從CDMA到LTE的覆蓋分析和技術演進

中國電信廣東無線網(wǎng)絡中心 魏 堅 江海波 李德卿

一、引言

為了應對快速增長的無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)業(yè)務的需求以及其他無線技術的競爭，3GPP于2004年啟動了無線接口的長期演進（LTE）研究，LTE是3G與4G技術之間的一個過渡，是3.9G的全球標準，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡演進的惟一標準。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實際上是3GPP研究計劃的名稱，在正式標準中，LTE無線接入網(wǎng)絡稱作演進的通用地面無線接入網(wǎng)絡（E-UTRAN），演進的分組核心網(wǎng)EPC和新的空中接口LTE一起稱作演進的分組系統(tǒng)EPS，目前，EPS的E-UTRAN已成為移動運營商邁向下一代無線網(wǎng)絡演進的首要選擇，這其中包括GSM/UMTS運營商，也包括cdma2000運營商。同時由于EPS標準由3GPP制定，因此，UMTS向EPS演進在標準和產(chǎn)業(yè)鏈方面具有先天優(yōu)勢，而CDMA運營商則面臨著跨標準體系的演進形勢，從而導致CDMA運營商在演進過程中存在更多的網(wǎng)絡融合和技術障礙。對于CDMA運營商，如何結合自身的業(yè)務需求和網(wǎng)絡定位選擇合適的規(guī)劃發(fā)展方向及演進策略，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算中扮演著關鍵角色，常見的空口傳播模型包括自由空間模型、Cost231-Hata模型、標準傳播模型（SPM）、Okumura-Hata模型和ITU室內(nèi)模型。在實際工程中，使用的傳播模型多為經(jīng)驗模型，如Cost231-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；Cm的數(shù)值取決于地形類型，發(fā)達城市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)絡的工作頻率在2.3GHz和2.6GHz，超過了Cost231-Hata模型的標準頻率范圍，因此，對于這些LTE系統(tǒng)設計，Cost231-Hata模型必須在CW測試結果的基礎上予以校正，這里不再贅述。

2. LTE鏈路預算

LTE鏈路預算相關參數(shù)包括MIMO（多輸入多輸出技術）增益、特定覆蓋區(qū)邊緣的上/下行速率、重復編碼增益、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。

鏈路預算工具支持上/下行鏈路業(yè)務信道，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。相關輸入?yún)?shù)和結果如表1所示。

表1 LTE覆蓋鏈路預算實例

上述鏈路預算僅僅是理論上的，鏈路預算的結果會因覆蓋目標和網(wǎng)絡要求等參數(shù)的變化而不同。對比CDMA/EVDO（800MHz頻段）相關聯(lián)參數(shù)的鏈路預算，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的技術演進方案

從上述鏈路預算分析可以看出，在相類參數(shù)下，LTE的覆蓋范圍比目前的CDMA/EVDO網(wǎng)絡要縮小2/3以上，同時在LTE網(wǎng)絡部署初期，一般為重點區(qū)域覆蓋，此時的LTE網(wǎng)絡覆蓋將遠小于CDMA/EVDO現(xiàn)網(wǎng)的覆蓋。在LTE部署的初期甚至相當長的一個時期內(nèi)，LTE網(wǎng)絡都必須依托CDMA網(wǎng)絡來發(fā)展。

1. 數(shù)據(jù)業(yè)務互操作是CDMA向LTE演進的重點

CDMA網(wǎng)絡向LTE演進，數(shù)據(jù)業(yè)務的互操作非常關鍵。目前的CDMA HRPD（高速分組數(shù)據(jù)，即EVDO）網(wǎng)絡無法實現(xiàn)與LTE的數(shù)據(jù)業(yè)務互操作切換，需要升級至eHRPD（演進的高速分組網(wǎng)絡），特別是在LTE網(wǎng)絡建設初期、LTE網(wǎng)絡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)務體驗、保護已有的2G/3G網(wǎng)絡投資的有效措施之一。

eHRPD是對原HRPD網(wǎng)絡的演進和增強，其優(yōu)點是可以支持與LTE數(shù)據(jù)業(yè)務的互操作（切換）、與LTE使用同一個核心網(wǎng)絡，便于維護管理。

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

eHRPD新功能增強了CDMA數(shù)據(jù)業(yè)務能力，但網(wǎng)絡升級需要考慮對現(xiàn)有HRPD網(wǎng)絡、現(xiàn)有3G用戶感知體驗的影響，而LTE與eHRPD的數(shù)據(jù)業(yè)務互操作，特別需要考慮切換時延的影響。目前3GPP標準中定義了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標準只定義了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)化切換時延較少，但實現(xiàn)較復雜，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，目標接入網(wǎng)絡和原服務網(wǎng)絡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)務互操作類別

