CDMA向LTE FDD演進后移動終端關鍵問題分析*

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

全球移動互聯網的發展推動了移動通信技術向下一代互聯網加速地演進。LTE作為新一代無線通信技術標準，其高速率、低時延、全IP的特性使其成為了產業鏈關注的焦點和技術演進的首選。業界普遍認為，LTE將成為移動寬帶下一發展階段的主流。

3GPP于2009年3月發布第一版 （Release 8）LTE標準；于2010年3月發布第二版 （Release 9）；2011年 3月完成了包括FDD和TDD在內的Release 10，即LTE-Advanced（LTE-A）。同時，LTE產業鏈的發展如火如荼，自從2009年全球首張LTE商用網推出后，LTE的發展勢頭至今已蔓延至全球。根據全球移動設備供應商協會 （global mobile suppliers association，GSA）統計，截至2012年9月，全球LTE商用網絡已有96個，廣泛分布在北美、亞洲、歐洲、非洲等地區，現有的商用網絡以LTE FDD模式為主，除北美的 Verizon、Sprint、Metro PCS，日本的 KDDI等運營商是從CDMA向LTE演進外，其余都是從WCDMA/HSPA向LTE演進。由于CDMA和LTE分屬3GPP和3GPP2兩大陣營，因此CDMA向LTE網絡演進過程中的終端技術會更復雜，遇到的問題會更多。

2 CDMA/LTE多模終端產品現狀

根據GSA統計，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，其他公司的LTE研究還處于戰略投入和技術預研階段，產品形態數據終端較多。

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。

根據現有的商用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，導致CDMA/LTE終端體積較大。

由于LTE終端需支持高速上下行數據速率，終端的功耗問題更為凸顯。提高電池壽命、延長手機操作和待機時間成為提升用戶使用感受的關鍵問題。根據前期業界對北美LTE商用終端的測試數據情況，CDMA/LTE終端靜置待機時間最長只有60 h，連續LTE數據業務操作時長不超過3 h。而相同情況下Ev-Do終端靜置待機時長最長能達200 h，連續Ev-Do數據業務操作時長可達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，終端靜置待機和連續數據業務操作功耗可達到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網絡演進可能帶來的終端問題

對于向LTE FDD演進的CDMA運營商，在網絡部署初期選擇建設一個與現有 HRPD（high rate packet data，高速率分組數據）網絡互融互通的LTE FDD網絡可以充分利用現有2G/3G網絡的良好基礎，縮減建網成本，有效降低運營商盡快開展LTE業務的門檻。然而，不同的網絡部署方案和業務需求對終端性能、設計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

當某兩種不同頻段制式的業務并發時，終端由于射頻模塊工藝瓶頸，發射信號會對接收信號產生干擾。隨著LTE 的引入，運營商可能面臨著 2G、3G、LTE、Wi-Fi、GPS等多種制式業務并發的復雜情況，不同業務頻段間的干擾問題加劇。

目前CDMA運營商普遍要求支持Wi-Fi、GPS業務，新增LTE接入后，在業務并發情況下，不同業務并發的發射信號可能對接收信號產生同/鄰頻、諧波以及互調干擾。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，當選擇2.6 GHz頻段部署LTE時，終端 LTE（2.6 GHz）發射信號與 CDMA（800 MHz）發射信號的互調產物落在CDMA接收頻段，對CDMA信號接收造成干擾。同時，LTE發射信號與Wi-Fi（2.4 GHz）發射信號產生的互調產物落在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網絡主要集中在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LTE頻段外，還要增加其他地區的眾多LTE工作頻段以確保支持漫游。新頻段的引入對射頻芯片、射頻前端和天線設計均會產生影響。增加工作頻段，不僅要求射頻芯片增加接收通道和發射通道，同時還需對不同的通道配置雙工器、開關、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，將嚴重影響整個終端設計的集成度，進而導致終端在成本、體積、產品上市時間等方面均面臨嚴峻挑戰。

3.3 不同的話音數據業務連續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的收發能力，可將終端分為單發單收、單發雙收、雙發雙收3種形態。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，其基礎硬件模塊設計如圖1所示。

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

目前標準定義及主要采用的CDMA/LTE話音業務連續性解決方案主要有：1xCSFB/e1xCSFB、Dual Rx Dual Tx、Dual Rx、VCC、SRVCC。由于VoIP業務還不成熟，話音業務仍然由1x CS網絡來承載，話音連續性解決方案主要集中考慮 1xCSFB/e1xCSFB、Dual Rx Dual Tx、Dual Rx。

目前標準定義的CDMA/LTE數據業務連續性解決方案主要有：優化切換、非優化切換。

這3種不同射頻配置方案的終端對話音/數據業務連續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/數據業務連續性解決方案的支持情況

對于話音業務連續性解決方案，當采用1xCSFB/e1xCSFB、Dual Rx、SRVCC 方案時，單發單收、單發雙收終端符合3GPP和3GPP2相關國際標準[1]要求即可；當采用Dual Rx Dual Tx、VCC方案時，終端采用雙發雙收射頻配置，此種配置支持話音數據業務并發，能提供更好的用戶體驗，但相應地也帶來了兩個問題：一是話音數據并發時，存在天線互擾問題，而且多個發射信號并發產生的干擾信號影響接收機工作；二是并發情況下兩個制式發射機同時以最大發射功率工作時，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SAR指標的要求，該指標反映了電磁波對人體的輻射安全標準，當SAR指標超標時會對人體造成危害。表3列出了不同話音連續性解決方案對終端技術要求、網絡改造要求和用戶體驗的差異。

