多模小基站之互操作策略探究

山西信息規劃設計院有限公司 張逢飛

引言

隨著目前無線技術的不斷發展，從目前我國現有的運營商的現狀來看，GSM/UMTS/LTE多制式并存已經非常普遍，如果改變這種現狀，實現高效率、低成本的建設多張網絡并且建立網絡資源在多種制式之間的靈活共享模式，已經成為擺在運營商面前的一道問題。以往的基站只能夠支持一種網絡制式[1]，如果想要實現網絡演進就需要對相關的基站以及配套設備實現重新的部署，這種情況下增加了運營商的成本。為了解決這個問題，多模基站被開發出來。

1.多模小基站概念

1.1 概念

多模基站可實現對多種制式的同時支持。多模基站之所以能夠達到這個效果，是因為借助了SDR（Software Defined Radio，軟件無線電）技術實現設計和開發。其利用有效開放式的體系結構，通過采用模塊化、標準化的硬件單元構成的通用平臺為基礎[2]，利用軟件來定義和實現無線設備的部分通信功能。利用SDR技術，網絡演進不再像以前那樣復雜，只需添加或更換部分基站單板，其余通過軟件配置方式即可實現，其可擴展性特征明顯。對運營商而言多模基站的生命周期更長，降低運營商投資風險。

1.2 技術原理

多模基站的架構與傳統單模基站相同，一般都是采用BBU+RRU組成的分布式基站架構，實現射頻模塊和基帶模塊的分離，方便運營商靈活組網。基帶-射頻接口可采用CPRI、OBSAI、OBRI等多種協議[3]，其中使用最為廣泛的是CPRI協議。多模基站的應用優勢在于其BBU與RRU均可同時支持GSM/UMTS/LTE等多種網絡制式。

2.多模小基站的互操需求分析

全球電信運營商開始采用性價比較高的小型基站技術來改善蜂窩網絡的容量和覆蓋范圍。運營商面對日益增長的移動數據流量，為了而應對數據流量的增長，提出了將網絡帶到更潔凈移動用戶的這種方式。而小型基站能夠讓電信運營商將成本集中在用戶最需要的地方，降低成本的同時可提升用戶的網絡體驗[4]。以高通創銳訊為例，其已開發一系列28納米(nm)解決方案，可提供適用于住宅、地鐵和企業的小型基站，以增強電信運營商的3G與LTE網絡。該公司以打造全功能的小型基站，并以更高的功效提供優異的性能為目標，已經協助電信運營商降低了為提高網絡容量而帶來的成本和復雜性。其提出的FSM99xx 解決方案，可支持3G與4G同時運作或利用載波聚合提供雙載波4G，也可提供高通先進的Wi-Fi功能，以更好地使用所有可用頻譜，同時為移動用戶提供無縫的聯網功能。高通全新小型基站解決方案的設計具有最高功效[5]，可降低運營成本，并且符合以太網絡供電系統的要求，適用于企業部署。FSM99xx解決方案采用28nm制程技術，并充分利用高通業界領先的四核Krait移動處理器，耗電量僅為其他基于ARM處理器的一半。FSM99xx解決方案系列產品同樣具備RF線性化技術，最多可將功率放大器的功耗降低一半以上，這是非常重要的優點，因為放大器有可能會消耗小型基站功耗預算的一半以上。FSM99xx是先進的HetNet與SON(自組網絡)技術的平臺。

利用多模小基站的應用優勢，可以為運營商提供 GSM、TDSCDMA/WCDMA、TD-LTE/LTE FDD 無線網絡接入。從目前終端的現狀來看，考慮到網絡優勢，一般對網絡設置了優先級，如果網絡條件良好的情況下，用戶首先使用到的是4G網絡，條件較差則主動連接3G甚至2G網絡[6]。這種終端因條件因素不同選擇的網絡不同，網絡提供的優勢業務也就出現了變更。這種情況下只有在多模小基站內部采取互操作的方式，引導用戶在使用網絡的過程中為其匹配最合適的網絡，提升用戶體驗。

