劉一鷗

（西安外事學(xué)院 陜西 西安 710077）

全球運營商在加速3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和業(yè)務(wù)的拓展。而iphone、平板電腦等智能終端的出現(xiàn)，更加速了3G規(guī)模的壯大。因此，用戶的快速攀升、移動數(shù)據(jù)的飛速增長迫使運營商開辟新的途徑。在當(dāng)前情況下，運營商開始尋找新的技術(shù)來彌補(bǔ)3G網(wǎng)絡(luò)的不足，而Femtocell也成為此過程中，運營商3G業(yè)務(wù)發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)支持的必然選擇。

固定移動融合[1]（FMC）是指網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)提供與接入技術(shù)和終端設(shè)備獨立，目的是用戶通過不同的接入網(wǎng)絡(luò)，享受相同的服務(wù)，獲得相同的業(yè)務(wù)。

Femtocell又稱為家庭基站，是安裝在家庭中的微小基站，是工作在授權(quán)使用頻段上的低功率無線接入設(shè)備，它通過家庭DSL網(wǎng)絡(luò)或有線寬帶網(wǎng)絡(luò)將標(biāo)準(zhǔn)移動終端連接到移動運營商網(wǎng)絡(luò)。

Femtocell最早提出是源于3G 初期覆蓋的不足以及Wi-Fi技術(shù)的挑戰(zhàn)。3G發(fā)展初期3G發(fā)展初期的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重點主要是室外覆蓋，用戶在室內(nèi)的通信需求往往無法很好地滿足。尤其是近年來Wi-Fi技術(shù)的迅速普及以及Wi-Fi/蜂窩網(wǎng)雙模手機(jī)的不斷增多，3G話音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都有被分流的危險。在這種情況下，F(xiàn)emtocell概念一經(jīng)推出，就受到移動運營商的追捧。利用這種新技術(shù)及終端，移動運營商可以進(jìn)入原來被固定網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)所控制的家庭及辦公場所市場[2]。

1 Femtocell的體系結(jié)構(gòu)

1.1 Femtocell系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

Femtocell是一種在家庭中使用的基站，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的AAA服務(wù)器、安全網(wǎng)關(guān)、時鐘服務(wù)器和Femtocell網(wǎng)關(guān)為邏輯功能實體，實際部署時可以單獨設(shè)立，也可以和其他設(shè)備合并設(shè)立。

圖1 Femtocell系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig. 1 Logic structure of Femtocell system

Femtocell系統(tǒng)包括Femtocell、Femtocell網(wǎng)關(guān)等功能實體，各功能實體的主要功能如下。

Femtocell也稱為無線接入點(AP)，提供UMTS無線接入功能，集成了WCDMA基站和部分RNC功能，通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)接入UMTS。其主要功能包括無線調(diào)制解調(diào)、無線資源管理及功能控制等。Femtocell網(wǎng)關(guān)也成為無線接入點網(wǎng)關(guān)，提供Femtocell匯聚、無線接入點管理、語音和數(shù)據(jù)的分流和前轉(zhuǎn)、ATM/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及到核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)接口等。Femtocell歸屬服務(wù)器位于運營商管理的內(nèi)部網(wǎng)，主要完成地址規(guī)劃(Femtocell網(wǎng)關(guān)、Femtocell OMC、安全網(wǎng)關(guān)、時鐘服務(wù)器等網(wǎng)元地址的管理和Femtocell內(nèi)網(wǎng)地址的分配)以及Femtocell用戶信息管理(Femtocell用戶注冊信息維護(hù)、用戶準(zhǔn)入列表維護(hù)管理、Femtocell組管理、Femtocell位置合法性檢測等)。AAA服務(wù)器是Femtocell的鑒權(quán)服務(wù)器，用于判斷用戶身份和權(quán)限，完成Femtocell的鑒權(quán)。Femtocell OMC對Femtocell相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行管理，包括圖中的Femtocell、Femtocell網(wǎng)關(guān)、Femtocell歸屬服務(wù)器、AAA服務(wù)器、時鐘服務(wù)器和安全網(wǎng)關(guān)，還可以完成Femtocell 的升級、配置以及日常的性能和故障管理。時鐘服務(wù)器提供基于IP傳輸?shù)耐綍r鐘源，它是一個邏輯實體，可以與其他設(shè)備合并設(shè)立。安全網(wǎng)關(guān)用于建立Femtocell和Femtocell網(wǎng)關(guān)間的安全隧道。

