《数字通信世界》 邮发代号 80-393 国内统一刊号 CN11-5154/TN 国际标准刊号 ISSN 1672-7274
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  从CDMA到LTE的覆盖分析和技术演进

     
  

【摘 要】文章介绍了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。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

一、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)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惟一标准。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,提高小区容量和降低系统延迟。
LTE实际上是3GPP研究计划的名称,在正式标准中,LTE无线接入网络称作演进的通用地面无线接入网络(E-UTRAN),演进的分组核心网EPC和新的空中接口LTE一起称作演进的分组系统EPS,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,是必须考虑的首要问题之一。
二、LTE覆盖分析
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,应用范围如下:
频率范围是1500~2000MHz;基站高度是30~200m(基站高度必须高于周围建筑物);终端天线高度为1~10m;发射端和接收端距离为1~20m。
Cost231-Hata模型可表示为
Total=L-a( )+
式中,L=46.3+33.9×lg(f)-13.82×10lg( )+(44.9-6.55×lg( ))×lg(d);f表示工作频率,单位为MHz; 表示基站天线高度,单位为m; 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( )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; 的数值取决于地形类型,发达城市 =3,中型城市 =0,郊区 =-2 -5.4dB,农村开阔地区 =-4.78 +18.33lg(f)-40.94,高速公路 =-4.78 +18.33 lg(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.LTE链路预算
LTE链路预算相关参数包括MIMO(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、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:
场景为密集城区;双工模式为FDD;用户环境为室内;信道带宽为20MHz;信道模型为ETU3;MIMO设置为上行1×2,下行2×2 SFBC(空频分组编码);小区边缘速率为上行512kb/s,下行2048kb/s。相关输入参数和结果如表1所示。
表1 LTE覆盖链路预算实例
LTE链路预算参数 上行 下行
TX 最大发射功率(dBm) 23 46
分配的资源块 4 24
子载波功率(dBm) 6.19 15.21
发射天线增益(dBi) 0 18
发射线缆损耗(dB) 0 0.5
身体损耗(dB) 0 0
每子载波EIRP(dBm) 6.19 32.71
RX SINR(dB) -2.52 -3.39
接收噪声指数(dB) 2.5 7
接收机灵敏度(dBm) -132.26 -128.63
接收天线增益(dBi) 18 0
接收线缆损耗(dB) 0.5 0
接收身体损耗(dB) 0 0
目标负载 50% 70%
干扰余量(dB) 0.87 3.67
最小信号接收强度(dBm) -148.89 -124.96
链路损耗和小区半径 穿透损耗(dB) 20 20
阴影损耗(dB) 11.7 11.7
区域覆盖率 95% 95%
阴影衰落余量(dB) 9.48 9.48
路径损耗 125.6 128.18
传播模型 Cost231-Hata
eNodeB/用户设备天线高度(m) 30 1.5
频率(MHz) 2600 2600
小区半径(km) 0.32 0.38

上述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/EVDO(800MHz频段)相关联参数的链路预算,可以发现LTE(2600MHz频段)的覆盖范围要缩小2/3以上。
三、从CDMA到LTE的技术演进方案
从链路预算分析可以看出,在相类参数下,LTE的覆盖范围比目前的CDMA/EVDO网络要缩小2/3以上,同时在LTE网络部署初期,一般为重点区域覆盖,此时的LTE网络覆盖将远小于CDMA/EVDO现网的覆盖。在LTE部署的初期甚至相当长的一个时期内,LTE网络都必须依托CDMA网络来发展。
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(高速分组数据,即EVDO)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)、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网络架构共分为三种:非漫游的网络架构,漫游时本地路由(Home Routed)场景和局域网分接(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隧道传输信令(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。
表2 eHRPD与LTE数据业务互操作类别
切换方向 实现方式 切换状态
LTE到eHRPD的切换 优化切换(理论优化切换时延小于1s) 激活态切换
eHRPD到LTE的切换 非优化切换(理论优化切换时延为6s-7s) 空闲态切换

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网络初期依然要依赖于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1xCSFB(1x CS FallBack)方案。如果终端同时支撑语音和EVDO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e1xCSFB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。
表3 各种互操作方案对CDMA和LTE系统的要求
UE类型 互操作方案 CDMA系统 LTE系统
1x HRPD
单收单发CDMA/LTE双模终端 1xCSFB/e1xCSFB ①在1x和LTE系统之间增加IWS网元,转发和封装1x消息
②在IWS和MME之间增加S102接口,IWS和MSC之间用A1接口连接
③MSC升级支持1xCSFB功能
④eAN能广播LTE小区信息,支持LTE小区重选 无 ①与1x是紧耦合,eNodeB能广播SIB8系统消息,支持1x小区重选和测量
②MME与eNobeB之间、eNobeB与UE之间,要求能隧道传送1x消息
③在LTE下支持对1x的测量
双收双发CDMA/LTE双模终端 1x语音 无 无 无
eHRPD/LTE非优化切换 无 ①核心网向EPC演进,即PDSN升级为HSGW,HA升级为PDN-GW,基于PCRF的QoS控制
②引入基于HSS的用户接入安全认证协议EAP-AKA
③AN升级支持多PDN-GW连接的应用
④eAN能广播LTE小区信息,支持LTE切换和小区重选
⑤在eAN和MME之间增加S101接口,在HSGW和Serving-GW之间增加S103接口
⑥HRPD空口协议修改,支持在LTE附着情况下,转发HRPD消息通过S101接口到LTE系统下隧道传送
⑦在eHRPD下支持对LTE的测量 ①与eHRPD是紧耦合,eNobeB能广播SIB3系统消息,支持eHRPD切换和小区重选,包含预登记需求信息
②MME与eNobeB之间,eNobeB与UE之间,要求能隧道传送HRPD消息
③在LTE下支持对eHRPD的测量

