田桂賓

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830011）

隨著中國的移動通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，移動通信網(wǎng)絡(luò)正向著4G方向演進(jìn)，業(yè)務(wù)類型也隨著無線接入速率的不斷豐富。尤其是在室內(nèi)靜止環(huán)境下，人們對無線接入速率要求越來越高。室內(nèi)對于高速流媒體、視頻點播、在線互動類的游戲需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室外。據(jù)NTT DoCoMo公司的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)室內(nèi)使用量占70%。有效提高室內(nèi)用戶容量和速率，提升用戶感知度將成為今后網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵。

在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)，由于工作在2GHz頻段，3G系統(tǒng)無線信號繞射能力差、穿透損耗較大，單純依靠宏蜂窩基站建設(shè)無法實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的理想覆蓋；同時一些高檔寫字樓、餐館、咖啡店等區(qū)域的如果采用專用室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)，建設(shè)成本高、后期網(wǎng)絡(luò)維護難度大；尤其在居民區(qū)，由于居民防范電磁輻射意識提高以及對通信知識的欠缺，廣大業(yè)主對于基站建設(shè)有較高的抵觸情緒。為此本文提出了飛小區(qū)（femtocell），以解決高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)部署時面臨的室內(nèi)深度覆蓋問題。

1 Femtocell概念及特點

Femtocell被稱為飛小區(qū)(也稱飛蜂窩)，是一種小型、低功率蜂窩基站，主要用于家庭及辦公室等室內(nèi)場所，因此也被稱為家庭基站。可以把用戶手機發(fā)出的話音和數(shù)據(jù)呼叫傳輸?shù)交跇?biāo)準(zhǔn)接口的核心網(wǎng)絡(luò)，且它的家庭接入點可以即插即用，可連接到任何現(xiàn)有的基于IP的傳送網(wǎng)絡(luò)，提供家庭范圍的移動通信服務(wù)。

Femtocell具有以下特點。

（1）低成本。Femtocell價格低廉，在現(xiàn)有femtocell設(shè)備終端價格為每臺200美元，如果大規(guī)模采購，價格有望降到每臺100美元或更低，便于用戶自行購買。

（2）安裝方式簡單靈活。Femtocell可通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，遠(yuǎn)端由專用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)從IP網(wǎng)到移動網(wǎng)的聯(lián)通。它的大小與 ADSL調(diào)制解調(diào)器相似，具有安裝方便、自動配置、自動網(wǎng)規(guī)、即插即用的特點。用戶可以自行安裝femtocell終端，只需要運營商進(jìn)行激活。

（3）寬帶數(shù)據(jù)接入。Femtocell基于IP能夠為用戶提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，平均用戶帶寬大于100kbit/s。

（4）低功率發(fā)射輻射小。Femtocell配置1個載波，發(fā)射功率與 Wi-Fi的AP相近為10～100mV，覆蓋半徑為50～200m。完全滿足國家環(huán)保部發(fā)布的（HJ/T 10.3-1996）要求：（公眾照射）在一天24h內(nèi)，環(huán)境電磁輻射場的功率密度在任意連續(xù)6min內(nèi)的平均值應(yīng)小于8μW/cm2。

（5）基于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。針對現(xiàn)有的移動蜂窩通信技術(shù)femtocell均可應(yīng)用，包括GSM及現(xiàn)有的WCDMA、cdma2000及TD-SCDMA等3G標(biāo) 準(zhǔn) 及正在逐步應(yīng)用的LTE技術(shù)。目前基于CDMA、GSM、UMTS等技術(shù)以及支持相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的femtocell產(chǎn)品已經(jīng)推出，但基于TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的femtocell仍然處于研發(fā)狀態(tài)?，F(xiàn)有移動運營商可依據(jù)基站的制式、頻段進(jìn)行定制靈活組網(wǎng)，而手機終端側(cè)無需改動，即可實現(xiàn)有效接入。

（6）安全性。為保證安全性，在進(jìn)行使用時femtocell制定了相關(guān)的安全措施：

◆ AAA認(rèn)證，F(xiàn)emtocell接入網(wǎng)絡(luò)時，需在AAA服務(wù)器上進(jìn)行設(shè)備認(rèn)證；

◆ 關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全及保護，通過BSR femtocell引入，來確保本地關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全，以及完整性的保護。BSR femto是一款基于Flat-IP架構(gòu)的超微基站，通過將3G移動網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)網(wǎng)元Node B、RNC、SGSN和GGSN集成到同一個設(shè)備中，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的扁平化；

◆ IPSec，femtocell通過IPSec框架結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)之間的信令和業(yè)務(wù)連接；

◆ 空中接口的加密：femtocell采用3GPP加密方式來保證加密強度；

◆ 防火墻，在femtocell網(wǎng)關(guān)上建立防火墻對公網(wǎng)數(shù)據(jù)的過濾，確保網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2 Femtocell關(guān)鍵技術(shù)

