cdma2000移动无线网演进*

陈晓冬，林衡华，王庆扬，蔡 康

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州510630）

1 引言

3GPP和3GPP2是目前国际上两个主要的移动通信标准组织，其主导的WCDMA和cdma2000移动通信标准体系经过数十年的竞争后，随着市场的选择和产业链的发展，在4G时代已经逐渐统一为LTE （long term evolution）标准。

LTE采用革新性的空中接口MATLAB技术，可以获得更高的速率和更低的时延。LTE在空中接口采用OFDMA（orthogonal frequency division multiplexing access，正交频分多址）取代CDMA技术，作为空中接口区分用户和信道的主要技术，并引入 MIMO（multi-input multi-output）天线技术，利用空间的不相关性实现无线容量和覆盖增益。LTE在R9阶段可以达到 300 Mbit/s （20 MHz带宽，4×4 MIMO）的峰值速率、小于10 ms的用户面时延和小于100 ms的控制面时延。

本文从无线网络构架、无线网元结构与特性以及天馈与室内分布系统的改造等方面出发，对移动无线网演进趋势及相关新技术进行分析，并对国内cdma2000无线网络现状提出演进方案建议。

2 无线网络构架的演进

2.1 cdma2000无线网络构架

传统的cdma2000移动通信系统，由核心网（core network，CN）、无线接入网（radio access network，RAN）和移动台（mobile station，MS）组成。其中，CN负责核心网部分，包括电路域（CS）和分组域（PS）；RAN负责接入网部分，包括基站控制器（BSC）和基站（BTS）；MS指用户终端。

RAN由多个基站控制器和基站所组成，基站控制器负责与移动交换中心（MSC）和分组控制功能（PCF）分别进行话音和数据的传递，对其所管辖的多个基站进行管理；基站负责收发空中接口的无线帧，并对其进行编码与调制处理。

cdma2000无线网络构架如图1所示。

cdma2000无线网采用两层的无线网构架，基站控制器对其连接的基站实行统一的无线资源管理，有利于基站间的协作与调度，但网络构架层数的增加必然造成系统复杂性的增加和系统时延的上升。

2.2 LTE无线网络构架

下一代移动通信网LTE系统由核心网EPC（evolved packet core）、基站（eNode B）和用户设备（UE）3 部分组成。其中，EPC负责核心网部分，EPC信令处理部分称为MME（mobility management entity），数据处理部分称为 SGW（serving gateway）；eNode B 负责接入网部分，也称 E-UTRAN；UE指用户终端设备。

E-UTRAN由多个eNode B组成，作为E-UTRA用户面（PDCP/RLC/MAC/PHY）和控制面（RRC）的终止点。eNode B间通过X2接口相互连接，eNode B与EPC间通过S1接口连接，其中与MME间的接口为S1-MME，与SGW间的接口为S1-U。S1接口支持多对多的eNode B和MMEs/SGW的连接。

E-UTRAN网络构架如图2所示[1]。

E-UTRAN网络构架采用扁平化结构，改变cdma2000无线接入网中的BSC和BTS两层分设的方式，将BSC和BTC的功能合并到eNode B中。

扁平化的网络构架，大大降低了系统复杂度，减少了系统内部信令交互和系统时延，是网络宽带化和IP化的必然趋势。

基于通用的E-UTRAN网络构架，业界提出了无线异构网和云基站等创新技术，并成为目前研究的方向和热点。

2.3 LTE无线网络构架的演进

2.3.1 无线异构网网络构架

传统的无线网络注重于通过宏小区（macro cell）蜂窝组网实现广覆盖，而对室内覆盖和热点覆盖考虑不足。在LTE系统研究中，为了适应高速业务应用的需求，满足室内覆盖、热点覆盖、游牧应用等场景的需要，提出了异构网（heterogeneous network）的概念。

异构网是指在原有宏小区的覆盖层面上，叠加各类型低功率节点的网络构架，典型的网络示意如图3所示。

表1 异构网低功率节点定义

表2 不同基站类型发射功率定义

目前所定义的低功率节点见表1[2]。

不同基站类型功率定义见表2[3]。

异构网构架引入低功率节点，使得无线网元能够更靠近业务热点部署，增加LTE无线组网的灵活性，并产生如下优势：

·通过缩短无线网元与用户终端间的距离，降低路径损耗和穿透损耗，提高无线信道信噪比，更适用于LTE高频段应用；

·通过减少无线网元覆盖面积，控制低功率节点服务用户数量，保证目标用户业务质量，实现有效的热点覆盖。

但是异构网中低功率节点的引入，在一定程度上破坏了原有的蜂窝结构，增加了新的不规则的干扰源，对终端用户的小区选择过程、移动性管理过程以及小区间的干扰机制，都提出了更高的要求，也成为目前业界研究的热点。

