结构模型，QPSK调

制后的信息流，经过串并变换、信道编码和D-BLAST

空时编码后，分别通过N根天线发送出去，接收端为M

根天线，M≥N。假设信道为准静态的、平坦瑞利衰落

信道，即信道传输矩阵H在发送L个符号的期间是恒定

的，并且信道信息状态可得到有效估计。这样，接收

信号和发送信号的关系表示为：

Y=HX+n （1）

式（1）中，信道传输矩阵H为一个N行M列的矩

阵，其中hi，j表示的是第j根发射天线到第i根接收天线的

信道系数，hi，j服从单位方差、零均值的复高斯分布；

X=[xi]T，i=1, 2, …, N表示N根发射天线所发射信号矢

量；Y=[yi]T，i=1, 2, …, M表示M根接收天线上所收到

信号矢量；n=[ni]T，i=1, 2, …, M表示M根接收天线上的

噪声矢量，ni服从高斯分布，均值为0，方差为σ2。

图1 MIMO D-BLAST系统模型

3 MIMO D-BLAST的FPGA实现基于X i l i n x的M L 4 0 2的F P G A开发平台，采用

Virtex-4 XC4VSX55芯片和Veri log硬件描述语言实

现了3×3 MIMO D-BLAST基带系统的FPGA设计。

该系统主要包含D-BLAST编码模块，对映射后的符

号先进行串并转换后再进行交织来实现D-BLAST编

码；M I M O检测模块对空间复用的数据流进行分离

和检测；D-BLAST译码模块对检测后的信息流进行

D-BLAST空时译码，恢复原始比特流的估计值。

3.1 D-BLAST编码

D-BLAST系统的基本思想是把高速数据业务分

解为若干低速数据业务，通过普通的并行信道编码器

编码后，使用交织编码器对其进行并行的分层编码，

编码后信号使用多个天线发射，实现发射分集 [3]。在

接收端，把多根接收天线同时接收的所有数据进行解

交织，再通过并串变换 终输出译码后的串行数据。

V-BLAST编码是对数据流进行串并变换，而D-BLAST

与V-BLAST不同的是在串并变换后还要对数据流进行

交织，因此D-BLAST的复杂度要比V-BLAST大，但是

其性能却要比V-BLAST好。图2为D-BLAST结构图。

如图1所示，D-BLAST编码器从并行信道编码器

输出的码元接收数据，再根据图2所示的对角线方向来

792016年第20期

设计与实现

进行空间编码，第1个信道编码器输出的开始N个码元

排在第1个对角线，第2个信道编码器输出的开始N个码

元排在第2条对角线上。一般第 i个信道编码器输出的

N个码元排在第(i+(j-1)×N)条对角线，没有排满的空

位置零[4，5]。空时码元矩阵中的每一列就是编码后的数

据，通过N个发射天线同时发射。

如图3所示，假设输入信号c=[c1, c2, c3…]来自于

QPSK星座图Q，调制信号经串并变化后得到的矢量

为u j[6]：

uj=[u j1,…,u j

k],1≤j≤N,u jk∈Q （2）

这样，通过一个交织矩阵M，可以得到D-BLAST

发射信号xj为：

x j=[x j1,…,x j

k]=Mu j,1≤j≤N （3）

D-BLAST编码模块主要就是实现对角分层循环发

送功能，本文设计的是3×3系统，根据式（3）提出了

一种易于FPGA实现的D-BLAST编码算法。首先通过

状态机产生交织图案，从而实现待编码字与矩阵M的

乘积。如图3所示，D-BLAST编码FPGA实现共包括4

个模块，分别为串并变换、时序控制模块、状态机和

存储器。FPGA硬件仿真对时序的要求很严格，因此

采用了一个单独的时序控制模块来控制FPGA实现中

的时序。先对调制信号c=[c1, c2, c3…]进行串并变换成

uj=[uj1,…,uj

k]存入寄存器RAM中，然后在时序控制模块

控制下产生一个状态机，再利用状态机来产生一个交

织图案，映射到寄存器中控制RAM输出信号x j=[x j1,…,

x jk]， 终实现了D-BLAST的对角分层编码。本设计的

核心就是采用状态机来实现传输符号的交织。

接收端根据特殊的结构方式与信号处理过程分离

各子信号流，分别进行MIMO检测、空时译码、信道

解码，再通过并串变换将各子信号流合并为原来的串

行数据信息。

3.2 MIMO检测接 收 端 首 先 要 根 据 不 同 的 准 则 接 收 信 号 进 行

MIMO检测，从而确定每根天线的权值。MIMO检测

的准则主要有迫零（ZF）和 小均方误差（MMSE）

准则。

ZF算法是简单的利用信道矩阵H的伪逆矩阵H+作

为权值矩阵GZF。

GZF=H+ （4）

可以看出ZF算法在检测时损失了有用信息，影响

了系统性能，MMSE算法用满足下式的权值矩阵GMMSE

代替ZF中的GZF。

GMMSE=HH(HHH+σ2IM)+ （5）

其中， H( )⋅ 表示矩阵的共轭转置， ( )+⋅ 表示矩阵的

Moore-Penrose伪逆，σ2为噪声方差，IM是M×M维的

单位矩阵，GMMSE的行矢量g i是接收天线对于发送信号

c i所形成的权矢量。

Z F 和 M M S E 这 两 种 算 法 的 唯 一 不 同 之 处 就 在

于检测矩阵 G Z F和 G M M S E的求解。因为 G Z F= H +，而

G MMSE=H H(HH H+σ 2I ) +，从上述两个算法的检测矩阵

就可以看出，MMSE算法的复杂度比ZF算法的复杂度

大，但MMSE算法由于考虑了噪声的影响，性能要比

ZF算法好。

ZF和MMSE检测算法同时分离出M个子数据流，

检测过程中任一个子数据流都将受到其他M - 1个子

数据流的干扰。为此，引入串行干扰抵消算法后的

ZF和MMSE称为ZF-SIC（Zero Forcing-Successive

In ter ference Cancel la t ion，迫零串行干扰抵消）接

收机和MMSE-SIC（Minimum Mean-Squared Error-

SIC， 小均方误差串行干扰抵消）接收机，可以进一

… … … 3c03 2c02 1c01 至发射天线1

… … 6c13 5c12 4c11 0 至发射天线2

… 9c23 8c22 7c21 0 0 至发射天线3

编码器3输出

编码器2输出

编码器1输出

图3 D-BLAST编码FPGA实现原理图

图2 D-BLAST结构图

80 2016年第20期

设计与实现

步提高系统的性能 [7]。引入SIC后，对M个子数据流按

照一定的顺序依次检测，计算各子数据流的信号估值

并硬判决，之后再在下一个信号的检测中抵消掉硬判

决的值，循环往复，直到检测完所有的子数据流。

为改善系统的性能，对MIMO D-BLAST检测的

FPGA实现分别采用了ZF-SIC和MMSE-SIC这2种不

同的检测方法。因此，该MIMO检测器的FPGA实现

设计共包括4个功能模块：输入输出模块、检测矩阵

模块、译码模块和时序控制模块。本设计中采用流水

线操作进行并行处理来提高运算速度，功能模块框图

如图4所示：

图4 MIMO检测FPGA实现功能模块框图

（1）输入输出模块

输入输出模块是与系统其他功能模块的接口。输

入模块接收信道矩阵H和接收信号R然后送入检测矩阵

模块进行运算。输出模块接收译码模块输出的信号存

储在寄存器中，等待同一时刻的所有信号译码完成后

输出译码数据。

