《電子技術應用》
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CDMA與LTE數據互操作的空中接口的討論與分析
謝偉良
來源:中國電信網
摘要: 本文主要討論C.S0087中空中接口技術方案。
Abstract:
Key words :

      前言
      由于技術產業鏈和業務發展的諸多因素,目前全球主要移動運營商" title="運營商">運營商先后提出了向LTE" title="LTE">LTE長期演進的發展方向,尤其是原CDMA" title="CDMA">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,而轉向LTE。
       目前,全球CDMA網絡" title="網絡">網絡運營商都在積極研究CDMA網絡演進到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數據互操作方案,其中數據互操作主要有優化切換和非優化切換兩種方案。
       現有的CDMA/LTE數據互操作方案主要基于3GPP TS23.402提出的網絡架構,需要將CDMA HRPD無線網絡升級為eHRPD網絡,并將eHRPD網絡接入到EPC核心網。
       3GPP和3GPP2對E-UTRAN和eHRPD的切換機制都有相應的規范定義。3GPP定義的切換總體方案是在規范TS23.402中,規范中定義了E-UTRAN和eHRPD的雙向切換,包括E-UTRAN到eHRPD的激活態切換和空閑態切換,以及eHRPD到E-UTRAN的激活態切換和空閑態切換。
       3GPP2的規范主要也是基于3GPP所定義的互操作架構,對于CDMA網絡中需要修改的內容主要在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容,A.S0022主要定義了eHRPD與E- UTRAN互操作中A接口部分的內容,X.S0057主要定義了eHRPD與E-UTRAN互操作中核心網部分的內容。本文主要討論C.S0087中空中接口技術方案。
       優化切換
       優化切換流程
        為了實現CDMA/LTE之間優化切換方案,在HRPD空口協議連接層內增加一個新協議層SAP(Signaling Adapta TIon Protocol信令" title="信令">信令適配層)。當eAT/UE處于隧道模式時,eAT/UE側eHRPD信令通過SAP路由至LTE-eHRPD隧道,具體協議棧結構如下圖所示。

