Nanocell技術(shù)方案與實踐

曹汐 中國移動通信研究院高級工程師，無線系統(tǒng)研究員

王東 中國移動通信研究院工程師，無線硬件研究員

劉光毅 中國移動通信研究院高級工程師，無線技術(shù)研究所總工程師

Nanocell技術(shù)方案與實踐

曹汐 中國移動通信研究院高級工程師，無線系統(tǒng)研究員

王東 中國移動通信研究院工程師，無線硬件研究員

劉光毅 中國移動通信研究院高級工程師，無線技術(shù)研究所總工程師

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)運營存在的兩個不平衡日益顯現(xiàn)，即移動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的增長與移動通信網(wǎng)絡(luò)承載能力增長間的不平衡；移動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的增長與運營商收入增長間的不平衡。為了維持產(chǎn)業(yè)鏈的健康和可持續(xù)發(fā)展，必須通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力的提升、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營方式等方面的革新來降低網(wǎng)絡(luò)的部署和運營成本。Small Cell技術(shù)能彌補傳統(tǒng)宏蜂窩深度覆蓋的不足，分流宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)荷，降低運營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營成本。為了充分利用運營商已經(jīng)大量部署的WLAN站點與傳輸資源，進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，融合TD-LTE Small Cell與WLAN兩類熱點及室內(nèi)覆蓋技術(shù)，中國移動提出了Nanocell及其端到端的系統(tǒng)解決方案，期望能夠聚合TD-LTE及WLAN產(chǎn)業(yè)力量、滿足用戶業(yè)務(wù)未來發(fā)展需求、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

Nanocell TD-LTE Small Cell WLAN

1 引言

隨著智能手機等新一代終端的不斷普以及移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)了爆炸式的增長趨勢。根據(jù)目前相關(guān)機構(gòu)的統(tǒng)計結(jié)果，現(xiàn)階段全球無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)年增長率超過100%；而未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)預(yù)計5年增長40倍，10年增長1000倍。在過去5年中，中國移動網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增加了60倍，其中移動語音業(yè)務(wù)的60%和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的70%發(fā)生在室內(nèi)。據(jù)預(yù)測，未來室內(nèi)業(yè)務(wù)將占總業(yè)務(wù)量的90%。而隨著無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速增長以及室內(nèi)無線傳輸需求的不斷增加，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方式對于支持室內(nèi)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的瓶頸日益突出，對移動運營商的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提出種種挑戰(zhàn)，包括：

（1）傳統(tǒng)2G、3G網(wǎng)絡(luò)無線接入容量極限逐漸顯現(xiàn)。

（2）頻譜資源日益緊張，可用于廣覆蓋的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的新增頻率資源日益匱乏。

（3）站址、天饋資源獲取難度日益增加，密集城區(qū)的站間距接近理論極限，很難支持蜂窩宏基站的更密集部署。

（4）普通蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署密集，網(wǎng)絡(luò)干擾環(huán)境更加復(fù)雜，影響網(wǎng)絡(luò)性能。

（5）宏站的部署和運營成本高昂，新增宏站擴容的建網(wǎng)方式難以為繼。

為了維持產(chǎn)業(yè)鏈的健康和可持續(xù)發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展必須考慮如何通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力的提升、部署方式和運營方式等方面的革新來不斷降低網(wǎng)絡(luò)的部署和運營成本。而Small Cell技術(shù)能較好地克服上述問題，提升頻譜資源利用率，實現(xiàn)低成本快速靈活建網(wǎng)，補充傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋不足和局部熱點區(qū)域的容量不足。此外，為了分流2G/3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，中國移動在2014年已建設(shè)超過420萬個WLAN接入點，通過多網(wǎng)的協(xié)同，滿足不斷增長的用戶移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。

為了融合Small Cell與WLAN兩類熱點及室內(nèi)覆蓋技術(shù)，充分利用WLAN站點與傳輸資源，彌補宏蜂窩深度覆蓋的不足，合理分流宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)壓力，降低運營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營成本，中國移動提出了Nanocell及其端到端的系統(tǒng)解決方案，期望能夠聚合TD-LTE及WLAN產(chǎn)業(yè)力量，滿足用戶業(yè)務(wù)未來發(fā)展的需求、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