综上所述，异构网的出现，是宽带移动数据业务的特点所决定的，为LTE无线网络部署带来了更大的灵活性，是无线网络演进的必然趋势。但异构网的部署面临着移动性管理、无线资源调度等大量新的问题，其成熟性有待验证。

2.3.2 基于云技术的无线网络构架

在传统的移动网络中，每个基站的处理能力只能被其服务小区内的用户使用，当小区内的用户离开后，基站的处理能力无法转移，只能处于空闲状态，使基站资源造成一定的浪费。

针对传统的移动网络架构中的资源利用效率低的问题，业界提出了基于云技术的无线接入网构架。基于云技术的无线网络构架的核心思想，是将多个基站的资源整合起来，实现总体资源在不同的区域动态地按需分配，从而最大效率地利用基站资源。

基于云技术的无线网构架如图4所示。

基于云技术的无线网络构架包括以下两个主要组成部分。

·分布式无线网络：由远端无线射频（RRH）单元和天线组成。

·集中式基带处理池：由高性能处理器和实时动态调度器组成。

实现基于云技术的无线网络构架，必须解决3个关键技术。

（1）基带处理单元（BBU）与射频处理单元的分离

基站的射频处理单元实现不同区域的无线覆盖，其资源是本地化的，无法实现共享；而基站的基带处理模块负责多用户数据的处理，其资源并没有本地化的要求，在技术上可以设计为集中设置和共享使用。因此，要实现多个基站资源的整合和共享，其前提是将允许共享的基带处理资源与无法共享的射频资源分离，即在基站中实现BBU与RRH的分离。目前业界对此技术的研究已非常成熟并实现了产品化。

（2）动态基带资源池技术

要实现基带资源在不同小区间的调配，仅仅将多个基站的BBU集中放置是无法实现的。多个基站的BBU之间必须进行动态的互联互通，从而形成一个高容量、低时延的动态基带资源池。与动态基带资源池相连的任何一个RRH的载波信号可以交换到动态基带资源池中的任何一个BBU，从而充分利用载波资源，避免部分BBU过载、部分BBU空闲的现象。目前业界尚未实现高容量的动态基带资源池产品。

（3）光传输中的数据压缩技术

LTE系统带宽大，单扇区吞吐量高，BBU与RRH之间的光传输网络需要承载大量的基带采样信号。以一个20 Mbit/s带宽的三扇区LTE基站为例，其光传输带宽约需1 Gbit/s，若带宽提高到100 Mbit/s的LTE-A基站，则光传输带宽可高达10 Gbit/s。目前已有的光传输网络，难以满足如此海量的带宽需求。因此必须采用极高压缩比的数据压缩技术，以降低传输带宽需求，但目前业界尚未找到满意的数据压缩解决方案。

总的来说，基于云技术的无线网络构架，能大大提高基站资源利用率，是未来无线网演进方向。但是与之相关的一些关键技术尚未完成研究或尚未产品化，因此距离真正的应用和部署仍有相当的路程。

3 无线网元的演进

随着LTE技术的发展，基站功能大大增强，由传统的单模基站发展为多模多频基站，使得无线组网灵活性大大增加。

传统的CDMA单模基站，并没有充分考虑对下一代移动通信技术的支持，若要升级为LTE基站，一般需要进行硬件的大规模更换，对运营商造成极大的投资压力，且不利于无线网络的平滑升级。

为避免运营商重复投资和建设，降低网络运营和建设的成本，目前业界正在大力研究和发展多模基站技术。多模基站是一类能在统一硬件平台上，同时支持多频率上多移动通信制式的新型基站[4]。

3.1 多模基站的结构与关键技术

多模基站的实现，主要基于两个关键技术：软件无线电技术和BBU+RRH技术。

（1）软件无线电技术

软件无线电的基本思想是以一个通用化、标准化和模块化的硬件平台为依托，通过软件编程实现无线台的各种功能。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。1996-1998年，国际电信联盟（ITU）制订第3代移动通信标准的研究组对软件无线电技术进行过充分的研究与讨论，目前软件无线电已经成为各种数字移动通信技术的基础，也是多模基站得以实现的技术前提。

