cdma2000移動無線網演進*

陳曉冬，林衡華，王慶揚，蔡 康

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 引言

3GPP和3GPP2是目前國際上兩個主要的移動通信標準組織，其主導的WCDMA和cdma2000移動通信標準體系經過數十年的競爭后，隨著市場的選擇和產業鏈的發展，在4G時代已經逐漸統一為LTE （long term evolution）標準。

LTE采用革新性的空中接口MATLAB技術，可以獲得更高的速率和更低的時延。LTE在空中接口采用OFDMA（orthogonal frequency division multiplexing access，正交頻分多址）取代CDMA技術，作為空中接口區分用戶和信道的主要技術，并引入 MIMO（multi-input multi-output）天線技術，利用空間的不相關性實現無線容量和覆蓋增益。LTE在R9階段可以達到 300 Mbit/s （20 MHz帶寬，4×4 MIMO）的峰值速率、小于10 ms的用戶面時延和小于100 ms的控制面時延。

本文從無線網絡構架、無線網元結構與特性以及天饋與室內分布系統的改造等方面出發，對移動無線網演進趨勢及相關新技術進行分析，并對國內cdma2000無線網絡現狀提出演進方案建議。

2 無線網絡構架的演進

2.1 cdma2000無線網絡構架

傳統的cdma2000移動通信系統，由核心網（core network，CN）、無線接入網（radio access network，RAN）和移動臺（mobile station，MS）組成。其中，CN負責核心網部分，包括電路域（CS）和分組域（PS）；RAN負責接入網部分，包括基站控制器（BSC）和基站（BTS）；MS指用戶終端。

RAN由多個基站控制器和基站所組成，基站控制器負責與移動交換中心（MSC）和分組控制功能（PCF）分別進行話音和數據的傳遞，對其所管轄的多個基站進行管理；基站負責收發空中接口的無線幀，并對其進行編碼與調制處理。

cdma2000無線網絡構架如圖1所示。

cdma2000無線網采用兩層的無線網構架，基站控制器對其連接的基站實行統一的無線資源管理，有利于基站間的協作與調度，但網絡構架層數的增加必然造成系統復雜性的增加和系統時延的上升。

2.2 LTE無線網絡構架

下一代移動通信網LTE系統由核心網EPC（evolved packet core）、基站（eNode B）和用戶設備（UE）3 部分組成。其中，EPC負責核心網部分，EPC信令處理部分稱為MME（mobility management entity），數據處理部分稱為 SGW（serving gateway）；eNode B 負責接入網部分，也稱 E-UTRAN；UE指用戶終端設備。

E-UTRAN由多個eNode B組成，作為E-UTRA用戶面（PDCP/RLC/MAC/PHY）和控制面（RRC）的終止點。eNode B間通過X2接口相互連接，eNode B與EPC間通過S1接口連接，其中與MME間的接口為S1-MME，與SGW間的接口為S1-U。S1接口支持多對多的eNode B和MMEs/SGW的連接。

E-UTRAN網絡構架如圖2所示[1]。

E-UTRAN網絡構架采用扁平化結構，改變cdma2000無線接入網中的BSC和BTS兩層分設的方式，將BSC和BTC的功能合并到eNode B中。

扁平化的網絡構架，大大降低了系統復雜度，減少了系統內部信令交互和系統時延，是網絡寬帶化和IP化的必然趨勢。

基于通用的E-UTRAN網絡構架，業界提出了無線異構網和云基站等創新技術，并成為目前研究的方向和熱點。

2.3 LTE無線網絡構架的演進

2.3.1 無線異構網網絡構架

傳統的無線網絡注重于通過宏小區（macro cell）蜂窩組網實現廣覆蓋，而對室內覆蓋和熱點覆蓋考慮不足。在LTE系統研究中，為了適應高速業務應用的需求，滿足室內覆蓋、熱點覆蓋、游牧應用等場景的需要，提出了異構網（heterogeneous network）的概念。

