CDMA向LTE FDD演进后移动终端关键问题分析*

戴国华，张 婷，刘兆元，赵子彬

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

1 概述

全球移动互联网的发展推动了移动通信技术向下一代互联网加速地演进。LTE作为新一代无线通信技术标准，其高速率、低时延、全IP的特性使其成为了产业链关注的焦点和技术演进的首选。业界普遍认为，LTE将成为移动宽带下一发展阶段的主流。

3GPP于2009年3月发布第一版 （Release 8）LTE标准；于2010年3月发布第二版 （Release 9）；2011年 3月完成了包括FDD和TDD在内的Release 10，即LTE-Advanced（LTE-A）。同时，LTE产业链的发展如火如荼，自从2009年全球首张LTE商用网推出后，LTE的发展势头至今已蔓延至全球。根据全球移动设备供应商协会 （global mobile suppliers association，GSA）统计，截至2012年9月，全球LTE商用网络已有96个，广泛分布在北美、亚洲、欧洲、非洲等地区，现有的商用网络以LTE FDD模式为主，除北美的 Verizon、Sprint、Metro PCS，日本的 KDDI等运营商是从CDMA向LTE演进外，其余都是从WCDMA/HSPA向LTE演进。由于CDMA和LTE分属3GPP和3GPP2两大阵营，因此CDMA向LTE网络演进过程中的终端技术会更复杂，遇到的问题会更多。

2 CDMA/LTE多模终端产品现状

根据GSA统计，全球共有LTE商用终端417款，其中68款为TD-LTE终端，407款为LTE FDD终端（CDMA/LTE多模终端33款）。目前主要有三星、HTC、LG等一些大公司介入移动终端的研发，其他公司的LTE研究还处于战略投入和技术预研阶段，产品形态数据终端较多。

目前能提供LTE单芯片的厂商较多，高通、GTC、三星 、LG、Novatel Wireless、Sierra Wireless、Anydata 等 都 于2010年推出了支持LTE制式的基带芯片，但能提供CDMA/LTE单基带芯片的厂商目前仅有高通一家。高通于2010年推出的MDM9600能支持Ev-Do/LTE FDD制式，2011年下半年还推出了能支持cdma2000 1x/Ev-Do/HSPA/LTE FDD等多个制式的单基带芯片MSM8960。

根据现有的商用CDMA/LTE多模终端成本来看，CDMA/LTE多模终端 BOM（bill of materials，物料清单）成本较CDMA高端终端有所提升，主要原因在于新增的LTE基带芯片、RF配置模块、电源管理模块、天线等方面。新增硬件模块的同时也会增加终端PCB板的占用面积，导致CDMA/LTE终端体积较大。

由于LTE终端需支持高速上下行数据速率，终端的功耗问题更为凸显。提高电池寿命、延长手机操作和待机时间成为提升用户使用感受的关键问题。根据前期业界对北美LTE商用终端的测试数据情况，CDMA/LTE终端静置待机时间最长只有60 h，连续LTE数据业务操作时长不超过3 h。而相同情况下Ev-Do终端静置待机时长最长能达200 h，连续Ev-Do数据业务操作时长可达7 h。而基于MSM8960单基带芯片LTE多模终端在终端功耗方面有较大改善，终端静置待机和连续数据业务操作功耗可达到Ev-Do终端水平。

表1 LTE采用2.1 GHz频段以及2.6 GHz频段时对接收信号的干扰

3 CDMA向LTEFDD网络演进可能带来的终端问题

对于向LTE FDD演进的CDMA运营商，在网络部署初期选择建设一个与现有 HRPD（high rate packet data，高速率分组数据）网络互融互通的LTE FDD网络可以充分利用现有2G/3G网络的良好基础，缩减建网成本，有效降低运营商尽快开展LTE业务的门槛。然而，不同的网络部署方案和业务需求对终端性能、设计方案提出了更高的要求。

3.1 LTEFDD部署频段不同带来的信号干扰问题

当某两种不同频段制式的业务并发时，终端由于射频模块工艺瓶颈，发射信号会对接收信号产生干扰。随着LTE 的引入，运营商可能面临着 2G、3G、LTE、Wi-Fi、GPS等多种制式业务并发的复杂情况，不同业务频段间的干扰问题加剧。

目前CDMA运营商普遍要求支持Wi-Fi、GPS业务，新增LTE接入后，在业务并发情况下，不同业务并发的发射信号可能对接收信号产生同/邻频、谐波以及互调干扰。表 1以 LTE部署在 2.1 GHz和 2.6 GHz，CDMA部署在800 MHz频段为例，探讨LTE部署在不同频段信号干扰问题。

