Femto技术跟踪研究

【摘要】Femtocell是毫瓦微蜂窝基站，提供高质量低成本的室内网络解决方案，将会比宏单元实现方式更加有效地使用功率和频率资源的优势。目前，Femtocell通过采用新技术和设计有效的Femtocell架构，解决资源分配、时钟同步和回程、语音服务，干扰管理，基站接入、切换和移动性以及网络运营安全等一系列关键技术问题。上海电信的实验表明：Femtocell室内覆盖技术可以提供高质量低成本的室内无线网络解决方案，是提供差异化业务的最好途径，也是部署下一代移动数据业务必不可少的手段。对各家网络综合运营商提高无线室内覆盖的范围和服务质量有非常重要的意义。

【关键词】家庭基站 室内覆盖 频谱利用

一、Femtocell产生背景

Femtoeell是毫微微蜂窝基站，又称家庭基站或3G接入点，是一种超小型手机基站设备。Femtoeell使用IP协议，通过用户已有的ADSL、LAN等宽带电路连接提供回程链路，远端由专用网关（Gateway）实现从IP网到移动核心网的连通。Femtoeell具有1个载波，发射功率为10～100毫瓦，覆盖半径为50～200米，支持4～6个活动用户，大小与ADSL调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用等特点。

Femtoeell一直受到众多运营商的关注与推动，其有利于保护运营商在固定宽带网络的投资，可以在3G网络建设中快速解决室内深度覆盖难题。2009年4月7日，3GPP组织、Femto论坛和宽带论坛颁布了世界上第一部Femto技术规范。

首先，3G技术相比于2G技术在传输速率上有很大的提升，但因为它的工作频段较高，其无线传播特性特别是建筑物穿透特性较之GSM、IS-95系统要差，限制了室内服务的覆盖。其次，单一GSM连接的回程链路需要13kbps、GPRS连接约需60kbps～80kbps，而3G则需348kbps。诸如HSDPA等3G升级服务，其单一连接甚至需要14.4Mbps带宽，呈现出指数级增长――这意味着一个HSDPA用户就占用了相当于1000个GSM用户的流量。最后，因为3G采用了CDMA技术，小区具有呼吸效应，一旦业务量较多，就会造成宏蜂窝小区覆盖范围的减小。由此，能够提高室内覆盖范围和服务质量的Femtoeell接入技术应运而生。

Femtoeell技术可以提供优质的3G信号，为每个用户提供更高速率的宽带服务和更好的宽带体验，而且可以减少CAPEX和OPEX。Femtoeell由用户购买，使用宽带接入电路'减少了网络设备的扩容和相应基站链路的投资，解决了新基站建设所面临的站址选择、机房、电源等诸多困难，并且节省了机房、电源、空调和电路维护等运行成本。

二、Femtocell接入方式与网络架构

Femtoeell设备的引入原则是不对移动核心网产生任何影响，其集成了Node B、RNC、SGSN与GGSN功能，用户通过Femtoeell设备就可以直接接入Internet网络，而无须经过移动分组域核心网。

Femtoeell设备功能集成度与其接入到核心网的方式是相对应的。Femtoeell接入移动网的方式主要分为三种：基于IP通道协议的模式，基于RAN网关的模式，基于SIP/IMS的方式。表1为三种网络架构的特性对比：

由于其具备业务透明度高、成本低、对网络影响小等优点，目前多数厂家选择了RGW（RAN GateWay）实现方式；而根据2008年6月宣布的3GPP标准，Femtoeell将采用基于RAN网关的模式。RGW模式初期投资小，对核心网影响很小。核心网将RGW当成普通RNC设备处理，RGW负责网络安全、业务汇聚、协议转换、Femtoeell设备管理与配置及Femtoeell设备的接入控制。

三、Femtocell与宏单元仿真对比

1、用户容量

Femtoeell和宏单元的最大容量可以由一定带宽条件下无线信道传输速率和信噪比计算得到（香农定理），增加信道容量可以通过提高发射功率和降低干扰来实现。同时，Femtoeell技术可以采用其他的抗干扰技术来增加容量。

穿透衰减使得在封闭环境下的各Femtoeell之间相互隔绝，互相没有干扰。假定一个带有路径损失的信道模型，α和β分别代表室外和和室内的路径损失指数，覆盖的区域面积为L2，其中有N台Femtoeell设备，则其发生功率衰减的目标值为[10（α-β）lgL+5 p lgN]dB。例如，选择蜂窝的范围为L=1000m和50个Femtocell，路径损失指数为α=β=4，则Femtocell可以减少发射功率34dB。若室内的路径损失指数较低（β=2），则可以减少发射功率77dB。