（2）检测矩阵模块

在MIMO-DBLAST检测中，FPGA实现 重要的

就是检测矩阵G的求解，而求解检测矩阵时 关键的

就是矩阵求逆。矩阵求逆的算法如下所示：

初始化：A1+=H1

+=(HHH)-1HH （6）

循环操作：k=2~m

dk=A+k-1Hk （7）

ck=Hk-Ak-1dk （8）

HH 1 H

1

, 0(1 ) , 0

k kk

k k k k k

+

− +−

⎧ ≠⎪= ⎨+ =⎪⎩ A

若

若

c cbd d d c （9）

A+k=（Ak-1，Hk）

+

H

1

H

-= k - k k

k

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

A+ d b

b （10）

其中H∈Cn×m，而H的前k列表示为A k∈Cn×k，H j

代表H的第j列，则H=Am，Ak=(Ak-1,Hk)。

根据上面的矩阵求逆算法可以得到图 5 所示的

FPGA实现流程图。本文FPGA设计采用了迭代运算、

加法运算和乘法运算，采用复用的方式来减少资源占

用，除法运算采用查表的方式来提高运算速度。如图

5所示，首先初始化得到A1+，然后用一个计数器K来控

制迭代次数，当k<m就继续下一次迭代，反之就说明

迭代结束，完成了矩阵求逆，输出A+。迭代开始后先

采用乘法器来实现两矩阵相乘得到dk，把结果存储在

一个寄存器D中；然后计算ck，此时从寄存器D中读取

出数据dk和Ak-1做乘法运算后和Hk做一次减法 后得出

ck同时也存储在寄存器C中。计算完成后需要对ck进行

一次判断，如果为零就完成图5中右分支的运算，如果

不为零则进行左边的分支得到bHk存储在B中，然后得到

A+k，不断迭代上面的操作 终输出A+。

图5 矩阵求逆FPGA实现流程图

检测矩阵模块首先根据ZF-SIC和MMSE-SIC算法

特点选择相应的检测矩阵GZF和GMMSE，然后完成上述

矩阵求逆子模块，把求逆的输出存入寄存器中，根据

812016年第20期

设计与实现

式（4）和式（5）进行相应检测矩阵的运算。当完成

检测矩阵G计算后送入译码模块，同时输出一个使能

信号enb送入译码模块。

（3）译码模块

计算出检测矩阵G后，开始进行接收信号译码。

译码主要是通过逐步检测相消法来进行子流的区分和

检测。串行干扰抵消检测器通过M次迭代实现所有M个

子数据流的检测。每次检测出一个子数据流，然后将

其从接收信号向量中减掉，如此循环，直到检测完

后一个子数据流[8]。其具体算法如下所示：

初始化：i=1

G1=G （11）

循环操作：i=2~m

( )•••

2

11argmin

ji i j

j k kk =

⎧ ⎫⎪ ⎪⎨ ⎬⎪ ⎪⎩ ⎭

−∈

G…

（12）

( )i i

ik kw G= （13）

Ti i ik ks w r= （14）

( )ˆi ik kQ sx = （15）

1 ˆ- ( )i i ki kir r x− H= （16）

i-

i k=G H （17）

译码模块首先接收输入模块的用户信号R，存入

缓存中等待检测矩阵的使能信号enb。当enb变高后，

同时接收到检测矩阵送入的数据进行译码处理。译码

处理部分总共包含6个子模块，分别完成公式（11）~

（17）的计算。即首先计算ki、wki、ski

和 ˆikx ，再把判

决的值送入输出模块同时反馈回去译码模块，同时接

收信号再减去对剩余信号的干扰，如此不断循环直到

后一个信号译码完成。图6为译码模块的FPGA实现

流程图。

检测矩阵模块和译码模块需要进行大量的运算，

加法运算和乘法运算采用复用的方式来减少资源占

用，除法运算采用查表的方式来提高运算速度。

3.3 D-BLAST译码

接下来进行D-BLAST译码，D-BLAST译码是按照

对角线型方向来进行译码的，实际上是如图2所示编码

的逆过程。由于在编码端对信号串并变换后再进行交

织，因此接收端的D-BLAST译码是与发射端的编码相

对应的操作，先进行解交织，然后再进行并串变换。

首先信号乘以解交织矩阵M-1，得到：

1ˆ ˆ[ ju=ju ,…, ˆ[uj

k]=M-1 ˆx j，1≤j≤M （18）

然后将 ˆ ju 并串变换后得到串行信号流c=[c1,c2,c3…]。

根据式（7），译码的重点是如何获得解交织矩

阵M -1，然后与信号 s进行乘法运算。D-BLAST译码的

设计实现共4个模块，包括存储器模块、状态机控制模

块、时序控制模块、并串转换模块，如图7所示。译码

时把检测后的信号 ˆ jx =[1

ˆ jx ,… , ˆx jk]存储在RAM中，时序

控制模块控制状态机产生交织图案，时序控制模块控

制从RAM中读出并行的译码数据， 后对译码后的3

路并行数据流进行并串变换，形成串行数据流，实现

D-BLAST译码。

图7 D-BLAST译码FPGA实现原理图

4 性能仿真分析通过Verilog硬件描述语言在Virtex4-VC4VSX55

芯片上实现了带宽为33 MHz、速率为200 Mbps的3×3

图6 译码模块的FPGA实现流程图

82 2016年第20期

设计与实现

D-BLAST基带FPGA硬件系统，并在独立同分布的平坦

瑞利衰落信道下对系统的性能进行了FPGA运行仿真评

估。全局时钟采用了100 MHz的时钟频率，发射端和

接收端均采用了同步电路，以保证系统的稳定性。

图8是分别采用ZF-SIC和MMSE-SIC检测方法的

MIMO D-BLAST系统在FPGA上运行的误码率曲线。

从图8中很明显地可以看出MMSE-SIC性能优于ZF-SIC

检测算法，在误码率为10-3时，MMSE-SIC的性能要比

ZF-SIC大约有2 dB~3 dB的增益。在收发天线相同的系

统中，MMSE-SIC的性能优于ZF-SIC。

从图8中还可以看出，在误码率为10-3时，采用16-

QAM调制方式的ZF-SIC检测所需要的信噪比是23 dB，

采用QPSK调制方式的ZF-SIC检测的信噪比是21 dB，因

此16-QAM调制的性能略差于QPSK调制。同时QPSK

承载2 b i t信息，1 6 - Q A M符号承载4 b i t信息，因此

QPSK速率小于16-QAM。实际应用中需要通过自适应

调制技术在不同的信道情况下自适应地选择不同的调

制方式。

图8 ZF-SIC和MMSE-SIC接收机性能比较

表1列出了两种不同检测算法接收机所占用硬件资

源的情况。从表1可以清楚地看出，ZF-SIC算法消耗的

硬件资源要少于MMSE-SIC，即MMSE-SIC检测算法

性能的提高是以计算复杂度为代价的。

图9对比了3×3 D-BLAST和V-BLAST基带FPGA

的仿真性能，可以看到， D - B L A S T 的性能相对于

V-BLAST系统大约有1 dB的增益。

表2列出了D-BLAST和V-BLAST接收机所占用硬

件资源的情况。从表2可以清楚地看出，D-BLAST译

码端消耗的硬件资源要多于V-BLAST，即D-BLAST译

码算法的复杂度要高于V-BLAST。这是因为V-BLAST

0 5 10 15 20 25 3010 -5

10 -4

10 -3

10 -2

10 -1

10 0

