基于Femtocell的FMC的分析研究

劉一鷗

（西安外事學院 陜西 西安 710077）

全球運營商在加速3G網絡的建設和業務的拓展。而iphone、平板電腦等智能終端的出現，更加速了3G規模的壯大。因此，用戶的快速攀升、移動數據的飛速增長迫使運營商開辟新的途徑。在當前情況下，運營商開始尋找新的技術來彌補3G網絡的不足，而Femtocell也成為此過程中，運營商3G業務發展與網絡支持的必然選擇。

固定移動融合[1]（FMC）是指網絡的業務提供與接入技術和終端設備獨立，目的是用戶通過不同的接入網絡，享受相同的服務，獲得相同的業務。

Femtocell又稱為家庭基站，是安裝在家庭中的微小基站，是工作在授權使用頻段上的低功率無線接入設備，它通過家庭DSL網絡或有線寬帶網絡將標準移動終端連接到移動運營商網絡。

Femtocell最早提出是源于3G 初期覆蓋的不足以及Wi-Fi技術的挑戰。3G發展初期3G發展初期的網絡建設重點主要是室外覆蓋，用戶在室內的通信需求往往無法很好地滿足。尤其是近年來Wi-Fi技術的迅速普及以及Wi-Fi/蜂窩網雙模手機的不斷增多，3G話音及數據業務都有被分流的危險。在這種情況下，Femtocell概念一經推出，就受到移動運營商的追捧。利用這種新技術及終端，移動運營商可以進入原來被固定網絡和Wi-Fi網絡所控制的家庭及辦公場所市場[2]。

1 Femtocell的體系結構

1.1 Femtocell系統邏輯結構

Femtocell是一種在家庭中使用的基站，其系統結構如圖1所示。圖中的AAA服務器、安全網關、時鐘服務器和Femtocell網關為邏輯功能實體，實際部署時可以單獨設立，也可以和其他設備合并設立。

圖1 Femtocell系統邏輯結構Fig. 1 Logic structure of Femtocell system

Femtocell系統包括Femtocell、Femtocell網關等功能實體，各功能實體的主要功能如下。

Femtocell也稱為無線接入點(AP)，提供UMTS無線接入功能，集成了WCDMA基站和部分RNC功能，通過現有網絡接入UMTS。其主要功能包括無線調制解調、無線資源管理及功能控制等。Femtocell網關也成為無線接入點網關，提供Femtocell匯聚、無線接入點管理、語音和數據的分流和前轉、ATM/IP協議的轉換以及到核心網的標準接口等。Femtocell歸屬服務器位于運營商管理的內部網，主要完成地址規劃(Femtocell網關、Femtocell OMC、安全網關、時鐘服務器等網元地址的管理和Femtocell內網地址的分配)以及Femtocell用戶信息管理(Femtocell用戶注冊信息維護、用戶準入列表維護管理、Femtocell組管理、Femtocell位置合法性檢測等)。AAA服務器是Femtocell的鑒權服務器，用于判斷用戶身份和權限，完成Femtocell的鑒權。Femtocell OMC對Femtocell相關的設備進行管理，包括圖中的Femtocell、Femtocell網關、Femtocell歸屬服務器、AAA服務器、時鐘服務器和安全網關，還可以完成Femtocell 的升級、配置以及日常的性能和故障管理。時鐘服務器提供基于IP傳輸的同步時鐘源，它是一個邏輯實體，可以與其他設備合并設立。安全網關用于建立Femtocell和Femtocell網關間的安全隧道。

1.2 Femtocell網絡結構

Femtocell系統在網元功能配置上與傳統宏蜂窩網絡有很大的不同，它的應用環境定位于家庭或中小企業。室內通信的特點不同于室外環境，對容量需求小，且沒有用戶突然增加的情況，不需要更多考慮呼吸效應、切換等問題。Femtocell設備數量眾多，一般采用偏平化網絡結果，集成了傳統宏蜂窩多個網元的功能，如Node B、RNC、SGSN、GGSN等。對于Femtocell設備的功能組成及其設備接口，各廠家都有不同的實現方式。通常功能集成方案有兩種：集成Node B、RNC功能；或集成Node B、RNC、SGSN與GGSN功能。

原則上，Femtocell設備的引入不對移動核心網產生任何影響。設備集成的功能越多，網絡結構就越扁平化，當Femtocell設備集成了Node B、RNC、SGSN與GGSN功能時，用戶通過Femtocell設備就可以直接接入Internet網絡，無需再繞道移動分組域核心網。

Femtocell網絡架構如圖2所示。

圖2 Femtocell網絡結構Fig. 2 The structure of Femtocell network

1.3 Femtocell的接入方式

Femtocell設備功能集成度與其到核心網的接入方式是相對應的，Femtocell接入方式主要有以下幾種。

1)Iub over IP方式。這是最早提出的Femtocell方案，Femtocell設備只具備Node B的部分功能。此方案初期投資小，Femtocell可以與宏蜂窩共用RNC設備，網絡結構清晰，缺點是經濟性能較差。由于RNC具有容量與端口的限制，理想情況是由大容量宏蜂窩基站占用端口，Femtocell恰恰是端口消耗型的低容量配置設備，數目眾多且同時在線用戶很少，造成RNC設備端口與容量的浪費。核心網與RNC都把Femtocell設備看做普通NodeB來處理，其網絡結構與傳統3G網相同。此方式可實施性差。

