CDMA与LTE数据互操作的空中接口的讨论与分析
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：
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。
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：
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。
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：
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。
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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：
图2 cdma/ lte优化切换主要过程
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◆ 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；
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◆ 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
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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
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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。
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