CDMA向LTE FDD演進(jìn)后移動終端關(guān)鍵問題分析*

戴國華，張 婷，劉兆元，趙子彬

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 概述

全球移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動了移動通信技術(shù)向下一代互聯(lián)網(wǎng)加速地演進(jìn)。LTE作為新一代無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其高速率、低時延、全I(xiàn)P的特性使其成為了產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)注的焦點(diǎn)和技術(shù)演進(jìn)的首選。業(yè)界普遍認(rèn)為，LTE將成為移動寬帶下一發(fā)展階段的主流。

3GPP于2009年3月發(fā)布第一版 （Release 8）LTE標(biāo)準(zhǔn)；于2010年3月發(fā)布第二版 （Release 9）；2011年 3月完成了包括FDD和TDD在內(nèi)的Release 10，即LTE-Advanced（LTE-A）。同時，LTE產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展如火如荼，自從2009年全球首張LTE商用網(wǎng)推出后，LTE的發(fā)展勢頭至今已蔓延至全球。根據(jù)全球移動設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會 （global mobile suppliers association，GSA）統(tǒng)計(jì)，截至2012年9月，全球LTE商用網(wǎng)絡(luò)已有96個，廣泛分布在北美、亞洲、歐洲、非洲等地區(qū)，現(xiàn)有的商用網(wǎng)絡(luò)以LTE FDD模式為主，除北美的 Verizon、Sprint、Metro PCS，日本的 KDDI等運(yùn)營商是從CDMA向LTE演進(jìn)外，其余都是從WCDMA/HSPA向LTE演進(jìn)。由于CDMA和LTE分屬3GPP和3GPP2兩大陣營，因此CDMA向LTE網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中的終端技術(shù)會更復(fù)雜，遇到的問題會更多。

2 CDMA/LTE多模終端產(chǎn)品現(xiàn)狀

根據(jù)GSA統(tǒng)計(jì)，全球共有LTE商用終端417款，其中68款為TD-LTE終端，407款為LTE FDD終端（CDMA/LTE多模終端33款）。目前主要有三星、HTC、LG等一些大公司介入移動終端的研發(fā)，其他公司的LTE研究還處于戰(zhàn)略投入和技術(shù)預(yù)研階段，產(chǎn)品形態(tài)數(shù)據(jù)終端較多。

目前能提供LTE單芯片的廠商較多，高通、GTC、三星 、LG、Novatel Wireless、Sierra Wireless、Anydata 等 都 于2010年推出了支持LTE制式的基帶芯片，但能提供CDMA/LTE單基帶芯片的廠商目前僅有高通一家。高通于2010年推出的MDM9600能支持Ev-Do/LTE FDD制式，2011年下半年還推出了能支持cdma2000 1x/Ev-Do/HSPA/LTE FDD等多個制式的單基帶芯片MSM8960。

根據(jù)現(xiàn)有的商用CDMA/LTE多模終端成本來看，CDMA/LTE多模終端 BOM（bill of materials，物料清單）成本較CDMA高端終端有所提升，主要原因在于新增的LTE基帶芯片、RF配置模塊、電源管理模塊、天線等方面。新增硬件模塊的同時也會增加終端PCB板的占用面積，導(dǎo)致CDMA/LTE終端體積較大。

由于LTE終端需支持高速上下行數(shù)據(jù)速率，終端的功耗問題更為凸顯。提高電池壽命、延長手機(jī)操作和待機(jī)時間成為提升用戶使用感受的關(guān)鍵問題。根據(jù)前期業(yè)界對北美LTE商用終端的測試數(shù)據(jù)情況，CDMA/LTE終端靜置待機(jī)時間最長只有60 h，連續(xù)LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)操作時長不超過3 h。而相同情況下Ev-Do終端靜置待機(jī)時長最長能達(dá)200 h，連續(xù)Ev-Do數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)操作時長可達(dá)7 h。而基于MSM8960單基帶芯片LTE多模終端在終端功耗方面有較大改善，終端靜置待機(jī)和連續(xù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)操作功耗可達(dá)到Ev-Do終端水平。

表1 LTE采用2.1 GHz頻段以及2.6 GHz頻段時對接收信號的干擾

3 CDMA向LTEFDD網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)可能帶來的終端問題

對于向LTE FDD演進(jìn)的CDMA運(yùn)營商，在網(wǎng)絡(luò)部署初期選擇建設(shè)一個與現(xiàn)有 HRPD（high rate packet data，高速率分組數(shù)據(jù)）網(wǎng)絡(luò)互融互通的LTE FDD網(wǎng)絡(luò)可以充分利用現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)絡(luò)的良好基礎(chǔ)，縮減建網(wǎng)成本，有效降低運(yùn)營商盡快開展LTE業(yè)務(wù)的門檻。然而，不同的網(wǎng)絡(luò)部署方案和業(yè)務(wù)需求對終端性能、設(shè)計(jì)方案提出了更高的要求。

