CDMA Femtocell標準及關鍵技術

摘 要：首先闡述了CDMA Femtocell標準的制定歷程和發展現狀，再從應用和開發的角度出發，對CDMA Femtocell網絡架構和關鍵技術進行深入分析。對3GPP2標準中未明確但十分重要的內容，如匯聚管理、移動性管理等給出具體實現方案，有益于Femtocell產品開發和實現。

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關鍵詞：CDMA; Femtocell; FAP; 架構; 匯聚; 切換

中圖分類號：TN929.5-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0055-04

CDMA Femtocell standards and its key technology

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TANG Chun-mei

(Xidian University， Xi’an 710071， China)

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Abstract：

The history and current status of CDMA Femtocell standards are introduced. The network architecture and key technology of CDMA Femtocell are analyzed from the perspective of application and development. The specific implementation schemes for not clear but important contents in 3GPP2 standards， such as aggregation management， mobility management， etc are presented. It is useful for development and implementation of Femtocell products.

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Keywords： CDMA; Femtocell; FAP; standard; architecture; aggregation; handoff

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收稿日期：2011-07-08

0 引 言

Femtocell(毫微微蜂窩)是一種新型的小型化、低功率基站，利用有線寬帶接入作為回傳，具有低成本、接入方便、覆蓋靈活等特點，主要部署在家庭或企業等室內環境，可以幫助運營商擴大無線網絡覆蓋，提高容量，提高運營商的競爭力。

Femtocell技術出現后，各國際標準組織制定了相關技術規范。本文介紹了CDMA Femtocell標準的現狀，深入剖析3GPP2 Femtocell網絡架構以及實現關鍵技術，并探討了標準的未來演進方向。

1 標準現狀

與CDMA Femtocell相關的標準化組織有3GPP2、Femto Forum和Broadband Forum等。Femto Forum是發起者，在產業內部協調需求，研究技術及市場應用。Broadband Forum與3GPP2合作，制定Femtocell與網管系統之間的TR-069數據模型，提供接口開放建議。3GPP2定義需求，制定CDMA Femtocell相關技術規范。

3GPP2 CDMA Femtocell需求規范S.R0126-0于2008月5月發布[1]。規范分兩個階段進行。Phase 1主要支持基于IMS的1x電路域Femtocell和基于IOS的分組Femtocell(HRPD和 1x 分組域)，于2010年4月前發布。Phase 2主要支持基于IOS的1x電路域Femtocell、扁平架構Femtocell和HRPD Femtocell增強特性。

CDMA Femtocell規范主要包括空口、接入網IOS和核心網部分。空口規范主要涉及支持Fetmocell增強特性的1x C.S0005-E規范，HRPD C.S0024-C規范，增強系統選擇C.S0016-D以及最小性能規范C.S0010-D和C.S0032-C。接入網IOS規范主要涉及同時支持基于現有終端和增強特性終端的A.S0024規范。核心網規范為X.S0059-100~500，包括Femtocell網絡框架、Femtocell IP技術、Femtocell配置參數、基于IMS的1x Femtocell規范。

2 Femtocell網絡架構

CDMA Femtocell網絡架構包括1x電路域架構，1x分組域架構和HRPD架構。

1x分組域架構與HRPD架構相同，如圖1所示[2-3]。其中FAP(Femtocell接入點)是用戶端設備，集成BTS和BSC/PCF的功能，通過A接口接入FGW(Femtocell網關)。SeGW(Femtocell安全網關)為FAP連接運營商網絡提供安全接入。Femtocell AAA是FetmoCell認證服務器，提供FAP認證與授權功能，也可以發送策略信息給SeGW。FMS(Femtocell管理系統)為FAP提供管理和參數配置，基于TR-069網管接口標準。

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圖1 CDMA 2000 HRPD/CDMA 2000 1x分組域Femtocell結構圖

1x電路域Femtocell架構有兩種方式，即通過SIP接入IMS和通過A接口接入MSC。

Femtocell通過SIP接入IMS，FAP實現SIP客戶端功能，將傳統1x空口協議轉換為SIP協議接入IMS[4]。其優點是Femtocell直接接入新的獨立的IMS網絡，對現有網絡影響小；使用SIP協議，可擴展性好。缺點是接入過程復雜，性能低于現有1x網絡；傳輸效率低，時延大；與宏網之間的切換流程復雜，時間長；在業務方面也不能重用現網業務，需要重新開發補充業務。但現實中，對沒有部署IMS的運營商，該架構優勢難以發揮，部署時還需要新增轉換設備，將SIP信令轉換后接入現有核心網，但不適合中國使用。

Femtocell通過A接口接入MSC，FAP完成BTS和BSC功能，提供標準A接口，FGW完成A接口代理功能接入MSC。優點是采用標準A接口，業務接入與處理與宏網絡完全相同；與宏網間的切換與現有切換類似，切換時間較短；FGW功能簡單，對現網MSC影響較小。在具體使用時，FAP與FGW間A接口的底層承載方式可以有不同方式。該架構受到更多運營商和設備商的支持，如圖2所示[5]。本文中后續的分析也將基于該架構。