2.1 移動性管理

Femtocell應(yīng)與現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間無縫切換，以確保用戶在室內(nèi)外的切換成功率。系統(tǒng)切換主要包括3個方面：室外宏峰窩小區(qū)與femtocell之間的雙向切換，femtocell和femtocell之間的雙向切換；室內(nèi)分布系統(tǒng)與femtocell之間的雙向切換。經(jīng)過測試驗證femtocell和femtocell之間雙向切換、femtocell向現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（室外宏峰窩小區(qū)或室內(nèi)分布系統(tǒng)）的單向切換成功率高，能夠滿足無線通信系統(tǒng)要求，對網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)置簡單，只需在femtocell側(cè)建立鄰區(qū)關(guān)系即可。但宏峰窩小區(qū)和室內(nèi)分布系統(tǒng)向femtocell的切換時，由于femtocell小區(qū)眾多，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置較為復(fù)雜。為有效降低對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)影響性，同時實現(xiàn)低成本建設(shè)，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初始階段建議僅設(shè)置femtocell系統(tǒng)向現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的單向鄰區(qū)關(guān)系。

2.2 干擾控制

可采用以下措施降低femtocell系統(tǒng)與現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)（室外宏蜂窩系統(tǒng)及室內(nèi)分布系統(tǒng)）的干擾：(1)建議采用與周圍室外宏蜂窩系統(tǒng)及室內(nèi)分布系統(tǒng)獨立的頻點，若頻點資源豐富，可為femtocell分配獨立的頻點進(jìn)行組網(wǎng)。異頻組網(wǎng)時，由于femtocell應(yīng)滿足3GPP TS 25.141的要求，很好地控制鄰頻干擾，并實現(xiàn)異頻間的漫游和切換。(2)為降低femtocell之間的干擾，femtocell設(shè)備使用前，應(yīng)對周圍無線環(huán)境進(jìn)行頻率偵聽，選取干擾最小的頻點作為主用頻點。為降低干擾，應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為femtocell預(yù)留一定的擾碼。(3)Femtocell系統(tǒng)應(yīng)具備自動配置和優(yōu)化功能：femtocell系統(tǒng)開通前自動選擇選取正交性最好的擾碼進(jìn)行配置；femtocell能夠根據(jù)終端距離的遠(yuǎn)近，自動調(diào)整公共信道的發(fā)射功率。

2.3 接入控制

接入控制主要包括3個方面：（1）用戶對接入層的UE鑒權(quán)接入控制。為保證用戶使用權(quán)限，應(yīng)當(dāng)提供用戶femtocell的接入模式的設(shè)置功能。通過權(quán)限設(shè)置功能，使用戶自由決定哪些用戶能夠接入網(wǎng)絡(luò)。為此femtocell應(yīng)當(dāng)提供一個白名單編輯功能，使得用戶能夠快速實現(xiàn)對femtocell接入終端的控制。（2）運營商對femtocell基站設(shè)備的接入控制。為確保運營商對femtocell基站的監(jiān)控，femtocell應(yīng)提供運營商對設(shè)備IP準(zhǔn)入控制功能?，F(xiàn)階段對femtocell基站準(zhǔn)入控制方式是通過SIM卡來鑒權(quán)接入，實現(xiàn)運營商對femtocell基站設(shè)備的接入控制。（3）核心網(wǎng)對UE接入鑒權(quán)控制。結(jié)合現(xiàn)有無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，femtocell應(yīng)滿足3GPP對現(xiàn)有各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實現(xiàn)對用戶的接入控制。

2.4 時鐘同步技術(shù)

為避免相鄰小區(qū)發(fā)生時隙交叉干擾，femtocell基站運行要求具備精確的時鐘同步幀同步，同步精度為3us。Femtocell時鐘同步方式有3種：宏基站偵聽同步、IEEE1588 V2同步及GPS時鐘同步?？紤]到成本因素，在連續(xù)覆蓋區(qū)域采用宏基站偵聽實現(xiàn)同步；對于孤點下的femtocell可優(yōu)先采用IEEE1588 V2同步技術(shù)，而對于GPS時鐘同步，由于施工難度較大、設(shè)備成本高一般不建議使用，但TD-SCDMA及cdma 2000系統(tǒng)同步精度高，其femtocell設(shè)備必須使用GPS同步。

3 Femtocell組網(wǎng)架構(gòu)

Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)共分為3種，如圖1、2、3所示。

Iub Based架構(gòu)。Femtocell設(shè)備只具備Node B部分功能，通過femtocell RNC實現(xiàn)與核心網(wǎng)的互聯(lián)。采用Iub Based架構(gòu)建設(shè)初期投資小，femtocell可以與3G網(wǎng)絡(luò)共用RNC設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰。但需要對RNC設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模端口擴容，同時由于RNC端口的限制，需要增加大量RNC設(shè)備，此時核心網(wǎng)與RNC都把femtocell設(shè)備看作普通Node B來處理，加大了信令負(fù)荷；同時由于femtocell用戶容量極低，從而降低了RNC設(shè)備的無線利用率。

