Nanocell：TD-LTE与WLAN的融合*

曹 汐，杨 宁，孙 滔，刘光毅，邓 辉

（中国移动通信有限公司研究院 北京100053）

1 引言

随着智能手机等新一代终端的不断普及和移动互联网业务的发展，无线数据业务呈现了爆炸式的增长趋势。根据目前相关机构的统计结果，现阶段全球无线数据业务年增长率超过100%；而预计未来5年数据业务增长40倍，10年增长1 000倍。在过去5年中，中国移动通信有限公司（以下简称中国移动）网络中的数据业务增加了60倍，其中移动话音业务的60%和数据业务的70%发生在室内；据预测，未来室内业务将占总业务量的90%。而随着无线数据业务的高速增长以及室内无线传输需求的不断增加，传统蜂窝网络的覆盖方式对于支持室内无线数据业务表现的瓶颈日益突出，使移动运营商的网络发展面临着种种挑战，包括如下几个方面：

·传统2G、3G网络无线接入容量极限逐渐显现；

·频谱资源日益紧张，可用于广覆盖的蜂窝移动通信网络的新增频率资源日益匮乏；

·站址、天馈资源获取难度日益增加，密集城区的站间距接近理论极限，很难支持传统蜂窝宏基站的更密集部署；

·普通蜂窝网络部署密集，网络干扰环境更加复杂，影响网络性能；

·宏基站的部署和运营成本高昂，新增宏基站扩容的建网方式难以为继。

为了维持产业链的健康和可持续发展，移动通信网络的发展必须考虑如何通过网络技术能力的提升、部署方式和运营方式等方面的革新，不断降低网络的部署和运营成本。为了满足现阶段用户室内业务发展需求，同时分流2G/3G网络的数据业务，中国移动在2011年底决定，在未来3年的时间中，建设600万个WLAN AP，通过多网的协同，满足不断增长的用户移动数据业务需求。与此同时，为了加速TD-LTE的产业成熟，在工业和信息化部的统一部署和领导下，国内外企业共同完成了TD-LTE规模试验，充分验证了TD-LTE的技术成熟性，并启动了TD-LTE扩大规模试验，开展面向商用的应用技术攻关。

为了融合TD-LTE与WLAN两类热点及室内覆盖技术，充分利用WLAN站点与传输资源，弥补宏蜂窝深度覆盖的不足，合理分流宏蜂窝网络业务压力，降低运营商网络建设和运营成本，中国移动提出了Nanocell及其端到端的系统解决方案，期望能够聚合TD-LTE及WLAN产业力量，满足用户业务未来的发展需求，促进产业健康发展。

2 Nanocell的定义及主要特征

对于典型蜂窝网络，通常采用宏基站进行连续覆盖和室内浅层的部署，采用微基站进行道路、室外覆盖室内以及室内深度覆盖的室内分布系统的部署方式，并采用pico/企业级femto进行补盲、补热，而家庭级femto用于家庭部署。其中pico/femto，业界也称为小基站（small cell）。

对于室内和热点场景的部署，需要充分考虑设备的体积、成本、效率与回传（backhaul）的限制。结合室内、热点场景的部署特点，中国移动提出Nanocell及其系统解决方案，实现小基站与WLAN在室内和热点地区的融合组网。

Nanocell与传统的宏基站、微基站等在整个移动通信网络中的主要部署场景如图1所示。

Nanocell的主要定义为：一种集成小基站（通常指发射功率小于1 W的小区，如pico、femto等）与WLAN的产品形态。

集成电信级WLAN服务的一体化设备、对蜂窝网和WLAN干扰协同的系统化设计及后续面向WALN和蜂窝网的融合是Nanocell区别于小基站的最主要特征，具体如下。

·同时支持蜂窝网络系统及WLAN的覆盖。通过技术方案，降低蜂窝系统与WLAN之间的干扰，保证两者之间的覆盖及容量。

·可以部署在企业、热点与家庭场景。Nanocell既可以由运营商部署及维护，又可以由普通用户部署，并通过回传由运营商自动完成配置及维护工作。

·支持较低的建设成本与维护成本。分阶段支持基于SoC芯片架构的小基站与WLAN AP功能的融合，分阶段支持核心网的融合演进，制定标准统一的网管系统。

·使用灵活、低成本的回传网络。Nanocell可使用IP化的低成本有线或无线的宽带回传网络，可以使用运营商自有的宽带回传网络或者有合作协议的第三方网络。

·支持完善可信的安全能力。具有可靠安全机制保证接入和业务安全，通过证书实现身份认证，具备可信环境，保证设备、信令和数据传输安全。

3 Nanocell的系统架构

如图2所示，Nanocell的系统架构可分为3个部分：EPC核心网部分、WLAN接入控制部分及Nanocell新增网元部分。其中，EPC核心网及WLAN接入控制的架构和组网方式沿用已有系统架构和功能。Nanocell新增网元功能的说明如下。

