CDMA/LTE數據互操作的空中接口技術分析
來源：《移動通信》
謝偉良
中國電信股份有限公司北京研究院
摘要： 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先后提出了向LTE長期演進的發展方向，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，而轉向LTE。
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先后提出了向LTE長期演進的發展方向，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，而轉向LTE。
目前，全球CDMA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 Adaptation Protocol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：
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。
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：
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。空閑態切換較為簡單，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-RAT SAP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-RAT SAP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-RAT SAP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。
◆ 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。空閑態切換較為簡單，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-RAT SAP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-RAT SAP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-RAT SAP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
首先是eAT/UE完成與eHRPD之間的網絡捕獲和同步過程，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。
切換執行過程
非優化切換執行過程，主要由終端自身來完成相關的工作，主要過程有：
◆ 處于E-UTRAN網絡的eAT/UE觸發一個eHRPD相鄰小區的測量過程；
◆ eAT/UE根據測量結果做出切換決策，選定目標小區，該步驟eAT/UE不需要上報給網絡；
◆ eAT/UE釋放與E-UTRAN的連接，離開E-UTRAN；
◆ 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：
首先是eAT/UE完成與eHRPD之間的網絡捕獲和同步過程，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。
切換執行過程
非優化切換執行過程，主要由終端自身來完成相關的工作，主要過程有：
◆ 處于E-UTRAN網絡的eAT/UE觸發一個eHRPD相鄰小區的測量過程；
◆ eAT/UE根據測量結果做出切換決策，選定目標小區，該步驟eAT/UE不需要上報給網絡；
◆ eAT/UE釋放與E-UTRAN的連接，離開E-UTRAN；
◆ 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。
謝偉良：北京大學博士，高級工程師。現就職中國電信北京研究院，主要研究方向為3G和B3G移動通信技術，同時參與國內外移動網絡技術標準的跟蹤，以及移動網絡技術測試等方面的工作，在國內外核心期刊發表論文十幾篇。
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。
謝偉良：北京大學博士，高級工程師。現就職中國電信北京研究院，主要研究方向為3G和B3G移動通信技術，同時參與國內外移動網絡技術標準的跟蹤，以及移動網絡技術測試等方面的工作，在國內外核心期刊發表論文十幾篇。
此內容為AET網站原創，未經授權禁止轉載。