基于Femtocell的FMC的分析研究

刘一鸥

（西安外事学院 陕西 西安 710077）

全球运营商在加速3G网络的建设和业务的拓展。而iphone、平板电脑等智能终端的出现，更加速了3G规模的壮大。因此，用户的快速攀升、移动数据的飞速增长迫使运营商开辟新的途径。在当前情况下，运营商开始寻找新的技术来弥补3G网络的不足，而Femtocell也成为此过程中，运营商3G业务发展与网络支持的必然选择。

固定移动融合[1]（FMC）是指网络的业务提供与接入技术和终端设备独立，目的是用户通过不同的接入网络，享受相同的服务，获得相同的业务。

Femtocell又称为家庭基站，是安装在家庭中的微小基站，是工作在授权使用频段上的低功率无线接入设备，它通过家庭DSL网络或有线宽带网络将标准移动终端连接到移动运营商网络。

Femtocell最早提出是源于3G 初期覆盖的不足以及Wi-Fi技术的挑战。3G发展初期3G发展初期的网络建设重点主要是室外覆盖，用户在室内的通信需求往往无法很好地满足。尤其是近年来Wi-Fi技术的迅速普及以及Wi-Fi/蜂窝网双模手机的不断增多，3G话音及数据业务都有被分流的危险。在这种情况下，Femtocell概念一经推出，就受到移动运营商的追捧。利用这种新技术及终端，移动运营商可以进入原来被固定网络和Wi-Fi网络所控制的家庭及办公场所市场[2]。

1 Femtocell的体系结构

1.1 Femtocell系统逻辑结构

Femtocell是一种在家庭中使用的基站，其系统结构如图1所示。图中的AAA服务器、安全网关、时钟服务器和Femtocell网关为逻辑功能实体，实际部署时可以单独设立，也可以和其他设备合并设立。

图1 Femtocell系统逻辑结构Fig. 1 Logic structure of Femtocell system

Femtocell系统包括Femtocell、Femtocell网关等功能实体，各功能实体的主要功能如下。

Femtocell也称为无线接入点(AP)，提供UMTS无线接入功能，集成了WCDMA基站和部分RNC功能，通过现有网络接入UMTS。其主要功能包括无线调制解调、无线资源管理及功能控制等。Femtocell网关也成为无线接入点网关，提供Femtocell汇聚、无线接入点管理、语音和数据的分流和前转、ATM/IP协议的转换以及到核心网的标准接口等。Femtocell归属服务器位于运营商管理的内部网，主要完成地址规划(Femtocell网关、Femtocell OMC、安全网关、时钟服务器等网元地址的管理和Femtocell内网地址的分配)以及Femtocell用户信息管理(Femtocell用户注册信息维护、用户准入列表维护管理、Femtocell组管理、Femtocell位置合法性检测等)。AAA服务器是Femtocell的鉴权服务器，用于判断用户身份和权限，完成Femtocell的鉴权。Femtocell OMC对Femtocell相关的设备进行管理，包括图中的Femtocell、Femtocell网关、Femtocell归属服务器、AAA服务器、时钟服务器和安全网关，还可以完成Femtocell 的升级、配置以及日常的性能和故障管理。时钟服务器提供基于IP传输的同步时钟源，它是一个逻辑实体，可以与其他设备合并设立。安全网关用于建立Femtocell和Femtocell网关间的安全隧道。

1.2 Femtocell网络结构

Femtocell系统在网元功能配置上与传统宏蜂窝网络有很大的不同，它的应用环境定位于家庭或中小企业。室内通信的特点不同于室外环境，对容量需求小，且没有用户突然增加的情况，不需要更多考虑呼吸效应、切换等问题。Femtocell设备数量众多，一般采用偏平化网络结果，集成了传统宏蜂窝多个网元的功能，如Node B、RNC、SGSN、GGSN等。对于Femtocell设备的功能组成及其设备接口，各厂家都有不同的实现方式。通常功能集成方案有两种：集成Node B、RNC功能；或集成Node B、RNC、SGSN与GGSN功能。

原则上，Femtocell设备的引入不对移动核心网产生任何影响。设备集成的功能越多，网络结构就越扁平化，当Femtocell设备集成了Node B、RNC、SGSN与GGSN功能时，用户通过Femtocell设备就可以直接接入Internet网络，无需再绕道移动分组域核心网。

