CDMA/LTE数据互操作的空中接口技术分析
来源：《移动通信》
谢伟良
中国电信股份有限公司北京研究院
摘要： 由于技术产业链和业务发展的诸多因素，目前全球主要移动运营商先后提出了向LTE长期演进的发展方向，尤其是原CDMA阵营的主要运营商也都放弃CDMA技术的长期演进路线，选择了LTE。高通公司也宣布放弃UMB技术，而转向LTE。
Abstract：
Key words :
前言
由于技术产业链和业务发展的诸多因素，目前全球主要移动运营商先后提出了向LTE长期演进的发展方向，尤其是原CDMA阵营的主要运营商也都放弃CDMA技术的长期演进路线，选择了LTE。高通公司也宣布放弃UMB技术，而转向LTE。
目前，全球CDMA网络运营商都在积极研究CDMA网络演进到LTE的方案与策略，各种演进方案都还在研究与讨论中，3GPP/3GPP2等标准化机构也已经开始了相应技术标准的研究与讨论。目前，在国际标准中讨论的热点是CDMA/LTE语音互操作方案和CDMA/LTE数据互操作方案，其中数据互操作主要有优化切换和非优化切换两种方案。
现有的CDMA/LTE数据互操作方案主要基于3GPP TS23.402提出的网络架构，需要将CDMA HRPD无线网络升级为eHRPD网络，并将eHRPD网络接入到EPC核心网。
3GPP和3GPP2对E-UTRAN和eHRPD的切换机制都有相应的规范定义。3GPP定义的切换总体方案是在规范TS23.402中，规范中定义了E-UTRAN和eHRPD的双向切换，包括E-UTRAN到eHRPD的激活态切换和空闲态切换，以及eHRPD到E-UTRAN的激活态切换和空闲态切换。
3GPP2的规范主要也是基于3GPP所定义的互操作架构，对于CDMA网络中需要修改的内容主要在C.S0087、A.S0022和X.S0057中。其中C.S0087主要定义了eHRPD与E-UTRAN互操作中空中接口部分的内容，A.S0022主要定义了eHRPD与E-UTRAN互操作中A接口部分的内容，X.S0057主要定义了eHRPD与E-UTRAN互操作中核心网部分的内容。本文主要讨论C.S0087中空中接口技术方案。
优化切换
优化切换流程
为了实现CDMA/LTE之间优化切换方案，在HRPD空口协议连接层内增加一个新协议层SAP（Signaling Adaptation Protocol信令适配层）。当eAT/UE处于隧道模式时，eAT/UE侧eHRPD信令通过SAP路由至LTE-eHRPD隧道，具体协议栈结构如下图所示。
图1 CDMA/ LTE优化切换空口协议栈结构
从上图可以看出，如果eAT/UE驻留在eHRPD网络中，则空口协议仍然按照原有的空口协议来处理，即为上图红线框里的协议栈。如果eAT/UE驻留在LTE网络中，需要切换到eHRPD网络时，需要提前通过E-UTRAN空口协商eHRPD连接参数与会话参数，这时eAT/UE就需要通过E-UTRAN空口将信令传送到eNB，再到MME，从MME通过S101接口接到eHRPD网络，进行参数协商，这个工作模式称为隧道模式。具体的切换流程主要有3个步骤，如下图所示：
从上图可以看出，如果eAT/UE驻留在eHRPD网络中，则空口协议仍然按照原有的空口协议来处理，即为上图红线框里的协议栈。如果eAT/UE驻留在LTE网络中，需要切换到eHRPD网络时，需要提前通过E-UTRAN空口协商eHRPD连接参数与会话参数，这时eAT/UE就需要通过E-UTRAN空口将信令传送到eNB，再到MME，从MME通过S101接口接到eHRPD网络，进行参数协商，这个工作模式称为隧道模式。具体的切换流程主要有3个步骤，如下图所示：
图2 CDMA/ LTE优化切换主要过程
CDMA/LTE优化切换的主要过程：
预注册过程