2 Nanocell的定義及主要特征

對于典型的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通常采用宏基站進(jìn)行連續(xù)覆蓋和室內(nèi)淺層的部署，采用微基站進(jìn)行道路、室外覆蓋室內(nèi)、以及室內(nèi)深度覆蓋的室內(nèi)分布系統(tǒng)的部署，采用企業(yè)級Picocell進(jìn)行補盲、補熱，而家庭級Femtocell則用于家庭部署。而包括Picocell和Femtocell的眾多小型基站在業(yè)界也統(tǒng)稱為Small Cell。

對于室內(nèi)和熱點場景的部署，需要充分考慮設(shè)備的體積、成本、效率與回傳Backhaul的限制。結(jié)合室內(nèi)、熱點的部署特點，中國移動提出Nanocell及其系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)Small Cell與WLAN在室內(nèi)和熱點地區(qū)的融合組網(wǎng)。

Nanocell與傳統(tǒng)的宏基站、微基站等在整個移動通信網(wǎng)絡(luò)中的主要部署場景如圖1所示。

圖1 Nanocell應(yīng)用場景示意圖

Nanocell的主要定義是：一種集成Small Cell（通常指發(fā)射功率小于1W的室內(nèi)蜂窩小區(qū)，如Picocell、Femtocell等）與WLAN的產(chǎn)品形態(tài)。集成電信級WLAN服務(wù)的一體化設(shè)備、對蜂窩網(wǎng)和WLAN干擾協(xié)同的系統(tǒng)化設(shè)計及后續(xù)面向WALN和蜂窩網(wǎng)的融合是Nanocell區(qū)別于Small Cell的最主要特征，具體表現(xiàn)在：

●同時支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及WLAN的覆蓋：通過技術(shù)方案，降低蜂窩系統(tǒng)與WLAN之間的干擾，保證兩者之間的覆蓋及容量。

●可以部署在企業(yè)、熱點與家庭場景：Nanocell既可以由運營商部署并維護(hù)，也可以由普通用戶部署，并通過回傳由運營商自動完成配置及維護(hù)工作。

●支持較低的建設(shè)成本與維護(hù)成本：分階段支持基于SoC芯片架構(gòu)的Small Cell與WLAN AP功能的融合；分階段支持核心網(wǎng)的融合演進(jìn)；制定標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)。

●使用靈活、低成本的回傳網(wǎng)絡(luò)：Nanocell可使用IP化的低成本有線或無線的寬帶回傳網(wǎng)絡(luò)，可以使用運營商自有的寬帶回傳網(wǎng)絡(luò)或者有合作協(xié)議的第三方網(wǎng)絡(luò)。

●支持完善可信的安全能力：具有可靠的安全機制保證接入和業(yè)務(wù)安全，通過證書實現(xiàn)身份認(rèn)證，具備可信環(huán)境，保證設(shè)備、信令和數(shù)據(jù)傳輸安全。

3 Nanocell的系統(tǒng)架構(gòu)

為了適應(yīng)Nanocell大規(guī)模部署的需求，減少對已有LTE和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的影響，Nanocell采用了一套專門的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

如圖2所示，Nanocell的系統(tǒng)架構(gòu)可分為3個部分：EPC核心網(wǎng)部分、WLAN接入控制部分及Nanocell新增網(wǎng)元部分。其中，EPC核心網(wǎng)及WLAN接入控制的架構(gòu)和組網(wǎng)方式沿用已有系統(tǒng)架構(gòu)和功能，而Nanocell新增的網(wǎng)元如下：

●Nanocell：為終端提供蜂窩網(wǎng)接入，和終端間通過Uu口進(jìn)行空口的通信。同時，提供WLAN接入，與終端通過WLAN模塊進(jìn)行通信。

●Nanocell網(wǎng)關(guān)：對Nanocell設(shè)備進(jìn)行雙向認(rèn)證；對S1接口的信令和數(shù)據(jù)及Nanocell與網(wǎng)管間的消息通過IPSec進(jìn)行加密；在Nanocell數(shù)量大時，Nanocell網(wǎng)關(guān)可根據(jù)配置進(jìn)行S1接口信令面的匯聚，降低對MME的信令壓力。

