中國電信廣東無線網(wǎng)絡(luò)中心 魏 堅(jiān) 江海波 李德卿

一、引言

為了應(yīng)對快速增長的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求以及其他無線技術(shù)的競爭，3GPP于2004年啟動(dòng)了無線接口的長期演進(jìn)（LTE）研究，LTE是3G與4G技術(shù)之間的一個(gè)過渡，是3.9G的全球標(biāo)準(zhǔn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的惟一標(biāo)準(zhǔn)。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行326Mb/s與上行86Mb/s的峰值速率，同時(shí)改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲。

LTE實(shí)際上是3GPP研究計(jì)劃的名稱，在正式標(biāo)準(zhǔn)中，LTE無線接入網(wǎng)絡(luò)稱作演進(jìn)的通用地面無線接入網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN），演進(jìn)的分組核心網(wǎng)EPC和新的空中接口LTE一起稱作演進(jìn)的分組系統(tǒng)EPS，目前，EPS的E-UTRAN已成為移動(dòng)運(yùn)營商邁向下一代無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的首要選擇，這其中包括GSM/UMTS運(yùn)營商，也包括cdma2000運(yùn)營商。同時(shí)由于EPS標(biāo)準(zhǔn)由3GPP制定，因此，UMTS向EPS演進(jìn)在標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)鏈方面具有先天優(yōu)勢，而CDMA運(yùn)營商則面臨著跨標(biāo)準(zhǔn)體系的演進(jìn)形勢，從而導(dǎo)致CDMA運(yùn)營商在演進(jìn)過程中存在更多的網(wǎng)絡(luò)融合和技術(shù)障礙。對于CDMA運(yùn)營商，如何結(jié)合自身的業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)定位選擇合適的規(guī)劃發(fā)展方向及演進(jìn)策略，是必須考慮的首要問題之一。

二、LTE覆蓋分析

1. LTE傳播模型選擇

無線傳播模型在鏈路預(yù)算中扮演著關(guān)鍵角色，常見的空口傳播模型包括自由空間模型、Cost231-Hata模型、標(biāo)準(zhǔn)傳播模型（SPM）、Okumura-Hata模型和ITU室內(nèi)模型。在實(shí)際工程中，使用的傳播模型多為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鏑ost231-Hata模型，Hata是廣泛使用的一種傳播模型，能被用來作為宏蜂窩基站的傳播模型，應(yīng)用范圍如下：

頻率范圍是1500～2000MHz；基站高度是30～200m（基站高度必須高于周圍建筑物）；終端天線高度為1～10m；發(fā)射端和接收端距離為1～20m。

Cost231-Hata模型可表示為

式中，L=46.3+33.9×lg(f)－13.82×10lg(HBS)+[44.9－6.55×lg(HBS)]×lg(d)；f表示工作頻率，單位為MHz；HBS表示基站天線高度，單位為m；HSS表示終端天線高度，單位為m；d表示終端和天線之間的距離，單位為km；a(HSS)表示終端的增益能力，與天線高度、終端工作頻率和環(huán)境相關(guān)；Cm的數(shù)值取決于地形類型，發(fā)達(dá)城市Cm=3，中型城市Cm=0，郊區(qū)Cm=－2[lg(f/28)]2－5.4dB，農(nóng)村開闊地區(qū)Cm=－4.78[lg(f)]2＋18.33lg(f)－40.94，高速公路 Cm=－4.78[lg(f)]2＋18.33 lg(f)－35.94。

由于一些LTE網(wǎng)絡(luò)的工作頻率在2.3GHz和2.6GHz，超過了Cost231-Hata模型的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍，因此，對于這些LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Cost231-Hata模型必須在CW測試結(jié)果的基礎(chǔ)上予以校正，這里不再贅述。

2. LTE鏈路預(yù)算

LTE鏈路預(yù)算相關(guān)參數(shù)包括MIMO（多輸入多輸出技術(shù)）增益、特定覆蓋區(qū)邊緣的上/下行速率、重復(fù)編碼增益、干擾余量、快衰落余量。其中，MIMO增益是LTE的特有參數(shù)，同時(shí)LTE系統(tǒng)中的干擾余量和快衰落余量取值也與CDMA，UMTS系統(tǒng)不同。

鏈路預(yù)算工具支持上/下行鏈路業(yè)務(wù)信道，基于鏈路平衡的原則，將最小半徑作為最終的覆蓋半徑，相關(guān)參數(shù)取值如下：

場景為密集城區(qū)；雙工模式為FDD；用戶環(huán)境為室內(nèi)；信道帶寬為20MHz；信道模型為ETU3；MIMO設(shè)置為上行1×2，下行2×2 SFBC（空頻分組編碼）；小區(qū)邊緣速率為上行512kb/s，下行2048kb/s。相關(guān)輸入?yún)?shù)和結(jié)果如表1所示。

