CDMA與LTE數(shù)據(jù)互操作的空中接口的討論與分析

前言

　　由于技術產(chǎn)業(yè)鏈和業(yè)務發(fā)展的諸多因素，目前全球主要移動運營商先后提出了向LTE長期演進的發(fā)展方向，尤其是原CDMA陣營的主要運營商也都放棄CDMA技術的長期演進路線，選擇了LTE。高通公司也宣布放棄UMB技術，而轉(zhuǎn)向LTE。

　　目前，全球CDMA網(wǎng)絡運營商都在積極研究CDMA網(wǎng)絡演進到LTE的方案與策略，各種演進方案都還在研究與討論中，3GPP/3GPP2等標準化機構也已經(jīng)開始了相應技術標準的研究與討論。目前，在國際標準中討論的熱點是CDMA/LTE語音互操作方案和CDMA/LTE數(shù)據(jù)互操作方案，其中數(shù)據(jù)互操作主要有優(yōu)化切換和非優(yōu)化切換兩種方案。

　　現(xiàn)有的CDMA/LTE數(shù)據(jù)互操作方案主要基于3GPP TS23.402提出的網(wǎng)絡架構，需要將CDMA HRPD無線網(wǎng)絡升級為eHRPD網(wǎng)絡，并將eHRPD網(wǎng)絡接入到EPC核心網(wǎng)。

　　3GPP和3GPP2對E-UTRAN和eHRPD的切換機制都有相應的規(guī)范定義。3GPP定義的切換總體方案是在規(guī)范TS23.402中，規(guī)范中定義了E-UTRAN和eHRPD的雙向切換，包括E-UTRAN到eHRPD的激活態(tài)切換和空閑態(tài)切換，以及eHRPD到E-UTRAN的激活態(tài)切換和空閑態(tài)切換。

　　3GPP2的規(guī)范主要也是基于3GPP所定義的互操作架構，對于CDMA網(wǎng)絡中需要修改的內(nèi)容主要在C.S0087、A.S0022和 X.S0057中。其中C.S0087主要定義了eHRPD與E-UTRAN互操作中空中接口部分的內(nèi)容，A.S0022主要定義了eHRPD與E- UTRAN互操作中A接口部分的內(nèi)容，X.S0057主要定義了eHRPD與E-UTRAN互操作中核心網(wǎng)部分的內(nèi)容。本文主要討論C.S0087中空中接口技術方案。

　　優(yōu)化切換

　　優(yōu)化切換流程

　　為了實現(xiàn)CDMA/LTE之間優(yōu)化切換方案，在HRPD空口協(xié)議連接層內(nèi)增加一個新協(xié)議層SAP（Signaling AdaptaTIon Protocol信令適配層）。當eAT/UE處于隧道模式時，eAT/UE側(cè)eHRPD信令通過SAP路由至LTE-eHRPD隧道，具體協(xié)議棧結構如下圖所示。

圖1 CDMA/ LTE優(yōu)化切換空口協(xié)議棧結構

　　從上圖可以看出，如果eAT/UE駐留在eHRPD網(wǎng)絡中，則空口協(xié)議仍然按照原有的空口協(xié)議來處理，即為上圖紅線框里的協(xié)議棧。如果eAT/UE 駐留在LTE網(wǎng)絡中，需要切換到eHRPD網(wǎng)絡時，需要提前通過E-UTRAN空口協(xié)商eHRPD連接參數(shù)與會話參數(shù)，這時eAT/UE就需要通過E- UTRAN空口將信令傳送到eNB，再到MME，從MME通過S101接口接到eHRPD網(wǎng)絡，進行參數(shù)協(xié)商，這個工作模式稱為隧道模式。具體的切換流程主要有3個步驟，如下圖所示：

圖2 CDMA/ LTE優(yōu)化切換主要過程

　　CDMA/LTE優(yōu)化切換的主要過程：

　　預注冊過程

　　預注冊過程就是終端在E-UTRAN區(qū)域內(nèi)將eHRPD注冊過程（UATI申請，會話配置協(xié)商等）通過LTE-eHRPD之間的隧道提前完成，這樣就縮短了LTE-eHRPD的切換時間，滿足實時業(yè)務的切換時延要求。預注冊在空中接口中的主要過程有：

　　◆ eAT/UE移動到E-UTRAN預注冊區(qū)域（PreRegistration Zone）時，OMP公共參數(shù)PreregistrationAllowed = 1，發(fā)起預注冊過程；

　　◆ eAT/UE建立到eHRPD網(wǎng)絡的隧道，eAT/UE通過信令隧道與eHRPD網(wǎng)絡進行UATI的分配，協(xié)議參數(shù)的配置協(xié)商，建立會話。