3.1 LTEFDD部署頻段不同帶來的信號干擾問題

當(dāng)某兩種不同頻段制式的業(yè)務(wù)并發(fā)時，終端由于射頻模塊工藝瓶頸，發(fā)射信號會對接收信號產(chǎn)生干擾。隨著LTE 的引入，運(yùn)營商可能面臨著 2G、3G、LTE、Wi-Fi、GPS等多種制式業(yè)務(wù)并發(fā)的復(fù)雜情況，不同業(yè)務(wù)頻段間的干擾問題加劇。

目前CDMA運(yùn)營商普遍要求支持Wi-Fi、GPS業(yè)務(wù)，新增LTE接入后，在業(yè)務(wù)并發(fā)情況下，不同業(yè)務(wù)并發(fā)的發(fā)射信號可能對接收信號產(chǎn)生同/鄰頻、諧波以及互調(diào)干擾。表 1以 LTE部署在 2.1 GHz和 2.6 GHz，CDMA部署在800 MHz頻段為例，探討LTE部署在不同頻段信號干擾問題。

從表1中可以看出，當(dāng)選擇2.6 GHz頻段部署LTE時，終端 LTE（2.6 GHz）發(fā)射信號與 CDMA（800 MHz）發(fā)射信號的互調(diào)產(chǎn)物落在CDMA接收頻段，對CDMA信號接收造成干擾。同時，LTE發(fā)射信號與Wi-Fi（2.4 GHz）發(fā)射信號產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物落在LTE接收頻段，影響LTE信號接收。

3.2 LTE終端引入初期支持頻段選擇問題

不同于CDMA網(wǎng)絡(luò)主要集中在800 MHz和1 900 MHz頻段上，目前全球分配的LTE頻譜眾多且相對離散。運(yùn)營商引入LTE后，為了更好地支持國際漫游，終端除了要支持國內(nèi)LTE頻段外，還要增加其他地區(qū)的眾多LTE工作頻段以確保支持漫游。新頻段的引入對射頻芯片、射頻前端和天線設(shè)計(jì)均會產(chǎn)生影響。增加工作頻段，不僅要求射頻芯片增加接收通道和發(fā)射通道，同時還需對不同的通道配置雙工器、開關(guān)、濾波器、功放等分立元件，對天線帶寬也提出了更高的要求，加上外圍匹配電路，將嚴(yán)重影響整個終端設(shè)計(jì)的集成度，進(jìn)而導(dǎo)致終端在成本、體積、產(chǎn)品上市時間等方面均面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

3.3 不同的話音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案帶來的終端RF配置問題

基于同一時刻天線對cdma2000 1x和LTE的收發(fā)能力，可將終端分為單發(fā)單收、單發(fā)雙收、雙發(fā)雙收3種形態(tài)。這3種終端硬件的差異主要在天線和射頻模塊的配置方面，其基礎(chǔ)硬件模塊設(shè)計(jì)如圖1所示。

單發(fā)單收終端在一個時刻，只能同時接收、發(fā)送LTE或CDMA一種制式的信號。單發(fā)雙收CDMA/LTE多模終端在一個時刻，能同時接收LTE和CDMA兩種制式信號，但只能發(fā)送LTE或CDMA一種制式信號。雙發(fā)雙收CDMA/LTE多模終端，在一個時刻，能同時接收、發(fā)送LTE和CDMA兩種制式信號。北美運(yùn)營商MeroPCS采用單發(fā)雙收RF配置方案，Verizon采用雙發(fā)雙收RF配置方案。

目前標(biāo)準(zhǔn)定義及主要采用的CDMA/LTE話音業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案主要有：1xCSFB/e1xCSFB、Dual Rx Dual Tx、Dual Rx、VCC、SRVCC。由于VoIP業(yè)務(wù)還不成熟，話音業(yè)務(wù)仍然由1x CS網(wǎng)絡(luò)來承載，話音連續(xù)性解決方案主要集中考慮 1xCSFB/e1xCSFB、Dual Rx Dual Tx、Dual Rx。

目前標(biāo)準(zhǔn)定義的CDMA/LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案主要有：優(yōu)化切換、非優(yōu)化切換。

這3種不同射頻配置方案的終端對話音/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案的支持情況見表2。