Femtocell网络架构如图2所示。

图2 Femtocell网络结构Fig. 2 The structure of Femtocell network

1.3 Femtocell的接入方式

Femtocell设备功能集成度与其到核心网的接入方式是相对应的，Femtocell接入方式主要有以下几种。

1)Iub over IP方式。这是最早提出的Femtocell方案，Femtocell设备只具备Node B的部分功能。此方案初期投资小，Femtocell可以与宏蜂窝共用RNC设备，网络结构清晰，缺点是经济性能较差。由于RNC具有容量与端口的限制，理想情况是由大容量宏蜂窝基站占用端口，Femtocell恰恰是端口消耗型的低容量配置设备，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。核心网与RNC都把Femtocell设备看做普通NodeB来处理，其网络结构与传统3G网相同。此方式可实施性差。

2)RAN GateWay方式。Femtocell设备集成了NodeB和RNC的部分功能，最新提出的Femtocell接入方案是在核心网与IP接入网之间引入一个新的网元即RAN网关。RAN网关在IuOverIP接口收集来自Femtocell的业务，然后通过标准Iu-CS、Iu-PS端口分送到核心网。RANGateWay（RGW）方式初期投资小，对核心网影响小。RAN GateWay方式采用扁平化IP结构，核心网将RAN GateWay当成普通RNC设备处理，RAN GateWay负责Femtocell设备管理、语音数据分流、进行相应的协议解释、数据包格式转换。如图3所示。

图3 Femtocell网络结构（RGW方式）Fig. 3 Structure of Femtocell network(RGW way)

3)UMA控制器方案。免授权移动接入（Unlicensed Mobile Access，UMA）控制器方案是3GPP认可的一种移动接入方式。UMA体系主要由UMA终端盒UNC组成。基于UMA控制器的飞蜂窝体系[3]包括基于UMA的飞蜂窝设备和标准的UNC设备，其中基于UMA的飞蜂窝设备包括2.5G、3G空中接口模块、UMA客户端模块、标准的UMTS/GSM SIM 卡以及IP网络接口模块。基于UMA的飞蜂窝设备和标准的UNC设备之间通过Upi接口连接。

UMA架构可以解决Iub over IP方案和RAN GateWay方案存在的缺陷问题。

4)SIP/IMS方式。这是在Femtocell与核心网之间采用基于SIP协议的连接方式，Femtocell设备集成了NodeB和RNC的功能，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。其缺点是需要将宏蜂窝网络的现有的业务复制到SIP网络上，加上建设新核心网的费用，其初期投资比较大。

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。运营商可能更倾向于选用具有平滑升级能力的RGW设备。

5) 侧重于数据业务的飞蜂窝方案[4]

由于RGW实现方式具备业务透明度高、成本低、对网络影响小的优点，目前多数厂家选择了RGW实现方式。现实中，各厂家提供的Femtocell设备经常是集成了Wi-Fi、ADSL家庭网关等功能的综合性产品，有的还提供了Gi接口，这使得移动用户可以通过Femtocell设备直接接入Internet网络，而不需要接入移动分组域核心网。

2 Femtocell的特点和关键技术

2.1 Femtocell的特点

Femtocell基站与DSL路由器或电缆调制解调器的大小差不多，可以利用己有的宽带互联网连接为移动用户提供室内的无线覆盖。Femtocell基站具有以下特点[5]。

1)低成本。Femtocell结构简单，与传统基站相比，价格低廉，用户可以自己购买。

2)用户安装支持即插即用。用户可以自行安装Femtocell终端，只需要运营商进行激活。

3)宽带服务。Femtocell是基于IP协议的，采用扁平化的基站架构，可以通过现有的DSL、LAN或光纤等宽带手段接入移动运营商的网络。

4)低功率。Femtocell的发射功率为10～100 mW，与Wi-Fi接入点类似。

5)基于蜂窝移动网络标准。Femtocell可以基于任何移动蜂窝通信技术，包括现有的3G标准及即将成熟的LTE。

6)使用单模终端。与UMA技术不同，Femtocell不需要双模终端支持。

7)支持多种标准化协议。Femtocell独立于网络连接方式，支持连接运营商核心网的多种接口（如UMA和SIP/IMS协议等）

Femtocell使用IP协议，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网到移动网的连接。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。Femtocell适用于CDMA、GSM、UMTS等各种标准和支持2G、2.5G、3G的产品，与运营商的其它移动基站同制式、同频段，因此手机等移动终端可以通用。它具有1个载波，发射功率为10～100 mW(与Wi-Fi的AP差不多)，覆盖半径为50～200 m，支持4～6个活动用户，允许的最大用户运动速度为10 km/h。

2.2 Femtocell关键技术

1)即插即用。Femtocell所扮演的角色类似于终端设备，因此其使用方法必须简单明确，用户从运营商获取Femtocell基站后，只要接通电源和网络，必须能自动完成IP连接和IP分配，进行远程的自动软件升级、自动网络规划(包括最小干扰频点的选择、扰码的自动分配、邻区列表的自动创建及发射功率的自动调整)。

