CDMA迈进LTE桥梁-eHRPD

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在国际上,面对Sprint部署WiMAX的压力,素来被称为CDMA阵营风向标的Verizon誓言加速LTE的商用步伐,随着终端的成熟,LTE大有全球蔓延之势。

  在向着4G迈进的途中,如何保护原有3G网络的投资是运营商最为关心的。对于CDMA运营商来说,eHRPD(演进的高速分组网络)的出现和应用,将为CDMA向LTE迈进提供一个平滑演进策略。

  网络升级首要着眼用户体验

  当前用户体验已成为全球电信运营商持续发展与差异化竞争的标杆指标,中国电信也早在几年前就定位为综合信息服务提供商。过去两三年,无论是芯片企业还是终端制造企业都在提升用户体验上下了很大力气,iPhone之所以流行,与其良好的用户体验分不开,这是不争的事实。

  用户体验的内容很广很深,是一个值得长期探索的课题,谁能创造良好的用户体验,谁就能赢得用户。从运营商的角度而言,网络升级换代首先着眼的就是用户体验,其次是资源利旧,当然还考虑网络投资、网络维护等方面。

  在当前定位为智能管道的运营商中,用户体验主要体现开机搜网时间、接入时延、切换时延等方面,这些时延越小越好。同时还有网络覆盖、网络稳定性等等。本文涉及到网络演进中的用户体验,即不同网络间的互操作问题,因此本文重点讲述的是跟切换相关的内容。

  切换不仅是个功能,更是一个桥梁,能将运营商的新旧网络连起来,组成一个共同的资源,实现负荷分担、双层广阔的网络覆盖、双倍的甚至更多倍的网络容量,既实现了用户业务的连续性,提升了用户体验,也实现了运营商资源利用率的最大化。这是当前网络演进中运营商必须考虑的问题。

  本文解析的eHRPD即是将CDMA网络与LTE联系在一起的纽带,实现了CDMA网络与LTE网络的无线资源共享、核心资源共用,呈现给用户的是一张整体的网络,而不是零碎的两张无关的网。之所以eHRPD的作用如此重要,中国的用户从早期联通同时运营GSM与CDMA时就深有体会,联通当时拥有全国甚至全球最先进的CDMA网络,但竞争不过中国移动,当然里面的因素很多,但很重要的一点是这两张网是无关的。因此,当CDMA移交给中国电信时,我们不得不重新审视这个问题,而且希望将其有效地解决。

  eHRPD网络架构

  提到移动网络的融合,不得不提到EPS。EPS(EvoLEDPacketSystem)是3GPP为了适应宽带无线接入高速发展而提出的新一代移动网络,由LTE系列标准和核心网EPC(EvolvedPacketCore)系列标准共同组成。同时它是一个多接入的网络,能能接入当前所有无线接入技术,如cdma2000,Wi-Fi,WiAMX等。

  随着LTE大一统趋势的确定,EPS也成为目前可预见的未来移动网络演进的方向,EPS采用扁平化网络架构,在核心网络侧简化网络架构和消息,业务层设计无线用户数据环回时延小于10ms,控制层唤醒时延小于100ms。全IP架构、灵活的资源配置、SON技术等,赋予了EPS强大的成本优势;支持多种接入技术使得EPS为整个移动产业联盟和网络融合提供一个新的平台。因此,EPS规范从制定之初,就得到了业界的广泛关注,并逐渐得到了各移动运营商的青睐。

  eHRPD(演进的高速分组网络)是对原HRPD,即EVDO网络的演进和增强。因此从CDMAEV-DO到eHRPD是需要对相关网元进行升级,如 AN/PCF升级至eAN/ePCF,PDSN升级为HSGW(HRPDServingGateway),即HRPD服务网关。当然从这里可以看出,对于 BTS,eHRPD与HRPD没有差异,也就是说eHRPD改善了网络融合方式,使资源能合理利用但是没有改善无线侧的能力,这点非常关键。

  eHRPD网络架构共分为三种:非漫游的网络架构,漫游时HomeRouted场景和LocalBreakout场景。

  eHRPD新功能增强CDMA演进能力

  ●多PDN功能

  PDN(PacketDataNetwork)分组数据网络的概念首先是在EPS中提出,指提供UE和PLMN分组数据网络的IP连接,即PDN连接服务。

  有PDN必然存在多PDN,这个主要是随着业务种类的丰富而产生的,UE同时建立多个PDN连接的需求越来越强烈,如一边上公网浏览新闻,同时处理 OA公文。但是HRPD不支持多PDN连接,给今后的业务运营带来极大不便。eHRPD接入EPC后新增多PDN连接的功能,多PDN功能是eHRPD相对HRPD功能增强的显著特点之一。

  要支持多PDN连接,UE及其它网元必须增加相应功能。首先,由于每个PDN连接都会给用户分配IP地址,因此为了支持多PDN,UE必须支持多IP 地址。其次,在建立PDN连接时,由UE分配PDNID,来表示某个PDN连接。UE和HSGW之间PPP协商过程中,由于加入了PDNID来标识不同的 PDN连接。因此UE和HSGW必须支持VSNCP协议。当然HSGW与PGW还是采用APN来标识,即PDN-ID与APN有一一对应关系。

●EAP-AKA鉴权

  eHRPD接入3GPPEPC网络时,使用的是EAP-AKA鉴权,而不是HRPD阶段的CHAP或PAP鉴权。相对于以前的鉴权方式,EAP-AKA鉴权主要带来了两个优点:

  一是采用更完善的认证机制,具有更高的安全性;