表1 LTE覆蓋鏈路預(yù)算實(shí)例

上述鏈路預(yù)算僅僅是理論上的，鏈路預(yù)算的結(jié)果會(huì)因覆蓋目標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)要求等參數(shù)的變化而不同。對比CDMA/EVDO（800MHz頻段）相關(guān)聯(lián)參數(shù)的鏈路預(yù)算，可以發(fā)現(xiàn)LTE（2600MHz頻段）的覆蓋范圍要縮小2/3以上。

三、從CDMA到LTE的技術(shù)演進(jìn)方案

從上述鏈路預(yù)算分析可以看出，在相類參數(shù)下，LTE的覆蓋范圍比目前的CDMA/EVDO網(wǎng)絡(luò)要縮小2/3以上，同時(shí)在LTE網(wǎng)絡(luò)部署初期，一般為重點(diǎn)區(qū)域覆蓋，此時(shí)的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋將遠(yuǎn)小于CDMA/EVDO現(xiàn)網(wǎng)的覆蓋。在LTE部署的初期甚至相當(dāng)長的一個(gè)時(shí)期內(nèi)，LTE網(wǎng)絡(luò)都必須依托CDMA網(wǎng)絡(luò)來發(fā)展。

1. 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)互操作是CDMA向LTE演進(jìn)的重點(diǎn)

CDMA網(wǎng)絡(luò)向LTE演進(jìn)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的互操作非常關(guān)鍵。目前的CDMA HRPD（高速分組數(shù)據(jù)，即EVDO）網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)與LTE的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)互操作切換，需要升級至eHRPD（演進(jìn)的高速分組網(wǎng)絡(luò)），特別是在LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期、LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善的情況下，互操作的解決方案是提升用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)、保護(hù)已有的2G/3G網(wǎng)絡(luò)投資的有效措施之一。

eHRPD是對原HRPD網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和增強(qiáng)，其優(yōu)點(diǎn)是可以支持與LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的互操作（切換）、與LTE使用同一個(gè)核心網(wǎng)絡(luò)，便于維護(hù)管理。

從CDMA EV-DO到eHRPD需要對相關(guān)網(wǎng)元進(jìn)行升級，如AN/PCF升級至eAN/ePCF，PDSN（分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)）升級為HSGW（HRPD服務(wù)網(wǎng)關(guān)）。對于BTS，eHRPD與HRPD沒有差異，即eHRPD改善了網(wǎng)絡(luò)融合方式，使資源能合理利用但是沒有改善無線側(cè)的能力。eHRPD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)共分為三種：非漫游的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，漫游時(shí)本地路由（Home Routed）場景和局域網(wǎng)分接（Local Breakout）場景。

eHRPD新功能增強(qiáng)了CDMA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，但網(wǎng)絡(luò)升級需要考慮對現(xiàn)有HRPD網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)有3G用戶感知體驗(yàn)的影響，而LTE與eHRPD的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)互操作，特別需要考慮切換時(shí)延的影響。目前3GPP標(biāo)準(zhǔn)中定義了LTE與eHRPD的雙向切換，包括激活態(tài)/休眠態(tài)的優(yōu)化與非優(yōu)化切換流程。但3GPP2標(biāo)準(zhǔn)只定義了LTE至eHRPD的單向切換（包括激活態(tài)/休眠態(tài)的優(yōu)化與非優(yōu)化切換）與eHRPD至LTE的空閑態(tài)非優(yōu)化切換。優(yōu)化切換時(shí)延較少，但實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，需新增S101與S103接口，目前尚無成熟商用產(chǎn)品。非優(yōu)化切換是相對于優(yōu)化切換來說的。在非優(yōu)化切換中，目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)和原服務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間沒有使用隧道傳輸信令（tunneled signaling），即沒有使用S101與S103接口，但非優(yōu)化切換性能有待提高。兩種切換方式詳見表2。

表2 eHRPD與LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)互操作類別

2. CDMA/LTE語音業(yè)務(wù)互操作方案

考慮到網(wǎng)絡(luò)的部署進(jìn)度以及政策因素，LTE網(wǎng)絡(luò)可能在相當(dāng)長的一個(gè)時(shí)期內(nèi)都無法提供VoIP業(yè)務(wù)，因此，在建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)初期依然要依賴于CDMA 1x網(wǎng)絡(luò)提供CS語音業(yè)務(wù)，如果CDMA/LTE雙模終端UE是單發(fā)單收的話，駐留在LTE網(wǎng)絡(luò)的UE在發(fā)生語音呼叫時(shí)需要回落到CDMA 1x CS網(wǎng)絡(luò)，這種方案稱為1xCSFB（1x CS FallBack）方案。如果終端同時(shí)支撐語音和EVDO數(shù)據(jù)能力，且網(wǎng)絡(luò)支撐1x和eHRPD數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)，則可同時(shí)將LTE的PS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也切換到eHRPD上傳送，這種方案稱為e1xCSFB方案。如果雙模終端是雙發(fā)雙收的結(jié)構(gòu)，則網(wǎng)絡(luò)中CDMA和LTE系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，互不影響。隨著LTE網(wǎng)絡(luò)部署的進(jìn)一步完善，LTE系統(tǒng)也將提供VoIP語音業(yè)務(wù)，此時(shí)CDMA 1x CS語音業(yè)務(wù)和LTE的VoIP語音業(yè)務(wù)同時(shí)存在，運(yùn)營商可以根據(jù)運(yùn)營策略選擇使用哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音通信。三種互操作方案對CDMA和LTE系統(tǒng)的要求詳見表3。

