CDMA到LTE的覆盖问题及其演进方案浅析

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本文摘自《移动通信》2013年5期。作者：魏坚 姜海波

【摘 要】介绍了LTE技术的发展体系，并从CDMA运营商的现状着手，通过LTE的无线链路预算分析，揭示了CDMA网络在演进至LTE后可能存在的覆盖问题，同时根据上述问题背景，重点介绍了CDMA向LTE演进过程中的语音、数据互操作方案及系统性演进方案。
　　【关键词】CDMA LTE 互操作 演进方案
　　1 引言
　　为了应对快速增长的无线网络数据业务的需求以及其他无线技术的竞争，3GPP于2004年启动了无线接口的长期演进（LTE，Long Term Evolution）研究，LTE是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mb/s与上行86Mb/s的峰值速率，同时改善了小区边缘用户的性能，提高了小区容量，降低了系统延迟。
　　在正式标准中，LTE无线接入网络称为演进的通用地面无线接入网络（E-UTRAN，Evolved-Universal Terrestrial Radio Access Network），演进的分组核心网EPC（Evolved Packet Core）和新的空中接口LTE一起称为演进的分组系统EPS（Evolved Packet System），目前EPS的E-UTRAN已成为移动运营商迈向下一代无线网络演进的首要选择，这其中包括GSM/UMTS运营商，也包括CDMA2000运营商。同时由于EPS标准由3GPP制定，因此UMTS向EPS演进在标准和产业链方面具有先天优势，而CDMA运营商则面临着跨标准体系的演进形势，从而导致CDMA运营商在演进过程中存在更多的网络融合和技术障碍，对于CDMA运营商，如何结合自身的业务需求和网络定位选择合适的规划发展方向及演进策略，是移动运营商必须考虑的首要问题之一。
　　2 LTE覆盖分析
　　2.1 LTE传播模型选择
　　无线传播模型在链路预算中扮演着关键角色，常见的空口传播模型包括自由空间模型、Cost231-Hata模型、标准传播模型（SPM）、Okumura-Hata模型和ITU室内模型。在实际工程中，使用的传播模型多为经验模型，如Cost231-Hata模型。Hata是广泛使用的一种传播模型，能被用来作为宏蜂窝基站的传播模型，其应用范围如下：
　　频率范围：1500～2000MHz；
　　基站高度：30～200m（基站高度必须高于周围建筑物）；
　　终端天线高度：1～10m；
　　发射端和接收端距离：1～20m。
　　Cost231-Hata模型可以用如下公式表示：
　　Total=L-a（HSS）+Cm （1）
　　其中：
　　L=46.3+33.9×lg（f）-13.82×10lg（HBS）+
　　（44.9-6.55×lg（HBS））×lg（d）；
　　f表示工作频率，单位为MHz；
　　HBS表示基站天线高度，单位为m；
　　HSS表示终端天线高度，单位为m；
　　d表示终端和天线之间的距离，单位为km；
　　a（HSS）表示终端的增益能力，与天线高度、终端工作频率和环境相关；
　　Cm的数值取决于地形类型，发达城市Cm=3，中型城市Cm=0，郊区Cm=-2[lg（f/28）]2-5.4，农村开阔地区Cm=-4.78[lg（f）]2+18.33lg（f）-40.94，高速公路
　　Cm=-4.78[lg（f）]2+18.33lg（f）-35.94。
　　由于一些LTE网络的工作频率在2.3GHz和2.6GHz，超过了Cost231-Hata模型的标准频率范围，因此，对于这些LTE系统设计，Cost231-Hata模型必须在CW测试结果的基础上予以校正，这里不再赘述。
　　2.2 LTE链路预算