2)RAN GateWay方式。Femtocell設備集成了NodeB和RNC的部分功能，最新提出的Femtocell接入方案是在核心網與IP接入網之間引入一個新的網元即RAN網關。RAN網關在IuOverIP接口收集來自Femtocell的業務，然后通過標準Iu-CS、Iu-PS端口分送到核心網。RANGateWay（RGW）方式初期投資小，對核心網影響小。RAN GateWay方式采用扁平化IP結構，核心網將RAN GateWay當成普通RNC設備處理，RAN GateWay負責Femtocell設備管理、語音數據分流、進行相應的協議解釋、數據包格式轉換。如圖3所示。

圖3 Femtocell網絡結構（RGW方式）Fig. 3 Structure of Femtocell network(RGW way)

3)UMA控制器方案。免授權移動接入（Unlicensed Mobile Access，UMA）控制器方案是3GPP認可的一種移動接入方式。UMA體系主要由UMA終端盒UNC組成。基于UMA控制器的飛蜂窩體系[3]包括基于UMA的飛蜂窩設備和標準的UNC設備，其中基于UMA的飛蜂窩設備包括2.5G、3G空中接口模塊、UMA客戶端模塊、標準的UMTS/GSM SIM 卡以及IP網絡接口模塊。基于UMA的飛蜂窩設備和標準的UNC設備之間通過Upi接口連接。

UMA架構可以解決Iub over IP方案和RAN GateWay方案存在的缺陷問題。

4)SIP/IMS方式。這是在Femtocell與核心網之間采用基于SIP協議的連接方式，Femtocell設備集成了NodeB和RNC的功能，運營商同時建設一張基于SIP協議的核心網，與現有分組、數據核心網絡同步運行，Femtocell用戶由新的核心網提供服務。其缺點是需要將宏蜂窩網絡的現有的業務復制到SIP網絡上，加上建設新核心網的費用，其初期投資比較大。

SIP/IMS方式是網絡發展的最終目標，但在核心網升級到IMS全IP網絡之前，此方式投資比較大，維護成本高。運營商可能更傾向于選用具有平滑升級能力的RGW設備。

5) 側重于數據業務的飛蜂窩方案[4]

由于RGW實現方式具備業務透明度高、成本低、對網絡影響小的優點，目前多數廠家選擇了RGW實現方式。現實中，各廠家提供的Femtocell設備經常是集成了Wi-Fi、ADSL家庭網關等功能的綜合性產品，有的還提供了Gi接口，這使得移動用戶可以通過Femtocell設備直接接入Internet網絡，而不需要接入移動分組域核心網。

2 Femtocell的特點和關鍵技術

2.1 Femtocell的特點

Femtocell基站與DSL路由器或電纜調制解調器的大小差不多，可以利用己有的寬帶互聯網連接為移動用戶提供室內的無線覆蓋。Femtocell基站具有以下特點[5]。

1)低成本。Femtocell結構簡單，與傳統基站相比，價格低廉，用戶可以自己購買。

2)用戶安裝支持即插即用。用戶可以自行安裝Femtocell終端，只需要運營商進行激活。

3)寬帶服務。Femtocell是基于IP協議的，采用扁平化的基站架構，可以通過現有的DSL、LAN或光纖等寬帶手段接入移動運營商的網絡。

4)低功率。Femtocell的發射功率為10～100 mW，與Wi-Fi接入點類似。

5)基于蜂窩移動網絡標準。Femtocell可以基于任何移動蜂窩通信技術，包括現有的3G標準及即將成熟的LTE。

6)使用單模終端。與UMA技術不同，Femtocell不需要雙模終端支持。

7)支持多種標準化協議。Femtocell獨立于網絡連接方式，支持連接運營商核心網的多種接口（如UMA和SIP/IMS協議等）

Femtocell使用IP協議，通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，遠端由專用網關實現從IP網到移動網的連接。它的大小與ADSL調制解調器相似，具有安裝方便、自動配置、自動網規、即插即用的特點。Femtocell適用于CDMA、GSM、UMTS等各種標準和支持2G、2.5G、3G的產品，與運營商的其它移動基站同制式、同頻段，因此手機等移動終端可以通用。它具有1個載波，發射功率為10～100 mW(與Wi-Fi的AP差不多)，覆蓋半徑為50～200 m，支持4～6個活動用戶，允許的最大用戶運動速度為10 km/h。