　　上述預注冊過程中，需要說明的是，OMP是eHRPD的廣播信息，eAT/UE要去偵聽的前提是終端已經(jīng)被LTE網(wǎng)絡決定做eHRPD網(wǎng)絡的預注冊，這樣終端才會去偵聽OMP消息，當然OMP消息是通過隧道S101接口傳遞到LTE網(wǎng)絡，并通過E-UTRAN空口下發(fā)給eAT/UE。

　　eAT/UE通過E-UTRAN空口消息可以獲得的eHRPD網(wǎng)絡參數(shù)主要有：eHRPD網(wǎng)絡系統(tǒng)時間，搜索窗，鄰區(qū)頻段、PN等。3GPP定義了預注冊區(qū)域，當eAT/UE在不同的預注冊區(qū)之間移動時，需要重新分配UATI。

　　切換準備過程

　　切換準備過程的信令流程如下圖所示：

圖3 CDMA/ LTE優(yōu)化切換準備過程

　　◆ eAT/UE中的E-UTRAN協(xié)議根據(jù)LTE空口下發(fā)的測量門限決定是否發(fā)起或停止eHRPD測量；

　　◆ eHRPD空口協(xié)議設置HRPDMeasEnabled參數(shù)，并根據(jù)該參數(shù)值判斷是否進行eHRPD導頻測量；

　　◆ E-UTRAN協(xié)議根據(jù)測量結果決定是否進行切換。

切換執(zhí)行過程

　　對于CDMA/LTE切換主要涉及到兩種狀態(tài)的切換，一種是激活態(tài)的切換（AcTIve Handoff），一種是空閑態(tài)的切換（Idle Handoff）。

　　激活態(tài)切換

　　當eAT/UE在LTE網(wǎng)絡中處于業(yè)務連接狀態(tài)下，并且E-UTRAN決定讓eAT/UE切換到eHRPD網(wǎng)絡時，eAT/UE經(jīng)過切換準備過程之后，將進行激活態(tài)切換，具體切換操作主要包括：

　　a) eAT/UE通過隧道發(fā)送連接請求（Connection Request）給eHRPD網(wǎng)絡，并附帶路由更新消息（RUM）；

　　b) eHRPD通過隧道發(fā)送業(yè)務信道分配消息（TCA）給eAT/UE，并提供初始功率基準（HRPDOpenLoopParams消息）和反向信道靜默時間參數(shù)（HRPDSilencePeriodParams消息）給eAT/UE；

　　c) eAT/UE使用eHRPD提供的功率基準計算初始的反向信道功率；

　　d) eAT/UE按照計算的反向信道功率進行切換操作；

　　e) eAT/UE成功切換到eHRPD網(wǎng)絡之后，繼續(xù)在eHRPD網(wǎng)絡中保持激活態(tài)。

　　f) 空閑態(tài)切換

　　當eAT/UE在LTE網(wǎng)絡中處于空閑態(tài)下，并且E-UTRAN決定讓eAT/UE切換到eHRPD網(wǎng)絡時，eAT/UE經(jīng)過切換準備過程之后，將進行空閑態(tài)切換。空閑態(tài)切換較為簡單，eAT/UE主要在切換準備的基礎上進行網(wǎng)絡重選，eAT/UE將由LTE網(wǎng)絡中的Idle態(tài)轉(zhuǎn)為eHRPD網(wǎng)絡的 Dormant態(tài)。但是，空閑態(tài)切換在切換完成后，eAT/UE需要通過eHRPD空口發(fā)送指示通知eHRPD網(wǎng)絡發(fā)生了Idle Handoff。

　　SAP協(xié)議

　　為了支持CDMA/LTE數(shù)據(jù)優(yōu)化切換的互操作功能，在eHRPD網(wǎng)絡空口協(xié)議中新增了一個很重要的協(xié)議SAP協(xié)議。終端在LTE網(wǎng)絡下若使用優(yōu)化的數(shù)據(jù)切換功能，將啟用Inter-RAT SAP協(xié)議。

　　如圖1所示，當eAT/UE工作于LTE模式下時，eAT/UE以及eHRPD中的Inter-RAT SAP協(xié)議共同提供了承載于LTE網(wǎng)絡之上的雙向虛擬連接。虛擬連接對于上層連接是透明的。當虛擬連接建立之后，處于Open狀態(tài)的Inter-RAT SAP協(xié)議將eHRPD的信令和RLP包封裝起來，添加自己的頭部，用作路由標識，進而通過LTE隧道來傳遞。利用該虛擬連接，上層協(xié)議不需要通過 eHRPD網(wǎng)絡的空口連接就可以實現(xiàn)通信。當eAT/UE切換到eHRPD工作模式時，Inter-RAT SAP協(xié)議處于Close狀態(tài)，不會向數(shù)據(jù)包添加任何頭部，所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包都被直接轉(zhuǎn)發(fā)到安全層。