表2 終端RF配置方案對話音/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案的支持情況

對于話音業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案，當(dāng)采用1xCSFB/e1xCSFB、Dual Rx、SRVCC 方案時，單發(fā)單收、單發(fā)雙收終端符合3GPP和3GPP2相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)[1]要求即可；當(dāng)采用Dual Rx Dual Tx、VCC方案時，終端采用雙發(fā)雙收射頻配置，此種配置支持話音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)，能提供更好的用戶體驗(yàn)，但相應(yīng)地也帶來了兩個問題：一是話音數(shù)據(jù)并發(fā)時，存在天線互擾問題，而且多個發(fā)射信號并發(fā)產(chǎn)生的干擾信號影響接收機(jī)工作；二是并發(fā)情況下兩個制式發(fā)射機(jī)同時以最大發(fā)射功率工作時，終端的SAR值（輻射被頭部的軟組織吸收的比率）可能會超過國家終端入網(wǎng)SAR指標(biāo)的要求，該指標(biāo)反映了電磁波對人體的輻射安全標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)SAR指標(biāo)超標(biāo)時會對人體造成危害。表3列出了不同話音連續(xù)性解決方案對終端技術(shù)要求、網(wǎng)絡(luò)改造要求和用戶體驗(yàn)的差異。

對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案，目前標(biāo)準(zhǔn)定義了優(yōu)化切換和非優(yōu)化切換兩種數(shù)據(jù)互操作方案。如果采用非優(yōu)化切換方案，由于切換前終端未在eHRPD進(jìn)行會話協(xié)商、鑒權(quán)等工作，切換時延較長，用戶體驗(yàn)較差；如果采用優(yōu)化切換，切換時延大大縮減，但需要依照3GPP標(biāo)準(zhǔn)[2,3]對終端和網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行改造。表4列出了不同數(shù)據(jù)連續(xù)性解決方案對終端技術(shù)要求、網(wǎng)絡(luò)改造要求和用戶體驗(yàn)差異。

表3 不同話音解決方案對終端/網(wǎng)絡(luò)改造要求以及用戶體驗(yàn)的差異

表4 不同數(shù)據(jù)連續(xù)性解決方案對終端/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求以及用戶體驗(yàn)的差異

3.4 CDMA/LTE終端是否使用/更換用戶卡問題

全球CDMA運(yùn)營商銷售的移動終端主要分為兩種形態(tài)：機(jī)卡分離（使用用戶卡）和機(jī)卡合一（不使用用戶卡）。當(dāng)向LTE演進(jìn)后，不同形態(tài)終端將面臨不同的選擇。

對于機(jī)卡分離的CDMA運(yùn)營商，由于使用的UIM卡不支持eHRPD/LTE采用的AKA’和AKA鑒權(quán)機(jī)制，UIM卡插入CDMA/LTE多模終端不能接入eHRPD/LTE網(wǎng)絡(luò)。部署LTE網(wǎng)絡(luò)后，用戶卡有如下兩種方案接入網(wǎng)絡(luò)。

方案一：更換現(xiàn)有的UIM卡，使用UICC架構(gòu)CDMA+LTE卡，集成CSIM、USIM、UIM等應(yīng)用。在eHRPD/LTE網(wǎng)絡(luò)下，使用AKA’/AKA進(jìn)行鑒權(quán)；在CDMA網(wǎng)絡(luò)下，使用CAVE、MD5鑒權(quán)。該方案鑒權(quán)機(jī)制與國際標(biāo)準(zhǔn)一致，可以很好地支持國際漫游。

方案二：不換卡，使用現(xiàn)有的UIM卡，設(shè)計(jì)變通的選網(wǎng)和鑒權(quán)流程，通過運(yùn)行UIM卡上的CAVE/MD5算法計(jì)算得到 AKA（AKA’）鑒權(quán)所需的 128 bit root key，在終端上運(yùn)行AKA（AKA’）機(jī)制的鑒權(quán)算法，支持用戶在不換卡的情況下接入eHRPD/EPC網(wǎng)絡(luò)。該方案下的用戶卡在國外網(wǎng)絡(luò)無法接入eHRPD/LTE網(wǎng)絡(luò)。

對于機(jī)卡合一的CDMA運(yùn)營商，由于LTE業(yè)界都采用機(jī)卡分離方式，部署LTE網(wǎng)絡(luò)后，有如下兩種方案接入網(wǎng)絡(luò)。

方案一：使用UICC架構(gòu)CDMA+LTE卡，集成CSIM、USIM等應(yīng)用。在eHRPD/LTE網(wǎng)絡(luò)下，使用USIM應(yīng)用進(jìn)行鑒權(quán)；在CDMA網(wǎng)絡(luò)下，使用CSIM進(jìn)行鑒權(quán)。該方案鑒權(quán)機(jī)制與國際標(biāo)準(zhǔn)一致，可以很好地支持國際漫游。

