TD—SCDMA中家庭基站的部署与设计

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本文摘自《科技视界》2013年6期。作者：周平

【摘 要】本文从工程技术角度，深入分析了家庭基站的网络架构，并比较了不同接入核心网方式的优缺点，最后分析部署家庭基站所带来的技术和设计方面需要涉及的问题，明确了这些问题的重点和难点，对于后继的研究和工程部署都有一定的学术意义和实际应用意义。
　　【关键词】家庭基站；网络架构；TD-SCDMA
　　Femtocell又称为家庭基站，是为了满足日益增长的高速率数据的无线接入应运而生的。Femtocell是低功率标准设备通过授权频谱无线接入DSL（Digital Subscriber Line）网络的接入网络[1]。Femtocell接入点是在固定场所设置一个类似于基站的设备。总之，根据接入Femtocell的场景不同，可以分为三种：（1）基本接入控制策略，即仅仅允许固定的用户设备接入这个网络，而不是公共的任何用户都能接入此网络。这就是闭合接入模式。（2）允许任何用户接入femtocell网络，其作用解决宏小区边缘的弱覆盖问题，这就是开放接入模式。（3）允许任何用户接入femtocell网络，但是给特定用户较高的优先级别，这就是混合接入模式。在3GPP术语中，Femtocell接入点称为home NodeB（HNB），在长期演进（LTE）中，femtocell接入点称为home eNodeB（HeNB）。随着femtocell应用的发展，在技术上存在继续研究的方向和发展新动态。
　　图1 Femtocell家庭应用场景
　　1 Femtocell部署网络架构
　　Femtocell的网络架构由三部分组成[2]：
　　Femtocell接入点通过DSL或者宽带接口建立与Internet连接；Femtocell网关或集中器提供Internet与移动核心网的接口，而对于SIP（Session Initiation Protoco1）/IMS（IP Multimedia subsystem）核心网，Femtocell接入点可以直接接入；Femtocell管理平台，集中管理多个Femtocell，实现注册、配置、软件升级等功能。图2是典型的Femtocell网络部署（如图2）。
　　图2 典型的Femtocell网络部署
　　1.1 FemtocelI接入点
　　Femtocell接人点工作于授权频段，与宏基站同制式、同频段，空中接口符合3GPP标准，因此现有的移动终端就可以接入Femtocell。Femtocell接入点可以以单独的设备形式出现，也可以集成在其他设备中。根据2008年6月制定的标准，Femtocell接入点在网元功能配置上集成Node B、RNc功能。
　　1.2 Femtocell网关或集中器
　　Femtocell网关或集中器提供Internet与移动核心网的接口。Femtocell网关同时提供安全网关的功能，用于Femtocell接入点-lFemtocell网关之间的安全隧道。Femtocell网关事实上扮演了一个虚拟的RNC，或虚拟GGSN的功能，它一方面汇聚所有受它控制的Femtocell接入点的流量，另一方面向传统核心网提供标准的接口功能。
　　1.3 FemtocelI操作维护及管理平台
　　Femtocell大规模部署后，其管理至关重要。为了维护方便，避免上门服务并保持客户满意度，运营商必须能够远程管理Femtocell、更新软件和固件、监控Femtocell运行情况，并做诊断测试等，所有这些管理都应在运营商的网络控制台实现。
　　Femtocell接入移动网的方式主要分为三种：基于IP隧道协议的方式，基于RAN网关的方式，基于SIP/IMS的方式。Femtocell将采用基于RAN网关的方式。
　　IP隧道协议方式（Iub over IP）：此方案是最早提出的Femtocell接入方案，初期投资小。Femtocell与宏蜂窝共用RNC设备，网络结构清晰。但Femtocell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，此方式可实施性差。
　　RAN网关（RGW）/UMA方式：在RGW方案中Femtocell接入点集成了NodeB和部分RNC功能。其接人方式是在核心网与IP接入网之间引入一个新的网元即RAN网关（RGW）。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。RAN网关方式初期投资小，对核心网影响小。RAN网关在网络中的地位相当于RNC，RAN网关负责网络安全、业务汇聚、协议转换、Femtocell设备管理与配置及Femtocell设备的接入控制。该方案的目标是以现有2G和3G蜂窝通信网为基础，为移动运营商提供一种实现标准化和安全的接入网系统的方法。
　　SIP/IMS方式：Femtocell与核心网之间采用基于SIP协议的连接方式，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。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。
　　2 Femtocell部署带来的问题
　　Femtocell部署到TD-SCDMA系统中后会出现许多问题。如Femtocell与TD-SCDMA系统之间会出现相互干扰问题；宏基站的移动台进入Femtocell的覆盖后，需要从宏基站切换到Femtocell；另外是否接纳宏基站的移动台，Femtocell也要根据自身的情况来决定等等。下面对这些问题进行深入的阐述。
　　2.1 干扰
　　第三代移动通信标准都使用CDMA技术。CDMA系统的地址码相互具有正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。所以CDMA的频谱复用率高，所有的基站都可以工作在统一的载频下。同样，对于用户来说，小区中的其他用户就会造成干扰，也就是同频干扰。当小区中的同频干扰增大时，小区的容量将会减少。大量Femtocell的引入会对原有的宏小区产生极大的干扰。另外，Femtocell与Femtocell之间也会产生干扰，特别是公寓式的住房，当一个Femtocell部署的位置与另一台Femtocell覆盖范围下的移动台距离比较近时，干扰也是相当大的。因此Femtocell中需要采用新的功率控制机制来减少干扰。