對于數據業務連續性解決方案，目前標準定義了優化切換和非優化切換兩種數據互操作方案。如果采用非優化切換方案，由于切換前終端未在eHRPD進行會話協商、鑒權等工作，切換時延較長，用戶體驗較差；如果采用優化切換，切換時延大大縮減，但需要依照3GPP標準[2,3]對終端和網絡側進行改造。表4列出了不同數據連續性解決方案對終端技術要求、網絡改造要求和用戶體驗差異。

表3 不同話音解決方案對終端/網絡改造要求以及用戶體驗的差異

表4 不同數據連續性解決方案對終端/網絡設備要求以及用戶體驗的差異

3.4 CDMA/LTE終端是否使用/更換用戶卡問題

全球CDMA運營商銷售的移動終端主要分為兩種形態：機卡分離（使用用戶卡）和機卡合一（不使用用戶卡）。當向LTE演進后，不同形態終端將面臨不同的選擇。

對于機卡分離的CDMA運營商，由于使用的UIM卡不支持eHRPD/LTE采用的AKA’和AKA鑒權機制，UIM卡插入CDMA/LTE多模終端不能接入eHRPD/LTE網絡。部署LTE網絡后，用戶卡有如下兩種方案接入網絡。

方案一：更換現有的UIM卡，使用UICC架構CDMA+LTE卡，集成CSIM、USIM、UIM等應用。在eHRPD/LTE網絡下，使用AKA’/AKA進行鑒權；在CDMA網絡下，使用CAVE、MD5鑒權。該方案鑒權機制與國際標準一致，可以很好地支持國際漫游。

方案二：不換卡，使用現有的UIM卡，設計變通的選網和鑒權流程，通過運行UIM卡上的CAVE/MD5算法計算得到 AKA（AKA’）鑒權所需的 128 bit root key，在終端上運行AKA（AKA’）機制的鑒權算法，支持用戶在不換卡的情況下接入eHRPD/EPC網絡。該方案下的用戶卡在國外網絡無法接入eHRPD/LTE網絡。

對于機卡合一的CDMA運營商，由于LTE業界都采用機卡分離方式，部署LTE網絡后，有如下兩種方案接入網絡。

方案一：使用UICC架構CDMA+LTE卡，集成CSIM、USIM等應用。在eHRPD/LTE網絡下，使用USIM應用進行鑒權；在CDMA網絡下，使用CSIM進行鑒權。該方案鑒權機制與國際標準一致，可以很好地支持國際漫游。

方案二：CDMA/LTE采用機卡合一方式接入網絡，CDMA和LTE選網、鑒權數據全部寫在終端內。此種方案還不成熟，也未得到業界認可，還需進一步驗證測試。

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

天線設計是終端設計的難點，LTE的數據性能更加顯著地依賴于MIMO天線設計，如何更真實地測試MIMO將是評估LTE終端性能的關鍵。目前測試方案討論的焦點主要集中于信道模型、暗室形態、暗室大小等方面。現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種方案進行了對比。

4 CDMA向LTE FDD網絡演進后終端問題解決方案建議

由于業務并發帶來的終端發射信號對接收信號干擾問題無法從技術上徹底消除，如果頻段可選的話，CDMA運營商部署LTE FDD網絡應盡量選擇非干擾頻段。如果部署在產生互擾的頻段，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射功率，減少帶外雜散；二是增強終端硬件性能，提升終端接收機靈敏度 （receiver sensitivity）、接收機阻塞 （receiver blocking）、接收機互調（receiver intermodulation）等指標。

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計的成本和體積問題，LTE終端引入初期不可能支持全部頻段，運營商應根據國際漫游業務拓展情況確定終端支持頻段。

LTE多模終端的話音/數據業務連續性解決方案與終端RF配置密切相關。如果運營商要求終端支持話音數據并發，可以考慮采用雙發雙收終端。雙發雙收終端能夠支持話音數據業務并發，用戶體驗好，同時網絡改造成本最低，但可能存在終端業務并發信號互擾和SAR值超標問題。如果運營商不要求話音數據并發，同時考慮網絡側改造成本，則可考慮單發雙收終端。單發雙收終端網絡側改造成本較低，但可能存在由于處理CDMA信令導致LTE數據業務暫停問題。

CDMA運營商部署LTE網絡后，可以通過對終端和網絡進行改造以實行不換卡策略，方便用戶轉網，避免可能出現的用戶流失。但為了更好地支持LTE數據業務國際漫游，應該積極推進UICC平臺用戶卡的普及，在新卡中集成UIM、USIM、CSIM 應用。

LTE多模終端的MIMO OTA測試對終端性能評估至關重要，CDMA運營商還要繼續跟進MIMO OTA國際標準制定情況，開展各測試方案技術指標研究和試驗評估工作。

5 結束語

LTE以OFDM和MIMO等為核心技術，能夠為用戶提供更高的帶寬、更豐富的業務。新技術的引入對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。目前，LTE終端技術和標準還在不停地更新和完善過程中，隨著LTE終端產業鏈逐漸發展壯大，LTE終端發展必將有力地推動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