从表1中可以看出，当选择2.6 GHz频段部署LTE时，终端 LTE（2.6 GHz）发射信号与 CDMA（800 MHz）发射信号的互调产物落在CDMA接收频段，对CDMA信号接收造成干扰。同时，LTE发射信号与Wi-Fi（2.4 GHz）发射信号产生的互调产物落在LTE接收频段，影响LTE信号接收。

3.2 LTE终端引入初期支持频段选择问题

不同于CDMA网络主要集中在800 MHz和1 900 MHz频段上，目前全球分配的LTE频谱众多且相对离散。运营商引入LTE后，为了更好地支持国际漫游，终端除了要支持国内LTE频段外，还要增加其他地区的众多LTE工作频段以确保支持漫游。新频段的引入对射频芯片、射频前端和天线设计均会产生影响。增加工作频段，不仅要求射频芯片增加接收通道和发射通道，同时还需对不同的通道配置双工器、开关、滤波器、功放等分立元件，对天线带宽也提出了更高的要求，加上外围匹配电路，将严重影响整个终端设计的集成度，进而导致终端在成本、体积、产品上市时间等方面均面临严峻挑战。

3.3 不同的话音数据业务连续性解决方案带来的终端RF配置问题

基于同一时刻天线对cdma2000 1x和LTE的收发能力，可将终端分为单发单收、单发双收、双发双收3种形态。这3种终端硬件的差异主要在天线和射频模块的配置方面，其基础硬件模块设计如图1所示。

单发单收终端在一个时刻，只能同时接收、发送LTE或CDMA一种制式的信号。单发双收CDMA/LTE多模终端在一个时刻，能同时接收LTE和CDMA两种制式信号，但只能发送LTE或CDMA一种制式信号。双发双收CDMA/LTE多模终端，在一个时刻，能同时接收、发送LTE和CDMA两种制式信号。北美运营商MeroPCS采用单发双收RF配置方案，Verizon采用双发双收RF配置方案。

目前标准定义及主要采用的CDMA/LTE话音业务连续性解决方案主要有：1xCSFB/e1xCSFB、Dual Rx Dual Tx、Dual Rx、VCC、SRVCC。由于VoIP业务还不成熟，话音业务仍然由1x CS网络来承载，话音连续性解决方案主要集中考虑 1xCSFB/e1xCSFB、Dual Rx Dual Tx、Dual Rx。

目前标准定义的CDMA/LTE数据业务连续性解决方案主要有：优化切换、非优化切换。

这3种不同射频配置方案的终端对话音/数据业务连续性解决方案的支持情况见表2。

表2 终端RF配置方案对话音/数据业务连续性解决方案的支持情况

对于话音业务连续性解决方案，当采用1xCSFB/e1xCSFB、Dual Rx、SRVCC 方案时，单发单收、单发双收终端符合3GPP和3GPP2相关国际标准[1]要求即可；当采用Dual Rx Dual Tx、VCC方案时，终端采用双发双收射频配置，此种配置支持话音数据业务并发，能提供更好的用户体验，但相应地也带来了两个问题：一是话音数据并发时，存在天线互扰问题，而且多个发射信号并发产生的干扰信号影响接收机工作；二是并发情况下两个制式发射机同时以最大发射功率工作时，终端的SAR值（辐射被头部的软组织吸收的比率）可能会超过国家终端入网SAR指标的要求，该指标反映了电磁波对人体的辐射安全标准，当SAR指标超标时会对人体造成危害。表3列出了不同话音连续性解决方案对终端技术要求、网络改造要求和用户体验的差异。

对于数据业务连续性解决方案，目前标准定义了优化切换和非优化切换两种数据互操作方案。如果采用非优化切换方案，由于切换前终端未在eHRPD进行会话协商、鉴权等工作，切换时延较长，用户体验较差；如果采用优化切换，切换时延大大缩减，但需要依照3GPP标准[2,3]对终端和网络侧进行改造。表4列出了不同数据连续性解决方案对终端技术要求、网络改造要求和用户体验差异。

表3 不同话音解决方案对终端/网络改造要求以及用户体验的差异

表4 不同数据连续性解决方案对终端/网络设备要求以及用户体验的差异

3.4 CDMA/LTE终端是否使用/更换用户卡问题

全球CDMA运营商销售的移动终端主要分为两种形态：机卡分离（使用用户卡）和机卡合一（不使用用户卡）。当向LTE演进后，不同形态终端将面临不同的选择。

对于机卡分离的CDMA运营商，由于使用的UIM卡不支持eHRPD/LTE采用的AKA’和AKA鉴权机制，UIM卡插入CDMA/LTE多模终端不能接入eHRPD/LTE网络。部署LTE网络后，用户卡有如下两种方案接入网络。