ZF-SIC 16-QAM ZF-SIC QPSK MMSE-SIC QPSK

信噪比/dB

误码

率

0 5 10 15 20 25 3010 -5

10 -4

10 -3

10 -2

10 -1

10 0

信噪比/dB

误码

率

V-BLAST M=3,N=3D-BLAST M=3,N=3

表1 不同检测算法FPGA资源占用率

芯片硬件逻

辑资源

ZF-SIC算法FPGA资

源占用率/%MMSE-SIC算法FPGA

资源占用率/%

Slice 34 40

FF 15 3

LUT 28 39

IOB 1 1

RAM 21 21

DSP 41 73

图9 D-BLAST与V-BLAST性能比较

表2 不同编码接收端FPGA资源占用率

芯片硬件逻

辑资源

D-BLAST编码接收端

FPGA资源占用率/%V-BLAST编码接收端

FPGA资源占用率/%

Slice 30 24

FF 12 9

LUT 24 19

IOB 1 16

RAM 21 7

DSP 33 30

832016年第20期

设计与实现

编 码 只 是 对 数 据 流 进 行 了 简 单 的 串 并 变 换 ， 但

D-BLAST不仅进行了串并变换还对数据流进行了交织

和解交织，因此D-BLAST译码的复杂度要比V-BLAST

的复杂度大。

5 结束语通过Verilog硬件描述语言在Virtex4-VC4VSX55

芯片上实现了带宽为3 3 M H z、速率为2 0 0 M b p s的

3×3 D-BLAST基带FPGA硬件系统，对系统的性能

进行了FPGA运行仿真评估，对系统占用的硬件资源

进行了统计。设计中涉及QPSK调制解调、D-BLAST

编码、MIMO检测和译码等主要功能模块的实现。其

中，MIMO检测采用了ZF-SIC和MMSE-SIC两种不同

的检测算法以提高系统的性能。对3×3 D-BLAST和

V-BLAST基带FPGA运行仿真性能还进行了对比。这

些工作对研发基于D-BLAST检测的MIMO原型系统具

有重要的参考价值。

参考文献：[1] Foschini G J , Gans M J. On l imits of wireless

communications in a fading environment using multiple

antennas[J]. Wireless Personal Communications, 1998(3):

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IEEE Transactions on Information Theory, 2003(5): 1097-

1119.

[6] Narayan Prasad, Mahesh K, Varanasi. Analysis and

作者简介

黄虎：工程师，硕士毕业于北京交通

大学，现任职于中国运载火箭技术研

究院研究发展中心，主要研究方向为

综合信息集成。

孔勇：博士毕业于北京交通大学，现

任职于北京中测安华科技有限公司，

主要研究方向为通信与信息系统、交

通信息工程及控制、信息系统安全

等。

李华：工程师，硕士毕业于国防科技

大学，现任职于中国电子科技集团公

司第五十八研究所，主要研究方向为

模拟集成电路设计。

Optimization of Diagonally Layered Lattice Schemes

for MIMO Fading Channels[J]. IEEE Transactions on

Information Theory, 2008(3): 1162-1185.

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梅,译. 北京: 机械工业出版社, 2004.

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[D]. 北京: 北京交通大学, 2009.

[10] 王利勇. MIMO检测算法的研究与实现[D]. 西安: 西安

电子科技大学, 2010.★

84 2016年第20期

设计与实现

通信铁塔安全快速评估软件的设计与实现

Design and Realization for Fast Evaluation Software of Telecommunication Tower

随着我国邮电通信事业的蓬勃发展，通信铁塔正得到越来越广泛的应用，确保越来越多的通信铁塔的安全

运行具有重要的意义。从技术角度出发，介绍了如何利用Microsoft Visual Studio 2010开发工具编写一款基

于.NET平台的操作简单、可视化程度高的软件，该软件可以帮助铁塔公司对现存的铁塔进行快速准确的安全

评估，以解决手工计算和力学软件计算中的难题。

通信铁塔 安全评估 .NET平台

With the vigorous development of our country’s posts and telecommunications industry, communication tower is more and more widely used. It is very important to ensure safe operation of the increasing number of communication towers. From a technical perspective, this paper introduced how to use the Microsoft Visual Studio 2010 development tools to write the software of simple operation and high degree of visualization based on .NET platform, helping the tower company assess the safety of existing towers quickly and accurately with the purpose of solving the problems during manual calculation and mechanics calculation.communication tower safety assessment .NET platform

（北京邮电大学自动化学院，北京 100876）

(Beijing University of Posts and Telecommunications Automation School, Beijing 100876, China)

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.016 中图分类号：TP311.1 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0084-04

引用格式：王青青. 通信铁塔安全快速评估软件的设计与实现[J]. 移动通信, 2016,40(20): 84-87.

【摘 要】

【关键词】

王青青

WANG Qing-qing

收稿日期：2016-07-21

[Abstract]

[Key words]