●Nanocell網(wǎng)管：對Nanocell、Nanocell網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，在Nanocell啟動時對其參數(shù)進(jìn)行配置，在運行中對Nanocell進(jìn)行性能管理。

●回程網(wǎng)絡(luò)：Nanocell回傳網(wǎng)絡(luò)使用靈活的IP化接入方式，支持有線及無線的回傳方式，其組網(wǎng)方式也相應(yīng)地依據(jù)其回程的方式來進(jìn)行組織。

圖2 Nanocell系統(tǒng)架構(gòu)

●本地網(wǎng)關(guān)：是Nanocell的可選功能，可將用戶的數(shù)據(jù)通過本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，訪問本地網(wǎng)絡(luò)的IP資源，減少傳遞到核心網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)包。

4 Nanocell的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品特征

結(jié)合Nanocell的應(yīng)用場景特點以及其可能的產(chǎn)品特征，Nanocell的主要產(chǎn)品特征可歸結(jié)如下：

●無線功能及性能要求

——3GPP兼容性：兼容3GPP R9標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

——IEEE兼容性：兼容IEEE 802.11a/b/g/n協(xié)議。

——TD-LTE用戶容量：企業(yè)級32～64個激活用戶，家庭級8個激活用戶。

●硬件要求

——LTE射頻通道數(shù)：2個發(fā)射通道、2個接收通道。

——WLAN射頻通道數(shù)：每頻段2個發(fā)射通道、2個接收通道。

——LTE最大輸出功率（總功率）：企業(yè)級250mW，家庭級100mW。

——WLAN最大輸出功率：100mW/頻段。

——供電方式：以太網(wǎng)供電POE/POE+，交流供電（可外置AC-DC適配器）。

●射頻指標(biāo)要求

——3GPP兼容性：兼容3GPPTS36.104。

——共存干擾要求：LTE下行滿功率發(fā)射的情況下，WLAN接收機靈敏度惡化不得超過3dB；WLAN下行滿功率發(fā)射時，LTE接收機靈敏度惡化不得超過3dB。

●SON

——基站自啟動：基站上電后無需任何人工干預(yù)就能自動完成至少包括設(shè)備自檢、傳輸自檢、軟件和配置數(shù)據(jù)管理、小區(qū)自建立。

——PCI自配置自優(yōu)化：功能開關(guān)、PCI自配置、PCI自優(yōu)化、PCI沖突與混淆檢測。

——自動鄰區(qū)關(guān)系：自動添加鄰區(qū)關(guān)系、自動刪除鄰區(qū)關(guān)系、自動調(diào)整鄰區(qū)關(guān)系屬性。

——移動性優(yōu)化：包括移動性優(yōu)化功能開關(guān)、移動性優(yōu)化設(shè)置、移動性優(yōu)化功能。

——小區(qū)自報警和自治愈：包括自動預(yù)警、自動報警；能夠?qū)崿F(xiàn)基站自動故障修復(fù)。

●同步解決方案

引入Nanocell后，組網(wǎng)方式將更豐富。為了在絕大多數(shù)部署場景中有效抑制TDD小區(qū)間上下行時隙干擾，要求Nanocell小區(qū)間保持同步，并且Nanocell和宏網(wǎng)絡(luò)也能保持同步。通常，同步精度要求頻率精度誤差≤±0.25ppm，時間同步精度誤差≤3μs。目前，常見的同步方案有以下3種：

——網(wǎng)絡(luò)同步（如IEEE1588v2）：通過傳輸網(wǎng)絡(luò)由1588v2高精度時間同步協(xié)議為基站提供同步信息。

——GNSS同步（GlobalNavigationSatellite System）：利用專用衛(wèi)星接收機通過GPS或北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時，獲得高精度的頻率和時間同步信號。為了加速衛(wèi)星信號的搜索能力，提升室內(nèi)弱信號環(huán)境下的同步成功率，還可以采用A-GNSS（Assisted-GNSS）技術(shù)優(yōu)化同步建立和保持性能。

——空口同步：周期性監(jiān)聽參考基站的同步信號，實現(xiàn)與參考基站的頻率和時間同步，通常包括同步建立和同步保持兩個過程；為了應(yīng)對更為復(fù)雜的應(yīng)用場景，還可能需要支持多模多頻段空口偵聽，或者支持多跳空口同步。