3.多模小基站的互操作策略

3.1 覆蓋互操作

在移動通信網絡中，基于覆蓋的移動性互操作是其中一個最基本也是比不可靠的功能。基于覆蓋的移動性其主要目的是保證業務的連續性，在提升用戶體驗的同時達到無縫覆蓋的目的。想了解系統內或者系統之間之內是否出現切換或重選的操作，可以通過在小區內或者鄰近小區內的信號強度/信號質量的絕對值比較或相對值門限進行判斷[7]。這種方式比較繁瑣，需要耗費一定的人力、物力，但是針對多模小基站而言，就可以完善省略這個步驟，這是因為多模小基站在功率設計的過程中就考慮到這一點，多模小基站可實現每一個模式與模式之間的覆蓋平衡，基本上可以達到多個模式實現共同覆蓋的方式，此舉不僅大大提升了用戶的體驗，還能夠減小多模小基站組網時網絡規劃的復雜度。

華為發布了包括全球首個多頻多模室外Micro小基站和業界集成度最高的Pico小基站，以幫助運營商提高室外、室內覆蓋和容量，應對移動網絡大流量挑戰。華為系列化多頻多模小基站，融入“One Box, One Cable”的設計理念，高度集成了基帶、射頻、傳輸、天線等。在同一站點只需一個Box就具備原先多個Box才具有的容量和功能。同時還支持UMTS、LTE等不同制式及不同頻段和制式間的動態頻率共享，將顯著提升運營商的投資效率。其中，華為室外型Micro小站適用于密集城區增強覆蓋和容量提升。在LTE Only模式下，該小站可支持載波聚合來有效提升系統容量和用戶體驗。同時，它還支持多種傳輸接口，可適應廣泛的部署場景。另外，華為室內型Pico小站適合安裝在室內用于改善覆蓋和容量提升。

以室內辦公場景為例，分析一個GSM＋TD-SCDMA＋TD-LTE三模小基站為例進行覆蓋距離的分析。

表1 多模小基站的覆蓋距離分析

根據多模小基站的模式，在覆蓋平衡的基礎上，可以不需要考慮基站內部中各個模式之間的移動性互操作。

3.2 負載互操作

移動通信技術從最初的2G、3G發展到目前的4G，其中移動通信技術在發展的過程中有非常多的標準，運營商不希望設備僅符合一種標準，此舉會帶給運營商非常大的成本輸出。小基站最初需要解決功耗問題，因為最開始小基站只在室內設置，另外還需要考慮以后升級到下一代網絡仍然可以使用[8]，這就要求多模基站要能夠同時支持多種制式。在這個過程中產生的負載問題，如果對負載的控制不夠妥當可能會影響到整個通信系統的效率，甚至嚴重影響到用戶的用網體驗。對不同的網絡制式，采取的評估方法也有所不同，詳見表2。

表2

考慮到在具體部署過程中，可以按照網絡不同發展階段下的頻譜策略及網絡覆蓋與容量需求，通過對多模基站軟件配置實現各制式之間的靈活帶寬配比，達到多制式之間的負荷均衡。舉例分析，在LTE建網初期，針對較少的用戶數和話務量，可以考慮對LTE分配15MHz或20MHz帶寬，只配置1個LTE載波，將其余可用的頻譜都分配給GSM或UMTS網絡。隨著時間推移，LTE用戶數或話務量呈現出逐漸增加的趨勢或者已經有用戶反饋體驗效果不佳的情況，實現對LTE的擴容，通過對多模基站的瞬時工作帶寬重新劃分，給LTE分配40MHz頻譜，配置LTE雙載波，而留給GSM或UMTS網絡的頻譜資源則相應減少。

值得注意的是，頻譜劃分還要結合運營商的頻譜策略及用戶遷移等具體情況來決定。通過這種方式有效平衡網絡的負載分布問題。另外，考慮到無線信道條件發生變化以及終端的移動和數據業務始終都處于變化狀態，這種情況可能會影響到已經接入的業務占用的資源出現變化，從而引起系統負載的變化。一旦系統負載到達一定程度很可能引發擁塞[9]，這種情況就需要對系統負載進行控制，保證業務和系統的穩定運行。目前比較常見的方法是阻止新用戶或者新業務的介入。與此同時系統還可以進行快速的負載遷移，將部分優先級較低的用戶進行強制切換到低負載鄰區，可實現LTE與3G的相互負載遷移，或者是3G與GSM的相互遷移。還可以通過調整移動性參數使得邊緣用戶自動重選/切換到低負載鄰區。通過對負載的互操作不僅能夠解決系統擁堵的問題，還能夠降低功耗。