                  圖1 CDMA/ LTE優化切換空口協議棧結構
                      
       從上圖可以看出,如果eAT/UE駐留在eHRPD網絡中,則空口協議仍然按照原有的空口協議來處理,即為上圖紅線框里的協議棧。如果eAT/UE 駐留在LTE網絡中,需要切換到eHRPD網絡時,需要提前通過E-UTRAN空口協商eHRPD連接參數與會話參數,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網絡,進行參數協商,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優化切換主要過程
        CDMA/LTE優化切換的主要過程:
        預注冊過程
        預注冊過程就是終端在E-UTRAN區域內將eHRPD注冊過程(UATI申請,會話配置協商等)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預注冊區域(PreRegistration Zone)時,OMP公共參數PreregistrationAllowed = 1,發起預注冊過程;
        ◆ eAT/UE建立到eHRPD網絡的隧道,eAT/UE通過信令隧道與eHRPD網絡進行UATI的分配,協議參數的配置協商,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被LTE網絡決定做eHRPD網絡的預注冊,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網絡,并通過E-UTRAN空口下發給eAT/UE。
         eAT/UE通過E-UTRAN空口消息可以獲得的eHRPD網絡參數主要有:eHRPD網絡系統時間,搜索窗,鄰區頻段、PN等。3GPP定義了預注冊區域,當eAT/UE在不同的預注冊區之間移動時,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優化切換準備過程
      ◆ eAT/UE中的E-UTRAN協議根據LTE空口下發的測量門限決定是否發起或停止eHRPD測量;
      ◆ eHRPD空口協議設置HRPDMeasEnabled參數,并根據該參數值判斷是否進行eHRPD導頻測量;
      ◆ E-UTRAN協議根據測量結果決定是否進行切換。
      切換執行過程
      對于CDMA/LTE切換主要涉及到兩種狀態的切換,一種是激活態的切換(AcTIve Handoff),一種是空閑態的切換(Idle Handoff)。 
      激活態切換
      當eAT/UE在LTE網絡中處于業務連接狀態下,并且E-UTRAN決定讓eAT/UE切換到eHRPD網絡時,eAT/UE經過切換準備過程之后,將進行激活態切換,具體切換操作主要包括:
      a) eAT/UE通過隧道發送連接請求(Connection  Request)給eHRPD網絡,并附帶路由更新消息(RUM);
      b) eHRPD通過隧道發送業務信道分配消息(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(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網絡之后,繼續在eHRPD網絡中保持激活態。
      f) 空閑態切換
     當eAT/UE在LTE網絡中處于空閑態下,并且E-UTRAN決定讓eAT/UE切換到eHRPD網絡時,eAT/UE經過切換準備過程之后,將進行空閑態切換??臻e態切換較為簡單,eAT/UE主要在切換準備的基礎上進行網絡重選,eAT/UE將由LTE網絡中的Idle態轉為eHRPD網絡的Dormant態。但是,空閑態切換在切換完成后,eAT/UE需要通過eHRPD空口發送指示通知eHRPD網絡發生了Idle Handoff。
      SAP協議
      為了支持CDMA/LTE  數據優化切換的互操作功能,在eHRPD網絡空口協議中新增了一個很重要的協議SAP協議。終端在LTE網絡下若使用優化的數據切換功能,將啟用Inter-RAT SAP協議。
      如圖1所示,當eAT/UE工作于LTE模式下時,eAT/UE以及eHRPD中的Inter-RATSAP協議共同提供了承載于LTE網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狀態的Inter-RATSAP協議將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,上層協議不需要通過eHRPD網絡的空口連接就可以實現通信。當eAT/UE切換到eHRPD工作模式時,Inter-RATSAP協議處于Close狀態,不會向數據包添加任何頭部,所有傳輸的數據包都被直接轉發到安全層。
      非優化切換
      非優化切換流程
      非優化切換并未采用隧道來提前進行切換參數和空口會話的協商,而是eAT/UE直接離開源網絡空口,移動到目的網絡建立空口連接和IP" title="IP">IP會話連接,因此非優化切換適用于對時延不敏感的業務。非優化切換的具體流程分為預注冊和切換執行兩個過程。
       預注冊過程
       非優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網絡,若無HRPD
Session時,需要發起注冊。但是,也有可能eAT/UE已經提前在eHRPD網絡中進行了注冊,這取決于終端的模式。
      單發單收終端: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網絡中去完成預注冊過程。
      單發雙收終端:在LTE模式不需要發射機時或者LTE模式處于Idle態時,終端可以到eHRPD進行注冊,并進行注冊信息維護。
      雙發雙收終端:可以同時在E-UTRAN和eHRPD網絡進行注冊以及后續的注冊信息維護。
      無論終端模式是哪一種,非優化切換具體的預注冊過程都如下圖所示:
                  圖4 CDMA/ LTE非優化切換預注冊過程
       ◆ eAT/UE中的E-UTRAN協議根據LTE空口下發的測量門限決定是否發起或停止eHRPD測量;
       ◆ eHRPD空口協議設置HRPDMeasEnabled參數,并根據該參數值判斷是否進行eHRPD導頻測量;
       ◆ E-UTRAN協議根據測量結果決定是否進行切換。
       切換執行過程
       對于CDMA/LTE切換主要涉及到兩種狀態的切換,一種是激活態的切換(AcTIve Handoff),一種是空閑態的切換(Idle Handoff)。 
        激活態切換
        當eAT/UE在LTE網絡中處于業務連接狀態下,并且E-UTRAN決定讓eAT/UE切換到eHRPD網絡時,eAT/UE經過切換準備過程之后,將進行激活態切換,具體切換操作主要包括:
       a) eAT/UE通過隧道發送連接請求(Connection Request)給eHRPD網絡,并附帶路由更新消息(RUM);
        b)  eHRPD通過隧道發送業務信道分配消息(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(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;
       ◆ eAT/UE通過發起接入流程,接入到eHRPD網絡中所對應的目標小區上。
       具體切換過程如下圖所示:
                  圖5 CDMA/ LTE非優化切換過程
       切換方案對比
       優化切換通過在E-UTRAN網絡中實現eHRPD預注冊過程,提前做好eAT/UE接入eHRPD網絡的準備,因此優化切換相對非優化切換來說,切換的時延能夠大大降低,從而能夠滿足實時業務的需求。但是,優化切換需要在EPC/LTE網絡中建立到eHRPD網絡的隧道,因此需要支持互操作S101和S103等接口,同時優化切換對于eHRPD網絡空中接口修改較多。 
       非優化切換相對優化切換來說部署簡單,不需要支持互操作接口S101和S103,eHRPD網絡空中接口修改也很少。但是,由于eAT/UE需要在目標網絡中重新進行網絡接入和參數協商,所以非優化切換的切換時延較長,不太適合對實時性要求高的業務。
       CDMA/LTE數據互操作的網絡部署過程中,運營商同時需要考慮業務需求和網絡設備成本。如果初期沒有實時業務的需求時,可以先采用非優化切換方案。當有實時業務、特別是VoIP" title="VoIP">VoIP語音類業務的需求時,再升級網絡設備以支持優化切換方案。
       考慮到非優化切換對網絡改動較少,同時對于終端芯片的功能也不做特別多要求,因此目前業界也在討論非優化切換的增強方案,從網絡實現復雜性與切換性能兩個方面來綜合考慮,以獲取最佳CDMA/LTE數據互操作方案。
        結語
        本文針對CDMA與LTE數據互操作的優化切換和非優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機制,并針對兩種切換方案的特性提出了網絡實施策略與建議。
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