1.2 Femtocell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Femtocell系統(tǒng)在網(wǎng)元功能配置上與傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)有很大的不同，它的應(yīng)用環(huán)境定位于家庭或中小企業(yè)。室內(nèi)通信的特點不同于室外環(huán)境，對容量需求小，且沒有用戶突然增加的情況，不需要更多考慮呼吸效應(yīng)、切換等問題。Femtocell設(shè)備數(shù)量眾多，一般采用偏平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)果，集成了傳統(tǒng)宏蜂窩多個網(wǎng)元的功能，如Node B、RNC、SGSN、GGSN等。對于Femtocell設(shè)備的功能組成及其設(shè)備接口，各廠家都有不同的實現(xiàn)方式。通常功能集成方案有兩種：集成Node B、RNC功能；或集成Node B、RNC、SGSN與GGSN功能。

原則上，F(xiàn)emtocell設(shè)備的引入不對移動核心網(wǎng)產(chǎn)生任何影響。設(shè)備集成的功能越多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就越扁平化，當(dāng)Femtocell設(shè)備集成了Node B、RNC、SGSN與GGSN功能時，用戶通過Femtocell設(shè)備就可以直接接入Internet網(wǎng)絡(luò)，無需再繞道移動分組域核心網(wǎng)。

Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Femtocell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig. 2 The structure of Femtocell network

1.3 Femtocell的接入方式

Femtocell設(shè)備功能集成度與其到核心網(wǎng)的接入方式是相對應(yīng)的，F(xiàn)emtocell接入方式主要有以下幾種。

1)Iub over IP方式。這是最早提出的Femtocell方案，F(xiàn)emtocell設(shè)備只具備Node B的部分功能。此方案初期投資小，F(xiàn)emtocell可以與宏蜂窩共用RNC設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，缺點是經(jīng)濟(jì)性能較差。由于RNC具有容量與端口的限制，理想情況是由大容量宏蜂窩基站占用端口，F(xiàn)emtocell恰恰是端口消耗型的低容量配置設(shè)備，數(shù)目眾多且同時在線用戶很少，造成RNC設(shè)備端口與容量的浪費。核心網(wǎng)與RNC都把Femtocell設(shè)備看做普通NodeB來處理，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)3G網(wǎng)相同。此方式可實施性差。

2)RAN GateWay方式。Femtocell設(shè)備集成了NodeB和RNC的部分功能，最新提出的Femtocell接入方案是在核心網(wǎng)與IP接入網(wǎng)之間引入一個新的網(wǎng)元即RAN網(wǎng)關(guān)。RAN網(wǎng)關(guān)在IuOverIP接口收集來自Femtocell的業(yè)務(wù)，然后通過標(biāo)準(zhǔn)Iu-CS、Iu-PS端口分送到核心網(wǎng)。RANGateWay（RGW）方式初期投資小，對核心網(wǎng)影響小。RAN GateWay方式采用扁平化IP結(jié)構(gòu)，核心網(wǎng)將RAN GateWay當(dāng)成普通RNC設(shè)備處理，RAN GateWay負(fù)責(zé)Femtocell設(shè)備管理、語音數(shù)據(jù)分流、進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議解釋、數(shù)據(jù)包格式轉(zhuǎn)換。如圖3所示。

圖3 Femtocell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（RGW方式）Fig. 3 Structure of Femtocell network(RGW way)

3)UMA控制器方案。免授權(quán)移動接入（Unlicensed Mobile Access，UMA）控制器方案是3GPP認(rèn)可的一種移動接入方式。UMA體系主要由UMA終端盒UNC組成?；赨MA控制器的飛蜂窩體系[3]包括基于UMA的飛蜂窩設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)的UNC設(shè)備，其中基于UMA的飛蜂窩設(shè)備包括2.5G、3G空中接口模塊、UMA客戶端模塊、標(biāo)準(zhǔn)的UMTS/GSM SIM 卡以及IP網(wǎng)絡(luò)接口模塊?；赨MA的飛蜂窩設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)的UNC設(shè)備之間通過Upi接口連接。