（2）BBU+RRH 技术

BBU+RRH是将基站分成近端基带控制（BBU）和远端射频拉远（RRH）两部分的技术，BBU+RRH的基站基本结构如图5所示。其中BBU部分包括控制和业务模块，控制部分完成基站控制、传输、时钟同步、用户信令等功能，业务部分完成用户业务处理、基带处理、CPRI传输等功能；RRH部分完成无线信号收发、数模转换等功能。

RRH可以以插板的方式与BBU放置在同一个机柜中，也可以以独立设备的方式与天线一起拉伸到天面远端。目前主流的移动通信系统基站设备都是基于BBU+RRH平台进行设计的。

BBU+RRH技术实现基带功能模块与射频功能模块的分类，功能模块间通过统一的接口连接，为多模基站的实现以及基站的共平台升级提供了结构设计上的基础。

目前多模基站的实现方式主要包括3类。

·共用基站公共资源：不同制式的系统共用一个基站的电源、控制、传输等资源。这种多模的网络设备属于多模基站的基本形式。

·共用基站插槽：不同制式的系统在共享基站公共资源的基础上，还能够共享基带处理单元插槽和射频单元插槽。当系统升级时可以在原基站的基带处理单元插槽和射频单元插槽内，增加新系统插板，或将原系统的基带处理单元和射频单元直接更换为多模单元，从而节省了基站的空间，这种方式的配置较前一种灵活，但设计要求也更高。

·软件升级：不同制式的系统可以通过软件更新，实现升级与共存，这种升级方式不需要增加或更换硬件，是最方便、灵活的多模方式，也是对技术和器件成本要求最高的方式。

3.2 基于多模基站的无线网元升级方式

对于cdma2000向LTE升级及共存的场景，由于基站芯片设计的局限，目前绝大多数设备厂商都只能实现共用基站插槽的多模技术，其具体的无线网元升级方式如下。

（1）BBU与RRH共机柜的情况

共机柜升级方式如图6所示，在原有CDMA基站控制板处理能力足够的情况下，基站要实现CDMA向LTE的升级及共存，除了要进行必要的软件升级外，还需在原有基站空闲插槽中，增加基带板和射频板，并增加相应的CPRI连接。

（2）RRH拉伸到天面远端的情况

RRH拉伸到天面远端的情况如图7所示。对于RRH拉伸到天面远端的情况，为实现LTE升级与共存，需要在原有基站空闲插槽中，增加LTE基带板，同时增加LTE RRH设备，并将原CDMA小区的CPRI接口通过LTE基带板桥接，最后通过LTE RRH和CDMA RRH的串联，实现CPRI光纤的复用，从而最大限度地利用原有光纤资源。

4 天馈与室内分布系统的改造

天馈与室内分布系统，作为无线网络的末端，对于不同移动通信系统来说，具有一定的共性需求。在无线网演进中，重点关注LTE新频段以及新天线技术的引入对cdma2000天馈与室内分布系统的改造需求。

4.1 无源天馈的改造

目前已建的CDMA宏基站无源天馈系统，普遍采用双极化天线的方式，每个基站扇区需要从射频单元上连接两根射频同轴电缆，以实现扇区的分集接收，如图8所示。

从国内的移动通信频段规划现状来看，CDMA占用800 MHz（Band5）中的 10 MHz带宽，但由于 CDMA 业务量的剧增，此频段已经基本饱和。目前，中国电信已经获得2.1 GHz（Band1)中的15 MHz带宽，用以满足未来移动用户业务量增长的需求。

因此，未来中国的移动通信运营商LTE网络很大可能会使用2 GHz以上的高频段。虽然目前CDMA功分器、合路器、射频电缆等无源天馈器件设计的最高工作频段为2.5 GHz，基本能满足今后LTE部署的要求。但现有的扇区天线基本都为800 MHz单频天线，无法满足LTE工作频段要求。

从上面分析可以看出，要实现cdma2000向LTE的升级和共存，必须对CDMA原有天馈系统进行改造，根据天线的改造方式可分为增加2.1 GHz单频天线和替换800 MHz&2.1 GHz双频天线两种方式，如图9所示。

图9（a）是在原有 800 MHz CDMA天线的基础上，增加独立的 2.1 GHz LTE天线；图9（b）是将原有 800 MHz CDMA天线，替换为800 MHz&2.1 GHz双频天线。方式（a）相比方式（b）增加了一副天线，因此对天线抱杆的承重能力提出了更高的要求，甚至需要新增抱杆。但是方式（a）中，由于CDMA天线和LTE天线是相对独立的，因此能够独立地调整方向角和下倾角，增加了LTE覆盖的灵活性。