異構網是指在原有宏小區的覆蓋層面上，疊加各類型低功率節點的網絡構架，典型的網絡示意如圖3所示。

表1 異構網低功率節點定義

表2 不同基站類型發射功率定義

目前所定義的低功率節點見表1[2]。

不同基站類型功率定義見表2[3]。

異構網構架引入低功率節點，使得無線網元能夠更靠近業務熱點部署，增加LTE無線組網的靈活性，并產生如下優勢：

·通過縮短無線網元與用戶終端間的距離，降低路徑損耗和穿透損耗，提高無線信道信噪比，更適用于LTE高頻段應用；

·通過減少無線網元覆蓋面積，控制低功率節點服務用戶數量，保證目標用戶業務質量，實現有效的熱點覆蓋。

但是異構網中低功率節點的引入，在一定程度上破壞了原有的蜂窩結構，增加了新的不規則的干擾源，對終端用戶的小區選擇過程、移動性管理過程以及小區間的干擾機制，都提出了更高的要求，也成為目前業界研究的熱點。

綜上所述，異構網的出現，是寬帶移動數據業務的特點所決定的，為LTE無線網絡部署帶來了更大的靈活性，是無線網絡演進的必然趨勢。但異構網的部署面臨著移動性管理、無線資源調度等大量新的問題，其成熟性有待驗證。

2.3.2 基于云技術的無線網絡構架

在傳統的移動網絡中，每個基站的處理能力只能被其服務小區內的用戶使用，當小區內的用戶離開后，基站的處理能力無法轉移，只能處于空閑狀態，使基站資源造成一定的浪費。

針對傳統的移動網絡架構中的資源利用效率低的問題，業界提出了基于云技術的無線接入網構架。基于云技術的無線網絡構架的核心思想，是將多個基站的資源整合起來，實現總體資源在不同的區域動態地按需分配，從而最大效率地利用基站資源。

基于云技術的無線網構架如圖4所示。

基于云技術的無線網絡構架包括以下兩個主要組成部分。

·分布式無線網絡：由遠端無線射頻（RRH）單元和天線組成。

·集中式基帶處理池：由高性能處理器和實時動態調度器組成。

實現基于云技術的無線網絡構架，必須解決3個關鍵技術。

（1）基帶處理單元（BBU）與射頻處理單元的分離

基站的射頻處理單元實現不同區域的無線覆蓋，其資源是本地化的，無法實現共享；而基站的基帶處理模塊負責多用戶數據的處理，其資源并沒有本地化的要求，在技術上可以設計為集中設置和共享使用。因此，要實現多個基站資源的整合和共享，其前提是將允許共享的基帶處理資源與無法共享的射頻資源分離，即在基站中實現BBU與RRH的分離。目前業界對此技術的研究已非常成熟并實現了產品化。

（2）動態基帶資源池技術

要實現基帶資源在不同小區間的調配，僅僅將多個基站的BBU集中放置是無法實現的。多個基站的BBU之間必須進行動態的互聯互通，從而形成一個高容量、低時延的動態基帶資源池。與動態基帶資源池相連的任何一個RRH的載波信號可以交換到動態基帶資源池中的任何一個BBU，從而充分利用載波資源，避免部分BBU過載、部分BBU空閑的現象。目前業界尚未實現高容量的動態基帶資源池產品。

（3）光傳輸中的數據壓縮技術

LTE系統帶寬大，單扇區吞吐量高，BBU與RRH之間的光傳輸網絡需要承載大量的基帶采樣信號。以一個20 Mbit/s帶寬的三扇區LTE基站為例，其光傳輸帶寬約需1 Gbit/s，若帶寬提高到100 Mbit/s的LTE-A基站，則光傳輸帶寬可高達10 Gbit/s。目前已有的光傳輸網絡，難以滿足如此海量的帶寬需求。因此必須采用極高壓縮比的數據壓縮技術，以降低傳輸帶寬需求，但目前業界尚未找到滿意的數據壓縮解決方案。