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

1 引言通信铁塔是通信信号发射和接收的主要载体，主

要用于微波、超短波、无线网络信号的传输与发射

等。它是移动通信网完成信号覆盖的重要基础设施[1]，是移动通信网络中一个必不可少的组成部分。随

着通信技术的飞速发展，通信铁塔目前已经遍布城

乡，随处可见。大到山区的大型角钢塔，小到城市小

区里的单管塔。它们通过各种通讯信号联系在一起，

为全世界的用户提供可靠的信息传递服务，保障了全

球24小时信息不间断共享，使得人类社会得到了迅速

的发展。

如今，通信行业高速发展，通信铁塔的结构安全

已与人们的生活息息相关。通信铁塔属于高耸结构，

据不完全统计，在高耸结构构件破坏的现象中，风力

引起的结构构件破坏占80%~90%左右。在使用期间塔

架整体结构可能会发生危及安全的分离、倒塌或者整

852016年第20期

设计与实现

体失稳破坏的情况[2]。因此，应该对通信铁塔初始质量

状况，尤其是对抗震防风等性能进行分析、校验，进

而有针对性地对有安全隐患的通信铁塔进行修复、改

造、甚至拆除重建等，从而保障通信铁塔安全、通畅

地运行，为规避事故及安全隐患提供了可靠的保障[1]。

2 铁塔安全快速评估软件的提出传统的通信铁塔计算方法是手工计算，采用结构

力学对其进行力学性能分析 [3]。当对数据的精确度要

求不高时，有时采用近似值法，这要求计算人员具有

丰富的铁塔计算经验。在铁塔的结构强度研究计算方

面，有较为完善的理论基础及相应的设计规范[3]。但手

工计算中大量的铁塔参数，繁琐的计算过程，而且对

于同种塔型，即使只是尺寸有变化，也要进行一次全

新的计算才能得到想要的数据，这将导致其计算周期

长、成本高、效率低。

随着现代计算力学的发展，越来越多的科研人员采

用有限单元法来研究力学方面的问题[4]。在对通信铁塔

刚度、强度的仿真研究方面，国内外有很多分析人员都

在进行着通信铁塔的有限元分析仿真，但是他们在有限

元分析中所用时间的40%~50%用于模型的建立和数据

输入，即前处理；50%~55%用于分析结果的判读和评

定，即后处理；而计算的时间仅占5%左右[5]。

其实对于同种类型的通信铁塔，它们的结构具

有相似性和继承性，计算的公式和依照的规范是相

同的，这为进行参数化分析的应用提供了必要的基

础条件。

可以利用铁塔公司所掌握的一切铁塔的详细数

据，借助计算机快速计算的能力，编写一个简单易操

作的可视化软件来帮助铁塔公司对现存的铁塔进行快

速准确的安全评估。进而有针对性地对有安全隐患的

通信铁塔进行修复、改造、甚至拆除重建等。

3 具体技术方案通信铁塔安全快速评估软件的关键点在于程序底

层逻辑需要在程序中完成人工难以完成的公式计算、

迭代计算等，并利用开发软件中灵活的控件及可视化

图形组件来实现结果的输出。

铁塔的种类较多，各种通信铁塔的性能指标的要

求也各不相同。针对不同通信铁塔所要评估的方面也

会略有不同。因此，需要根据通信铁塔安全评估标准

对各类通信铁塔进行分析，总结各类通信铁塔的评估

方法，然后在程序中分别实现。

3.1 技术方案

通信铁塔快速安全评估软件实现的整体流程如图

1所示。首先，用户登录系统，选择想要评估的铁塔类

型，系统根据塔型的不同跳转到不同的模块，用户根

据提示输入铁塔的结构、材料信息以及外加的荷载信

息。后台程序根据不同的塔型，编写计算迎风面积、

应力、挠度等的算法。 后利用计算出的挠度、应力

等参数，按照强度理论的强度条件、依据移动通信工

程钢塔桅结构的水平位移极限值等进行校核，从而得

到铁塔的安全评估结果。

图1 解决方案流程

（1）步骤1：用户输入数据

用户输入的数据分为两个方面。一个是铁塔自身

的结构、材料等参数值，对于不同类型的铁塔，需要

输入的参数种类是不同的，用户在选择了塔型后，就

会进入相对应的参数采集界面。另一个是外加荷载数

据，包括风荷载、地震荷载和冰雪荷载。用户需要选

择荷载的类型，然后输入荷载的值。

（2）步骤2：荷载下铁塔应力、挠度的计算

在此次软件设计过程中，角钢塔和三管塔采用杨

更新教授提出的空间桁架法[6]来计算塔架静力。

（3）步骤3：后台安全评估

86 2016年第20期

设计与实现

通信铁塔安全快速评估系统将步骤2中计算得到的

铁塔应力、水平位移等数据与《移动通信工程钢塔桅

结构设计规范》中的标准值做比较，由此判断铁塔是

否在正常的使用状态。在后台安全评估中通过以下两

个关键参数来评判铁塔的安全性能：

1）水平位移

在所受荷载为风荷载的情况下，钢塔栀结构任一

点的水平位移应满足[7]表1中所示的规定：

表1 移动通信工程钢塔桅结构的水平位移限值[8]

结构类型 水平位移限值

自立式塔架 u/Hi 1/75

桅杆u/Hi 1/75

Δu/h 1/50

单管塔 u/Hi 1/40

注：表中u——任意点水平位移（与Hi高度对应）；

Δu——层间相对位移（与h对应）；

Hi——任意点高度；h——层间间距[9]。

2）塔架应力

塔架的强度理论条件要满足的条件如式（1）所示：

塔架内力塔架截面积

<材料的许用应力 （1）

（4）步骤4：报告呈现

在经过步骤3实际值和规范值的对比之后 [7]，对比

的结果以及相关的图形结果会被映射在报告呈现界面

中，方便用户及时对存在安全隐患的铁塔进行有针对

性的维护 [7]。

3.2 软件系统开发

在以上技术方案的基础上，完成通信铁塔安全快

速评估软件的设计与实现。其层次架构分为3层。用户

层接收用户输入的各种操作信息，然后向业务逻辑层

发出各种操作命令。业务逻辑层接收来自用户层的数

据或命令请求，按照相应的算法计算出通信铁塔的应

力、挠度、抗风等级、迎风面积等数值，把数值进行

相应的处理，然后将处理后的结果显示在报告呈现界

面上 [10]。数据层具体为业务逻辑层和表示层提供数据

服务。系统层次架构设计图如图2所示。用户层模块结

构图、业务逻辑层模块结构图分别如图3、图4所示。

开发功能模块包括登录模块、数据采集模块、数据处

理模块、报告显示模块。

图2 系统层次架构设计图

图3 用户层模块结构图

表2显示了各功能模块的主要功能。

4 结束语本文提出一种通信铁塔安全快速评估系统，利用

用户输入的铁塔结构数据及荷载数据，根据写入系统

的铁塔计算及评估的算法，快速得到准确的安全评估

结果。运维人员根据 后得出的检查评估报告，对在

役通信铁塔进行有针对性的维护，保证其能够正常使

用。该系统的安全评估模式改变了原有的手工和力学

软件进行安全评估的模式，提高了安全评估的效率，

降低了安全评估的成本。

参考文献：[1] 李晓亮,孙国良,黄维学,等. 浅析通信铁塔的安全性及其

872016年第20期

设计与实现

安全性评估方法[J]. 数据通信, 2013(5): 32-34.

[2] 周新华. 高压输电铁塔结构强度分析[D]. 保定: 华北电

力大学, 2002.

[3] 蔡铭. 高耸异型铁塔风荷载作用下结构的分析计算[J].

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[5] 黄菊花,黎雪芬,饶进军,等. 材料成型计算机模拟中的参

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[6] 杨更新. 高耸塔架静力计算的空间桁架法[J]. 土木工程

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[8] 中华人民共和国通信行业标准. YD/T5131-2005 移动通

信工程钢塔桅结构设计规范[S]. 北京: 北京邮电大学出

版社, 2006.

