Femto技術(shù)與組網(wǎng)應(yīng)用
Femto背景分析
Femto技術(shù)在3GPP R8中被引入，并成為R8的研究熱點(diǎn)。因?yàn)镕emto具有發(fā)射功率低、覆蓋范圍小、部署方便、價格低廉等特點(diǎn)，所以受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。Femto以固定寬帶接入網(wǎng)絡(luò)為回程，同時向用戶提供移動業(yè)務(wù)，是一種典型的固定移動融合技術(shù)，F(xiàn)emto將是全業(yè)務(wù)運(yùn)營商提供差異化服務(wù)的重要手段。
對運(yùn)營商來說，F(xiàn)emto技術(shù)的應(yīng)用可以提高室內(nèi)覆蓋質(zhì)量、提升用戶體驗(yàn)、減少用戶離網(wǎng)率，同時可以在空口分流宏網(wǎng)絡(luò)流量、緩解宏網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容壓力、降低3G建網(wǎng)的CAPEX和OPEX。對用戶來說，因?yàn)镕emto部署的成本低，運(yùn)營商可以為用戶提供更低的通信資費(fèi)，另外Femto用戶可以獨(dú)享無線資源和傳輸資源，獲得更好的信號質(zhì)量和接入速率，能夠促進(jìn)用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用習(xí)慣的培養(yǎng)?？傊?，F(xiàn)emto技術(shù)的出現(xiàn)為運(yùn)營商提供了室內(nèi)覆蓋的新思路。
1 Femto技術(shù)概述
1.1 Femto標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展
3GPP稱Femto為Home Node B（HNB），即家庭基站。3GPP于2007年3月啟動HNB的相關(guān)研究工作，其目標(biāo)是試圖形成家庭基站的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場景，找到標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。2008年5月3GPP完成了這個研究工作，形成了技術(shù)報告：TR 25.820“3G Home Node B Study Item Technical Report（R8）”。
R8規(guī)范了HNB架構(gòu)、Iuh接口、CSG相關(guān)標(biāo)識、測量規(guī)則、小區(qū)選擇與重選規(guī)則、HNB網(wǎng)管南向接口等方面的內(nèi)容。R9將繼續(xù)完善HNB的標(biāo)準(zhǔn)，工作目標(biāo)主要涉及以下幾部分：從宏小區(qū)到HNB小區(qū)的連接態(tài)的切換、從HNB小區(qū)到HNB小區(qū)的連接態(tài)的切換、支持OPEN模式和hybrid模式的HNB小區(qū)、Iuh接口上CS業(yè)務(wù)的上行復(fù)用。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，2009年4月CCSA開始了HNB系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。該系列標(biāo)準(zhǔn)包括家庭基站設(shè)備技術(shù)要求和測試方法、家庭基站網(wǎng)關(guān)設(shè)備技術(shù)要求和測試方法、家庭基站管理系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)要求和測試方法、家庭基站與家庭基站管理系統(tǒng)之間接口測試方法、家庭基站Iuh接口技術(shù)要求和測試方法。目前該系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)完成報批，處于待發(fā)布階段。
1.2 Femto產(chǎn)業(yè)鏈狀況
在Femto標(biāo)準(zhǔn)制定的同時，產(chǎn)業(yè)界也迅速跟進(jìn)，華為、阿朗、諾西在2009年年初第一批推出了Femto解決方案，到2009年下半年思科、NEC、新郵通等廠家都推出了自己的Femto產(chǎn)品。從設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈的角度講，F(xiàn)emto技術(shù)已經(jīng)成熟，具備了規(guī)模商用的條件。