预注册过程就是终端在E-UTRAN区域内将eHRPD注册过程（UATI申请，会话配置协商等）通过LTE-eHRPD之间的隧道提前完成，这样就缩短了LTE-eHRPD的切换时间，满足实时业务的切换时延要求。预注册在空中接口中的主要过程有：
◆ eAT/UE移动到E-UTRAN预注册区域（PreRegistration Zone）时，OMP公共参数PreregistrationAllowed = 1，发起预注册过程；
◆ eAT/UE建立到eHRPD网络的隧道，eAT/UE通过信令隧道与eHRPD网络进行UATI的分配，协议参数的配置协商，建立会话。
CDMA/LTE优化切换的主要过程：
预注册过程
预注册过程就是终端在E-UTRAN区域内将eHRPD注册过程（UATI申请，会话配置协商等）通过LTE-eHRPD之间的隧道提前完成，这样就缩短了LTE-eHRPD的切换时间，满足实时业务的切换时延要求。预注册在空中接口中的主要过程有：
◆ eAT/UE移动到E-UTRAN预注册区域（PreRegistration Zone）时，OMP公共参数PreregistrationAllowed = 1，发起预注册过程；
◆ eAT/UE建立到eHRPD网络的隧道，eAT/UE通过信令隧道与eHRPD网络进行UATI的分配，协议参数的配置协商，建立会话。
上述预注册过程中，需要说明的是，OMP是eHRPD的广播信息，eAT/UE要去侦听的前提是终端已经被LTE网络决定做eHRPD网络的预注册，这样终端才会去侦听OMP消息，当然OMP消息是通过隧道S101接口传递到LTE网络，并通过E-UTRAN空口下发给eAT/UE。
eAT/UE通过E-UTRAN空口消息可以获得的eHRPD网络参数主要有：eHRPD网络系统时间，搜索窗，邻区频段、PN等。3GPP定义了预注册区域，当eAT/UE在不同的预注册区之间移动时，需要重新分配UATI。
切换准备过程
切换准备过程的信令流程如下图所示：
eAT/UE通过E-UTRAN空口消息可以获得的eHRPD网络参数主要有：eHRPD网络系统时间，搜索窗，邻区频段、PN等。3GPP定义了预注册区域，当eAT/UE在不同的预注册区之间移动时，需要重新分配UATI。
切换准备过程
切换准备过程的信令流程如下图所示：
图3 CDMA/ LTE优化切换准备过程
◆ eAT/UE中的E-UTRAN协议根据LTE空口下发的测量门限决定是否发起或停止eHRPD测量；
◆ eHRPD空口协议设置HRPDMeasEnabled参数，并根据该参数值判断是否进行eHRPD导频测量；
◆ E-UTRAN协议根据测量结果决定是否进行切换。
切换执行过程
对于CDMA/LTE切换主要涉及到两种状态的切换，一种是激活态的切换（Active Handoff），一种是空闲态的切换（Idle Handoff）。
激活态切换
当eAT/UE在LTE网络中处于业务连接状态下，并且E-UTRAN决定让eAT/UE切换到eHRPD网络时，eAT/UE经过切换准备过程之后，将进行激活态切换，具体切换操作主要包括：
a) eAT/UE通过隧道发送连接请求（Connection Request）给eHRPD网络，并附带路由更新消息（RUM）；
b) eHRPD通过隧道发送业务信道分配消息（TCA）给eAT/UE，并提供初始功率基准（HRPDOpenLoopParams消息）和反向信道静默时间参数（HRPDSilencePeriodParams消息）给eAT/UE；
c) eAT/UE使用eHRPD提供的功率基准计算初始的反向信道功率；
d) eAT/UE按照计算的反向信道功率进行切换操作；
e) eAT/UE成功切换到eHRPD网络之后，继续在eHRPD网络中保持激活态。
f) 空闲态切换