總的來說，基于云技術的無線網絡構架，能大大提高基站資源利用率，是未來無線網演進方向。但是與之相關的一些關鍵技術尚未完成研究或尚未產品化，因此距離真正的應用和部署仍有相當的路程。

3 無線網元的演進

隨著LTE技術的發展，基站功能大大增強，由傳統的單模基站發展為多模多頻基站，使得無線組網靈活性大大增加。

傳統的CDMA單模基站，并沒有充分考慮對下一代移動通信技術的支持，若要升級為LTE基站，一般需要進行硬件的大規模更換，對運營商造成極大的投資壓力，且不利于無線網絡的平滑升級。

為避免運營商重復投資和建設，降低網絡運營和建設的成本，目前業界正在大力研究和發展多模基站技術。多模基站是一類能在統一硬件平臺上，同時支持多頻率上多移動通信制式的新型基站[4]。

3.1 多模基站的結構與關鍵技術

多模基站的實現，主要基于兩個關鍵技術：軟件無線電技術和BBU+RRH技術。

（1）軟件無線電技術

軟件無線電的基本思想是以一個通用化、標準化和模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程實現無線臺的各種功能。軟件無線電強調體系結構的開放性和全面可編程性，通過軟件更新改變硬件配置結構，實現新的功能。1996-1998年，國際電信聯盟（ITU）制訂第3代移動通信標準的研究組對軟件無線電技術進行過充分的研究與討論，目前軟件無線電已經成為各種數字移動通信技術的基礎，也是多模基站得以實現的技術前提。

（2）BBU+RRH 技術

BBU+RRH是將基站分成近端基帶控制（BBU）和遠端射頻拉遠（RRH）兩部分的技術，BBU+RRH的基站基本結構如圖5所示。其中BBU部分包括控制和業務模塊，控制部分完成基站控制、傳輸、時鐘同步、用戶信令等功能，業務部分完成用戶業務處理、基帶處理、CPRI傳輸等功能；RRH部分完成無線信號收發、數模轉換等功能。

RRH可以以插板的方式與BBU放置在同一個機柜中，也可以以獨立設備的方式與天線一起拉伸到天面遠端。目前主流的移動通信系統基站設備都是基于BBU+RRH平臺進行設計的。

BBU+RRH技術實現基帶功能模塊與射頻功能模塊的分類，功能模塊間通過統一的接口連接，為多模基站的實現以及基站的共平臺升級提供了結構設計上的基礎。

目前多模基站的實現方式主要包括3類。

·共用基站公共資源：不同制式的系統共用一個基站的電源、控制、傳輸等資源。這種多模的網絡設備屬于多模基站的基本形式。

·共用基站插槽：不同制式的系統在共享基站公共資源的基礎上，還能夠共享基帶處理單元插槽和射頻單元插槽。當系統升級時可以在原基站的基帶處理單元插槽和射頻單元插槽內，增加新系統插板，或將原系統的基帶處理單元和射頻單元直接更換為多模單元，從而節省了基站的空間，這種方式的配置較前一種靈活，但設計要求也更高。

·軟件升級：不同制式的系統可以通過軟件更新，實現升級與共存，這種升級方式不需要增加或更換硬件，是最方便、靈活的多模方式，也是對技術和器件成本要求最高的方式。

3.2 基于多模基站的無線網元升級方式

對于cdma2000向LTE升級及共存的場景，由于基站芯片設計的局限，目前絕大多數設備廠商都只能實現共用基站插槽的多模技術，其具體的無線網元升級方式如下。

（1）BBU與RRH共機柜的情況

共機柜升級方式如圖6所示，在原有CDMA基站控制板處理能力足夠的情況下，基站要實現CDMA向LTE的升級及共存，除了要進行必要的軟件升級外，還需在原有基站空閑插槽中，增加基帶板和射頻板，并增加相應的CPRI連接。