商用方面，NTT Docomo、Vodafone、T-mobile等主流運(yùn)營商已開展相關(guān)試驗(yàn)，Sprint、Verzion、AT&T 也在著手Femto的試驗(yàn)和商用籌備，但是目前尚未有真正大規(guī)模商用的Femto網(wǎng)絡(luò)。
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2 Femto關(guān)鍵問題
2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
Femto接入網(wǎng)絡(luò)主要由HNB、家庭基站網(wǎng)關(guān)（HNB GW）、安全網(wǎng)關(guān)（SeGW）和家庭基站網(wǎng)管系統(tǒng)（HMS）構(gòu)成（見圖1）。HNB為用戶私有設(shè)備，通過公共IP網(wǎng)絡(luò)連接到HNB GW，HNB GW通過Iu接口連接到核心網(wǎng)。從核心網(wǎng)來看，HNB接入網(wǎng)是RNC，HNB GW通過標(biāo)準(zhǔn)的Iu接口接入到核心網(wǎng)；從UE側(cè)來看，HNB接入網(wǎng)是Node B，HNB與UE采用標(biāo)準(zhǔn)的Uu接口進(jìn)行通信。
圖1 Femto 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
HNB具有Node B的無線承載功能，向終端提供標(biāo)準(zhǔn)的Uu接口，同時也集成了RNC的無線資源管理、移動性管理等功能，HNB還提供了HNB GW的Iuh接口。
HNB GW是為HNB系統(tǒng)新增的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將來自眾多HNB的業(yè)務(wù)匯聚在一起，然后通過標(biāo)準(zhǔn)的Iu_CS和Iu_PS接口傳回到已有的核心網(wǎng)絡(luò)，這樣就向核心網(wǎng)屏蔽了Iuh接口和HNB系統(tǒng)特性。HNB GW還具有Iuh鏈接管理、UE注冊、HNB注冊、UE接入控制等功能。
HMS主要提供HNB的網(wǎng)絡(luò)管理功能，HMS與HNB之間采用TR069協(xié)議。具體的網(wǎng)管功能包括用戶管理、軟件管理、參數(shù)配置、故障管理、性能管理、HNB拓?fù)涔芾怼⑷罩竟芾淼?。HMS還支持HNB初始化過程中的HNB GW發(fā)現(xiàn)功能，為HNB提供初始配置數(shù)據(jù)，對HNB進(jìn)行位置信息驗(yàn)證，準(zhǔn)入列表維護(hù)。
2.2 自配置自優(yōu)化功能
自配置自優(yōu)化功能是Femto最重要的功能。
一方面，F(xiàn)emto數(shù)量眾多，運(yùn)營商不方便也不可能投入巨大的精力對其進(jìn)行開通和維護(hù)，這就要求HNB能夠即插即用，維護(hù)便捷。即插即用指Femto上電后，自動完成認(rèn)證鑒權(quán)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、IP獲取、IP Sec隧道建立、自動參數(shù)配置等過程。維護(hù)便捷指運(yùn)營商可以通過OMC進(jìn)行遠(yuǎn)程批量配置管理、軟件升級、日志自動保存等操作。
另一方面，F(xiàn)emto部署的一個重要原則是不能對宏網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大干擾，不能造成宏網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的下降。這就要求Femto具有自適應(yīng)自優(yōu)化算法，保證最優(yōu)的發(fā)射功率，以減小Femto網(wǎng)絡(luò)對宏蜂窩的干擾。
此外，F(xiàn)emto具有自動無線測量、自動鄰區(qū)配置等功能，以滿足其與宏網(wǎng)絡(luò)之間的移動性管理要求。
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2.3 UE接入控制
Femto是用戶私有設(shè)備，所以要對終端進(jìn)行接入控制。根據(jù)接入控制策略的不同，3GPP將Femto分為3種模式，即封閉模式、開放模式和混合模式。