图4 业务逻辑层结构图

作者简介

王青青：硕士研究生就读于北京邮

电大学，主要研究方向为可靠性检

测技术。

表2 主要模块功能

序号 功能模块 主要功能

1 登录模块 为了保证用户使用软件的安全性，防止公司数据的丢失，因此需要用户输入密码才能登陆。

2 数据采集模块 用于外部数据的输入，包括铁塔的材料、结构数据和外加荷载数据。

3 数据处理模块

包括数据分析、与规范中极限值对比、绘图、读取excel四个子模块，此模块用于对数据采集模块

中得到的数据进行处理、分析，在程序中完成人工难以完成的公式计算，给出比较结果，并利用

开发软件中灵活的控件及可视化图形组件来实现结果的输出。

4 报告显示模块 用于把评估的结果展示出来，并方便运维人员以Word、PPT、PDF的方式导出评估报告。

[9] 高扬明. 移动通信基站单管塔水平位移的设计[J]. 电信

技术, 2015(12): 59-66.

[10] 郑飞,李逢玲. 一类基于C/S模式的服装企业物料管理

系统的设计研究[J]. 价值工程, 2014(26): 166-168.★

88 2016年第20期

设计与实现

基于新型双频匹配电路的双频低噪声放大器设计

Design of Dual-Band Low Noise Amplifi er Based on Novel Dual-Band Matching Electric Circuit

为提高现代无线通信系统的频谱利用率，降低系统成本，对双频低噪声放大器进行了深入研究，提出一种利

用新型双频匹配结构来设计双频低噪声放大器的方法。这种双频匹配结构由实阻抗双频变换器和双枝节线结

构双频匹配电路组成，双枝节线结构双频匹配电路能够实现双频点复阻抗到实阻抗的匹配，实阻抗双频变换

器能够实现两个频段上的实阻抗匹配。仿真结果表明这种方法设计的双频低噪声放大器电路结构简单、成本

低廉、性能优良且易于加工，两个中心频率可任意选择，具有较高的实用价值。

双频 低噪声 匹配 传输线 阻抗变换

To improve the spectrum utilization effi ciency and reduce cost, this paper makes further research in dual-band low noise amplifi er. A novel dual-band matching structure is proposed to design the amplifi er. The proposed dual-band matching structure consists of real impedance dual-band converter and double stub line structure. And the double stub line structure can convert complex impedance to real impedance in dual band, while the real impedance dual-band converter can realize real impedance matching in dual band. Moreover, the simulation results show that the dual-band low noise amplifi er is of simpler structure, fewer cost, easier processing and better function. Due to its two free center frequencies, it will result in higher practical value.dual-band low noise match stub line impedance converter

（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北 武汉 430205）

(Wuhan Hongxin Telecommunication Technologies Co., Ltd., Wuhan 430205, China)

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.017 中图分类号：TN722.3 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0088-04

引用格式：余云忠,周可籍,何建成,等. 基于新型双频匹配电路的双频低噪声放大器设计[J]. 移动通信, 2016,40(20): 88-91.

【摘 要】

【关键词】

余云忠，周可籍，何建成，刘永飘，江鹏

YU Yun-zhong, ZHOU Ke-ji, HE Jian-cheng, LIU Yong-piao, JIANG Peng

收稿日期：2016-08-24

[Abstract]

[Key words]

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

1 引言低噪声放大器作为无线通信系统中的重要模块之

一，在现代无线通信系统中的射频前端扮演着重要的

角色，其性能的好坏将直接影响到通信系统的指标参

数。特别是小型化、低成本、高性能的双频低噪声放

大器的设计越来越受到学术界和工业界的重视。

目前双频低噪声放大器的设计方法大概可以分为

三种：第一种方法是采用两个频段独立信号通路并联

结构，文献 [1]设计了一种工作在2.4 GHz和5.6 GHz

的并联双通道低噪声放大器，输入端通过开关选择

通道，两个通道可以独立工作，电路匹配可以单独设

计，互不影响，电路性能较好，但增加了功耗和成

本。第二种方法是开关切换电路谐振网络，文献[2]利

892016年第20期

设计与实现

用三个NMOS开关来控制输入和输出匹配，保证在两

个频段上正常工作。这种方法共用谐振网络，使用开

关切换，控制方法灵活，改变频点方式简单，同时也

降低了成本，但是引入MOS管开关的寄生参数会降低

谐振回路的品质因素，使电路性能下降。第三种方法

是采用多频点输入输出匹配结构，文献[3]采用多频点

匹配结构设计实现了2.4 GHz、3.5 GHz、5.2 GHz的三

频段低噪声放大器。文献[4]利用一种高阶谐振网络设

计了双频输入输出匹配结构放大器。第三种方法设计

的放大器具有功耗低、成本低廉、电路性能优良等特

点，不过设计过程会相对复杂。

本文主要采用一种新型的双频点输入输出匹配结

构，设计了一种双频低噪声放大器。该双频点匹配结

构是利用传输线变换原理将放大器的输入/输出阻抗分

别在两个频段上变换为导纳的实部相等，然后采用并

联分支线结构将两个频段的导纳的虚部匹配为零，

后再通过双频实阻抗匹配实现两个频段上的匹配。

2 基于微带线的双频段实阻抗变换设计文献[5]提出了一种由两段微带线组成的双频阻抗

变换器，其结构如图1所示。第一段微带线特性阻抗

为Z1，长度为l1，第二段微带线特性阻抗为Z2，长度为

l2，Z in1为从第二段微带线输入端到负载的输入阻抗，

Z in为从第一段微带线输入端到负载的输入阻抗。

图1 双频实阻抗变换器

L 2 2in1 2

2 L 2

j tanj tan

Z Z lZ ZZ Z l

ββ

+=

+ （1）

in1 1 1in 1

1 in1 1

j tanj tan

Z Z lZ ZZ Z l

ββ

+=

+ （2）

当达到匹配效果时，在频点 f 1和 f 2处有Z in=Z 0，代

入式（2）可以得到：

0 1 1in1 1

1 0 1

j tanj tan

Z Z lZ ZZ Z l

ββ

−=

+ （3）

由式（2）和式（3）的实部和虚部分别相等可以

推导出式（4）和式（5）：

(Z12ZL-Z2

2Z0)tanβl1tanβl2=Z1Z2(ZL-Z0) （4）

Z1 (Z22-ZLZ0)tanβl2=(ZLZ0-Z 2

1)Z2tanβl1 （5）

由于所有参数都为实数，进一步整理得到式（6）

和式（7）：

( )1 2 L 01 2 2 2

1 L 2 0

tan tanZ Z Z Z

l lZ Z Z Z

β β α−

= =−

（6）

( )( )