当eAT/UE在LTE网络中处于空闲态下，并且E-UTRAN决定让eAT/UE切换到eHRPD网络时，eAT/UE经过切换准备过程之后，将进行空闲态切换。空闲态切换较为简单，eAT/UE主要在切换准备的基础上进行网络重选，eAT/UE将由LTE网络中的Idle态转为eHRPD网络的Dormant态。但是，空闲态切换在切换完成后，eAT/UE需要通过eHRPD空口发送指示通知eHRPD网络发生了Idle Handoff。
SAP协议
为了支持CDMA/LTE数据优化切换的互操作功能，在eHRPD网络空口协议中新增了一个很重要的协议SAP协议。终端在LTE网络下若使用优化的数据切换功能，将启用Inter-RAT SAP协议。
如图1所示，当eAT/UE工作于LTE模式下时，eAT/UE以及eHRPD中的Inter-RAT SAP协议共同提供了承载于LTE网络之上的双向虚拟连接。虚拟连接对于上层连接是透明的。当虚拟连接建立之后，处于Open状态的Inter-RAT SAP协议将eHRPD的信令和RLP包封装起来，添加自己的头部，用作路由标识，进而通过LTE隧道来传递。利用该虚拟连接，上层协议不需要通过eHRPD网络的空口连接就可以实现通信。当eAT/UE切换到eHRPD工作模式时，Inter-RAT SAP协议处于Close状态，不会向数据包添加任何头部，所有传输的数据包都被直接转发到安全层。
非优化切换
非优化切换流程
非优化切换并未采用隧道来提前进行切换参数和空口会话的协商，而是eAT/UE直接离开源网络空口，移动到目的网络建立空口连接和IP会话连接，因此非优化切换适用于对时延不敏感的业务。非优化切换的具体流程分为预注册和切换执行两个过程。
预注册过程
非优化切换中的预注册过程不支持隧道模式下进行预注册，eAT/UE切换到eHRPD网络，若无HRPD
Session时，需要发起注册。但是，也有可能eAT/UE已经提前在eHRPD网络中进行了注册，这取决于终端的模式。
单发单收终端：无论在Active State或Idle State，要完成eHRPD预注册都需要终端专门切换到eHRPD网络中去完成预注册过程。
单发双收终端：在LTE模式不需要发射机时或者LTE模式处于Idle态时，终端可以到eHRPD进行注册，并进行注册信息维护。
双发双收终端：可以同时在E-UTRAN和eHRPD网络进行注册以及后续的注册信息维护。
◆ eAT/UE中的E-UTRAN协议根据LTE空口下发的测量门限决定是否发起或停止eHRPD测量；
◆ eHRPD空口协议设置HRPDMeasEnabled参数，并根据该参数值判断是否进行eHRPD导频测量；
◆ E-UTRAN协议根据测量结果决定是否进行切换。
切换执行过程
对于CDMA/LTE切换主要涉及到两种状态的切换，一种是激活态的切换（Active Handoff），一种是空闲态的切换（Idle Handoff）。
激活态切换
当eAT/UE在LTE网络中处于业务连接状态下，并且E-UTRAN决定让eAT/UE切换到eHRPD网络时，eAT/UE经过切换准备过程之后，将进行激活态切换，具体切换操作主要包括：
a) eAT/UE通过隧道发送连接请求（Connection Request）给eHRPD网络，并附带路由更新消息（RUM）；
b) eHRPD通过隧道发送业务信道分配消息（TCA）给eAT/UE，并提供初始功率基准（HRPDOpenLoopParams消息）和反向信道静默时间参数（HRPDSilencePeriodParams消息）给eAT/UE；
c) eAT/UE使用eHRPD提供的功率基准计算初始的反向信道功率；
d) eAT/UE按照计算的反向信道功率进行切换操作；
e) eAT/UE成功切换到eHRPD网络之后，继续在eHRPD网络中保持激活态。
f) 空闲态切换