Iu Based網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。Femtocell設(shè)備作為接入點，通過femtocell網(wǎng)關(guān)接入核心網(wǎng)。此時femtocell網(wǎng)關(guān)依據(jù)該femtocell基站的準(zhǔn)入列表，確定該移動終端是否可以接入：若允許準(zhǔn)入，則femtocell網(wǎng)關(guān)須繼續(xù)該移動終端在移動核心網(wǎng)的注冊；若拒接準(zhǔn)入，則femtocell網(wǎng)關(guān)須返回合適的拒絕原因值以保證移動終端可重選到宏網(wǎng)絡(luò)。采用Iu Based網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，femtocell系統(tǒng)需單獨建設(shè)，與其它網(wǎng)絡(luò)相對獨立，易于向未來演進(jìn)。但重新開發(fā)femtocell網(wǎng)關(guān)，初期投資較大。

圖1 Femtocell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Iub Based架構(gòu))

圖2 Femtocell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖(Iu Based架構(gòu))

圖3 Femtocell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(SIP/IMS架構(gòu))

SIP/IMS架構(gòu)。Femtocell設(shè)備集成了Node B和RNC的功能，femtocell面向用戶增加802.11n 標(biāo)準(zhǔn)接口，通過Gi 接口直接完成互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的交互；在femtocell與核心網(wǎng)之間采用SIP協(xié)議連接，需要重新建設(shè)SIP協(xié)議核心網(wǎng)，femtocell網(wǎng)關(guān)通過SIP協(xié)議接入IMS系統(tǒng)、S1 接口接入SAE 系統(tǒng)。此種架構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演進(jìn)階段時所采用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足今后網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展演進(jìn)趨勢。其缺點是缺乏終端支持，無法和現(xiàn)網(wǎng)配合，同時需要將宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有的業(yè)務(wù)復(fù)制到SIP網(wǎng)絡(luò)上，而且SIP核心網(wǎng)需要單獨建設(shè)，其整體投資比較大。

綜上所述的3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，考慮到對網(wǎng)絡(luò)影響及今后網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，Iub Based網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般不建議使用。Iu Based架構(gòu)多用于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，SIP/IMS架構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最終發(fā)展目標(biāo)。從Iu Based架構(gòu)至SIP/IMS架構(gòu)應(yīng)能實現(xiàn)平滑升級，但在核心網(wǎng)升級到IMS全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)之前，搭建SIP/IMS架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)投資大，維護成本高，因此不建議采用。

4 Femtocell發(fā)展及定位

從數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供能力來看，femtocell與Wi-Fi均可向用戶提供寬帶的接入手段，具有明顯的相互替代性。與femtocell相比，Wi-Fi成熟度更高，有大量商用經(jīng)驗，產(chǎn)業(yè)鏈更加成熟。無論終端還是設(shè)備，Wi-Fi產(chǎn)品豐富、設(shè)備穩(wěn)定性得到了充分檢驗。

但femtocell比Wi-Fi具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

（1）安全性高，femtocell采用了多種安全措施，來保證設(shè)備和業(yè)務(wù)的安全性，且完全可以依照運營商受保護的頻段進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，不易受到攻擊。而Wi-Fi所屬頻段為公用頻段，極易受到攻擊。

（2）實時性好，femtocell QoS保障遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Wi-Fi，能夠為用戶提供話音、實時在線以及互動類的游戲業(yè)務(wù)。

由此可見，femtocell與Wi-Fi相比技術(shù)優(yōu)勢更加明顯。但femtocell系統(tǒng)建設(shè)初期應(yīng)當(dāng)充分利用Wi-Fi成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)femtocell與Wi-Fi相互補充，提升網(wǎng)絡(luò)能力。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，femtocell應(yīng)立足于為做3G至4G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)深度覆蓋的補充。在此階段，可充分利用Wi-Fi，為室內(nèi)用戶提供高速后臺類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而通過femtocell為用戶提供實時性較高的業(yè)務(wù)。

在femtocell系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展階段，設(shè)備價格逐步降低，功能逐步豐富時，用戶數(shù)量初具規(guī)模時，femtocell系統(tǒng)可在室內(nèi)逐步替代Wi-Fi。Wi-Fi作為其補充，利用本身覆蓋范圍較廣的特性，可為其他室內(nèi)用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

在femtocell系統(tǒng)成熟階段，此時系統(tǒng)功能豐富時，用戶數(shù)量激增，femtocell系統(tǒng)在室內(nèi)完全替代Wi-Fi。此時Wi-Fi逐步退出室內(nèi)覆蓋，重點為室外用戶提高速供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。