图1 Nanocell应用场景示意

图2 Nanocell系统架构

·Nanocell，为终端提供蜂窝网接入，和终端间通过Uu口进行空口的通信；同时提供WLAN接入，与终端通过WLAN模块进行通信。

·Nanocell网关，对Nanocell设备进行双向认证，对S1接口的信令和数据及Nanocell与网管间的消息通过IPSec协议进行加密，当Nanocell数量大时，Nanocell网关可根据配置进行S1接口信令面的汇聚，降低对MME的信令压力。

·Nanocell网管，对Nanocell、Nanocell网关进行管理，在Nanocell启动时对其参数进行配置，在运行中，对Nanocell进行性能管理。

·回程网络，使用灵活的IP化接入方式，支持有线及无线的回传方式，其组网方式也相应地依据其回程的方式进行组织。

·本地网关，是Nanocell的可选功能，可将用户的数据通过本地网络进行路由转发，访问本地网络的IP资源，减少传递到核心网的IP数据分组。

4 Nanocell产业化需要重点关注的问题

4.1 成本控制

Nanocell产品能否满足运营商的部署需求，实现大规模部署，设备的成本控制是最关键的因素之一。Nanocell产品虽然在设备重量、体积、发射功率、用户容量方面比宏基站小很多，但是在网元类型、基本功能、系统带宽和峰值速率等方面与宏基站基本相同。因此，Nanocell的成本控制目标是要以终端的成本实现基站的功能。而要实现该目标，Nanocell必须借鉴终端产品的设计思路，即芯片级解决方案。利用集成了CPU、DSP及硬件加速器的SoC芯片实现基站BBU（基带处理单元）的功能，采用高集成度的射频芯片，低功耗、低成本的PA（功率放大器）及射频前端器件实现基站RRU（远端射频单元）的功能。甚至在部署规模发展到一定阶段时，通过单芯片加射频前端等少量外围器件实现整个融合设备的全部功能，进一步降低产品成本。

另外，部署规模对Nanocell产品的成本也有非常大的影响。为借助规模优势、有效控制成本，Nanocell的核心器件和产品研发需要借助FDD系统的产业规模，尽量做到与FDD共用主要芯片、产品架构、硬件平台和高层协议软件，在促进TDD/FDD融合发展的同时，实现Nanocell整体规模的壮大。

4.2 低成本同步解决方案

引入Nanocell后，组网方式将更为丰富，为了在绝大多数部署场景中有效抑制TDD小区间上下行时隙干扰，要求Nanocell间保持同步，并且Nanocell和宏基站也能保持同步。通常，需要同步精度，频率精度误差≤±0.25 ppm，时间同步精度误差≤3μs。目前，常见的同步方案有以下3种。

·网络同步 （如IEEE 1588v2）：通过传 输网络由1588v2高精度时间同步协议为基站提供同步信息。

·GNSS(global navigation satellite system)同步：利用专用卫星接收机通过GPS或北斗等卫星导航系统授时，获得高精度的频率和时间同步信号。为了提高卫星信号的搜索能力，提升室内弱信号环境下的同步成功率，还可以采用A-GNSS（assisted-GNSS）技术优化同步建立和保持性能。

·空口同步：周期性监听参考基站的同步信号，实现与参考基站的频率和时间同步，通常包括同步建立和同步保持两个过程。为了应对更为复杂的应用场景，还可能需要支持多模多频段空口侦听，或者支持多跳空口同步。Nanocell同步方案对比及选择策略见表1。

表1 Nanocell同步方案对比及选择策略

然而，Nanocell的部署场景丰富，以上3种常见同步方案对于不同的应用场景各有优缺点，难以依靠某一种同步方案就满足绝大多数应用场景下的同步要求。因此，实际应用时可能需要采用多种同步方式相结合的组合同步方案，并在产品实现时尽量考虑模块化、接口通用化等设计思路，降低同步方案对产品成本和实现复杂度的影响。

4.3 接口开放

Nanocell无线设备作为一种新的产品形态，需要考虑和现有或未来网络设备的互通，还需要考虑不同设备厂商之间的互通。例如Nanocell无线设备中的WLAN AP和AC设备间的互通、Nanocell无线设备和异厂商EPC设备间的互通等。因此在Nanocell的系统设计和产品实现时，需要充分支持接口开放问题，保证新老设备、异厂商设备间的接口互通，形成一个开放的产业链格局。

5 结束语

Nanocell是中国移动为了聚合蜂窝与WLAN产业链、完成蜂窝网络与WLAN深度融合所推出的端到端解决方案。该方案以现有网络为基础，通过产品升级和网络结构调整，可实现在一套系统上同时支持TD-LTE和WLAN两种无线宽带网络接入，弥补传统宏蜂窝深度覆盖的不足，合理分流宏蜂窝网络业务负荷，降低运营商网络建设和运营成本。现阶段Nanocell采用设备级融合方案，为蜂窝网和WLAN的融合提供了基础，后续演进方案可以通过芯片级的融合和通信协议上的深度融合进一步优化和提升两种无线宽带网络的承载能力和效率，形成优势互补，最大化利用频谱资源、站点和传输资源，为移动互联网发展提供新的技术手段。

1 中国移动通信有限公司研究院.中国移动Nanocell技术白皮书，2012