21 2 L 01

22 2 L 0 1

tantan

Z Z Z Zll Z Z Z Z

β γβ

−= =

− （7）

因此对于频点f1和f2有：

(tanβnl1)2=αγ （8）

(tanβnl2)2=α/γ （9）

其中，βn=2π/λn，n=1、2，可以得出：

tan(β1ln)=tan(β2ln) （10）

β1ln±β2ln=mπ （11）

为了让结构更紧凑，可以令l1=l2=l，m=l，则有：

1 2

lβ β

π=

+ （12）

在传输线长度已知的情况下，通过式（6）和式

（7）能够求出α、γ的值。

α=(tanβ1l)2 （13）

γ=1 （14）

将式（14）代入式（7）中得到：

Z0ZL=Z1Z2 （15）

将式（15）代入式（5）得到：

2 2 1 L L 01 L 2 0

( )Z Z Z ZZ Z Z Zα

−− = （16）

联立式（15）和式（16）可以得到一个关于Z1、

Z2的四阶方程，通过求解可以得出：

0 L 0 01 02 2

1 1

( )2(tan ) 2(tan )

Z Z Z ZZ Z Zl lβ β

⎡ ⎤= + +⎢ ⎥

⎣ ⎦ （17）

0 L2

1

Z ZZZ

= （18）

这种设计方法简单易行，版图设计也很简单，但

是只有在负载为纯电阻时才能达到完美的匹配效果，

因此不能直接用于低噪声放大器的匹配电路。通过双

枝节匹配电路将低噪声放大器的输入输出阻抗匹配到

实阻抗，再通过双频阻抗变换器进行匹配。

Z2,l2Z1,l1

Zin Zin1

Z1,l1 Z2,l2

ZL=RL

90 2016年第20期

设计与实现

3 双枝节线的双频匹配电路由于双枝节线结构能够实现双频点复阻抗到实阻抗

的匹配，因此双枝节线匹配可以结合双频实阻抗变换器

来实现低噪声放大器的双频匹配。其结构如图2所示：

图2 双枝节线结构双频匹配电路

负载Zx经过微带线Za后，其阻抗会发生变化，假

设变化后两个频点f1和f2处的导纳分别为:

Yx1=Gx1+jBx1 （19）

Yx2=Gx2+jBx2 （20）

经过分支线Zb、Zc导纳变化后，总输入导纳为：

Y in2f1=jYctanβ1lc-jYbcotβ1lb+Yx1 （21）

Y in2f 2=jYctanβ2lc-jYbcotβ2lb+Yx2 （22）

令总导纳虚部为零，实部相等，则有：

Gx1=Gx2 （23）

jYctanβ1lc-jYbcotβ1lb+Bx1=jYctanβ2lc-jYbcotβ2lb+Bx2=0

（24）

在给定Za条件下，可以求出la；在给定Zb、Zc条件

下可以求出lb、lc。

4 双频低噪声放大器设计基于以上原理分析， 终将实现双频复阻抗当实

阻抗变换的双枝节线结构和双频实阻抗变换器级联起

来使用，如图3所示：

图3 总体双频匹配电路

晶体管选择英飞凌公司的BFP740，偏置点选择

Vce=3 V，Ic=6 mA，此时噪声系数 小。输入匹配用

小噪声系数匹配，输出匹配用 大输出功率匹配，输

入输出阻抗如表1所示：

表1 低噪声放大器输出阻抗

频率 /GHz 输入阻抗 /Ω 输出阻抗 /Ω

2.3 62.1+j31.35 123.1-j50.9

3.5 42.3+j53.5 96.7-j100.2

通过以上分析，在A D S中对双频低噪声放大器

电路进行建模和仿真，所采用的介质基板为R o g e r s

4003，其介电常数为3.55，厚度为0.508 mm。

经过优化调试，得到双频低噪声放大器的S参数仿

真结果，增益仿真结果如图4（a）所示，在2.3 GHz和

3.5 GHz频点处增益分别为16.5 dB和13.2 dB，回波损

耗和反向隔离度仿真结果如图4（b）所示。

噪声系数仿真结果如图5所示，在频点2.3 GHz和

3.5 GHz处的噪声系数分别为0.57和0.73，几乎等于晶

体管的 小噪声系数，可以看出晶体管在这两个频点

处满足 小噪声系数匹配。

增益与输入功率的关系仿真结果如图6所示，图6

（a）为输入信号频率为2.3 GHz时，输出功率与输入功

率的关系曲线图，信号的线性增益为16.5 dB，当输入

信号功率为-11 dBm时，输出功率达到1 dB压缩点。图6

（b）为输入信号频率为3.5 GHz时，输出功率与输入功

率的关系曲线图，信号的线性增益为13.2 dB，当输入

信号功率为-7 dBm时，输出功率达到1 dB压缩点。

5 结论本文通过结合传输线原理，分析了实阻抗双频

变换器和双枝节线结构双频匹配电路的工作原理和

设计方法。在此基础上提出将实阻抗变换器和双枝

节线结构双频匹配电路级联来实现任意阻抗的双频

点匹配，并将此双频匹配结构应用于低噪声放大器

电路的设计，设计出工作在2.3 GHz和3.5 GHz的双频

低噪声放大器。该低噪声放大器在2.3 GHz频点处的

增益为16.5 dB，S11小于-14 dB，S22小于-12 dB，噪声

系数为0.57，P1dB点对应的输出功率为4.5 dBm。在

3.5 GHz频点处增益为13.2 dB，S11小于-17 dB，S22小

于-10 dB，噪声系数为0.73，P1dB点对应的输出功率

Zin2 Za

Zb

Zc

lalb

lc

Zx

Zin2

Za

Zb

Zc

lalb

lc

ZxZ0

ZdZe

ldleZ0

912016年第20期

设计与实现

为5.3 dBm。用这种方法设计的双频低噪声放大器结构

简单、成本低廉、性能优良且易于加工，两个中心频

率可任意选择，设计方式灵活，因此该双频低噪声放

大器能够满足多频段多协议接收机的需求，具有较高

的实用价值。

参考文献：[1] Carta C, Vogt R, Bachtold W. A low-power dual-band

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[J]. 电子器件, 2010,33(5): 582-586.[7] HongyunXie,Wanrong Zhang, Pei Shen,et al. Impact of

（a）增益仿真结果

（b）回波损耗和反向隔离度仿真结果

图4 S参数仿真结果

图5 噪声系数仿真结果

（a）频率为2.3 GHz时输入功率与增益的关系

（b）频率为3.5 GHz时输入功率与增益的关系

图6 输入功率与增益关系的仿真结果

（下转第 96 页）

S(2,2)

S(1,1)

S(1,2)

频率/GHz

增益

/dB

增益

/dB

输入功率/dBm

输入功率/dBm

dB(S

(2,1

))

频率/GHz

NFmin

NFout

噪声

系数

频率/GHz

92 2016年第20期

设计与实现

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

收稿日期：2016-07-11

为了解决云环境下的安全防护问题，通过分析传统防护方案存在的不足，并对云环境下资源池的架构进行研

究，提出了无代理病毒防护设计、无代理防火墙的设计和无代理入侵检测/防护的设计等关键技术解决方案。经

过实际性能测试验证，无代理方案的性能表现明显优于传统防护方案，可为电信运营商在云环境下的资源池提

供有效的安全防护。

云资源池 VMware 无代理 入侵检测系统 入侵防护系统

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.018 中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2016)20-0092-05

引用格式：邱红飞,黄春光. 云环境下资源池的防护系统设计与实现[J]. 移动通信, 2016,40(20): 92-96.

