Femtocell又称为家庭基站, 是为了满足日益增长的高速率数据的无线接入应运而生的。一种定义为Femtocell是低功率标准设备通过授权频谱无线接入DSL (Digital Subscriber Line) 网络的接入网络[1]。Femtocell接入点是在固定场所设置一个类似于基站的设备。总之, 根据接入femtocell的场景不同, 可以分为三种: (1) 基本接入控制策略, 即仅仅允许固定的用户设备接入这个网络, 而不是公共的任何用户都能接入此网络。这就是闭合接入模式。 (2) 允许任何用户接入femtocell网络, 其作用解决宏小区边缘的弱覆盖问题, 这就是开放接入模式。 (3) 允许任何用户接入femtocell网络, 但是给特定用户较高的优先级别, 这就是混合接入模式。在3GPP术语中, femtocell接入点称为home Node B (HNB) , 在长期演进 (LTE) 中, femtocell接入点称为home e NodeB (HeNB) 。随着femtocell应用的发展, 在技术上存在继续研究的方向和发展新动态。
1 Femtocell部署网络架构
Femtocell的网络架构由三部分组成[2]:Femtocell接入点用于移动终通过DSL或者宽带接口建立与Internet连接;Femtocell网关或集中器提供Internet与移动核心网的接口, 而对于SIP (Session Initiation Protocol) /IMS (IP Multimedia subsystem) 核心网, Femtocell接入点可以直接接入;Femtocell管理平台, 集中管理多个Femtocell, 实现注册、配置、软件升级等功能。图1是典型的Femtocell网络部署 (如图1) 。
1.1 Femtocell接入点
Femtocell接入点工作于授权频段与宏基站同制式、同频段, 空中接口符合3GPP标准, 因此现有的移动终端就可以接入Femtocell。Femtocell接入点可以以单独的设备形式出现, 也可以集成在其他设备中。根据2008年6月制定的标准, Femtocell接入点在网元功能配置上集成Node B、RNC功能。
1.2 Femtocell网关或集中器
Femtocell网关或集中器提供Internet与移动核心网的接口。Femtocell网关同时提供安全网关的功能, 用于Femtocell接入点和Femtocell网关之间的安全隧道。Femtocell网关事实上扮演了一个虚拟的RNC, 或虚拟GGSN的功能, 它一方面汇聚所有受它控制的Femtocell接入点的流量, 另一方面向传统核心网提供标准的接口功能。
1.3 Femtocell操作维护及管理平台
Femtocell大规模部署后, 其管理至关重要。为了维护方便, 避免上门服务并保持客户满意度, 运营商必须能够远程管理Femtocell、更新软件和固件、监控Femtocell运行情况, 并做诊断测试等, 所有这些管理都应在运营商的网络控制台实现。
Femtocell接入移动网的方式主要分为三种:基于IP隧道协议的方式, 基于RAN网关的方式, 基于SIP/IMS的方式。Femtocell将采用基于RAN网关的方式。
IP隧道协议方式 (Iub over IP) :此方案是最早提出的Femtocell接入方案, 初期投资小。Femtocell与宏蜂窝共用RNC设备, 网络结构清晰。但Femtocell数目众多且同时在线用户很少, 造成RNC设备端口与容量的浪费, 此方式可实施性差。
RAN网关 (RGW) /UMA方式:在RGW方案中Femtocell接入点集成了NodeB和部分RNC功能。其接入方式是在核心网与IP接入网之间引入一个新的网元即RAN网关 (RGW) 。RAN网关在IuOverIP接口收集来自Femtocell的业务, 然后通过标准Iu-CS、IuPS端口分送到核心网。RAN网关方式初期投资小, 对核心网影响小。RAN网关在网络中的地位相当于RNC, RAN网关负责网络安全、业务汇聚、协议转换、Femtocell设备管理与配置及Femtocell设备的接入控制。该方案的目标是以现有2G和3G蜂窝通信网为基础, 为移动运营商提供一种实现标准化和安全的接入网系统的方法。
SIP/IMS方式:Femtocell与核心网之间采用基于SIP协议的连接方式, 运营商同时建设一张基于SIP协议的核心网, 与现有分组、数据核心网络同步运行, Femtocell用户由新的核心网提供服务。SIP/IMS方式是网络发展的最终目标, 但在核心网升级到IMS全IP网络之前, 此方式投资比较大, 维护成本高。
2 Femtocell部署带来的问题
