Femtocell关键技术及组网应用

田桂宾

（中国移动通信集团设计院有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830011）

随着中国的移动通信技术的不断演进，移动通信网络正向着4G方向演进，业务类型也随着无线接入速率的不断丰富。尤其是在室内静止环境下，人们对无线接入速率要求越来越高。室内对于高速流媒体、视频点播、在线互动类的游戏需求远远高于室外。据NTT DoCoMo公司的调查发现，高速数据业务室内使用量占70%。有效提高室内用户容量和速率，提升用户感知度将成为今后网络发展的关键。

在网络建设过程中发现，由于工作在2GHz频段，3G系统无线信号绕射能力差、穿透损耗较大，单纯依靠宏蜂窝基站建设无法实现室内环境的理想覆盖；同时一些高档写字楼、餐馆、咖啡店等区域的如果采用专用室内分布系统建设，建设成本高、后期网络维护难度大；尤其在居民区，由于居民防范电磁辐射意识提高以及对通信知识的欠缺，广大业主对于基站建设有较高的抵触情绪。为此本文提出了飞小区（femtocell），以解决高速数据业务部署时面临的室内深度覆盖问题。

1 Femtocell概念及特点

Femtocell被称为飞小区(也称飞蜂窝)，是一种小型、低功率蜂窝基站，主要用于家庭及办公室等室内场所，因此也被称为家庭基站。可以把用户手机发出的话音和数据呼叫传输到基于标准接口的核心网络，且它的家庭接入点可以即插即用，可连接到任何现有的基于IP的传送网络，提供家庭范围的移动通信服务。

Femtocell具有以下特点。

（1）低成本。Femtocell价格低廉，在现有femtocell设备终端价格为每台200美元，如果大规模采购，价格有望降到每台100美元或更低，便于用户自行购买。

（2）安装方式简单灵活。Femtocell可通过用户已有的ADSL、LAN等宽带电路连接，远端由专用网关实现从IP网到移动网的联通。它的大小与 ADSL调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用的特点。用户可以自行安装femtocell终端，只需要运营商进行激活。

（3）宽带数据接入。Femtocell基于IP能够为用户提供高速数据业务，平均用户带宽大于100kbit/s。

（4）低功率发射辐射小。Femtocell配置1个载波，发射功率与 Wi-Fi的AP相近为10～100mV，覆盖半径为50～200m。完全满足国家环保部发布的（HJ/T 10.3-1996）要求：（公众照射）在一天24h内，环境电磁辐射场的功率密度在任意连续6min内的平均值应小于8μW/cm2。

（5）基于蜂窝移动网络标准。针对现有的移动蜂窝通信技术femtocell均可应用，包括GSM及现有的WCDMA、cdma2000及TD-SCDMA等3G标 准 及正在逐步应用的LTE技术。目前基于CDMA、GSM、UMTS等技术以及支持相关标准的femtocell产品已经推出，但基于TD-SCDMA标准的femtocell仍然处于研发状态。现有移动运营商可依据基站的制式、频段进行定制灵活组网，而手机终端侧无需改动，即可实现有效接入。

（6）安全性。为保证安全性，在进行使用时femtocell制定了相关的安全措施：

◆ AAA认证，Femtocell接入网络时，需在AAA服务器上进行设备认证；

◆ 关键数据的安全及保护，通过BSR femtocell引入，来确保本地关键数据的安全，以及完整性的保护。BSR femto是一款基于Flat-IP架构的超微基站，通过将3G移动网络的相关网元Node B、RNC、SGSN和GGSN集成到同一个设备中，实现了网络架构的扁平化；

◆ IPSec，femtocell通过IPSec框架结构来实现与网关之间的信令和业务连接；

◆ 空中接口的加密：femtocell采用3GPP加密方式来保证加密强度；

◆ 防火墙，在femtocell网关上建立防火墙对公网数据的过滤，确保网络的安全性。

2 Femtocell关键技术

2.1 移动性管理

Femtocell应与现有的无线网络系统之间无缝切换，以确保用户在室内外的切换成功率。系统切换主要包括3个方面：室外宏峰窝小区与femtocell之间的双向切换，femtocell和femtocell之间的双向切换；室内分布系统与femtocell之间的双向切换。经过测试验证femtocell和femtocell之间双向切换、femtocell向现有无线网络系统（室外宏峰窝小区或室内分布系统）的单向切换成功率高，能够满足无线通信系统要求，对网络侧设置简单，只需在femtocell侧建立邻区关系即可。但宏峰窝小区和室内分布系统向femtocell的切换时，由于femtocell小区众多，网络参数设置较为复杂。为有效降低对现有网络影响性，同时实现低成本建设，在网络建设初始阶段建议仅设置femtocell系统向现有无线网络系统的单向邻区关系。

2.2 干扰控制

可采用以下措施降低femtocell系统与现有无线通信网络（室外宏蜂窝系统及室内分布系统）的干扰：(1)建议采用与周围室外宏蜂窝系统及室内分布系统独立的频点，若频点资源丰富，可为femtocell分配独立的频点进行组网。异频组网时，由于femtocell应满足3GPP TS 25.141的要求，很好地控制邻频干扰，并实现异频间的漫游和切换。(2)为降低femtocell之间的干扰，femtocell设备使用前，应对周围无线环境进行频率侦听，选取干扰最小的频点作为主用频点。为降低干扰，应当对现有网络资源进行优化调整，为femtocell预留一定的扰码。(3)Femtocell系统应具备自动配置和优化功能：femtocell系统开通前自动选择选取正交性最好的扰码进行配置；femtocell能够根据终端距离的远近，自动调整公共信道的发射功率。