【摘 要】

【关键词】

邱红飞，黄春光

Design and Implementation of Safety Protection System for Resource Poolin Cloud Environment

To solve the problem of security protection under cloud environment, with analysis of traditional protection solution’s weakness, after studying the infrastructure of resource pool under cloud environment, this article proposed the key technology solution of agent-free virus protection design, agent-free fi rewall design and agent-free hacking/detecting design. As verifi ed by actual performance testing, apparently the performance of agent-free solution is better than tradition protection solution, providing reference of security protection of cloud resource pool under cloud computing environment for telecom operator.cloud resource pool VMware agentless IDS IPS

QIU Hong-fei, HUANG Chun-guang

[Abstract]

[Key words]

(Guangdong Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

（中国电信股份有限公司广东研究院，广东 广州 510630）

1 引言随着云计算及虚拟化技术快速演进，大量的数据

中心服务器工作负荷将实现虚拟化。通常的部署方式

是在单一物理系统中运行多个虚拟机，从而使资源得

到更高效的利用，这样就可以大幅削减设备的资本支

出、降低与电力和冷却相关的能源成本以及节省物理

空间。根据Gartner统计报告，到2016年为止80%的服

务器将采用虚拟化部署。

虚拟环境下的服务器和虚拟桌面仍然会碰到与传

统物理计算机相同的安全性问题，如病毒、蠕虫、木马

程序和恶意软件的入侵。并且虚拟环境更加复杂，安全

防护需要考虑虚拟机的密度、虚拟机的启动间隙防护、

虚拟机之间的攻击、虚拟机的管理复杂性等。由于大量

云环境下资源池的防护系统设计与实现

932016年第20期

设计与实现

使用了虚拟化技术，使得过去常规的安全手段已经无法

有效解决日益突出的安全问题，所以在虚拟环境下的服

务器需要考虑如何有效地进行安全防范。

2 传统安全防护存在的问题传统的针对病毒防护解决方案都是通过安装代理

程序（Agent）到虚拟主机的操作系统中，在服务器虚

拟化后，要实现针对病毒的实时防护，同样需要将防

病毒客户端即代理程序安装在各个虚拟机中，但是服

务器虚拟化的目的是整合资源， 大化地发挥服务器

资源的利用率，而传统的防病毒技术需要在每个虚拟

主机中安装程序，如1台服务器虚拟5台主机，传统方

法需要安装5套，这样在扫描时就需要消耗虚拟主机的

计算资源，并且在病毒库更新时带来更多的网络资源

消耗。传统的病毒防护解决方案如图1所示：

图1 传统的病毒防护解决方案

当这些系统被迁移到虚拟环境时，众多虚拟机

同时更新病毒特征库或进行按需全盘扫描可能使内

存、存储和CPU（Central Processing Unit，中央处理

器）使用率出现尖峰，导致这些虚拟机在这段时间内

都无法正常提供服务，这种情况通常称为杀毒风暴。

同时，由于杀毒风暴的存在，虚拟机的密度也不能太

高，比如可以承载50台虚拟机的服务器资源池只能建

立30台虚拟机。目前 常见的做法是使按需扫描调度

随机化，但这种做法也不理想。

3 VMware平台安全架构介绍VMware是一款众所周知的虚拟化软件，该软件

通过虚拟化服务器底层硬件以提供用户可在服务器上

同时运行不同的操作系统环境。目前虚拟化软件以

VMware为主，包括虚拟化软件思杰的Citrix、华为的

Fusion、微软的Hyper-V、开源KVM（Kernel-based

Virtual Machine，内核级虚拟化技术）等。

VMware在平台的安全中，对外开放各种接口方

式来实现第三方的安全控制。用户的VMware ESXi主

机需要统一接受一个vCenter中心管理，并通过vCenter

中心对每台主机分别自动部署vShield Endpoint和安

全虚拟机，这些安全虚拟机将在每个物理主机上自动

部署。在添加一台物理主机后，当新加VMware ESXi

物理主机接受vCenter管理平台管理时，将自动生成部

署安全虚拟机和vShield Endpoint。目前采用VMsafe

API（Application Programming Interface，应用程序

编程接口）和vShield Endpoint的接口，通过在ESXi

上部署安全虚拟应用层来实现对虚拟机的安全防护；

利用v S h i e l d E n d p o i n t实现防病毒及防恶意软件，

利用VMsafe API实现网络IDS（Intrusion Detection

System，入侵检测系统）/IPS（Intrusion Prevention

System，入侵防护系统）。VMware平台安全架构如

图2所示：

图2 VMware平台安全架构

4 云资源池下的防护安全方案通过上述分析可以看出，在云资源时代，目前以

vSph

ere

API

94 2016年第20期

设计与实现

VMware为主的虚拟环境中，安全防护面临的是从病毒

防护、访问控制到入侵检测/防护的一系列问题，因此

本文设计了一套完整的安全防护策略，如图3所示：

图3 无代理安全防护工作设计架构

4.1 无代理病毒防护设计

在虚拟化环境中，有代理的防病毒软件存在严重

的资源消耗问题，影响服务器的运行。目前可以采用

无代理的方式来解决服务器资源问题，通过VMware的

虚拟化层提供的API接口实现。无代理技术是指在每台

VMware ESXi物理服务器上部署一台安全虚拟机，以

一台安全虚拟机方式运行而不需要在其它各个业务虚

拟机安装任何代理程序，通过该虚拟机来保护所有在

VMware ESXi物理服务器上的虚拟主机。同时，当业

务虚拟机任意启用运行或者物理服务器切换到时，都不

出现防护空档，这一切是传统解决方案无法完成的。

VMware虚拟系统通过开放VMsafe API和vShield

Endpoint的接口，在虚拟化层VMware ESXi上部署

安全虚拟机，实现虚拟系统和虚拟主机之间的安全防

护，这样避免了在虚拟主机的操作系统中安装代理程

序，以无代理方式实现了实时的恶意软件的防护。防

毒引擎扫描时不需要消耗网络和处理器的资源，在

大化利用服务器资源的同时提供全面恶意软件的实时

防护。

4.2 无代理防火墙的设计