2.2 切换
　　切换是评价移动通信的一个重要指标，好的切换（下转第39页）（上接第41页）算法可以提高用户的感知度。如何实现Femtocell与宏蜂窝的无缝切换是现在研究的重点。另外，若宏蜂窝的移动台只是经过房屋，此时有可能发生切换，而这种切换是不必要的，还会增加系统的信令负荷，所以如何减少类似的不必要的切换也是现在研究的重点。下面具体介绍切换场景。
　　切换主要包括三个方面：Femtocell和Femtocell之间的切换；Femtocell向宏蜂窝的切换；宏蜂窝向Femtocell的切换。Femtocell和Femtocell之间的切换及Femtocell向宏蜂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。但宏蜂窝小区向Femtocell的切换中，由于Femtocel小区众多，宏蜂窝邻区列表有限，同时还要有相当一部分用于宏蜂窝小区之间的邻区列表 因此宏蜂窝向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蜂窝小区向Femtocell的切换。但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，宏蜂窝只关心逻辑小区的设置，而不需了解Femtocell的真实小区，以此来解决邻区列表有限的难题。
　　2.3 接入控制
　　接入控制是指Femtocell的用户是否允许外面的宏UE的用户的接入。主要有三个层面：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。Femtocelt对用户的接入必须满足3GPP对3G的各项标准规定。
　　2.4 回路的QoS
　　QoS是业务性能的综合效果，它表示用户对业务的满意程序。在大多数情况下，QoS需要保证三个方面的性能：带宽，延时和准确度。从衡量业务等级和业务质量主要的参数来说，对语音业务是新呼叫的阻塞率和掉话率，对数据业务是平均延时和包丢失率。TD-SCDMA空中接口的QoS方案主要集中在满足特定应用的需求上。通常，它为实时应用，例如语音和视频，提供硬性的QoS保证；而为非实时业务，例如分组数据提供尽力而为的服务。Femtocell部署后，Femtocell的回路使用IP网络，IP本身是一个尽力而为的网络，所以Femtocell和Femtocell网关要在IP网络中建立一个隧道用于Femtocell数据的传输。这个隧道如何建立，如何保证Femtocell数据的时廷和传输速率等问题都需要进行深入的研究。
　　【参考文献】
　　[1]NTT D0C0M0.“Downlink InterferenceCoordination Between eNodeB and Home eNodeB”.3GPP R4——093244.TsG——RAN WG4#52.Shenzhen，China，2009（8）.
　　[2]吴韶鸿.Femto——新兴3G室内覆盖技术的研究[J].电信工程技术与标准化，2008.
　　[责任编辑：周娜]