UMA架構(gòu)可以解決Iub over IP方案和RAN GateWay方案存在的缺陷問題。

4)SIP/IMS方式。這是在Femtocell與核心網(wǎng)之間采用基于SIP協(xié)議的連接方式，F(xiàn)emtocell設(shè)備集成了NodeB和RNC的功能，運營商同時建設(shè)一張基于SIP協(xié)議的核心網(wǎng)，與現(xiàn)有分組、數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡(luò)同步運行，F(xiàn)emtocell用戶由新的核心網(wǎng)提供服務(wù)。其缺點是需要將宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有的業(yè)務(wù)復(fù)制到SIP網(wǎng)絡(luò)上，加上建設(shè)新核心網(wǎng)的費用，其初期投資比較大。

SIP/IMS方式是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最終目標(biāo)，但在核心網(wǎng)升級到IMS全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)之前，此方式投資比較大，維護(hù)成本高。運營商可能更傾向于選用具有平滑升級能力的RGW設(shè)備。

5) 側(cè)重于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛蜂窩方案[4]

由于RGW實現(xiàn)方式具備業(yè)務(wù)透明度高、成本低、對網(wǎng)絡(luò)影響小的優(yōu)點，目前多數(shù)廠家選擇了RGW實現(xiàn)方式?，F(xiàn)實中，各廠家提供的Femtocell設(shè)備經(jīng)常是集成了Wi-Fi、ADSL家庭網(wǎng)關(guān)等功能的綜合性產(chǎn)品，有的還提供了Gi接口，這使得移動用戶可以通過Femtocell設(shè)備直接接入Internet網(wǎng)絡(luò)，而不需要接入移動分組域核心網(wǎng)。

2 Femtocell的特點和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Femtocell的特點

Femtocell基站與DSL路由器或電纜調(diào)制解調(diào)器的大小差不多，可以利用己有的寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接為移動用戶提供室內(nèi)的無線覆蓋。Femtocell基站具有以下特點[5]。

1)低成本。Femtocell結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)基站相比，價格低廉，用戶可以自己購買。

2)用戶安裝支持即插即用。用戶可以自行安裝Femtocell終端，只需要運營商進(jìn)行激活。

3)寬帶服務(wù)。Femtocell是基于IP協(xié)議的，采用扁平化的基站架構(gòu)，可以通過現(xiàn)有的DSL、LAN或光纖等寬帶手段接入移動運營商的網(wǎng)絡(luò)。

4)低功率。Femtocell的發(fā)射功率為10～100 mW，與Wi-Fi接入點類似。

5)基于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。Femtocell可以基于任何移動蜂窩通信技術(shù)，包括現(xiàn)有的3G標(biāo)準(zhǔn)及即將成熟的LTE。

6)使用單模終端。與UMA技術(shù)不同，F(xiàn)emtocell不需要雙模終端支持。

7)支持多種標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。Femtocell獨立于網(wǎng)絡(luò)連接方式，支持連接運營商核心網(wǎng)的多種接口（如UMA和SIP/IMS協(xié)議等）

Femtocell使用IP協(xié)議，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)的連接。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。Femtocell適用于CDMA、GSM、UMTS等各種標(biāo)準(zhǔn)和支持2G、2.5G、3G的產(chǎn)品，與運營商的其它移動基站同制式、同頻段，因此手機(jī)等移動終端可以通用。它具有1個載波，發(fā)射功率為10～100 mW(與Wi-Fi的AP差不多)，覆蓋半徑為50～200 m，支持4～6個活動用戶，允許的最大用戶運動速度為10 km/h。

2.2 Femtocell關(guān)鍵技術(shù)

1)即插即用。Femtocell所扮演的角色類似于終端設(shè)備，因此其使用方法必須簡單明確，用戶從運營商獲取Femtocell基站后，只要接通電源和網(wǎng)絡(luò)，必須能自動完成IP連接和IP分配，進(jìn)行遠(yuǎn)程的自動軟件升級、自動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃(包括最小干擾頻點的選擇、擾碼的自動分配、鄰區(qū)列表的自動創(chuàng)建及發(fā)射功率的自動調(diào)整)。

