0 前言
Femto技術在3GPP R8中被引入,并成為R8的研究熱點。因為Femto具有發射功率低、覆蓋范圍小、部署方便、價格低廉等特點,所以受到了業界的廣泛關注。Femto以固定寬帶接入網絡為回程,同時向用戶提供移動業務,是一種典型的固定移動融合技術,Femto將是全業務運營商提供差異化服務的重要手段。
對運營商來說,Femto技術的應用可以提高室內覆蓋質量、提升用戶體驗、減少用戶離網率,同時可以在空口分流宏網絡流量、緩解宏網絡擴容壓力、降低3G建網的CAPEX和OPEX。對用戶來說,因為Femto部署的成本低,運營商可以為用戶提供更低的通信資費,另外Femto用戶可以獨享無線資源和傳輸資源,獲得更好的信號質量和接入速率,能夠促進用戶數據業務使用習慣的培養。總之,Femto技術的出現為運營商提供了室內覆蓋的新思路。
1 Femto技術概述
1.1 Femto標準進展
3GPP稱Femto為Home Node B(HNB),即家庭基站。3GPP于2007年3月啟動HNB的相關研究工作,其目標是試圖形成家庭基站的標準應用場景,找到標準的解決方案。2008年5月3GPP完成了這個研究工作,形成了技術報告:TR 25.820“3G Home Node B Study Item Technical Report(R8)”。
R8規范了HNB架構、Iuh接口、CSG相關標識、測量規則、小區選擇與重選規則、HNB網管南向接口等方面的內容。R9將繼續完善HNB的標準,工作目標主要涉及以下幾部分:從宏小區到HNB小區的連接態的切換、從HNB小區到HNB小區的連接態的切換、支持OPEN模式和hybrid模式的HNB小區、Iuh接口上CS業務的上行復用。
行業標準方面,2009年4月CCSA開始了HNB系列行業標準的制定。該系列標準包括家庭基站設備技術要求和測試方法、家庭基站網關設備技術要求和測試方法、家庭基站管理系統設備技術要求和測試方法、家庭基站與家庭基站管理系統之間接口測試方法、家庭基站Iuh接口技術要求和測試方法。目前該系列標準已經陸續完成報批,處于待發布階段。
1.2 Femto產業鏈狀況
在Femto標準制定的同時,產業界也迅速跟進,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產品。從設備產業鏈的角度講,Femto技術已經成熟,具備了規模商用的條件。
商用方面,NTT Docomo、Vodafone、T-mobile等主流運營商已開展相關試驗,Sprint、Verzion、AT&T 也在著手Femto的試驗和商用籌備,但是目前尚未有真正大規模商用的Femto網絡。
2 Femto關鍵問題
2.1 網絡架構
Femto接入網絡主要由HNB、家庭基站網關(HNB GW)、安全網關(SeGW)和家庭基站網管系統(HMS)構成(見圖1)。HNB為用戶私有設備,通過公共IP網絡連接到HNB GW,HNB GW通過Iu接口連接到核心網。從核心網來看,HNB接入網是RNC,HNB GW通過標準的Iu接口接入到核心網;從UE側來看,HNB接入網是Node B,HNB與UE采用標準的Uu接口進行通信。
圖1 Femto 我網絡結構
HNB具有Node B的無線承載功能,向終端提供標準的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系統新增的網關設備,將來自眾多HNB的業務匯聚在一起,然后通過標準的Iu_CS和Iu_PS接口傳回到已有的核心網絡,這樣就向核心網屏蔽了Iuh接口和HNB系統特性。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的網絡管理功能,HMS與HNB之間采用TR069協議。具體的網管功能包括用戶管理、軟件管理、參數配置、故障管理、性能管理、HNB拓撲管理、日志管理等。HMS還支持HNB初始化過程中的HNB GW發現功能,為HNB提供初始配置數據,對HNB進行位置信息驗證,準入列表維護。
2.2 自配置自優化功能
自配置自優化功能是Femto最重要的功能。
一方面,Femto數量眾多,運營商不方便也不可能投入巨大的精力對其進行開通和維護,這就要求HNB能夠即插即用,維護便捷。即插即用指Femto上電后,自動完成認證鑒權、網絡發現、IP獲取、IP Sec隧道建立、自動參數配置等過程。維護便捷指運營商可以通過OMC進行遠程批量配置管理、軟件升級、日志自動保存等操作。
另一方面,Femto部署的一個重要原則是不能對宏網絡產生較大干擾,不能造成宏網絡質量的下降。這就要求Femto具有自適應自優化算法,保證最優的發射功率,以減小Femto網絡對宏蜂窩的干擾。
此外,Femto具有自動無線測量、自動鄰區配置等功能,以滿足其與宏網絡之間的移動性管理要求。
2.3 UE接入控制
Femto是用戶私有設備,所以要對終端進行接入控制。根據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,Femto或Femto GW處會有一個用戶準入列表,如果用戶的IMSI在準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側完成,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完成,因此CSG模式的接入控制需要終端、Femto、核心網三者都支持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,Femto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列表內的用戶具有高優先級,在資源受限時應該優先保證CSG列表內用戶的服務質量。