（2）RRH拉伸到天面遠端的情況

RRH拉伸到天面遠端的情況如圖7所示。對于RRH拉伸到天面遠端的情況，為實現LTE升級與共存，需要在原有基站空閑插槽中，增加LTE基帶板，同時增加LTE RRH設備，并將原CDMA小區的CPRI接口通過LTE基帶板橋接，最后通過LTE RRH和CDMA RRH的串聯，實現CPRI光纖的復用，從而最大限度地利用原有光纖資源。

4 天饋與室內分布系統的改造

天饋與室內分布系統，作為無線網絡的末端，對于不同移動通信系統來說，具有一定的共性需求。在無線網演進中，重點關注LTE新頻段以及新天線技術的引入對cdma2000天饋與室內分布系統的改造需求。

4.1 無源天饋的改造

目前已建的CDMA宏基站無源天饋系統，普遍采用雙極化天線的方式，每個基站扇區需要從射頻單元上連接兩根射頻同軸電纜，以實現扇區的分集接收，如圖8所示。

從國內的移動通信頻段規劃現狀來看，CDMA占用800 MHz（Band5）中的 10 MHz帶寬，但由于 CDMA 業務量的劇增，此頻段已經基本飽和。目前，中國電信已經獲得2.1 GHz（Band1)中的15 MHz帶寬，用以滿足未來移動用戶業務量增長的需求。

因此，未來中國的移動通信運營商LTE網絡很大可能會使用2 GHz以上的高頻段。雖然目前CDMA功分器、合路器、射頻電纜等無源天饋器件設計的最高工作頻段為2.5 GHz，基本能滿足今后LTE部署的要求。但現有的扇區天線基本都為800 MHz單頻天線，無法滿足LTE工作頻段要求。

從上面分析可以看出，要實現cdma2000向LTE的升級和共存，必須對CDMA原有天饋系統進行改造，根據天線的改造方式可分為增加2.1 GHz單頻天線和替換800 MHz&2.1 GHz雙頻天線兩種方式，如圖9所示。

圖9（a）是在原有 800 MHz CDMA天線的基礎上，增加獨立的 2.1 GHz LTE天線；圖9（b）是將原有 800 MHz CDMA天線，替換為800 MHz&2.1 GHz雙頻天線。方式（a）相比方式（b）增加了一副天線，因此對天線抱桿的承重能力提出了更高的要求，甚至需要新增抱桿。但是方式（a）中，由于CDMA天線和LTE天線是相對獨立的，因此能夠獨立地調整方向角和下傾角，增加了LTE覆蓋的靈活性。

無論是方式（a）還是方式（b），都需要增加兩條射頻饋線以滿足LTE基站射頻傳輸需求，若在基站射頻單元距離天線比較遠的場景中，新增饋線會帶來極大的工程量和工程難度。針對此情況，業界提出了通過多頻合路器共用饋線的升級方式，如圖10所示。

在CDMA和LTE基站射頻口，增加多頻合路器，將800 MHz CDMA信號與2.1 GHz LTE信號進行合路，并利用原有的射頻饋線進行傳輸。同時在天線射頻口增加多頻分路器，將800 MHz CDMA信號與2.1 GHz LTE信號分離。此方法增加了合路器，減少了饋線，會引入一定的合路損耗，適用于饋線較長且空間有限的場景。

綜上所述，在目前的密集市區環境中，站點和天面資源是寶貴且有限的，考慮到CDMA與LTE業務熱點的一致性，CDMA和LTE的共站址、共天饋建設，將是最快速和有效的天饋升級方式，因此共用饋線和雙頻天線的方式是未來首選的無源天饋改造方案。