　　LTE链路预算相关参数包括MIMO（Multi-input Multi-output，多输入多输出技术）增益、特定覆盖区边缘的上/下行速率、重复编码增益、干扰余量和快衰落余量。其中MIMO增益是LTE的特有参数，同时LTE系统中的干扰余量和快衰落余量取值也与CDMA、UMTS系统不同。
　　链路预算工具支持上/下行链路业务信道，基于链路平衡的原则，将最小半径作为最终的覆盖半径，相关参数取值如下：
　　场景：密集城区；
　　双工模式：FDD；
　　用户环境：室内；
　　信道带宽：20MHz；
　　信道模型：ETU3；
　　MIMO设置：上行1×2，下行2×2SFBC；
　　小区边缘速率：上行512kb/s，下行2048kb/s。
　　某实例LTE覆盖链路预算见表1所示：
　　表1中的链路预算仅仅是理论上的，链路预算的结果会因覆盖目标和网络要求等参数的变化而不同。对比CDMA/EV-DO（800MHz频段）相关参数的链路预算，可以发现LTE（2600MHz频段）的覆盖范围要缩小2/3以上。
　　3 从CDMA到LTE的技术演进方案
　　从前面的链路预算分析可以看出，在类似参数下，LTE的覆盖范围比目前的CDMA/EV-DO网络要缩小2/3以上，同时在LTE网络部署初期，一般仅为重点区域覆盖，因此其网络覆盖将远小于CDMA/EV-DO的现网覆盖。在LTE部署的初期甚至往后相当长的一个时期内，LTE网络都必须依托CDMA网络来发展。
　　3.1 数据业务互操作是CDMA向LTE演进的重点
　　CDMA网络向LTE演进，数据业务的互操作非常关键。目前的CDMA HRPD（High Rate Packet Data，高速分组数据，即EV-DO）网络无法实现与LTE的数据业务互操作切换，需要升级至eHRPD（演进的高速分组网络），特别是在LTE网络建设初期、LTE网络覆盖不完善的情况下，互操作的解决方案是提升用户数据业务体验、保护已有的2G/3G网络投资的有效措施之一。

eHRPD是对原HRPD网络的演进和增强，其优点是可以支持与LTE数据业务的互操作（切换）且与LTE使用同一个核心网络，便于维护管理。
　　从CDMA EV-DO到eHRPD需要对相关网元进行升级，如AN/PCF升级至eAN/ePCF，PDSN升级为HSGW（HRPD Serving Gateway，HRPD服务网关）。对于BTS，eHRPD与HRPD没有差异，即eHRPD改善了网络融合方式，使资源能合理利用但是没有改善无线侧的能力。eHRPD网络架构共分三种：非漫游的网络架构，漫游时的Home Routed场景和Local Breakout场景。
　　eHRPD新功能增强了CDMA数据业务能力，但网络升级需要考虑对现有HRPD网络、现有3G用户感知体验的影响，而LTE与eHRPD的数据业务互操作，特别需要考虑切换时延的影响。目前3GPP标准中定义了LTE与eHRPD的双向切换，包括激活态/休眠态的优化与非优化切换流程。但3GPP2标准只定义了LTE至eHRPD的单向切换（包括激活态/休眠态的优化与非优化切换）与eHRPD至LTE的空闲态非优化切换。优化切换时延较少，但实现较复杂，需新增S101与S103接口，目前尚无成熟商用产品。非优化切换是相对于优化切换来说的。在非优化切换中，目标接入网络和原服务网络之间没有使用tunneled signaling，即没有使用S101与S103接口，但非优化切换性能有待提高。两种切换方式详见表2：
　　3.2 CDMA/LTE语音业务互操作方案