圖2 基于IOS的1x電路域架構參考模型

3 Femtocell關鍵技術

Femtocell做為移動網絡的一部分，應能支持移動網現網所有業務。Femtocell的部署應盡量減少對已有系統的影響，在不修改已有移動核心網和終端的前提下，實現Femtocell與宏站之間的雙向切換，實現Femtocell與Femtocell之間的無縫切換。Femtocell還應具備一定的自組網能力，減少與宏基站之間的干擾。適合于在用戶側安裝和使用，支持即插即用、用戶接入控制、遠程管理等功能，并支持基于Femtocell的差異計費。

3.1 即插即用

用戶購買FAP設備，提供簽約信息，如家庭地址、接入控制列表、FAP機身編號等，由運營商客服人員把這些信息提供給客服平臺處理。

用戶將FAP開機，FAP執行鄰區發現過程，搜索并獲得無線相鄰小區信息。FAP根據預配置，通過DNS解析或其他方式發現SeGW IP地址，在FAP與SeGW之間建立IPSec安全隧道。通過安全IP隧道，FAP用DNS方式找到FMS并且上傳其相鄰小區搜索結果給FMS。FMS配置好FAP的空口和網絡參數后下發到FAP。FAP從FMS的配置信息中得知FGW地址，到FGW進行注冊，注冊完成后，FAP可以在指定的頻率上開始工作。

FAP還要支持自動優化功能，當FAP周圍的無線環境發生變化時或周期性的在運行過程中處于無業務狀態時，自動對頻點、PN、鄰區等做自動優化和配置，并將最終的結果上報給FMS。

3.2 匯聚管理

同一個MSC可支持小區數是受限的，而網絡實際部署后FAP數量可能遠超出這個限制。需要FGW實現匯聚功能，使多個FAP可以共享相同的小區標識(Cell ID)。FGW應保留一張FAP-FGW間使用的小區標識與FGW-MSC間使用的小區標識的映射表。FGW在收到FAP向MSC發送的A接口消息時，將消息中的小區標識字段替換為FGW-MSC間使用的小區標識后把消息發給MSC。反之，FGW在收到MSC向FAP發送的A接口消息時，將消息中的小區標識字段替換為FAP-FGW間使用的小區標識后把消息發給FAP。

PDSN支持的PZID也是有限的，多個FAP需要共享相同的PZID以及PCF IP地址，FGW應支持A10/A11接口匯聚功能。經過接口匯聚后，無論FGW下部署多少FAP，對PDSN都只呈現以FGW的IP地址為PCF IP地址的一個或幾個PCF。A10/A11接口匯聚功能需要由FGW重新分配A10 KEY，替換轉交地址和FAP分配的A10 KEY來實現。如圖3所示。

HRPD宏網AN通常不能支持配置多個FAP信息，FGW應支持A13/A16接口匯聚，使宏網配置FGW信息以替代FAP信息。FGW通過將FAP發送的消息/數據中的源IP地址轉換成FGW的IP地址，并將宏網絡側發送的消息/數據中的目的IP地址轉換成相應的FAP的IP地址，來實現FAP與宏網絡側的消息/數據交互。這樣可以節省宏網絡維護成本。

類似的，從AN-AAA考慮，FGW實現A12接口匯聚功能，會減少AN-AAA的處理量，減少對FAP的運營維護。

圖3 A10/A11接口匯聚

3.3 移動性管理

1x及HRPD空口規范[6-7]為更好的支持Femtocell移動性制定了新的增強特性。但目前來看，運營商對Femtocell的需求還是基于支持現有傳統終端。

1x及HRPD Femtocell移動性管理均支持dormant態和激活態的宏網與Femtocell間雙向切換，1x Femtocell還支持FAP間的切換。切換流程基本與宏網絡現有流程一致[8-9]。差別主要在激活態終端從宏網向Femtocell的切換。切換請求發到FGW后，由于FAP數量眾多，FGW很可能難以確定切換目標FAP。此時，FGW需要發送測量請示消息給所有配置相同PN偏置的FAP，讓這些FAP嘗試檢測終端和測量反向鏈路信號強度，并將測量結果和FAP的發射功率上報給FGW，以方便FGW據此惟一確定目標FAP。以1x為例，流程與原切換流程差異之處在新增的測量請求和響應消息，如圖4所示[5]。

圖4 1x宏網向Femtocell激活態切換的反向測量過程

1x激活態FAP間切換，類似于宏網絡硬切換流程[10]，但宏網絡發送到MSC的切換請求(Handoff Request)、負載更新(Bearer Update Request)等消息改由FGW終結和處理，切換完成后改為由FGW發送切換執行(Handoff Performed)命令通知MSC發生了切換。這樣可以最小化Fetmocell系統內部發生的切換對現有MSC的影響。