当eAT/UE在LTE网络中处于空闲态下，并且E-UTRAN决定让eAT/UE切换到eHRPD网络时，eAT/UE经过切换准备过程之后，将进行空闲态切换。空闲态切换较为简单，eAT/UE主要在切换准备的基础上进行网络重选，eAT/UE将由LTE网络中的Idle态转为eHRPD网络的Dormant态。但是，空闲态切换在切换完成后，eAT/UE需要通过eHRPD空口发送指示通知eHRPD网络发生了Idle Handoff。
SAP协议
为了支持CDMA/LTE数据优化切换的互操作功能，在eHRPD网络空口协议中新增了一个很重要的协议SAP协议。终端在LTE网络下若使用优化的数据切换功能，将启用Inter-RAT SAP协议。
如图1所示，当eAT/UE工作于LTE模式下时，eAT/UE以及eHRPD中的Inter-RAT SAP协议共同提供了承载于LTE网络之上的双向虚拟连接。虚拟连接对于上层连接是透明的。当虚拟连接建立之后，处于Open状态的Inter-RAT SAP协议将eHRPD的信令和RLP包封装起来，添加自己的头部，用作路由标识，进而通过LTE隧道来传递。利用该虚拟连接，上层协议不需要通过eHRPD网络的空口连接就可以实现通信。当eAT/UE切换到eHRPD工作模式时，Inter-RAT SAP协议处于Close状态，不会向数据包添加任何头部，所有传输的数据包都被直接转发到安全层。
非优化切换
非优化切换流程
非优化切换并未采用隧道来提前进行切换参数和空口会话的协商，而是eAT/UE直接离开源网络空口，移动到目的网络建立空口连接和IP会话连接，因此非优化切换适用于对时延不敏感的业务。非优化切换的具体流程分为预注册和切换执行两个过程。
预注册过程
非优化切换中的预注册过程不支持隧道模式下进行预注册，eAT/UE切换到eHRPD网络，若无HRPD
Session时，需要发起注册。但是，也有可能eAT/UE已经提前在eHRPD网络中进行了注册，这取决于终端的模式。
单发单收终端：无论在Active State或Idle State，要完成eHRPD预注册都需要终端专门切换到eHRPD网络中去完成预注册过程。
单发双收终端：在LTE模式不需要发射机时或者LTE模式处于Idle态时，终端可以到eHRPD进行注册，并进行注册信息维护。
双发双收终端：可以同时在E-UTRAN和eHRPD网络进行注册以及后续的注册信息维护。
无论终端模式是哪一种，非优化切换具体的预注册过程都如下图所示：
图4 CDMA/ LTE非优化切换预注册过程
首先是eAT/UE完成与eHRPD之间的网络捕获和同步过程，然后再进行UATI分配，以及CR/TCA/TCC等其他分配过程，最后是session协商过程，基本上与普通的eAT注册过程一样。对于已在eHRPD注册的终端无需b和d两个步骤。
切换执行过程
非优化切换执行过程，主要由终端自身来完成相关的工作，主要过程有：
◆ 处于E-UTRAN网络的eAT/UE触发一个eHRPD相邻小区的测量过程；
◆ eAT/UE根据测量结果做出切换决策，选定目标小区，该步骤eAT/UE不需要上报给网络；
◆ eAT/UE释放与E-UTRAN的连接，离开E-UTRAN；
◆ eAT/UE通过发起接入流程，接入到eHRPD网络中所对应的目标小区上。
具体切换过程如下图所示：
首先是eAT/UE完成与eHRPD之间的网络捕获和同步过程，然后再进行UATI分配，以及CR/TCA/TCC等其他分配过程，最后是session协商过程，基本上与普通的eAT注册过程一样。对于已在eHRPD注册的终端无需b和d两个步骤。
切换执行过程
非优化切换执行过程，主要由终端自身来完成相关的工作，主要过程有：
◆ 处于E-UTRAN网络的eAT/UE触发一个eHRPD相邻小区的测量过程；