采用封閉模式時，只允許本Femto的用戶接入，拒絕其他用戶接入。CSG就是封閉用戶組的概念（在R8中引入），用來作接入控制。根據(jù)終端對CSG的支持，又分為非CSG終端接入控制和CSG終端接入控制。對于非CSG終端，即不支持CSG的終端，F(xiàn)emto或Femto GW處會有一個用戶準(zhǔn)入列表，如果用戶的IMSI在準(zhǔn)入列表中則可以接入，否則拒絕接入。非CSG終端的接入控制在接入網(wǎng)側(cè)完成，即在Femto和Femto GW處完成。對于CSG終端，看UE和Femto的CSG是否一致，如果一致則允許接入，否則拒絕接入。CSG終端的接入控制在核心網(wǎng)完成，因此CSG模式的接入控制需要終端、Femto、核心網(wǎng)三者都支持CSG功能。
R9中又引入了開放模式和混合模式。處于開放模式的Femto不作接入控制，所有的合法終端都可以接入，從UE的角度來看，F(xiàn)emto就是一個宏基站。
混合模式介于開放模式與封閉模式之間，混合模式的Femto屬于一個CSG，采用混合模式的Femto，除了CSG列表中的用戶可以接入外，CSG列表外的合法用戶也可以接入。但是，CSG列表內(nèi)的用戶具有高優(yōu)先級，在資源受限時應(yīng)該優(yōu)先保證CSG列表內(nèi)用戶的服務(wù)質(zhì)量。
2.4 位置接入限制
位置接入限制就是要限制Femto在別的地方使用，主要是基于以下幾方面考慮。
首先，保護(hù)運(yùn)營商的長話收入，因?yàn)镕emto一般采用歸屬地接入，因此如果Femto被拿到外地去用，在該Femto下向歸屬地打電話會按市話計費(fèi)，這將造成運(yùn)營商長話收入的流失。
其次，防止Femto在別的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中使用。
最后，因?yàn)橥贿\(yùn)營商不同地區(qū)運(yùn)營策略可能不同，如果不采用位置接入限制將會出現(xiàn)市場的混亂。
3GPP在TS 25.467中給出了3種解決方案，分別是基于宏網(wǎng)絡(luò)的位置綁定、基于寬帶信息的位置綁定、基于GPS的位置綁定。具體的實(shí)現(xiàn)流程本文不再詳述。
2.5 移動性管理
Femto的部署區(qū)域一般都存在宏網(wǎng)絡(luò)覆蓋，F(xiàn)emto與宏網(wǎng)絡(luò)同覆蓋的場景如圖2所示。這就涉及到Femto小區(qū)與宏小區(qū)之間的小區(qū)重選和切換問題，并且在企業(yè)級應(yīng)用中，還涉及到Femto小區(qū)之間的小區(qū)重選與切換問題。
圖2 Femto 與宏網(wǎng)絡(luò)通覆蓋的場景
目前，F(xiàn)emto可支持與2G/3G宏網(wǎng)絡(luò)的雙向重選，同時支持Femto到宏網(wǎng)絡(luò)的切換，但是目前對從宏網(wǎng)絡(luò)到Femto的Inbound切換的支持還不完善。
對于Femto小區(qū)與宏小區(qū)之間的小區(qū)重選，主要的判據(jù)是Femto小區(qū)的信號質(zhì)量，并且遵循UE優(yōu)先駐留在Femto小區(qū)的原則。UE一旦進(jìn)入Femto覆蓋范圍，優(yōu)先選擇駐留在Femto小區(qū)上，并且能夠在宏小區(qū)信號質(zhì)量好于Femto小區(qū)時仍然駐留在Femto小區(qū)（如Femto距離宏基站較近時）；當(dāng)Femto小區(qū)的覆蓋變得比較弱時，UE重選到宏小區(qū)。
在Cell DCH狀態(tài)，因?yàn)镕emto集成了原RNC的功能，所以Femto到3G宏小區(qū)的切換類似于宏網(wǎng)絡(luò)中跨RNC的切換，即SRNS重定位過程。
但是，目前還不支持從宏網(wǎng)絡(luò)到Femto的切換。
首先是擾碼混淆問題。由于Femto的部署數(shù)目較多，且擾碼復(fù)用，因此在宏小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，會有多個Femto小區(qū)共用同一PSC的情況，即PSC混淆。在傳統(tǒng)UMTS系統(tǒng)的切換測量中是通過PSC來區(qū)分不同小區(qū)的，因此在上述不同F(xiàn)emto小區(qū)分配相同PSC將造成PSC混淆。
其次是接入控制問題。在無線測量階段UE無法知道目標(biāo)Femto是否允許接入，因此無法作出切換決定。
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3 Femto應(yīng)用場景分析
Femto主要應(yīng)用于家庭和辦公室等室內(nèi)環(huán)境，這些場景的需求特點(diǎn)是不需要支持太多用戶，但是對信號質(zhì)量要求較高，F(xiàn)emto的技術(shù)特點(diǎn)正好滿足了這些要求，而且部署方便，是家庭和小型辦公場所理想的室內(nèi)覆蓋解決方案。