同宏单元相比，Femtocell容量优势在于：（1）Femtocell与用户之间距离缩短，有效地增加了接收信号强度。（2）Femtocell发射功率较低以及室内阻隔，使得Femtocell和宏单元及各Femtocell之间的干扰少。（3）Femtocell服务1～4个用户，对于每个用户来说都可以获得更高的带宽和发射功率。而宏蜂窝覆盖比较大的范围（500m～1000m）和服务较多的用户，提供高质量的数据业务是非常困难的。

后两点优势说明，覆盖相同区域，采用相同的发射功率，Femtocell可提供比宏单元更多的用户容量。

2、用户吞吐量增益

Femtoeell将会比宏单元更加有效地使用宝贵的功率和频率资源。假设有线宽带运营商可以为Femtocell提供充足的QoS（高质量服务）回程链路，建立以下模型：OFD-MA系统的基站服务100个活跃用户，单一的宏单元同时服务100个用户，50个Femtocell同时服务100个用户。仿真条件见表2。

仿真表明，Femtocell在语音业务中的归一化中值用户吞吐量增益接近0.6b/s/Hz。在数据业务中，由于宏单元每用户发射功率和频谱效率的限制，不能同时为100个用户提供数据业务，而只能为其中20个信号最强的用户进行服务，宏单元中值总吞吐增益小于30b/s/Hz。而Femto-cell可以同时向全部用户传输整个带宽，FemtoceH网络的每用户归一化吞吐增益为1.8b/s/Hz，整个系统的中值总吞吐增益为250b/s/Hz。与宏单元相比，Femtocell在频谱效率上有着巨大的优势。

四、Femtocell面临的挑战及解决办法

Femtocell面临的关键技术挑战，主要分为以下三个方面：（1）Femtoeell宽带服务：资源分配，时钟同步和回程。（2）FemtoceH语音服务：干扰管理，基站接入、切换和移动性。（3）网络运营安全：Femtoeell通过IP接入核心网的安全网桥。

解决以上问题的方法，主要是采用新技术和设计有效的Femtoeell架构。下面主要介绍解决干扰问题的方法。

1、同步方式

目前，实现Femto基站间的同步可采用以下几种方式。

（1）Femto基站侦听宏基站时间信号实现时间同步

通过在Femto基站中嵌入自动搜索信号频点的功能模块，实现对周边宏基站的下行广播信号的侦听，从中分析并提取相应的时间同步信号，实现Femto基站与宏网络之间的时间同步，进而实现各Femto基站间的时间同步。但是，若Femto基站周围没有宏基站或Femto基站侦听到的时间信号较弱，则各Femto基站间就不能实现时间同步。

（2）Femto基站接收GPS时间信号实现时间同步

采用全球定位系统（GPs）来实现Femto基站间的同步，每个Femto基站都安装GPS模块，接收GPS系统的时间信号。当然，安装GPS模块会提高Femto基站的成本，此外，在采用GPS系统进行Femto基站间时间同步时，处于室内的Femto基站由于穿透损耗的影响，不易直接获得GPS时间信号，此时各Femto基站间就不能实现同步。

（3）GPON网络基于IEEE 1588v2协议实现Femto基站时间同步。

近年来，无源光网络（PON）已成为全球主流运营商进行“光进铜退”接入网改造的首选解决方案。运营商越来越多地建设PON网络作为Femto回程网络。在PON网络中传递Femto基站同步时间是一种重要的Femto时间同步方式。吉比特无源光网络（GPON）是当前主流PON网络中的一种，在GPON网络中基于IEEE 1588v2时间传送协议实现Femto基站时间同步是当前业界主要研究的方向。IEEE 1588首先由安捷伦实验室开发，IEEE 1588v2于2008年7月24日。基于IEEE 1588v2协议实现Femto基站时间同步的网络结构主要分为3部分：时间服务器、GPON网络和Femto基站。GPON网络主要由局端设备光线路终端（OLT）、用户端设备光网络单元（ONU）以及包含光纤和分光器的光配线网络（ODN）组成。时间服务器可以接收GPS时间信息，并采用时间接口（1PPS+ToD）或以太接口（GE/FE）连接OLT设备，为其注入时间信息，通过GPON线路时间传递后，Femto基站可通过时间接口或以太接口从ONU上获取时间信息，从而达到时间同步。