◆ eAT/UE根据测量结果做出切换决策，选定目标小区，该步骤eAT/UE不需要上报给网络；
◆ eAT/UE释放与E-UTRAN的连接，离开E-UTRAN；
◆ eAT/UE通过发起接入流程，接入到eHRPD网络中所对应的目标小区上。
具体切换过程如下图所示：
图5 CDMA/ LTE非优化切换过程
切换方案对比
优化切换通过在E-UTRAN网络中实现eHRPD预注册过程，提前做好eAT/UE接入eHRPD网络的准备，因此优化切换相对非优化切换来说，切换的时延能够大大降低，从而能够满足实时业务的需求。但是，优化切换需要在EPC/LTE网络中建立到eHRPD网络的隧道，因此需要支持互操作S101和S103等接口，同时优化切换对于eHRPD网络空中接口修改较多。
非优化切换相对优化切换来说部署简单，不需要支持互操作接口S101和S103，eHRPD网络空中接口修改也很少。但是，由于eAT/UE需要在目标网络中重新进行网络接入和参数协商，所以非优化切换的切换时延较长，不太适合对实时性要求高的业务。
CDMA/LTE数据互操作的网络部署过程中，运营商同时需要考虑业务需求和网络设备成本。如果初期没有实时业务的需求时，可以先采用非优化切换方案。当有实时业务、特别是VoIP语音类业务的需求时，再升级网络设备以支持优化切换方案。
考虑到非优化切换对网络改动较少，同时对于终端芯片的功能也不做特别多要求，因此目前业界也在讨论非优化切换的增强方案，从网络实现复杂性与切换性能两个方面来综合考虑，以获取最佳CDMA/LTE数据互操作方案。
结语
本文针对CDMA与LTE数据互操作的优化切换和非优化切换两种方案进行了讨论和分析，详细分析了两种切换方案的技术特点和实现机制，并针对两种切换方案的特性提出了网络实施策略与建议。
谢伟良：北京大学博士，高级工程师。现就职中国电信北京研究院，主要研究方向为3G和B3G移动通信技术，同时参与国内外移动网络技术标准的跟踪，以及移动网络技术测试等方面的工作，在国内外核心期刊发表论文十几篇。
切换方案对比
优化切换通过在E-UTRAN网络中实现eHRPD预注册过程，提前做好eAT/UE接入eHRPD网络的准备，因此优化切换相对非优化切换来说，切换的时延能够大大降低，从而能够满足实时业务的需求。但是，优化切换需要在EPC/LTE网络中建立到eHRPD网络的隧道，因此需要支持互操作S101和S103等接口，同时优化切换对于eHRPD网络空中接口修改较多。
非优化切换相对优化切换来说部署简单，不需要支持互操作接口S101和S103，eHRPD网络空中接口修改也很少。但是，由于eAT/UE需要在目标网络中重新进行网络接入和参数协商，所以非优化切换的切换时延较长，不太适合对实时性要求高的业务。
CDMA/LTE数据互操作的网络部署过程中，运营商同时需要考虑业务需求和网络设备成本。如果初期没有实时业务的需求时，可以先采用非优化切换方案。当有实时业务、特别是VoIP语音类业务的需求时，再升级网络设备以支持优化切换方案。
考虑到非优化切换对网络改动较少，同时对于终端芯片的功能也不做特别多要求，因此目前业界也在讨论非优化切换的增强方案，从网络实现复杂性与切换性能两个方面来综合考虑，以获取最佳CDMA/LTE数据互操作方案。
结语
本文针对CDMA与LTE数据互操作的优化切换和非优化切换两种方案进行了讨论和分析，详细分析了两种切换方案的技术特点和实现机制，并针对两种切换方案的特性提出了网络实施策略与建议。
谢伟良：北京大学博士，高级工程师。现就职中国电信北京研究院，主要研究方向为3G和B3G移动通信技术，同时参与国内外移动网络技术标准的跟踪，以及移动网络技术测试等方面的工作，在国内外核心期刊发表论文十几篇。
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