传统的防火墙技术通常以硬件形式存在，用于

访问控制和安全区域间的划分。计算资源虚拟化后导

致边界模糊，很多的信息交换在虚拟系统内部就实现

了，而传统防火墙在物理网络层提供访问控制，如何

在虚拟系统内部实现访问控制和病毒传播抑制是虚拟

系统面临的 基本安全问题。

无代理的防火墙提供全面基于状态检测细粒度的

访问控制功能，可以实现针对虚拟交换机基于网口的

访问控制和虚拟系统之间的区域逻辑隔离；同时，支

持各种泛洪攻击的识别和拦截。通过与底层的紧密集

合，以达到对上层虚拟机无代理的防护。

4.3 无代理入侵检测/防护的设计

传统环境下的网络安全拓扑图在网络出口处部署

网关防护设备，如防火墙、防毒墙等各类安全设备，

用来隔离网络之间的攻击和病毒扩散问题，部署IDS监

控对服务器的非法访问行为，在服务器上部署防病毒

软件，保护核心服务器的安全运行。而在虚拟化环境

下，一台物理服务器平台上将运行数个甚至数十个业

务虚拟机，这些传统的安全防护措施将不再有效。因

此，针对虚拟化环境应该部署针对虚拟化环境的无代

理解决方案。

在主机及网络层面同时进行入侵检测和防护，这

在安全基础设施建设是非常必要的，然而在云计算和

虚拟化的环境中，由于传统的入侵检测工具需要在每

台虚拟机中安装代理程序，当运行在虚拟化的网络或

系统中时，会出现和有代理防病毒软件类似的问题。

此外，在虚拟环境中，虚拟交换机不支持建立镜像端

口、禁止将数据流拷贝至IDS传感器。面对虚拟网络

内部流量时，部署在传统物理网区域中的IPS系统无法

很好地集成到虚拟环境中，这样会面对多种的技术问

题，导致网络入侵检测很难实现。因此，与有代理运

行恶意软件一样，基于主机的IDS系统会消耗共享的资

源，导致运行资源风暴、密度不够等问题。

无代理入侵检测/防护在VMware的VMsafe接口可

以允许虚拟交换机或端口组以混合模式运行时，虚拟

的IDS传感器可以检测到同一虚拟段上的网络流量。

无代理IDS/IPS除了提供传统IDS/IPS系统功能外，还

提供虚拟环境中基于政策的监控和分析工具，确保虚

拟网络的安全性，如网络行为的分析及精确的流量监

控、分析、访问控制等。通过无代理方式可以让其在

虚拟系统中占用更少的资源，避免过度消耗宿主机的

硬件能力。

API

952016年第20期

设计与实现

4.4 方案优点及问题

方案优点具体如下：

（1）简化部署。采用无代理模式，管理员无需在

模板机部署和更新代理程序，减少虚拟机的体积和管

理工作量。

（2）避免病毒扫描风暴。在无代理模式下，运行

于同一物理服务器上的多台虚拟机的扫描工作统一进

行调度，资源占用得到有效控制，避免了病毒扫描风

暴的发生。

（3）减少资源占用。在无代理模式下，不占用主

机的CPU、内存和磁盘资源。

（4）随时保持 新。采用无代理模式，只要保证

安全虚拟机随时在线、及时更新，每台虚拟机就不用

更新病毒库。

（5）更高的密度、更低的成本。由于无代理模式

可以节省资源占用，消除病毒扫描风暴，因此可以提

高部署密度和节省硬件采购成本。

当然，无代理安全防护方案也存在一些问题。目

前该方案主要是针对采用VMware虚拟化软件部署的云

环境，因为VMware提供了相应的程序接口。同时，随

着VMware新版本的推出，相应的程序接口也在不断地

调整，无代理安全防护方案在各种VMware版本下开发

设计也不同。此外，如果云环境采用其它虚拟化软件

部署，安全接口的标准化程度不如VMware，则设计架

构需要调整，且实现难度较大。

5 性能测试对比分析性能测试主要包括验证与传统方式下安全防护在

性能和资源占用方面的对比，具体如下：

（1）CPU资源占用测试：说明此次测试CPU的性

能消耗对比传统扫描方式的测试结果。

（2）内存资源占用功能测试：说明此次测试内存

的性能消耗对比传统扫描方式的测试结果。

（3）磁盘I/O占用测试：说明此次测试磁盘I/O的

性能消耗对比传统扫描方式的测试结果。

（4）网络占用测试：说明此次测试网络消耗对比

传统扫描方式的测试结果。

本次测试开启了10个Windows 7环境虚拟机，测

试结果如表1和表2所示：

表1 性能对比-预设扫描

性能场景CPU使用情况 内存消耗/GB Disk读取速度/Mbps

平均值 高峰值 平均值 高值 平均值 高值

传统防护 12.39 21.93 100.200 0 100.210 0 21.32 36.07

无代理防护 3.43 4.31 93.810 7 93.884 3 2.88 12.48

表2 扫描速度对比-预设扫描

性能场景扫描速度/s

平均值 低谷值 高峰值 总时间

传统防护 56.0 53 60 60

无代理防护 1.5 1 8 35

本次测试开启了虚拟化安全所必需的虚拟机包

括vShield、vCenter和厂家自己配置的负载安全的虚

拟机，以及进行性能测试的10个Windows 7环境虚拟

机，可以看到，对比CPU使用情况、内存消耗、磁盘

读取速度和扫描速度，无代理方案与传统有代理防病

毒方案的性能开销差距越突出。而在用户的实际工作

和生产环境中，单个主机上能够运行到50至100个虚拟

机环境，这种环境下无代理方式在资源和防护方面的

优势更加明显。也就是说，单个主机上运行的虚拟机

越多，就越能体现无代理方式的优势。而有代理方式

进行扫描和更新时，虚拟机越多，主机资源负担就会

越重，在这种环境中会因为安全产品的运行而造成资

源的浪费。

6 结束语本文分析了传统安全防护方案存在的问题，包括

安全防护软件的管理问题及性能问题，研究了云资源

下的防护系统，给出了无代理病毒防护设计、无代理

防火墙的设计、无代理入侵检测/防护的设计等关键技

术，并分析了无代理技术优点及问题。在实际性能测

试中，对比传统防病毒软件和虚拟化安全无代理解决

方案，当同时进行安全防护时，本文中的无代理方案

的性能表现明显优于传统防护方案。

参考文献：[1] 张明浩. 计算机病毒防范技术探讨[J]. 科技信息: 学术

96 2016年第20期

设计与实现

（上接第 91 页）

作者简介

邱红飞：高级工程师，硕士毕业于

浙江大学，现任职于中国电信股份

有限公司广东研究院，从事IT系

统测评工作，主要研究方向为大数

据应用。

黄春光：工程师，学士毕业于广东

工业大学，现任职于中国电信股份

有限公司广东研究院，从事IT系

统支撑工作，主要研究方向为大数

据应用、IT硬件测试。

版, 2007(10): 32-35.

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[12] 程伍端. 浅谈虚拟机与网络模拟器的结合应用[J]. 福

建电脑, 2011(10): 81-82.★

作者简介

余云忠：射频工程师，硕士毕业于

南京理工大学，现任职于武汉虹信

通信技术有限责任公司网优事业

部，主要从事射频微波电路方面的

研究。

周可籍：射频工程师，硕士毕业于

英国谢菲尔德大学，现任职于武汉

虹信通信技术有限责任公司网优事

业部，主要从事射频微波电路方面

的研究。

何建成：硬件主管，学士毕业电子

科技大学，现任职于武汉虹信通信

技术有限责任公司网优设备事业

部，主要从事微波通信、移动通信

设备系统的研究和开发工作。

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