　　考虑到网络的部署进度以及政策因素，LTE网络可能在相当长的一个时期内都无法提供VoIP业务，因此，在建设LTE网络初期要依赖于CDMA 1X网络提供CS语音业务，如果CDMA/LTE双模终端UE是单发单收的话，驻留在LTE网络的UE在发生语音呼叫时需要回落到CDMA 1X CS网络，这种方案称为1X CSFB（1X CS FallBack）方案。如果终端同时支撑语音和EV-DO数据能力，且网络支撑1X和eHRPD数据业务并发，则可同时将LTE的PS数据业务也切换到eHRPD上传送，这种方案称为e1X CSFB方案。如果双模终端是双发双收的结构，则网络中CDMA和LTE系统是两个独立的系统，互不影响。随着LTE网络部署的进一步完善，LTE系统也将提供VoIP语音业务，此时CDMA 1X CS语音业务和LTE的VoIP语音业务同时存在，运营商可以根据运营策略选择使用哪个网络进行语音通信。三种互操作方案对CDMA和LTE系统的要求详见表3。
　　3.3 CDMA向LTE演进的分阶段方案
　　CDMA向LTE演进，有几个方面的因素需要考虑，包括发展时间、发展规模和可发展的业务类型等。CDMA向LTE演进的发展时间取决于LTE的技术发展、产业链发展和竞争对手的发展速度，上述因素共同决定了LTE引入的时间和阶段；发展规模取决于用户对数据业务的需求发展情况、对现有CDMA网络的影响和应用成本，上述因素决定了LTE的部署方案；可发展的业务类型取决于IMS平台的成熟度、VoIP实时业务的发展和双模终端的发展，上述因素决定了LTE的市场前景。总体而言，CDMA向LTE演进应分为以下三个阶段：
　　第一阶段：LTE的小规模应用。
　　在初始阶段，大城市的中心区域和热点地区将会引入LTE无线网络。原有的HRPD无线网络也会继续保留。LTE的分组核心网EPC将通过叠加建设的方式加入到HRPD的分组核心网中，并能够和HRPD的分组核心网进行互通操作；无线侧的设备，使用原站点，对于站点的利旧使用，可以分为SDR（Software Defined Radio，软件无线电）基站和非SDR基站，SDR基站基带部分可以通过增加LTE单板方式继续使用，射频部分由于频带差异需要新增射频；非SDR基站则需要新增基站。天馈可以共享。用户仍然以CDMA的用户为主，具有双模终端的用户将可以在两个无线网络覆盖的地区自由地切换和移动。网络结构如图1所示。
　　第二阶段：LTE逐步扩充，CDMA/LTE两网融合。
　　在这一阶段，LTE网络用户逐步增加，运营商在这个阶段可以逐步扩容LTE无线网络以及核心网络。原有HRPD网络下的PDSN将逐步升级为大容量SAE-GW设备，以满足新的用户需求以及业务应用的需要，由于LTE的频段覆盖特性差异，在CDMA原站点的基础上，LTE需要新增站点以满足LTE的覆盖。为适应实时业务的要求，网络要支持CDMA和LTE的无缝切换。网络结构如图2所示。
　　第三阶段：完全的LTE应用场景。
　　最后阶段，随着宽带业务的进一步发展，LTE网络将大规模部署，覆盖所有的地域，CDMA只保留1X电路语音业务，HRPD网络完全演进到LTE网络。运营商的EPC核心网络将进一步扩展，根据业务容量MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）和SAE-GW可以在多个地市进行部署。整个EPC网络仅由MME、SAE-GW、CG（Charging Gateway，计费网关）和HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）组成。网络结构如图3所示。
　　4 结束语
　　上文从无线链路预算、语音和数据互操作、系统性演进方案等关键环节阐述了CDMA和LTE的技术差异及融合方法，由于CDMA标准到LTE的演进存在跨体系标准的问题，在演进过程中还有许多技术细节问题需要挖掘研究，例如从CDMA到LTE的频率需求、站址要求、传输需求、设备更替方案、系统间共存方案以及多模终端等增强型终端的应用策略等，同时深入研究CDMA2000 1X、EV-DO Rev.A与LTE在未来网络中的各自定位，方能解决好相互之间的互操作问题，使得不同技术之间可以协调共存，各自发挥有效的作用。
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