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,保護運營商的長話收入,因為Femto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,這將造成運營商長話收入的流失。
其次,防止Femto在別的運營商網絡中使用。
最后,因為同一運營商不同地區運營策略可能不同,如果不采用位置接入限制將會出現市場的混亂。
3GPP在TS 25.467中給出了3種解決方案,分別是基于宏網絡的位置綁定、基于寬帶信息的位置綁定、基于GPS的位置綁定。具體的實現流程本文不再詳述。
2.5 移動性管理
Femto的部署區域一般都存在宏網絡覆蓋,Femto與宏網絡同覆蓋的場景如圖2所示。這就涉及到Femto小區與宏小區之間的小區重選和切換問題,并且在企業級應用中,還涉及到Femto小區之間的小區重選與切換問題。
圖2 Femto 與宏網絡通覆蓋的場景
目前,Femto可支持與2G/3G宏網絡的雙向重選,同時支持Femto到宏網絡的切換,但是目前對從宏網絡到Femto的Inbound切換的支持還不完善。
對于Femto小區與宏小區之間的小區重選,主要的判據是Femto小區的信號質量,并且遵循UE優先駐留在Femto小區的原則。UE一旦進入Femto覆蓋范圍,優先選擇駐留在Femto小區上,并且能夠在宏小區信號質量好于Femto小區時仍然駐留在Femto小區(如Femto距離宏基站較近時);當Femto小區的覆蓋變得比較弱時,UE重選到宏小區。
在Cell DCH狀態,因為Femto集成了原RNC的功能,所以Femto到3G宏小區的切換類似于宏網絡中跨RNC的切換,即SRNS重定位過程。
但是,目前還不支持從宏網絡到Femto的切換。
首先是擾碼混淆問題。由于Femto的部署數目較多,且擾碼復用,因此在宏小區覆蓋范圍內,會有多個Femto小區共用同一PSC的情況,即PSC混淆。在傳統UMTS系統的切換測量中是通過PSC來區分不同小區的,因此在上述不同Femto小區分配相同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Femto是否允許接入,因此無法作出切換決定。
3 Femto應用場景分析
Femto主要應用于家庭和辦公室等室內環境,這些場景的需求特點是不需要支持太多用戶,但是對信號質量要求較高,Femto的技術特點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覆蓋解決方案。
對運營商來說,采用Femto進行家庭場景的室內覆蓋,不僅能夠降低蜂窩網的運營成本、提升用戶感受,還可以進一步推動固定移動融合的發展,提供差異化的服務。具體表現在以下幾個方面。
a)節省CAPEX和OPEX。Femto能夠在空口分流宏網絡流量,緩解宏網絡的擴容壓力;另外,用戶提供站址、支付回程和電源,減低了OPEX。
b) 提高室內覆蓋質量。由于3G 技術使用的頻段比2G 網絡要高,因此對建筑物的穿透能力不夠,而3G網絡提供的各種多媒體服務又對網絡質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3G 網絡的覆蓋效果。
c) 提高ARPU 值。網絡性能的提升,必然可以提高用戶體驗,進而推動3G 數據業務的發展和培養用戶的使用習慣,為運營商帶來更多的收入。
d)增加用戶。Femto可以作為運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營商的網絡。
Femto技術主要定位于家庭場景的室內覆蓋解決方案,但是Femto也可以應用于中小企業的辦公樓宇。
高層樓宇的特點是墻體較厚、穿透損耗較嚴重、建筑結構相對復雜,采用在周圍部署宏基站的方式并不能滿足室內覆蓋的需要。采用BBU+RRU室分系統能夠很好地解決室內覆蓋,但代價是相對昂貴的部署成本,包括設備、傳輸資源、工程建設、后期維護的成本等。
采用Femto進行辦公樓宇覆蓋具有部署靈活、施工方便、成本低廉等優勢。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標準中對Femto間切換的支持還不完善。
其次是Femto之間的干擾問題。從目前設備商推出的Femto產品看,Femto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,這對企業級應用來說是不夠的。因此,對于Femto的企業級應用,應該采用企業級的Femto,目前企業級應用的Femto產業鏈還不成熟,可以商用的產品有限。
4 結束語
雖然3GPP對Femto標準化工作是從R8開始的,但基于盡可能不影響現有網絡的考慮,Femto設備對R8之前的終端與核心網絡具有良好的兼容性,自配置自優化功能保證了Femto對宏網絡盡量小的影響。
目前,Femto產業鏈已經成熟,華為、阿朗、諾西、思科、NEC等公司都已經推出了Femto解決方案。從技術的角度來講,引入Femto的時機已經成熟,運營商可以根據自己的網絡建設計劃逐步部署Femto,可以優先在有固定寬帶的家庭場景部署。
但是,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本身。
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