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、发展的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,上述因素决定了LTE引入的时间和阶段;发展的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:
(1)LTE的小规模应用

图1 LTE小规模应用的网络结构
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(见图1)。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(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基站的则需要新增基站。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的切换和移动。
(2)LTE逐步扩充,CDMA/LTE两网融合

图2 CDMA/LTE两网融合阶段的网络结构
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系统架构演进网关SAE-GW设备,以满足新的用户需求以及业务应用的需要(见图2)。由于LTE的频段差异覆盖特性差异,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。
(3)完全的LTE应用场景

图3 完全的LTE场景的网络结构
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(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(计费网关),HSS(归属用户服务器)组成(见图3)。
四、结束语
本文从无线链路预算、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需要进行挖掘研究,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,同时还要深入研究cdma2000 1x、DOA 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,使得不同的无线技术可以协调共存,各自发挥有效的作用。

参考文献见www.dcw.org.cn
1 肖开宏.LTE无线网络规划与设计. 北京:人民邮电出版社,2012.
2 冯健. 广东省电信规划设计院有限公司. 通信世界周刊,2012.
3 3GPP TS23.272.Circuit Switched(CS) fallback in Evolved Packet System(EPS).
4 杨峰义.LTE/LTE-Advanced无线宽带技术.北京:人民邮电出版社,2012.
5 3Gpp2 X.S0042.Dual Radio Domain Transfer:VoIP-to-1x CS Voice.

[作者简介] 魏坚,通信工程师,本科毕业于南京邮电大学光信息技术系,武汉大学公共管理在职硕士研究生,现任中国电信惠州无线网络运营中心网络运营部经理助理,主要研究方向为无线网络规划和优化;江海波,助理通信工程师,本科毕业于西安邮电大学通信工程系,现就职于中国电信惠州无线网络运营中心网络运营部,主要研究方向为无线网络规划和优化。

1.在光功率渐变时业务质量情况
光功率计测试实验BBU光口光功率为-7.32dBm,光纤传输质量优秀,实验环境良好。本实验是通过在BBU与RRU之间接入光衰减设备,通过该衰减设备来调节RRU接收到的光功率,其中光衰减设备对光功率的损耗为3.31dB,原理图如图3。

图3 测试原理图

2.效果对比
通过调节光功率衰减器,使得RRU接收到的功率不断变化,在不同光功率下对现网业务质量进行了详细的测试对比,对比结果如图4~图7。

 


图4 光功率调整前测试效果图

 

 


图5 光功率调整为-10.63dBm测试效果图

图6 光功率调整为-15.63dBm测试效果图

图7 光功率调整为-17.63dBm测试效果图

在上述光功率调整的过程中,BBU和RRU设备始终没有产生告警,也就是说,在光功率恶化到已经影响到现网业务质量的时候,设备并没有相关的告警出现。另外需要说明的是,由于本次实验中使用的光功率计以及光衰调整设备不属于实验专用设备,在数据的精准度方面有值得商榷的地方,但是总体的方向或者趋势是可靠的。
4.设备告警机制
根据中兴通讯公司产品的介绍,其RRU射频拉远设备对光传输质量的要求较低,相应的告警机制除了光功率超出门限后的“未探测到RTR”告警之外,再也没有任何传输相关的告警。根据使用不同光模块,使用能测试1310nm和1550nm光强的任何测试仪测试BBU和RRU接收端的光强,要求如下:
⊙10kM光模块的接收光功率允许的范围是-3dBm~-18dBm,发射光功率是-5dBm~-10dBm。
⊙40kM的光模块的接收光功率允许的范围是-3dBm~-20dBm,发射光功率是0dBm~-5dBm。
⊙80kM的光模块的接收光功率允许的范围是-3dBm~-20dBm,发射光功率是2dBm~0dBm。
四、结束语
本次使用的是10kM光模块,测试了RRU接收光功率从-10.63dBm逐步降低至-17.63dBm的过程中业务所受到的影响。通过对不同光功率下射频拉远业务的测试,从1X-ECIO,1X-FFER,1X-RX,1X-TX,3G-DRC,3G-EV_RX和3G-SINR等指标的对比分析得知,随着光功率的逐渐下降,这些指标先后会受到不同程度的影响,因为本次测试涉及的光功率调整只是前向功率的调整,反向的光功率在整个实验过程中没有认为调整,故此次测试前向业务受到的影响最为明显。
总之,光功率的下降会直接影响到现网的业务质量,而相关的基带单元以及射频拉远设备没能及时的给出相应的告警提示。

参考文献见www.dcw.org.cn
[1] 《光传送网原理与技术》,刘国辉,北京邮电大学出版社,2004年01月
[2] 《对话光通信》,中国通信学会、中兴通讯学院,人民邮电出版社,2010-7-20

 

作者简介
冼健:男,1986年10月生,2009年本科毕业于南京邮电大学网络工程专业,现在广东无线网络运营中心网络运营部从事CDMA网络维护工作。(电话:13377669321,邮箱:xianj2@gdtel.com.cn,通信地址:广东省广州市天河区林和中路166号利新大厦广东无线网络运营中心,邮编:510610)


 

 
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制作:张鸿