2. CDMA/LTE語音業(yè)務互操作方案

考慮到網(wǎng)絡的部署進度以及政策因素，LTE網(wǎng)絡可能在相當長的一個時期內(nèi)都無法提供VoIP業(yè)務，因此，在建設LTE網(wǎng)絡初期依然要依賴于CDMA 1x網(wǎng)絡提供CS語音業(yè)務，如果CDMA/LTE雙模終端UE是單發(fā)單收的話，駐留在LTE網(wǎng)絡的UE在發(fā)生語音呼叫時需要回落到CDMA 1x CS網(wǎng)絡，這種方案稱為1xCSFB（1x CS FallBack）方案。如果終端同時支撐語音和EVDO數(shù)據(jù)能力，且網(wǎng)絡支撐1x和eHRPD數(shù)據(jù)業(yè)務并發(fā)，則可同時將LTE的PS數(shù)據(jù)業(yè)務也切換到eHRPD上傳送，這種方案稱為e1xCSFB方案。如果雙模終端是雙發(fā)雙收的結構，則網(wǎng)絡中CDMA和LTE系統(tǒng)是兩個獨立的系統(tǒng)，互不影響。隨著LTE網(wǎng)絡部署的進一步完善，LTE系統(tǒng)也將提供VoIP語音業(yè)務，此時CDMA 1x CS語音業(yè)務和LTE的VoIP語音業(yè)務同時存在，運營商可以根據(jù)運營策略選擇使用哪個網(wǎng)絡進行語音通信。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演進的分階段方案

CDMA向LTE演進，有幾個方面的因素需要考慮，包括發(fā)展時間、發(fā)展的規(guī)模和可發(fā)展的業(yè)務類型等。CDMA向LTE演進的發(fā)展時間取決于LTE的技術發(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引入的時間和階段；發(fā)展的規(guī)模取決于用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務的需求發(fā)展情況、對現(xiàn)有CDMA網(wǎng)絡的影響和應用成本，上述因素決定了LTE的部署方案；可發(fā)展的業(yè)務類型取決于IMS平臺的成熟度、VoIP實時業(yè)務的發(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演進應分為以下三個階段：

（1）LTE的小規(guī)模應用

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

圖1 LTE小規(guī)模應用的網(wǎng)絡結構

LTE的分組核心網(wǎng)EPC將通過疊加建設的方式加入到HRPD的分組核心網(wǎng)中，并能夠和HRPD的分組核心網(wǎng)進行互通操作；無線側的設備，使用原站點，對于站點的利舊使用，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無線網(wǎng)絡覆蓋的地區(qū)自由的切換和移動。

（2）LTE逐步擴充，CDMA/LTE兩網(wǎng)融合

在這一階段，LTE網(wǎng)絡用戶逐步增加，運營商在這個階段可以逐步擴容LTE無線網(wǎng)絡以及核心網(wǎng)絡。原有HRPD網(wǎng)絡下的PDSN將逐步升級為大容量系統(tǒng)架構演進網(wǎng)關SAE-GW設備，以滿足新的用戶需求以及業(yè)務應用的需要（見圖2）。由于LTE的頻段差異覆蓋特性差異，在CDMA原站點的基礎上，LTE需要新增站點以滿足LTE的覆蓋。為適應實時業(yè)務的要求，網(wǎng)絡要支持CDMA和LTE的無縫切換。

圖2 CDMA/LTE兩網(wǎng)融合階段的網(wǎng)絡結構

（3）完全的LTE應用場景

最后階段，隨著寬帶業(yè)務的進一步發(fā)展，LTE網(wǎng)絡將大規(guī)模部署覆蓋所有的地域，CDMA只保留1x電路語音業(yè)務，HRPD網(wǎng)絡完全演進到LTE網(wǎng)絡。運營商的EPC核心網(wǎng)絡將進一步擴展，根據(jù)業(yè)務容量MME（移動性管理實體）和SAE-GW可以在多個地市進行部署。整個EPC網(wǎng)絡僅由MME，SAE-GW，CG（計費網(wǎng)關），HSS（歸屬用戶服務器）組成（見圖3）。

圖3 完全的LTE場景的網(wǎng)絡結構

四、結束語

本文從無線鏈路預算、語音和數(shù)據(jù)互操作、系統(tǒng)性演進方案等關鍵環(huán)節(jié)，闡述了CDMA和LTE的技術差異及融合方法。由于CDMA標準到LTE的演進存在跨體系標準的問題，在演進過程中還有許多技術細節(jié)需要進行挖掘研究，例如從CDMA到LTE的頻率需求、站址要求、傳輸需求、設備更替方案、系統(tǒng)間共存方案，以及多模終端等增強型終端的應用策略等，同時還要深入研究cdma2000 1x、DOA 與LTE 在未來網(wǎng)絡中的各自定位，方能解決好相互之間的互操作問題，使得不同的無線技術可以協(xié)調共存，各自發(fā)揮有效的作用。

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