2)接入控制。接入控制主要有3個層面[6]。第一，接入層的UE接入鑒權(quán)。用戶必須可以設(shè)置Femtocell的接入模式，是否允許所有用戶接入？能否設(shè)置不同的接入用戶？Femtocell信號是否可以獨享？因此Femtocell必須設(shè)置一個白名單編輯功能，以滿足對Femtocell接入終端的控制。第二，F(xiàn)emtocell基站設(shè)備的接入控制。運營商要能夠監(jiān)控Femtocell基站的使用，并控制其IP是否允許接入。目前主要采用在Femtocell基站內(nèi)置一張類似于SIM卡的信息鑒權(quán)設(shè)備，在用戶獲取Femtocell基站時，運營商可以在SIM卡上燒制相應(yīng)的鑒權(quán)信息。第三，核心網(wǎng)3GPP標(biāo)準(zhǔn)的UE接入鑒權(quán)。Femtocell對用戶的接入必須滿足3GPP對3G的各項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3)切換控制。Femtocell必須與宏峰窩之間實現(xiàn)無縫切換，以提高用戶的感知度，切換主要包括3個方面：Femtocell和Femtocell之間的切換；Femtocell向宏峰窩的切換；宏峰窩向Femtocell的切換。Femtocell和宏峰窩之間無縫切換、Femtocell和Femtocell之間的切換及Femtocell向宏峰窩小區(qū)的切換不存在問題，只要在Femtocell中設(shè)置相應(yīng)的鄰區(qū)列表即可。

但宏峰窩小區(qū)向Femtocell的切換中，由于Femtocell小區(qū)眾多，宏峰窩鄰區(qū)列表有限，同時還有相當(dāng)一部分用于宏峰窩小區(qū)之間的鄰區(qū)列表，因此宏峰窩向Femtocell方向的切換目前還在討論當(dāng)中。由于運算的復(fù)雜度及成本問題，大部分運營商已經(jīng)同意可以放棄宏峰窩小區(qū)向Femtocell的切換。但有少數(shù)設(shè)備商也提出了邏輯小區(qū)的概念，將多個Femtocell歸為一個邏輯小區(qū)，宏峰窩只關(guān)心邏輯小區(qū)的設(shè)置，而無需了解Femtocell的真實小區(qū)，以此來解決鄰區(qū)列表有限的難題。

4)IP傳輸網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求。因為Femtocell是完全通過IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與核心網(wǎng)的連接，因此如何保證業(yè)務(wù)的QoS服務(wù)等級，特別是語音業(yè)務(wù)的QoS要求非常關(guān)鍵，因此對于IP傳輸網(wǎng)絡(luò)需要有一定的性能要求，包括語音業(yè)務(wù)QoS最低要求、滿足視頻電話及PS域384kb/s業(yè)務(wù)QoS最低要求等。

5)時鐘同步技術(shù)。Femtocell主要通過接收周圍宏基站信號來提取同步時鐘信號，如果Femtocell完全處于孤島環(huán)境，就需要通過自身的時鐘振蕩器來獲取時鐘。當(dāng)然GPS也可以應(yīng)用到Femtocell，但由于成本較高，目前僅在CDMAFemtocell中有少量應(yīng)用。

Femtocell與傳統(tǒng)的Node B有很多不同，它是由用戶自行安裝在家中的設(shè)備，而且數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于Node B。Femtocell介于宏基站和家庭網(wǎng)關(guān)之間的一種設(shè)備，所以具有Node B和家庭網(wǎng)關(guān)之間的一種設(shè)備，所以具有Node B和家庭網(wǎng)關(guān)的部分特點。Femtocell的生產(chǎn)銷售、安裝都比較簡單，而且Femtocell可以滿足個性化的需求，配置不同的參數(shù)，此外Femtocell還是即插即用的設(shè)備，因此，F(xiàn)emtocell安裝需要注意以下問題。

無線電干擾、自動系統(tǒng)選擇、激活的宏-微切換、安全、IPSec、接納控制、遠(yuǎn)程操作、Femtocell的數(shù)量多。

3 Femtocell需要解決的問題

4 結(jié)束語

Femtocell技術(shù)[7]能使運營商和終端用戶雙方受益。Femtocell技術(shù)對運營商而言，首先，可以改善室內(nèi)覆蓋；其次，將室內(nèi)話務(wù)轉(zhuǎn)移到有線網(wǎng)絡(luò)中，減輕了宏基站的負(fù)擔(dān)，也就減輕了運營商對宏基站維護(hù)和優(yōu)化的成本；第三，實現(xiàn)FMS，幫助運營商最大化其利益，以無需更換終端的方式來應(yīng)對蜂窩/WI-FI雙模手機(jī)的應(yīng)用，提供差異化服務(wù)。對終端用戶而言，F(xiàn)emtocell技術(shù)能改善室內(nèi)通話質(zhì)量[8]，并能使用戶享受到和固網(wǎng)一樣的速度。

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