Femtocell部署到TD-SCDMA系统中后会出现许多问题。如Femtocell与TD-SCDMA系统之间会出现相互干扰问题;宏基站的移动台进入Femtocell的覆盖后, 需要从宏基站切换到Femtocell;另外是否接纳宏基站的移动台, Femtocell也要根据自身的情况来决定等等。下面对这些问题进行深入的阐述。
2.1 干扰
第三代移动通信标准都使用CDMA技术。CDMA系统的地址码相互具有正交性, 以区别地址, 而在频率、时间和空间上都可能重叠。所以CDMA的频谱复用率高, 所有的基站都可以工作在统一的载频下。同样, 对于用户来说, 小区中的其他用户就会造成干扰, 也就是同频干扰。当小区中的同频干扰增大时, 小区的容量将会减少。大量Femtocell的引入会对原有的宏小区产生极大的干扰。另外Femtocell与Femtocell之间也会产生干扰, 特别是公寓式的住房, 当一个Femtocell部署的位置与另一台Femtocell覆盖范围下的移动台距离比较近时, 干扰也是相当大的。因此Femtocell中需要采用新的功率控制机制来减少干扰。
2.2 切换
切换是评价移动通信的一个重要指标好的切换算法可以提高用户的感知度。如何实现Femtocell与宏蜂窝的无缝切换是现在研究的重点。另外, 若宏蜂窝的移动台只是经过房屋, 此时有可能发生切换, 而这种切换是不必要的, 还会增加系统的信令负荷, 所以如何减少类似的不必要的切换也是现在研究的重点。下面具体介绍切换场景。
切换主要包括三个方面:Femtocell和Femtocell之间的切换;Femtocell向宏蜂窝的切换;宏蜂窝向Femtocell的切换。Femtocell和Femtocell之间的切换及Femtocell向宏蜂窝小区的切换不存在问题, 只要在Femtocell中设置相应的邻区列表即可。但宏蜂窝小区向Femtocell的切换中, 由于Femtocell小区众多, 宏蜂窝邻区列表有限, 同时还要有相当一部分用于宏蜂窝小区之间的邻区列表, 因此宏蜂窝向Femtocell方向的切换目前还在讨论当中。由于运算的复杂度及成本问题, 大部分运营商已经同意可以放弃宏蜂窝小区向Femtocell的切换。但少数设备商也提出了逻辑小区的概念, 将多个Femtocell归为一个逻辑小区, 宏蜂窝只关心逻辑小区的设置, 而不需了解Femtocell的真实小区, 以此来解决邻区列表有限的难题。
2.3 接入控制
接入控制是指Femtocell的用户是否允许外面的宏UE的用户的接入。主要有三个层面。第一, 接入层的UE接入鉴权。用户必须可以设置Femtocell的接入模式, 是否允许所有用户接入?能否设置不同的接入用户?Femtocell信号是否可以独享?因此Femtocell必须设置一个白名单编辑功能, 以满足对Femtocell接入终端的控制。第二, Femtocell基站设备的接入控制。运营商要能够监控Femtocell基站的使用, 并控制其IP是否允许接入。目前主要采用在Femtocell基站内置一张类似于SIM卡的信息鉴权设备, 在用户获取Femtocell基站时, 运营商可以在SIM卡上烧制相应的鉴权信息。第三, 核心网3GPP标准的UE接入鉴权。Femtocell对用户的接入必须满足3GPP对3G的各项标准规定。
2.4 回路的QoS
QoS是业务性能的综合效果, 它表示用户对业务的满意程序。在大多数情况下QoS需要保证三个方面的性能:带宽, 延时和准确度。从衡量业务等级和业务质量主要的参数来说, 对语音业务是新呼叫的阻塞率和掉话率, 对数据业务是平均延时和包丢失率。TD-SCDMA空中接口的QoS方案主要集中在满足特定应用的需求上。通常, 它为实时应用, 例如语音和视频, 提供硬性的QoS保证;而为非实时业务, 例如分组数据提供尽力而为的服务。Femtocell部署后, Femtocell的回路使用IP网络, IP本身是一个尽力而为的网络, 所以Femtocell和Femtocell网关要在IP网络中建立一个隧道用于Femtocell数据的传输。这个隧道如何建立, 如何保证Femtocell数据的时延和传输速率等问题都需要进行深入的研究。
摘要：本文从工程技术角度, 深入分析了家庭基站的网络架构, 并比较了不同接入核心网方式的优缺点, 最后分析部署家庭基站所带来的技术和设计方面需要涉及的问题, 明确了这些问题的重点和难点, 对于后继的研究和工程部署都有一定的学术意义和实际应用意义。
关键词：家庭基站,部署,网络架构
参考文献
[1] NTT DOCOMO.“Downlink Interfer-ence Coordination Between eNodeB andHome eNodeB”.3GPP R4—093244.TsG—RAN WG4#52.Shenzhen, China, 2009 (8) .
[2] 吴韶鸿.Femto——新兴3G室内覆盖技术的研究[J].电信工程技术与标准化, 2008.