方案一：更换现有的UIM卡，使用UICC架构CDMA+LTE卡，集成CSIM、USIM、UIM等应用。在eHRPD/LTE网络下，使用AKA’/AKA进行鉴权；在CDMA网络下，使用CAVE、MD5鉴权。该方案鉴权机制与国际标准一致，可以很好地支持国际漫游。

方案二：不换卡，使用现有的UIM卡，设计变通的选网和鉴权流程，通过运行UIM卡上的CAVE/MD5算法计算得到 AKA（AKA’）鉴权所需的 128 bit root key，在终端上运行AKA（AKA’）机制的鉴权算法，支持用户在不换卡的情况下接入eHRPD/EPC网络。该方案下的用户卡在国外网络无法接入eHRPD/LTE网络。

对于机卡合一的CDMA运营商，由于LTE业界都采用机卡分离方式，部署LTE网络后，有如下两种方案接入网络。

方案一：使用UICC架构CDMA+LTE卡，集成CSIM、USIM等应用。在eHRPD/LTE网络下，使用USIM应用进行鉴权；在CDMA网络下，使用CSIM进行鉴权。该方案鉴权机制与国际标准一致，可以很好地支持国际漫游。

方案二：CDMA/LTE采用机卡合一方式接入网络，CDMA和LTE选网、鉴权数据全部写在终端内。此种方案还不成熟，也未得到业界认可，还需进一步验证测试。

表5 MIMO OTA性能测试方案对比

3.5 LTE终端MIMO OTA性能测试方案选择问题

天线设计是终端设计的难点，LTE的数据性能更加显著地依赖于MIMO天线设计，如何更真实地测试MIMO将是评估LTE终端性能的关键。目前测试方案讨论的焦点主要集中于信道模型、暗室形态、暗室大小等方面。现有的测试方案主要有3种：混响暗室、虚拟OTA和微波暗室方案。表5对这3种方案进行了对比。

4 CDMA向LTE FDD网络演进后终端问题解决方案建议

由于业务并发带来的终端发射信号对接收信号干扰问题无法从技术上彻底消除，如果频段可选的话，CDMA运营商部署LTE FDD网络应尽量选择非干扰频段。如果部署在产生互扰的频段，需提高终端射频性能，抑制互扰影响，主要从两个方面考虑：一是降低终端最大发射功率，减少带外杂散；二是增强终端硬件性能，提升终端接收机灵敏度 （receiver sensitivity）、接收机阻塞 （receiver blocking）、接收机互调（receiver intermodulation）等指标。

LTE商用频段众多且相对离散，由于新增频段所带来的终端设计的成本和体积问题，LTE终端引入初期不可能支持全部频段，运营商应根据国际漫游业务拓展情况确定终端支持频段。

LTE多模终端的话音/数据业务连续性解决方案与终端RF配置密切相关。如果运营商要求终端支持话音数据并发，可以考虑采用双发双收终端。双发双收终端能够支持话音数据业务并发，用户体验好，同时网络改造成本最低，但可能存在终端业务并发信号互扰和SAR值超标问题。如果运营商不要求话音数据并发，同时考虑网络侧改造成本，则可考虑单发双收终端。单发双收终端网络侧改造成本较低，但可能存在由于处理CDMA信令导致LTE数据业务暂停问题。

CDMA运营商部署LTE网络后，可以通过对终端和网络进行改造以实行不换卡策略，方便用户转网，避免可能出现的用户流失。但为了更好地支持LTE数据业务国际漫游，应该积极推进UICC平台用户卡的普及，在新卡中集成UIM、USIM、CSIM 应用。

LTE多模终端的MIMO OTA测试对终端性能评估至关重要，CDMA运营商还要继续跟进MIMO OTA国际标准制定情况，开展各测试方案技术指标研究和试验评估工作。

5 结束语

LTE以OFDM和MIMO等为核心技术，能够为用户提供更高的带宽、更丰富的业务。新技术的引入对LTE终端提出了更高的要求，终端体积、功耗、基带芯片、射频模块等方面均面临着巨大的挑战。目前，LTE终端技术和标准还在不停地更新和完善过程中，随着LTE终端产业链逐渐发展壮大，LTE终端发展必将有力地推动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