然而，Nanocell的部署場景豐富，以上3種常見同步方案對于不同的應(yīng)用場景各有優(yōu)缺點，難以依靠某一種同步方案就滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場景下的同步要求。因此，實際應(yīng)用時可能需要采用多種同步方式相結(jié)合的組合同步方案，并在產(chǎn)品實現(xiàn)時盡量考慮模塊化、接口通用化等設(shè)計思路，降低同步方案對產(chǎn)品成本和實現(xiàn)復(fù)雜度的影響。

5 Nanocell的應(yīng)用部署場景

Nanocell可作為傳統(tǒng)宏蜂窩的補充，重點用于中小面積場景的室內(nèi)場景深度覆蓋和容量補充，如營業(yè)廳、底商、居民樓、小型寫字樓、小型超市、賣場、別墅及公寓住宅等。在此類場景下Nanocell因低成本、快速靈活部署等特性，比傳統(tǒng)室分建設(shè)方式更具優(yōu)勢。

●對于覆蓋面積百平米左右、并發(fā)用戶數(shù)少于8的家庭、酒店公寓單間、辦公室等場景可部署單臺家庭級Nanocell基站滿足室內(nèi)深度覆蓋。

●對于覆蓋面積在數(shù)百至一千平米、并發(fā)用戶數(shù)大于8的沿街商鋪、營業(yè)廳、開闊單間等場景可部署單臺企業(yè)級Nanocell基站滿足覆蓋和容量要求。

●對于覆蓋面積在數(shù)千平米的小型企業(yè)、超市、賣場、寫字樓、教學(xué)樓等場景，可部署多臺企業(yè)級Nanocell基站組網(wǎng)覆蓋。

●對于建筑面積1萬平米以上的有墻體和樓層隔離的密集建筑場景，可部署多臺企業(yè)級Nanocell基站組網(wǎng)覆蓋可作為傳統(tǒng)室分、MDAS、分布式皮站等其他覆蓋方案的補充方案。

●除用于整棟樓宇室內(nèi)覆蓋外，Nanocell基站還可用于已有室內(nèi)覆蓋場景的局部區(qū)域覆蓋或容量增強，實現(xiàn)按需靈活精確覆蓋或補充。

●除用于常規(guī)應(yīng)用場景外，Nanocell基站系統(tǒng)還可用于對覆蓋面積和容量要求不高的應(yīng)急通信或特殊應(yīng)用場景，發(fā)揮其快速靈活、配套要求低等優(yōu)勢。

6 Nanocell的應(yīng)用實踐

近期，通過在多個城市、多種典型室內(nèi)應(yīng)用場景的現(xiàn)網(wǎng)試點，驗證了Nanocell系統(tǒng)已具備端到端商用能力，無線性能符合預(yù)期，系統(tǒng)架構(gòu)靈活，建設(shè)維護(hù)方便。

6.1 試點應(yīng)用場景

●中小面積單站覆蓋場景：如營業(yè)廳、居民樓。

●大中型建筑整棟樓宇覆蓋場景：如高校食堂、高校教學(xué)樓、超市、專業(yè)賣場。

●大型建筑室內(nèi)局部區(qū)域覆蓋：如寫字樓、高校教學(xué)樓等。

6.2 試點產(chǎn)品信息

●TD-LTE頻段：Band40：2320～2370MHz。

●WLAN頻段：IEEE 802.11 a/b/g/n 2.4GHz/ 5.8GHz。

●TD-LTE最大發(fā)射功率：2通道×125mW/通道。

●WLAN最大發(fā)射功率：2通道×100mW/頻段/通道。

●TD-LTE信號帶寬：20MHz。

●TD-LTE射頻通道數(shù)：2 Tx、2 Rx。

●TD-LTE支持用戶數(shù)：32激活用戶、96 RRC連接用戶。

●設(shè)備體積重量：<3L/<3kg。

●防護(hù)等級：IP30。

6.3 試點應(yīng)用效果

●無線性能符合預(yù)期

——覆蓋能力理想：大多數(shù)場景組網(wǎng)連續(xù)覆蓋時，平均每站覆蓋面積可達(dá)1000～2000m2（含穿透1～2堵墻），吞吐率性能符合理論預(yù)期。