  二是该机制具有双向鉴权的能力,网络侧在对终端进行鉴权的同时,终端也能鉴权网络。

  新的鉴权机制完全不同于以前的方式。

  ●承载管理

  eHRPD接入EPC网络与EPC/LTE网络一样,都有承载的概念,但二者是有区别的。eHRPD接入EPC时,UE和eAN间为无线承载,在 eAN与HSGW间仍然使用HRPD的承载概念,如主A10连接、辅A10连接,HSGW到P-GW之间为PMIP隧道。UE通过eHRPD接入EPC的某个PDN连接服务由无线承载、HSGW到eAN之间的A10连接及HSGW和PDNGW之间的IP连接串联组成。

  UE通过LTE的E-UTRAN接入EPC的到某个PDN连接服务提供有以下两种情况:当EPC网络S5/S8接口基于GTP协议时,服务由一条 EPS承载提供,一个EPS承载串联了一个无线承载、一个S1承载和一个S5/S8承载;当S5/S8接口基于PMIP协议时,服务由一条EPS承载串接一条S-GW到PDNGW之间的PMIP隧道提供,其中EPS承载串联了一个无线承载和一个S1承载。

  从上面的描述来看,EPS有自己的特色,但是CDMA为了加入EPC,不仅要兼顾自身特点,同时要考虑对方的现状,做出最小协议上的改动是必然的。总之一切的改动即为了能接入到今后的大一统核心网EPC。

  eHRPD相对HRPD而言,在具体的承载类型上,增加了SO(serviceoption)67,SO72。原有的HRPD网络只支持SO59、SO64两种。因此eHRPD不仅是承载的链路建立存在差异,而且类型更加丰富。

  ●网络侧发起QoS支持

  HRPD网络下,网络侧是不支持发起QoS的,只是终端能发起QoS的请求,网络根据终端用户的签约情况来确定是否允许终端用户的QoS请求。但是终端支持QoS对终端客户端有一定的要求,提升了终端的复杂度,特别是在业务日新月异的发展丰富的过程中,终端的简单化成为发展的必然,否则阻碍了业务的发展。

  网络侧发起QoS的功能即能很好地实现运营商控制业务的QoS能力,简化了终端的操作,有利于运营商的应用及QoS的管理,因此eHRPD系统中增加了网络侧发起QoS的功能。该功能还可以与PCC相结合,为运营商提供更灵活的QoS管控手段。

  ●网络控制协议VSNCP

  eHRPD的PPP协商中使用VSCNP(VendorSpecificNetworkControlProtocol),即设备商定义的网络控制协议代替HRPD的IPCP协议作为网络控制协议,可以支持更多的参数协商及多PDN接入。

  VSNCP协商的参数包括:PDN类型、PDN地址、PCO(ProtocolConfigurationOptions,协议配置选项)、地址分配原因、APN与IPv4缺省路由等。为了简化VSNCP的协商消息流程,eHRPD的VSNCP协商不使用VSNCPConfigurationNAK消息,当HSGW或UE要对收到的VSNCPConfigurationRequest消息中的参数修改时,将直接把修改值放在 VSNCPConfigurationAck消息中返回。

  eHRPD与HRPD的关系

  前面提到eHRPD的网络结构,eHRPD如何接入EPC等,那么eHRPD跟HRPD是什么关系呢?

  从技术的本质上看,eHRPD改变的是核心网的部分功能和特性,对HRPD的无线侧功能没有任何改动,因此eHRPD部分仍然沿用HRPDBTS,因此HRPD下的业务功能eHRPD必然支持。即eHRPD能向下兼容HRPD的功能,HRPD的终端用户设备能在eHRPD网络下使用。

  但是需要注意,eHRPD与HRPD是采用不同的核心网,HRPD的核心网的中心节点是 PDSN(PacketDataServingNode),eHRPD的核心节点是HSGW,它可由PDSN软件升级。两个不同的核心网,意味着不同的 IP地址,对外没有交集,HRPD的终端用户业务由PDSN路由进城域网,而eHRPD的终端用户业务由HSGW-PGW路由出局。

  纵上所述,eHRPD与HRPD的关系总结如下:

  1.eHRPD在带宽与性能上没有提高,无线空口完全一样;

  2.eHRPD后向兼容eHRPD的终端用户及业务;

  3.eHRPD与HRPD的核心网完全不同;

  4.引入eHRPD的主要目的是为了实现与热点覆盖的LTE网络的互操作,提供业务上的连续性,因为LTE部署初期一定是热点的,局部覆盖;

  5.其次eHRPD还能带来一系列新特性,如多PDN支持、承载复用、网络侧发起QoS等。

  明确了引入eHRPD的目的,以及与HRPD的关系,那运营商如何引入eHRPD,何时引入eHRPD呢?

  其实何时引入主要是产品的成熟度以及部署LTE的时间。总体而言,如果促要升级现有网络支持eHRPD,则需要运营商实施全网升级,否则会导致eHRPD终端到了HRPD网络下不能使用、直接断网的情形出现。

  eHRPD的国际商用概况

  目前,美国运营商Verizon是推动LTE商用、推动eHRPD商用最早最强有力的运营商。Verizon的LTE网络在2010年12月5日正式投入商用,是全球最大的商用LTE网络,目前已有38个城市开通LTE并将HPRD网络升级为eHRPD。

  2011年6月16日,Verizon正式启动在美国新增19个LTE商用城市的服务计划。这也意味着部署LTE的美国大城市达到74个,同时计划年底完成全国170个城市的覆盖。所有部署LTE的城市同步升级HRPD网络至eHRPD,保证LTE用户的业务连续性。目前通过LTE/eHRPD的数据卡终端(LGVL600和PentechUML290)提供高速数据业务,HTCThunderbolt(具有LTE/eHRPD/1x功能)支持语音和数据并发业务。

  Verizon一定程度上是CDMA产业的风向标,eHRPD的商用大潮已经涌起,相信不久就会刮到中国,业界正拭目以待。

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