2)接入控制。接入控制主要有3个层面[6]。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。

3)切换控制。Femtocell必须与宏峰窝之间实现无缝切换，以提高用户的感知度，切换主要包括3个方面：Femtocell和Femtocell之间的切换；Femtocell向宏峰窝的切换；宏峰窝向Femtocell的切换。Femtocell和宏峰窝之间无缝切换、Femtocell和Femtocell之间的切换及Femtocell向宏峰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。

但宏峰窝小区向Femtocell的切换中，由于Femtocell小区众多，宏峰窝邻区列表有限，同时还有相当一部分用于宏峰窝小区之间的邻区列表，因此宏峰窝向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峰窝小区向Femtocell的切换。但有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，宏峰窝只关心逻辑小区的设置，而无需了解Femtocell的真实小区，以此来解决邻区列表有限的难题。

4)IP传输网络质量要求。因为Femtocell是完全通过IP网络实现与核心网的连接，因此如何保证业务的QoS服务等级，特别是语音业务的QoS要求非常关键，因此对于IP传输网络需要有一定的性能要求，包括语音业务QoS最低要求、满足视频电话及PS域384kb/s业务QoS最低要求等。

5)时钟同步技术。Femtocell主要通过接收周围宏基站信号来提取同步时钟信号，如果Femtocell完全处于孤岛环境，就需要通过自身的时钟振荡器来获取时钟。当然GPS也可以应用到Femtocell，但由于成本较高，目前仅在CDMAFemtocell中有少量应用。

Femtocell与传统的Node B有很多不同，它是由用户自行安装在家中的设备，而且数量远远多于Node B。Femtocell介于宏基站和家庭网关之间的一种设备，所以具有Node B和家庭网关之间的一种设备，所以具有Node B和家庭网关的部分特点。Femtocell的生产销售、安装都比较简单，而且Femtocell可以满足个性化的需求，配置不同的参数，此外Femtocell还是即插即用的设备，因此，Femtocell安装需要注意以下问题。

无线电干扰、自动系统选择、激活的宏-微切换、安全、IPSec、接纳控制、远程操作、Femtocell的数量多。

3 Femtocell需要解决的问题

4 结束语

Femtocell技术[7]能使运营商和终端用户双方受益。Femtocell技术对运营商而言，首先，可以改善室内覆盖；其次，将室内话务转移到有线网络中，减轻了宏基站的负担，也就减轻了运营商对宏基站维护和优化的成本；第三，实现FMS，帮助运营商最大化其利益，以无需更换终端的方式来应对蜂窝/WI-FI双模手机的应用，提供差异化服务。对终端用户而言，Femtocell技术能改善室内通话质量[8]，并能使用户享受到和固网一样的速度。

[1]刘峰. 电信业务融合趋势分析[J].移动通信,2008(13):10-11.LIU Feng.Trend analysis of telecom service convergence [J].Mobile communication,2008(13):10-11.

[2]曹羲.固网运营商开展全业务运营的利器——Femtocel[J].邮电设计技术,2009(1):27-29.CAO Xi, For fixed network operators to carry out business operations——Femtocel [J].Design of Posts and Telecommunications Technology,2009(1):27-29.

[3]施西.飞蜂窝体系结构的发展[J]. 电信技术,2008(12):75-76.SHI Xi.Development of femtocell system structure [J].Telecommunications Technology,2008(12):75-76.

[4]肖征荣.飞蜂窝技术及发展策略探讨[J]. 电信技术,2008(12):77-79.XIAO Zheng-rong.Discussion on technical and development strategy of cellular fly [J]. Telecommunications Technology,2008(12):77-79.

[5]刘显疆. Femtocell小材大用[J].华为技术,2009(6):14-16.LIU Xian-jiang.Femtocell small material use [J],Huawei Technologies,2009(6):14-16.

[6]朱小景,徐博斌. 固定移动网络融合解决方案: Femtocell[J].移动通信,2008(6):59-62.ZHU Xiao-jing,XU Bo-bin.Fixed mobile network convergence solution: Femtocell [J].Mobile communication,2008(6):59-62.

[7]唐春梅.CDMA Femtocell标准及关键技术[J].现代电子技术,2012(1):55-58.TANG Chun-mei.CDMA Femtocell standards and keytechnologies[J].Modern Electronics Technique,2012(1):55-58.

[8]赵志远.Femtocell系统中认知无线电频谱感知技术[J].电子科技,2011(9):15-19,23.ZHAO Zhi-yuan. Cognitive radio spectrum perception technology in the Femtocell system[J].Electronic Science and Technology,2011(9):15-19,23.