對運(yùn)營商來說，采用Femto進(jìn)行家庭場景的室內(nèi)覆蓋，不僅能夠降低蜂窩網(wǎng)的運(yùn)營成本、提升用戶感受，還可以進(jìn)一步推動固定移動融合的發(fā)展，提供差異化的服務(wù)。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。
a） 節(jié)省CAPEX和OPEX。Femto能夠在空口分流宏網(wǎng)絡(luò)流量，緩解宏網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容壓力；另外，用戶提供站址、支付回程和電源，減低了OPEX。
b） 提高室內(nèi)覆蓋質(zhì)量。由于3G 技術(shù)使用的頻段比2G 網(wǎng)絡(luò)要高，因此對建筑物的穿透能力不夠，而3G網(wǎng)絡(luò)提供的各種多媒體服務(wù)又對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提出了較高的要求。Femto可以很好地解決這個問題，大大提高了室內(nèi)3G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果。
c） 提高ARPU 值。網(wǎng)絡(luò)性能的提升，必然可以提高用戶體驗(yàn)，進(jìn)而推動3G 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展和培養(yǎng)用戶的使用習(xí)慣，為運(yùn)營商帶來更多的收入。
d） 增加用戶。Femto可以作為運(yùn)營商獲取客戶的手段，可以推出類似“親情1+”之類的家庭套餐，促使擁有Femto覆蓋的家庭中的所有家庭成員都使用同一運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)。
Femto技術(shù)主要定位于家庭場景的室內(nèi)覆蓋解決方案，但是Femto也可以應(yīng)用于中小企業(yè)的辦公樓宇。
高層樓宇的特點(diǎn)是墻體較厚、穿透損耗較嚴(yán)重、建筑結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，采用在周圍部署宏基站的方式并不能滿足室內(nèi)覆蓋的需要。采用BBU+RRU室分系統(tǒng)能夠很好地解決室內(nèi)覆蓋，但代價是相對昂貴的部署成本，包括設(shè)備、傳輸資源、工程建設(shè)、后期維護(hù)的成本等。
采用Femto進(jìn)行辦公樓宇覆蓋具有部署靈活、施工方便、成本低廉等優(yōu)勢。但是這種覆蓋方案還存在一些尚未解決的問題。
首先是Femto之間的切換問題。目前在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中對Femto間切換的支持還不完善。
其次是Femto之間的干擾問題。從目前設(shè)備商推出的Femto產(chǎn)品看，F(xiàn)emto覆蓋范圍有限，同一樓層需要多個Femto共同覆蓋，如何控制干擾也將是運(yùn)營商需要面臨的問題。
最后是Femto的容量問題。家庭級的Femto一般只支持16個用戶駐留和4個用戶并發(fā)，這對企業(yè)級應(yīng)用來說是不夠的。因此，對于Femto的企業(yè)級應(yīng)用，應(yīng)該采用企業(yè)級的Femto，目前企業(yè)級應(yīng)用的Femto產(chǎn)業(yè)鏈還不成熟，可以商用的產(chǎn)品有限。
4 結(jié)束語
雖然3GPP對Femto標(biāo)準(zhǔn)化工作是從R8開始的，但基于盡可能不影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的考慮，F(xiàn)emto設(shè)備對R8之前的終端與核心網(wǎng)絡(luò)具有良好的兼容性，自配置自優(yōu)化功能保證了Femto對宏網(wǎng)絡(luò)盡量小的影響。
目前，F(xiàn)emto產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成熟，華為、阿朗、諾西、思科、NEC等公司都已經(jīng)推出了Femto解決方案。從技術(shù)的角度來講，引入Femto的時機(jī)已經(jīng)成熟，運(yùn)營商可以根據(jù)自己的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)計劃逐步部署Femto，可以優(yōu)先在有固定寬帶的家庭場景部署。
Femto的引入能否獲得成功還受市場策略、盈利模式等因素的影響，這些因素的影響甚至超過技術(shù)本身。
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