3.3 業務互操作

針對多模小基站，為了提高其運行效率，一般都會對其提供的業務進行限制。例如，GSM僅聽過語音業務，目的是為了節約頻譜資源有效保證TCH信道數，確保整個覆蓋區域范圍內的語音業務需求能夠滿足用戶要求。加上GSM的數據業務頻譜效率比較低，如果提供數據業務會浪費很多的頻譜資源。而3G則是語音數據都開啟，某項數據調查顯示，2017年7月份，4G用戶累計凈增1.4億。2017年以來，4G用戶保持較快增長，總數達到了9.1億戶，占移動電話用戶的66.3%，其中1-7月累計凈增1.4億戶。但是仍然存在一小部分的3G收集用戶，還需要保證這類用戶的語音、數據業務需求。其中數據功能是作為LTE系統的補充，而語音功能是作為GSM系統的補充。而LTE由于投入商用仍然還存在一些問題，因此無法為市場提供較高質量的語音業務。

面對這種情況，加上上述限制，一旦用戶在使用終端設備駐留的通信制式進行操作但無法響應時，可實現執行模式的互操作，目前一般是4G網絡不佳的情況下支持3G、2G，3G終端網絡不佳支持2G。以4G終端為例，4G終端的優選駐留網絡為4G，其中可實現的業務互操作包括語音、數據兩個方面，語音通過CSFB回落至2G/3G。4G回落至2G一般是采用PS切換、CCO或者重定向的方式[10]，4G回落至3G主要是PS切換和重定向兩種。如果是出現數據擁堵的情況，一般是切換或者重定向3G。正常情況下，目前都是4G網絡無法使用的情況下切換至3G。而3G出現擁堵則切換至2G。

在上述操作中，其中最重要的就是LTE系統下的CSFB。CSFB 是LTE 終端通過 CS 域使用語音業務的一種方案。用戶的終端一般是駐留在LTE網絡。如果用戶發起語音或者接收語音，終端網絡會從4G切換至3G或者2G，無線網絡下除外，完成語音呼叫后再返回LTE。飛烽通信聯合中磊電子展出全系列的3G/4G Small Cell小型基站，包括家庭級和企業級的TD-SCDMA/ TD-LTE/ FDD-LTE多模方案。Small Cell全系列小型基站，支持高達100Mbps的LTE數據下載速率，同時還提供TD-SCDMA/TD-LTE雙模小型基站的CSFB和FR功能。

4.結語

面對網絡的不斷發展，多模小基站的出現順應了時代的發展，也順應了技術的更替。多模基站采用了平臺化、模塊化的設計理念并基于SDR技術，不僅支持GSM/UMTS/LTE多種網絡制式，實現多制式共基帶、共射頻，而且還支持網絡后續的升級演進，擴展性強。本次研究對多模小基站進行了一次比較全面的分析，重點從覆蓋、負載和業務三個方面進行互操作策略的分析。從目前來看，隨著室內深度和容量覆蓋需求不斷增加，多模小基站的未來應用優勢將越來越明顯。其中仍然值得深思的就是如何利用多模小基站的優勢充分發揮出每一個通信制式的優點。

[1]CPRI Specification V4.2. Common Public Radio Interface(CPRI;Interface Specification[S].2010.

[2]毛明.使用OBSAI協議搭建多模基站的基帶射頻接口[J].中興通訊技術,2010,16(2):49-52.

[3]魯學勇.SDR技術在基站系統中的應用[J].電信科學,2003,19(4):66-67.

[4]中國移動.VoLTE技術白皮書(2013 版)[Z].2013(6).

[5]Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker.LTE——UMTS 長期演進理論與實踐[M].北京:人民郵電出版社,2009(12).

[6]中國移動技術部.Voice over LTE (VoLTE) 介紹[Z].2013(6).

[7]賴紅,周志雄,崔卓.多模無線基站技術研究[J].現代電信科技,2012(12):53-57.

[8]樊宏.SDR新型基站技術應用及發展[J].山東通信技術,2010,30(1):40-42.

[9]3GPP.TS 23.272 V10.15.0.Circuit Switched (CS)fallback in Evolved Packet System (EPS).2014(6).

[10]3GPP.TS 36.314 V9.1.0.Layer 2–Measurements.2010(6).