4.2 室內分布系統的改造

在cdma2000移動通信網絡中，隨著數據業務的發展，用戶分布已經出現了根本的變化，更多的用戶和業務發生在室內環境中，因此，完善的室內分布系統的建設已經成為CDMA網絡解決室內覆蓋的主要手段之一。

傳統的CDMA室內分布系統結構如圖11所示，采用單天線接收的方式，即在室內分布系統中，僅布設一套饋線，在末端采用單極化室分天線。

雖然單極化接收的方式會降低上行鏈路接收靈敏度，但不會對下行鏈路產生影響，且會大大減少饋線施工量，是目前CDMA室內分布系統的主要建設方式。

隨著LTE系統的引入，多天線MIMO技術作為LTE系統的關鍵技術，對無線覆蓋與容量的提升具有重要的影響。如何對原有CDMA室內分布系統進行改造，以實現CDMA與LTE在室內的有效覆蓋，是當前業界討論的熱點。目前得到廣泛認同的室內分布系統改造方式有3種。

（1）直接合路方式

直接合路方式如圖12所示，此方式基本不對室內分布系統進行額外的工程改造，僅在主干端增加一個多頻合路器。由于目前無源室內分布系統的工作頻率最高可達2.5 GHz，因此完全可以滿足LTE信號的引入要求。

直接合路方式是最簡單的室內分布系統改造方式，但單射頻通道的方式使得LTE系統中MIMO的特性無法應用，相比2×2 MIMO配置，容量損失近半。

（2）新增射頻通道方式

新增射頻通道方式如圖13所示，此方式在原有室內分布系統的基礎上，增加一套射頻電纜與天線，并保證兩套射頻通道天線間的適當隔離。

新增射頻通道方式能充分發揮LTE系統中MIMO的優勢，提高系統容量，但對系統的改造量巨大，需要對天線排布進行重新設計，且隨著MIMO天線數的增加，其實現將變得越來越困難。

（3）共享射頻通道方式

共享射頻通道方式如圖14所示，此方式將LTE多天線同頻MIMO信號轉化為異頻信號，并與CDMA信號合路后，在原有室內分布系統中進行傳輸。在天線末端，再將異頻MIMO信號還原為同頻多天線信號，并分別連接到雙極化天線的輸入端。

該方式在不新增射頻通道的情況下，實現LTE系統中的MIMO性能，是優選的室內分布系統改造方案。但此方式需增加專門的有源變頻器件，這對工程實施與系統維護都提出了更高的要求。

綜上所述，為實現LTE信號的引入，不同的室內分布系統改造方式各有優劣，在實際應用中可針對不同場景進行選擇。對于以滿足覆蓋需求為主的室內分布場景，為避免對室內分布系統的改造，可采用直接合路的方式，實現LTE覆蓋；對于有較高容量需求，但對室內施工有嚴格要求且饋線布放空間有限的場景，建議采用共享射頻通道的方式進行改造。

5 結束語

適應于移動通信寬帶化和IP化的趨勢，LTE無線網絡采用了扁平化的構架，以降低網絡復雜度，減小系統時延，同時引入異構網、云基站等新型無線網絡構架，實現廣域覆蓋與熱點覆蓋的有效結合，并大大提高基站資源的利用率。而多模基站的出現，為無線網絡構架的演進提供了設備實現的基礎。

要實現cdma2000向LTE的升級與共存，由于新頻段以及多天線技術的使用，必須對CDMA天饋與室內分布系統進行改造。考慮到天饋空間、施工難度以及成本等因素，天饋與室內分布系統的改造有多種不同方式，分別適用于不同的升級場景。

1 3GPP TS 36.300.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)and evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN),overall description

2 3GPP TR 36.814.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA),further advancements for E-UTRA physical layer aspects

3 3GPP TS 36.104.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA),base station(BS)radio transmission and reception

4 3GPP TS 37.900.Radio frequency (RF)requirements for multicarrier and multiple radio access technology(multi-RAT)base station(BS)