表3 各種互操作方案對CDMA和LTE系統(tǒng)的要求

3. CDMA向LTE演進(jìn)的分階段方案

CDMA向LTE演進(jìn)，有幾個(gè)方面的因素需要考慮，包括發(fā)展時(shí)間、發(fā)展的規(guī)模和可發(fā)展的業(yè)務(wù)類型等。CDMA向LTE演進(jìn)的發(fā)展時(shí)間取決于LTE的技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展和競爭對手的發(fā)展速度，上述因素決定了LTE引入的時(shí)間和階段；發(fā)展的規(guī)模取決于用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求發(fā)展情況、對現(xiàn)有CDMA網(wǎng)絡(luò)的影響和應(yīng)用成本，上述因素決定了LTE的部署方案；可發(fā)展的業(yè)務(wù)類型取決于IMS平臺(tái)的成熟度、VoIP實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的發(fā)展和雙模終端的發(fā)展，上述因素決定了LTE的市場前景。總體而言，CDMA向LTE演進(jìn)應(yīng)分為以下三個(gè)階段：

（1）LTE的小規(guī)模應(yīng)用

在初始階段，大城市的中心區(qū)域和熱點(diǎn)地區(qū)將會(huì)引入LTE無線網(wǎng)絡(luò)，原有的HRPD無線網(wǎng)絡(luò)也會(huì)繼續(xù)保留（見圖1）。

圖1 LTE小規(guī)模應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LTE的分組核心網(wǎng)EPC將通過疊加建設(shè)的方式加入到HRPD的分組核心網(wǎng)中，并能夠和HRPD的分組核心網(wǎng)進(jìn)行互通操作；無線側(cè)的設(shè)備，使用原站點(diǎn)，對于站點(diǎn)的利舊使用，可以分為SDR（軟件無線電）基站和非SDR基站，SDR基站基帶部分可以通過增加LTE單板方式繼續(xù)使用，射頻部分由于頻帶差異需要新增射頻；非SDR基站的則需要新增基站。天饋可以共享。用戶仍然以CDMA的用戶為主，具有雙模終端的用戶將可以在兩個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)自由的切換和移動(dòng)。

（2）LTE逐步擴(kuò)充，CDMA/LTE兩網(wǎng)融合

在這一階段，LTE網(wǎng)絡(luò)用戶逐步增加，運(yùn)營商在這個(gè)階段可以逐步擴(kuò)容LTE無線網(wǎng)絡(luò)以及核心網(wǎng)絡(luò)。原有HRPD網(wǎng)絡(luò)下的PDSN將逐步升級為大容量系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)網(wǎng)關(guān)SAE-GW設(shè)備，以滿足新的用戶需求以及業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要（見圖2）。由于LTE的頻段差異覆蓋特性差異，在CDMA原站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，LTE需要新增站點(diǎn)以滿足LTE的覆蓋。為適應(yīng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的要求，網(wǎng)絡(luò)要支持CDMA和LTE的無縫切換。

圖2 CDMA/LTE兩網(wǎng)融合階段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（3）完全的LTE應(yīng)用場景

最后階段，隨著寬帶業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展，LTE網(wǎng)絡(luò)將大規(guī)模部署覆蓋所有的地域，CDMA只保留1x電路語音業(yè)務(wù)，HRPD網(wǎng)絡(luò)完全演進(jìn)到LTE網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)營商的EPC核心網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步擴(kuò)展，根據(jù)業(yè)務(wù)容量MME（移動(dòng)性管理實(shí)體）和SAE-GW可以在多個(gè)地市進(jìn)行部署。整個(gè)EPC網(wǎng)絡(luò)僅由MME，SAE-GW，CG（計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)），HSS（歸屬用戶服務(wù)器）組成（見圖3）。

圖3 完全的LTE場景的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

四、結(jié)束語

本文從無線鏈路預(yù)算、語音和數(shù)據(jù)互操作、系統(tǒng)性演進(jìn)方案等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，闡述了CDMA和LTE的技術(shù)差異及融合方法。由于CDMA標(biāo)準(zhǔn)到LTE的演進(jìn)存在跨體系標(biāo)準(zhǔn)的問題，在演進(jìn)過程中還有許多技術(shù)細(xì)節(jié)需要進(jìn)行挖掘研究，例如從CDMA到LTE的頻率需求、站址要求、傳輸需求、設(shè)備更替方案、系統(tǒng)間共存方案，以及多模終端等增強(qiáng)型終端的應(yīng)用策略等，同時(shí)還要深入研究cdma2000 1x、DOA 與LTE 在未來網(wǎng)絡(luò)中的各自定位，方能解決好相互之間的互操作問題，使得不同的無線技術(shù)可以協(xié)調(diào)共存，各自發(fā)揮有效的作用。

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