2.3 接入控制

接入控制主要包括3个方面：（1）用户对接入层的UE鉴权接入控制。为保证用户使用权限，应当提供用户femtocell的接入模式的设置功能。通过权限设置功能，使用户自由决定哪些用户能够接入网络。为此femtocell应当提供一个白名单编辑功能，使得用户能够快速实现对femtocell接入终端的控制。（2）运营商对femtocell基站设备的接入控制。为确保运营商对femtocell基站的监控，femtocell应提供运营商对设备IP准入控制功能。现阶段对femtocell基站准入控制方式是通过SIM卡来鉴权接入，实现运营商对femtocell基站设备的接入控制。（3）核心网对UE接入鉴权控制。结合现有无线通信技术标准，femtocell应满足3GPP对现有各项技术标准规定实现对用户的接入控制。

2.4 时钟同步技术

为避免相邻小区发生时隙交叉干扰，femtocell基站运行要求具备精确的时钟同步帧同步，同步精度为3us。Femtocell时钟同步方式有3种：宏基站侦听同步、IEEE1588 V2同步及GPS时钟同步。考虑到成本因素，在连续覆盖区域采用宏基站侦听实现同步；对于孤点下的femtocell可优先采用IEEE1588 V2同步技术，而对于GPS时钟同步，由于施工难度较大、设备成本高一般不建议使用，但TD-SCDMA及cdma 2000系统同步精度高，其femtocell设备必须使用GPS同步。

3 Femtocell组网架构

Femtocell网络架构共分为3种，如图1、2、3所示。

Iub Based架构。Femtocell设备只具备Node B部分功能，通过femtocell RNC实现与核心网的互联。采用Iub Based架构建设初期投资小，femtocell可以与3G网络共用RNC设备，网络结构清晰。但需要对RNC设备进行大规模端口扩容，同时由于RNC端口的限制，需要增加大量RNC设备，此时核心网与RNC都把femtocell设备看作普通Node B来处理，加大了信令负荷；同时由于femtocell用户容量极低，从而降低了RNC设备的无线利用率。

Iu Based网络架构。Femtocell设备作为接入点，通过femtocell网关接入核心网。此时femtocell网关依据该femtocell基站的准入列表，确定该移动终端是否可以接入：若允许准入，则femtocell网关须继续该移动终端在移动核心网的注册；若拒接准入，则femtocell网关须返回合适的拒绝原因值以保证移动终端可重选到宏网络。采用Iu Based网络架构，femtocell系统需单独建设，与其它网络相对独立，易于向未来演进。但重新开发femtocell网关，初期投资较大。

图1 Femtocell网络结构(Iub Based架构)

图2 Femtocell网络结构图(Iu Based架构)

图3 Femtocell网络结构(SIP/IMS架构)

SIP/IMS架构。Femtocell设备集成了Node B和RNC的功能，femtocell面向用户增加802.11n 标准接口，通过Gi 接口直接完成互联网业务的交互；在femtocell与核心网之间采用SIP协议连接，需要重新建设SIP协议核心网，femtocell网关通过SIP协议接入IMS系统、S1 接口接入SAE 系统。此种架构是网络发展演进阶段时所采用的网络架构，满足今后网络的发展演进趋势。其缺点是缺乏终端支持，无法和现网配合，同时需要将宏蜂窝网络的现有的业务复制到SIP网络上，而且SIP核心网需要单独建设，其整体投资比较大。

综上所述的3种网络架构，考虑到对网络影响及今后网络演进，Iub Based网络架构一般不建议使用。Iu Based架构多用于网络建设初期，SIP/IMS架构是网络发展的最终发展目标。从Iu Based架构至SIP/IMS架构应能实现平滑升级，但在核心网升级到IMS全IP网络之前，搭建SIP/IMS架构网络投资大，维护成本高，因此不建议采用。

4 Femtocell发展及定位

从数据业务提供能力来看，femtocell与Wi-Fi均可向用户提供宽带的接入手段，具有明显的相互替代性。与femtocell相比，Wi-Fi成熟度更高，有大量商用经验，产业链更加成熟。无论终端还是设备，Wi-Fi产品丰富、设备稳定性得到了充分检验。

但femtocell比Wi-Fi具有明显的技术优势。

（1）安全性高，femtocell采用了多种安全措施，来保证设备和业务的安全性，且完全可以依照运营商受保护的频段进行产品开发，不易受到攻击。而Wi-Fi所属频段为公用频段，极易受到攻击。

（2）实时性好，femtocell QoS保障远远优于Wi-Fi，能够为用户提供话音、实时在线以及互动类的游戏业务。

由此可见，femtocell与Wi-Fi相比技术优势更加明显。但femtocell系统建设初期应当充分利用Wi-Fi成熟的产业链，实现femtocell与Wi-Fi相互补充，提升网络能力。在网络建设初期，femtocell应立足于为做3G至4G网络室内深度覆盖的补充。在此阶段，可充分利用Wi-Fi，为室内用户提供高速后台类数据业务，而通过femtocell为用户提供实时性较高的业务。

在femtocell系统建设发展阶段，设备价格逐步降低，功能逐步丰富时，用户数量初具规模时，femtocell系统可在室内逐步替代Wi-Fi。Wi-Fi作为其补充，利用本身覆盖范围较广的特性，可为其他室内用户提供数据业务。

在femtocell系统成熟阶段，此时系统功能丰富时，用户数量激增，femtocell系统在室内完全替代Wi-Fi。此时Wi-Fi逐步退出室内覆盖，重点为室外用户提高速供数据业务。