GPON网络基于IEEEl588v2协议实现Femto基站时间同步，能有效地避免在家庭场景中布放GPS同步系统带来的建设成本上的挑战和使用中的制约。

2、干扰避免

由于其特殊的网络拓扑结构，在Femtocell网络中单一的干扰抑制技术是无效的。采用串行干扰抵消技术，是将接收到的信号减去最强的临近干扰而起到信号还原的作用。但是如果干扰抵消不准确则抗干扰效果会很差；并且由于Femtocell设备的低成本要求，Femtocell的基站和发射器必须降低复杂度，这样就会影响串行干扰抵消技术的实现，所以干扰抵消技术不能满足Femtocell的要求。在Femtoeell网络结构中，由于干扰避免技术是避免干扰而不是抑制干扰，因此对于减少干扰是更为有效的方法。由于CDMA Femtocell网络采用频率复用技术，当宏单元和Femtocell用户使用共同带宽时，干扰避免是采用跳时和定向天线技术来实现的，可以提供7倍的系统容量改善。

3、跳频与跳时技术

在GSM网中，通过慢跳频技术来避免Femtocell用户和宏单元用户之间的相互干扰。同样，跳频OFDMA的网络使用随机子信道分配，以减少与周边基站持续干扰的概率。

在跳时CDMA中，CDMA的持续时间GTe（G是处理增益、Tc是时间片周期）被分散在Nhop个时隙中，用户将随机选择发送时隙或者发送保持时隙保持静默。采用随机跳时技术通过Nhop系数来权衡处理增益，可以减少干扰用户的平均数量。这种权衡就是改变现有的CDMA宏单元运营网络来适应Femtocell技术。

4、自适应功率控制

FemtoceH（例如Sprint公司的Airave FemtoceH）使用“自适应”方案来调节Femtocell的发射功率以解决跃层干扰问题。在前向链路过程中，爱立信提出通过增加Femto-cell和宏基站之间的距离来降低Femtocell发射功率，从而减少对宏单元用户的干扰，这种折衷的方法将减小Fem-tocell的家庭覆盖范围。在反向链路过程中，建议根据Femtocell用户的位置提供更高的接收功率给Femtocell用户及相关的宏单元用户。

Femtocell中断概率与平均用户单元数量的关系模型表明，CDMA跳时技术、增加Femtocell功率比以及定向天线技术可以提高FemtoceH网络的性能。较高的CDMA时隙、高的功率比以及定向天线技术可以有效地降低Fem-tocell的中断概率，没有采用任何干扰避免技术的中断概率极高，很难满足实际要求。Kishore提出克服远近效应的办法，通过增加少量的信道增益来扩大FemtoceH的覆盖范围，使用户可以同宏蜂窝通信，但这样会增加相邻Fem-toceH之间的干扰。多模手机方案可以减少干扰，例如，Femtocell中发射器是WCDMA制式而接收是GSM模式。

五、基于CDMA网络的Femtocell工程案例跟踪研究

上海电信在2009年完成了第一套Femtocell商用实验网的部署与测试，该商用实验网的网络架构如下：

构架：采用BSC组网架构和1X/EVDO双模Femto。

原则：核心侧不做改动和用户终端不做改动，试验网采用"BSC架构”，一套接入网关，100个Femto AP。

回传方式：IP回传方式。

场景：选择多种类型的用户，家庭、中小企业等场所。

模式探索：探索Femto的商用模式，推动3G网Femto产业链的发展，为全面商用积累经验。

产品选择：选用美国Airvana公司的双模Femto，设置2载频，分别支持1X和EVDO，可同时接入6个1X语音用户或4个EVDO用户。

1、同步测试

结论：（1）Femto即插即用特性主要取决于同步是否快速实现，引入aGPS后GPS接收机的灵敏度，约提高10dBm，明显提高了同步效果。（2）开启aGPS和关闭aGPS相比，FAP摆放的位置可以向后延伸50%左右。

2、Marco对Femto的干扰测试

（1）语音干扰测试

在宏网忙时和闲时分别测试宏网对Femto的干扰

结论：在同频、异频下，MOS值变化在4%范围内，Ec30相差1.5-2.5dBm。

3、Femto间同频干扰测试

结论：Femto间在同频状态下的互干扰影响测试中，4个Femto放置在4个房间里模拟成现实用户场景，且隔墙为水泥材质，MOS值变化在2.9%内，EVDO业务的单线程下载速率降低幅度在4.07%左右。