方案二：CDMA/LTE采用機(jī)卡合一方式接入網(wǎng)絡(luò)，CDMA和LTE選網(wǎng)、鑒權(quán)數(shù)據(jù)全部寫在終端內(nèi)。此種方案還不成熟，也未得到業(yè)界認(rèn)可，還需進(jìn)一步驗(yàn)證測試。

表5 MIMO OTA性能測試方案對比

3.5 LTE終端MIMO OTA性能測試方案選擇問題

天線設(shè)計(jì)是終端設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，LTE的數(shù)據(jù)性能更加顯著地依賴于MIMO天線設(shè)計(jì)，如何更真實(shí)地測試MIMO將是評估LTE終端性能的關(guān)鍵。目前測試方案討論的焦點(diǎn)主要集中于信道模型、暗室形態(tài)、暗室大小等方面。現(xiàn)有的測試方案主要有3種：混響暗室、虛擬OTA和微波暗室方案。表5對這3種方案進(jìn)行了對比。

4 CDMA向LTE FDD網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)后終端問題解決方案建議

由于業(yè)務(wù)并發(fā)帶來的終端發(fā)射信號對接收信號干擾問題無法從技術(shù)上徹底消除，如果頻段可選的話，CDMA運(yùn)營商部署LTE FDD網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量選擇非干擾頻段。如果部署在產(chǎn)生互擾的頻段，需提高終端射頻性能，抑制互擾影響，主要從兩個方面考慮：一是降低終端最大發(fā)射功率，減少帶外雜散；二是增強(qiáng)終端硬件性能，提升終端接收機(jī)靈敏度 （receiver sensitivity）、接收機(jī)阻塞 （receiver blocking）、接收機(jī)互調(diào)（receiver intermodulation）等指標(biāo)。

LTE商用頻段眾多且相對離散，由于新增頻段所帶來的終端設(shè)計(jì)的成本和體積問題，LTE終端引入初期不可能支持全部頻段，運(yùn)營商應(yīng)根據(jù)國際漫游業(yè)務(wù)拓展情況確定終端支持頻段。

LTE多模終端的話音/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案與終端RF配置密切相關(guān)。如果運(yùn)營商要求終端支持話音數(shù)據(jù)并發(fā)，可以考慮采用雙發(fā)雙收終端。雙發(fā)雙收終端能夠支持話音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)，用戶體驗(yàn)好，同時網(wǎng)絡(luò)改造成本最低，但可能存在終端業(yè)務(wù)并發(fā)信號互擾和SAR值超標(biāo)問題。如果運(yùn)營商不要求話音數(shù)據(jù)并發(fā)，同時考慮網(wǎng)絡(luò)側(cè)改造成本，則可考慮單發(fā)雙收終端。單發(fā)雙收終端網(wǎng)絡(luò)側(cè)改造成本較低，但可能存在由于處理CDMA信令導(dǎo)致LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)暫停問題。

CDMA運(yùn)營商部署LTE網(wǎng)絡(luò)后，可以通過對終端和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造以實(shí)行不換卡策略，方便用戶轉(zhuǎn)網(wǎng)，避免可能出現(xiàn)的用戶流失。但為了更好地支持LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)國際漫游，應(yīng)該積極推進(jìn)UICC平臺用戶卡的普及，在新卡中集成UIM、USIM、CSIM 應(yīng)用。

LTE多模終端的MIMO OTA測試對終端性能評估至關(guān)重要，CDMA運(yùn)營商還要繼續(xù)跟進(jìn)MIMO OTA國際標(biāo)準(zhǔn)制定情況，開展各測試方案技術(shù)指標(biāo)研究和試驗(yàn)評估工作。

5 結(jié)束語

LTE以O(shè)FDM和MIMO等為核心技術(shù)，能夠?yàn)橛脩籼峁└叩膸?、更豐富的業(yè)務(wù)。新技術(shù)的引入對LTE終端提出了更高的要求，終端體積、功耗、基帶芯片、射頻模塊等方面均面臨著巨大的挑戰(zhàn)。目前，LTE終端技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還在不停地更新和完善過程中，隨著LTE終端產(chǎn)業(yè)鏈逐漸發(fā)展壯大，LTE終端發(fā)展必將有力地推動LTE全球商用。

1 3GPP TS 23.272 V9.7.0.Circuit Switched (CS)Fallback in Evolved Packet System(EPS)，2011

2 3GPP2 C.S0087-0V2.0.E-UTRAN-cdma2000 HRPD Connectivity and Interworking:Air Interface Specification，2010

3 3GPP2 X.S0057-0 V3.0.E-UTRAN-eHRPD Connectivity and Interworking:Core Network Aspects，2010