——與宏網(wǎng)融合：驗證支持Nanocell間及與宏站的互操作、CSFB；可與宏網(wǎng)融合組網(wǎng)。

——多模業(yè)務(wù)支持：多模Nanocell可支持LTE/ GSM雙模覆蓋，支持話音、短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)和統(tǒng)一回傳。

——同頻/異頻組網(wǎng)：Nanocell間可支持同頻、異頻組網(wǎng)。

●系統(tǒng)架構(gòu)靈活

——系統(tǒng)架構(gòu)選擇：支持無網(wǎng)關(guān)（直連核心網(wǎng)）、通過安全網(wǎng)關(guān)及安全網(wǎng)關(guān)+信令網(wǎng)關(guān)多種系統(tǒng)架構(gòu)，各中架構(gòu)下與宏網(wǎng)互操作正常。

——回傳更加靈活：支持自有PTN/xPON等多種回傳方式，第三方回傳方式驗證技術(shù)可行。

——網(wǎng)關(guān)功能驗證：信令網(wǎng)關(guān)支持虛擬網(wǎng)關(guān)方案及信令匯聚功能，安全網(wǎng)關(guān)支持多種認(rèn)證方式并支持第三方回傳。

●建設(shè)維護(hù)便捷

——建網(wǎng)便捷：支持基于全I(xiàn)P的傳輸，采用五類線回傳；支持POE+供電方式；支持多種靈活同步方案；站址獲取和物業(yè)協(xié)調(diào)容易，施工周期短，建網(wǎng)效率高。

——SON：支持自啟動自配置自優(yōu)化，具備空口偵聽能力，開站快速便捷。

——全系統(tǒng)可管可控：支持完善的網(wǎng)管功能，可對全系統(tǒng)各節(jié)點進(jìn)行管理監(jiān)控。

——容量優(yōu)勢：相比傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)，每個接入點獨立于小區(qū)，容量優(yōu)勢明顯，擴容壓力小。

7 結(jié)束語

Nanocell是中國移動為了聚合蜂窩與WLAN網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)鏈，完成蜂窩網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)深度融合所推出的端到端解決方案。該方案以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過產(chǎn)品升級和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整，可實現(xiàn)在一套系統(tǒng)上同時支持TD-LTE和WLAN兩種無線寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，彌補傳統(tǒng)宏蜂窩深度覆蓋的不足，合理分流宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)荷，降低運營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營成本。近期，通過在多個城市、多種典型室內(nèi)應(yīng)用場景的現(xiàn)網(wǎng)試點應(yīng)用，驗證了Nanocell系統(tǒng)已具備端到端商用能力，無線性能符合預(yù)期，系統(tǒng)架構(gòu)靈活，建設(shè)維護(hù)方便，可有效用于室內(nèi)深度覆蓋和熱點區(qū)域容量補充，為TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，特別是室內(nèi)覆蓋提供了新的技術(shù)手段。

1 中國移動通信研究院.中國移動Nanocell技術(shù)白皮書.2012

Nanocell Technology Schemes andApplication

The rapid development of mobile Internet,the growth of the mobile data traffic and the growth of the mobile communication network capability becomes imbalance,and the growth of the mobile traffic and the growth of operators’revenue becomes imbalance.In order to maintain a healthy and on-going development of the mobile communications industry,it is necessary to reduce the network CAPEX/OPEX by introducing the new network technologies and the innovative network deployment and operation.As small cell can offer the capability to offload the Macro Cell traffic and reduce operators’network OPEX and CAPEX,and to take full advantage of the available WLAN site and its backhaul, to achieve an aggregation of TD-LTE Small Cell and WLAN,the 2 type of hotspot and indoor coverage technologies, China Mobile introduces the concept of Nanocell and its end to end solution for the whole network,aims to combine the TD-LTE industry and WLAN industry effort,make arduous efforts to meet the subscriber’s demand for data traffic in future,and maintain a healthy mobile industry.

Nanocell,TD-LTE,Small Cell,WLAN

2014-12-23）