4、切换测试

（1）空闲状态下同频/异频Femto与宏基站互切换

在终端空闲状态下，1X和EVDO业务在Femto与宏网同频/异频下自Marco至Femto、自Femto至Marco二个方向都可成功切入。在Macro邻小区未添加和模拟添加Femto PN时都可切入，但邻小区不添加Femto PN时，由Marco至Femto的切入时间相对较长（长约20秒以上）；

（2）业务状态下，宏网络向Femto的切换及Femto间的切换

技术上，移动用户目前还不支持语音通话状态下支持从宏网络到femto的硬切换及Femto间的硬切换。

5、容量测试

FAP支持的最大激活用户数1X：最大6个用户

EV-DO：最大4个用户

FAP支持最大注册数：允许最大注册50个用户

结论：Femto可以达到其最大标称容量，并可在长时间通话时保持稳定的语音/EVDO性能。

6、功率控制测试

在不同距离相同负荷时，随着测试终端与Femto间距离的增加，MOS值保持稳定，手机接收电平下降、Ec/Io下降。在Femto反向功率控制的作用下，手机的发射功率增加，FER保持稳定，保持在1%，表明Femto在空中路经损耗增加情况下的反向功率控制工作正常。

相同距离不同负荷时，随着测试终端数的增加，MOS值稳定，手机接收电平略增加，Ec30下降。表明Femto在负载增加情况下的反向功率控制正常。

结论：Femto上行功率控制正常，下行功率控制由于测试设备缺少下行单个业务信道的实时功率统计的网管OM组，本次测试无法验证，需要未来厂家开发相应功能后进一步验证。

7、信号外泄测试

根据测试时Femto最大功率设置情况、Femto摆放位置和被测房型材质，对Femto泄漏情况进行了测试，在目标覆盖区域外10米左右位置的Femto信号电平可以控制在一85dBm以下，不会对宏网造成明显影响，建议商用时开启Femto“限定用户”的功能。

通过对上海商用实验网络的一系列测试结果及分析，结论如下：

Femto可有效解决宏网中不同类型的室内弱覆盖或导频污染问题，（别墅，大型，中型，小型家庭和企业）。能够提高网络覆盖的质量（Ec/Io，RSSI，FER，）和语音数据业务质量（MOS值和数据速率）。（1）由于采用FAP单独认证，IPSec的回传方式，用户使用的安全性可以得到保证。（2）由于反向链路路径损耗大大减少，使Femto下的手机发射功率大大低于宏网下手机的发射功率。Femto下的手机电池使用寿命更长。（3）在正常放置Femto的情况。多Femto间以及Femto与宏网间的干扰可控，不会影响用户的感受。在同一房间内放置多个Femto时尽量采用异频方式，同频放置时需控制相互间的隔离。（4）不同回传方式下的Femto的业务性能差异不大。但是EVDO速率受回程端口速率的限制，尤其在共享IP回传方式下，EVDO速率波动性增加，会对用户感受造成影响。（5）Femto与宏蜂窝异频下的覆盖及业务性能要优于同频。（6）Femto支持目前宏网络下的主要使用的业务应用。同时支持视频电话等新的业务应用。（7）FAP平均即插即用时长为5分钟左右，在有AGPS辅助的情况下，FAP离窗的距离可增大50%。

六、Femtocell的应用建议

（1）Femtocell作为室内覆盖的一种经济、有效的补充手段。在住宅楼宇中解决高层导频污染和室内弱覆盖问题。在地下室、电梯等封闭区域解决覆盖。在中小企业及楼宇中进行快速、经济的覆盖。

（2）Femtocell作为宏站容量分担的一种经济、有效补充手段。随着3G用户发展规模的扩大，网络容量不足的矛盾将会显现，特别是室外宏站话务量明显高于室内话务量。使用Femtocell分摊宏站的部分数据流量，将是一种有效选择。

（3）Femtocell作为一种新的竞争手段和商业模式。在Femto区域内资费可以进一步下调。形成差异化服务，以低资费吸引用户使用3G网业务。

七、结束语

Femtocell室内覆盖技术可以提供高质量低成本的室内网络解决方案，通过在室内配置Femtocell基站（家庭基站），将室内用户的业务数据通过有线宽带与核心网连接，降低了运营商的服务成本，减轻了宏蜂窝基站的压力，提高了业务服务的质量。随着各综合运营商移动网络的大规模部署以及全业务运营的开展，Femtocell作为一种高效的室内覆盖解决方案，是提供差异化业务的最好途径，也是部署下一代移动数据业务必不可少的手段。在网络、业务不断融合的大背景下，作为家庭业务和个人业务的结合点，Femtocell必将成为融合网络和业务的主要组成部分。