3.4 安全

FAP為用戶端設備，FAP和SeGW之間的IP網是非授信網絡，因此在FAP向終端提供服務之前，FAP應支持與SeGW進行雙向認證以及與鑒權服務器的授權過程。FAP應支持證書認證方式，也應支持EAP_AKA認證方式。對于EAP_AKA的鑒權方式，FAP與UIM卡可以機卡一體，也可機卡分離。Femtocell AAA 是可以獲取FAP安全運作所必需的鑒權信息的CDMA 2000網絡實體。FAP通過SeGW與位于運營商核心網內的FMS進行通信。FAP和SeGW之間應該通過IPsec隧道來保護所有的消息。

3.5 接入控制

為保障注冊用戶的私有性，Femtocell系統具備接入控制功能，通過接入控制列表(ACL)實現對授權用戶提供服務。

(1) FAP工作在開放模式，任意終端都可以通過FAP接入并獲得服務，不需對終端執行接入控制。

(2) FAP工作在閉合模式，僅ACL中的用戶被允許接入并獲得服務，由FAP做接入控制點。HRPD也可以用AN-AAA為接入控制點。

(3) FAP工作在信令模式，終端能注冊到FAP，但不在ACL中的終端接入FAP時可能被重定向到宏網，由FAP做接入控制點。HRPD也可以用AN-AAA為接入控制點。

ACL采用國際移動用戶識別碼(IMSI)作為用戶標識，可以在自動配置過程中進行設定，也可以由運營商或者用戶進行修改。FMS應保存并管理ACL。為了執行接入控制，FAP也應存儲ACL。在自動配置期間FAP的ACL應該由FMS提供，發生改變時也由FMS進行更新。在FMS和FAP中存儲的ACL應完全相同并同步進行更新。

4 標準演進方向

當前CDMA Femtocell標準化工作已接近尾聲。展望未來，標準還可能向以下方向發展和演進：

(1) 與E-UTRAN互通。如LTE家庭基站與CDMA宏網絡互通，以及CDMA Femtocell與LTE宏網互通。

(2) 企業應用。可能包括FAP間直連，更高的切換性能要求如實現軟切換，更高的干擾檢測和協調要求，LIPA，Local Switch等。

(3) 自組織網絡SON。可能包括自動鄰區配置和優化、PN自動規劃、頻率/Cell ID/LAC/子網等自動規劃、切換優化、干擾協調等。

(4) 3GPP概念引入。例如引入閉合用戶組CSG概念，對CSG用戶和非CSG用戶實現不同的接入控制策略等；尋呼優化；實現黑白名單機制等。

5 結 語

3GPP2 Femtocell技術基本成熟，支持Femtocell大規模部署，支持傳統終端接入，支持與宏網絡間及FAP間無縫切換，支持即插即用、用戶接入控制等，能夠滿足運營商部署Femtocell網絡的需求。

參 考 文 獻

［1］3GPP2 S.R0126-0 v1.0， System requirements for femto cell systems［S］. [S.l.]: 3GPP2， 2008.

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［2］3GPP2 X.S0059-000-0 v1.0， CDMA 2000 femtocell network: overview ［S］. [S.l.]: 3GPP2， 2010.

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［3］3GPP2 X.S0059-100-0 v1.0， femto network specification ［S］. [S.l.]: 3GPP2， 2010.

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［4］3GPP2 X.S0059-200-0 v1.0， CDMA 2000 femtocell network: 1x and IMS Network Aspects ［S]. [S.l.]: 3GPP2， 2010.

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［5］3GPP2 A.S0024-A v1.0， Interoperability specification (IOS) for femtocell access points ［S］. [S.l.]: 3GPP2， 2011.

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［6］3GPP2 C.S0005-E v1.0， Upper layer (Layer 3) signaling standard for CDMA 2000 spread spectrum systems ［S］. [S.l.]: 3GPP2， 2009.

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［7］3GPP2 C.S0024-C v1.0， CDMA 2000 high rate packet data air interface specification ［S］. [S.l.]: 3GPP2， 2010.

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［8］3GPP2 A.S0008-C v2.0， Interoperability specification (IOS) for high rate packet data (HRPD) radio access network interfaces with session control in the access network［S］. [S.l.]: 3GPP2， 2009.

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［9］3GPP2 A.S0013-D v2.0， Interoperability specification (IOS) for CDMA 2000 access network interfaces-part 3 features［S］. [S.l.]: 3GPP2， 2009.

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［10］3GPP2 A.S0014-D v2.0， Interoperability specification (IOS) for CDMA 2000 access network interfaces-part 4 (A1， A1p， A2， and A5 interfaces) ［S］. [S.l.]: 3GPP2， 2009.

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［11］3GPP2 S.R0135-0 v1.0， Network architecture model for CDMA 2000 femtocell enabled systems ［R]. [S.l.]: 3GPP2， 2010.

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作者簡介：

唐春梅 女，1977年出生，云南人，碩士，工程師。長期從事無線通信相關工作，對無線網絡設計與規劃、無線標準研究等方面有豐富經驗。