无论是方式（a）还是方式（b），都需要增加两条射频馈线以满足LTE基站射频传输需求，若在基站射频单元距离天线比较远的场景中，新增馈线会带来极大的工程量和工程难度。针对此情况，业界提出了通过多频合路器共用馈线的升级方式，如图10所示。

在CDMA和LTE基站射频口，增加多频合路器，将800 MHz CDMA信号与2.1 GHz LTE信号进行合路，并利用原有的射频馈线进行传输。同时在天线射频口增加多频分路器，将800 MHz CDMA信号与2.1 GHz LTE信号分离。此方法增加了合路器，减少了馈线，会引入一定的合路损耗，适用于馈线较长且空间有限的场景。

综上所述，在目前的密集市区环境中，站点和天面资源是宝贵且有限的，考虑到CDMA与LTE业务热点的一致性，CDMA和LTE的共站址、共天馈建设，将是最快速和有效的天馈升级方式，因此共用馈线和双频天线的方式是未来首选的无源天馈改造方案。

4.2 室内分布系统的改造

在cdma2000移动通信网络中，随着数据业务的发展，用户分布已经出现了根本的变化，更多的用户和业务发生在室内环境中，因此，完善的室内分布系统的建设已经成为CDMA网络解决室内覆盖的主要手段之一。

传统的CDMA室内分布系统结构如图11所示，采用单天线接收的方式，即在室内分布系统中，仅布设一套馈线，在末端采用单极化室分天线。

虽然单极化接收的方式会降低上行链路接收灵敏度，但不会对下行链路产生影响，且会大大减少馈线施工量，是目前CDMA室内分布系统的主要建设方式。

随着LTE系统的引入，多天线MIMO技术作为LTE系统的关键技术，对无线覆盖与容量的提升具有重要的影响。如何对原有CDMA室内分布系统进行改造，以实现CDMA与LTE在室内的有效覆盖，是当前业界讨论的热点。目前得到广泛认同的室内分布系统改造方式有3种。

（1）直接合路方式

直接合路方式如图12所示，此方式基本不对室内分布系统进行额外的工程改造，仅在主干端增加一个多频合路器。由于目前无源室内分布系统的工作频率最高可达2.5 GHz，因此完全可以满足LTE信号的引入要求。

直接合路方式是最简单的室内分布系统改造方式，但单射频通道的方式使得LTE系统中MIMO的特性无法应用，相比2×2 MIMO配置，容量损失近半。

（2）新增射频通道方式

新增射频通道方式如图13所示，此方式在原有室内分布系统的基础上，增加一套射频电缆与天线，并保证两套射频通道天线间的适当隔离。

新增射频通道方式能充分发挥LTE系统中MIMO的优势，提高系统容量，但对系统的改造量巨大，需要对天线排布进行重新设计，且随着MIMO天线数的增加，其实现将变得越来越困难。

（3）共享射频通道方式

共享射频通道方式如图14所示，此方式将LTE多天线同频MIMO信号转化为异频信号，并与CDMA信号合路后，在原有室内分布系统中进行传输。在天线末端，再将异频MIMO信号还原为同频多天线信号，并分别连接到双极化天线的输入端。

该方式在不新增射频通道的情况下，实现LTE系统中的MIMO性能，是优选的室内分布系统改造方案。但此方式需增加专门的有源变频器件，这对工程实施与系统维护都提出了更高的要求。

综上所述，为实现LTE信号的引入，不同的室内分布系统改造方式各有优劣，在实际应用中可针对不同场景进行选择。对于以满足覆盖需求为主的室内分布场景，为避免对室内分布系统的改造，可采用直接合路的方式，实现LTE覆盖；对于有较高容量需求，但对室内施工有严格要求且馈线布放空间有限的场景，建议采用共享射频通道的方式进行改造。

5 结束语

适应于移动通信宽带化和IP化的趋势，LTE无线网络采用了扁平化的构架，以降低网络复杂度，减小系统时延，同时引入异构网、云基站等新型无线网络构架，实现广域覆盖与热点覆盖的有效结合，并大大提高基站资源的利用率。而多模基站的出现，为无线网络构架的演进提供了设备实现的基础。

要实现cdma2000向LTE的升级与共存，由于新频段以及多天线技术的使用，必须对CDMA天馈与室内分布系统进行改造。考虑到天馈空间、施工难度以及成本等因素，天馈与室内分布系统的改造有多种不同方式，分别适用于不同的升级场景。

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)