2.2 Femtocell關鍵技術

1)即插即用。Femtocell所扮演的角色類似于終端設備，因此其使用方法必須簡單明確，用戶從運營商獲取Femtocell基站后，只要接通電源和網絡，必須能自動完成IP連接和IP分配，進行遠程的自動軟件升級、自動網絡規劃(包括最小干擾頻點的選擇、擾碼的自動分配、鄰區列表的自動創建及發射功率的自動調整)。

2)接入控制。接入控制主要有3個層面[6]。第一，接入層的UE接入鑒權。用戶必須可以設置Femtocell的接入模式，是否允許所有用戶接入？能否設置不同的接入用戶？Femtocell信號是否可以獨享？因此Femtocell必須設置一個白名單編輯功能，以滿足對Femtocell接入終端的控制。第二，Femtocell基站設備的接入控制。運營商要能夠監控Femtocell基站的使用，并控制其IP是否允許接入。目前主要采用在Femtocell基站內置一張類似于SIM卡的信息鑒權設備，在用戶獲取Femtocell基站時，運營商可以在SIM卡上燒制相應的鑒權信息。第三，核心網3GPP標準的UE接入鑒權。Femtocell對用戶的接入必須滿足3GPP對3G的各項標準規定。

3)切換控制。Femtocell必須與宏峰窩之間實現無縫切換，以提高用戶的感知度，切換主要包括3個方面：Femtocell和Femtocell之間的切換；Femtocell向宏峰窩的切換；宏峰窩向Femtocell的切換。Femtocell和宏峰窩之間無縫切換、Femtocell和Femtocell之間的切換及Femtocell向宏峰窩小區的切換不存在問題，只要在Femtocell中設置相應的鄰區列表即可。

但宏峰窩小區向Femtocell的切換中，由于Femtocell小區眾多，宏峰窩鄰區列表有限，同時還有相當一部分用于宏峰窩小區之間的鄰區列表，因此宏峰窩向Femtocell方向的切換目前還在討論當中。由于運算的復雜度及成本問題，大部分運營商已經同意可以放棄宏峰窩小區向Femtocell的切換。但有少數設備商也提出了邏輯小區的概念，將多個Femtocell歸為一個邏輯小區，宏峰窩只關心邏輯小區的設置，而無需了解Femtocell的真實小區，以此來解決鄰區列表有限的難題。

4)IP傳輸網絡質量要求。因為Femtocell是完全通過IP網絡實現與核心網的連接，因此如何保證業務的QoS服務等級，特別是語音業務的QoS要求非常關鍵，因此對于IP傳輸網絡需要有一定的性能要求，包括語音業務QoS最低要求、滿足視頻電話及PS域384kb/s業務QoS最低要求等。

5)時鐘同步技術。Femtocell主要通過接收周圍宏基站信號來提取同步時鐘信號，如果Femtocell完全處于孤島環境，就需要通過自身的時鐘振蕩器來獲取時鐘。當然GPS也可以應用到Femtocell，但由于成本較高，目前僅在CDMAFemtocell中有少量應用。

Femtocell與傳統的Node B有很多不同，它是由用戶自行安裝在家中的設備，而且數量遠遠多于Node B。Femtocell介于宏基站和家庭網關之間的一種設備，所以具有Node B和家庭網關之間的一種設備，所以具有Node B和家庭網關的部分特點。Femtocell的生產銷售、安裝都比較簡單，而且Femtocell可以滿足個性化的需求，配置不同的參數，此外Femtocell還是即插即用的設備，因此，Femtocell安裝需要注意以下問題。

無線電干擾、自動系統選擇、激活的宏-微切換、安全、IPSec、接納控制、遠程操作、Femtocell的數量多。

3 Femtocell需要解決的問題

4 結束語

Femtocell技術[7]能使運營商和終端用戶雙方受益。Femtocell技術對運營商而言，首先，可以改善室內覆蓋；其次，將室內話務轉移到有線網絡中，減輕了宏基站的負擔，也就減輕了運營商對宏基站維護和優化的成本；第三，實現FMS，幫助運營商最大化其利益，以無需更換終端的方式來應對蜂窩/WI-FI雙模手機的應用，提供差異化服務。對終端用戶而言，Femtocell技術能改善室內通話質量[8]，并能使用戶享受到和固網一樣的速度。

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[2]曹羲.固網運營商開展全業務運營的利器——Femtocel[J].郵電設計技術,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.飛蜂窩體系結構的發展[J]. 電信技術,2008(12):75-76.SHI Xi.Development of femtocell system structure [J].Telecommunications Technology,2008(12):75-76.

[4]肖征榮.飛蜂窩技術及發展策略探討[J]. 電信技術,2008(12):77-79.XIAO Zheng-rong.Discussion on technical and development strategy of cellular fly [J]. Telecommunications Technology,2008(12):77-79.

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[6]朱小景,徐博斌. 固定移動網絡融合解決方案: Femtocell[J].移動通信,2008(6):59-62.ZHU Xiao-jing,XU Bo-bin.Fixed mobile network convergence solution: Femtocell [J].Mobile communication,2008(6):59-62.

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[8]趙志遠.Femtocell系統中認知無線電頻譜感知技術[J].電子科技,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.