　　非優(yōu)化切換

　　非優(yōu)化切換流程

　　非優(yōu)化切換并未采用隧道來提前進行切換參數(shù)和空口會話的協(xié)商，而是eAT/UE直接離開源網(wǎng)絡空口，移動到目的網(wǎng)絡建立空口連接和IP會話連接，因此非優(yōu)化切換適用于對時延不敏感的業(yè)務。非優(yōu)化切換的具體流程分為預注冊和切換執(zhí)行兩個過程。

　　預注冊過程

　　非優(yōu)化切換中的預注冊過程不支持隧道模式下進行預注冊，eAT/UE切換到eHRPD網(wǎng)絡，若無HRPD Session時，需要發(fā)起注冊。但是，也有可能eAT/UE已經(jīng)提前在eHRPD網(wǎng)絡中進行了注冊，這取決于終端的模式。

　　單發(fā)單收終端：無論在Active State或Idle State，要完成eHRPD預注冊都需要終端專門切換到eHRPD網(wǎng)絡中去完成預注冊過程。

　　單發(fā)雙收終端：在LTE模式不需要發(fā)射機時或者LTE模式處于Idle態(tài)時，終端可以到eHRPD進行注冊，并進行注冊信息維護。

　　雙發(fā)雙收終端：可以同時在E-UTRAN和eHRPD網(wǎng)絡進行注冊以及后續(xù)的注冊信息維護。

　　無論終端模式是哪一種，非優(yōu)化切換具體的預注冊過程都如下圖所示：

圖4 CDMA/ LTE非優(yōu)化切換預注冊過程

　　首先是eAT/UE完成與eHRPD之間的網(wǎng)絡捕獲和同步過程，然后再進行UATI分配，以及CR/TCA/TCC等其他分配過程，最后是session 協(xié)商過程，基本上與普通的eAT注冊過程一樣。對于已在eHRPD注冊的終端無需b和d兩個步驟。

　　切換執(zhí)行過程

　　非優(yōu)化切換執(zhí)行過程，主要由終端自身來完成相關的工作，主要過程有：

　　◆ 處于E-UTRAN網(wǎng)絡的eAT/UE觸發(fā)一個eHRPD相鄰小區(qū)的測量過程；

　　◆ eAT/UE根據(jù)測量結果做出切換決策，選定目標小區(qū)，該步驟eAT/UE不需要上報給網(wǎng)絡；

　　◆ eAT/UE釋放與E-UTRAN的連接，離開E-UTRAN；

　　◆ eAT/UE通過發(fā)起接入流程，接入到eHRPD網(wǎng)絡中所對應的目標小區(qū)上。

　　具體切換過程如下圖所示：

圖5 CDMA/ LTE非優(yōu)化切換過程

切換方案對比

　　優(yōu)化切換通過在E-UTRAN網(wǎng)絡中實現(xiàn)eHRPD預注冊過程，提前做好eAT/UE接入eHRPD網(wǎng)絡的準備，因此優(yōu)化切換相對非優(yōu)化切換來說，切換的時延能夠大大降低，從而能夠滿足實時業(yè)務的需求。但是，優(yōu)化切換需要在EPC/LTE網(wǎng)絡中建立到eHRPD網(wǎng)絡的隧道，因此需要支持互操作 S101和S103等接口，同時優(yōu)化切換對于eHRPD網(wǎng)絡空中接口修改較多。

　　非優(yōu)化切換相對優(yōu)化切換來說部署簡單，不需要支持互操作接口S101和S103，eHRPD網(wǎng)絡空中接口修改也很少。但是，由于eAT/UE需要在目標網(wǎng)絡中重新進行網(wǎng)絡接入和參數(shù)協(xié)商，所以非優(yōu)化切換的切換時延較長，不太適合對實時性要求高的業(yè)務。

　　CDMA/LTE數(shù)據(jù)互操作的網(wǎng)絡部署過程中，運營商同時需要考慮業(yè)務需求和網(wǎng)絡設備成本。如果初期沒有實時業(yè)務的需求時，可以先采用非優(yōu)化切換方案。當有實時業(yè)務、特別是VoIP語音類業(yè)務的需求時，再升級網(wǎng)絡設備以支持優(yōu)化切換方案。

　　考慮到非優(yōu)化切換對網(wǎng)絡改動較少，同時對于終端芯片的功能也不做特別多要求，因此目前業(yè)界也在討論非優(yōu)化切換的增強方案，從網(wǎng)絡實現(xiàn)復雜性與切換性能兩個方面來綜合考慮，以獲取最佳CDMA/LTE數(shù)據(jù)互操作方案。

　　結語

　　本文針對CDMA與LTE數(shù)據(jù)互操作的優(yōu)化切換和非優(yōu)化切換兩種方案進行了討論和分析，詳細分析了兩種切換方案的技術特點和實現(xiàn)機制，并針對兩種切換方案的特性提出了網(wǎng)絡實施策略與建議。