Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ——３Ｇ网络家庭覆盖解决方案研究

范金宁　蔡　敏

【摘要】文章简要介绍了Femtocell技术产生的背景,对Femtocell设备、网络架构及相关协议作了分析,通过仿真详细说明了Femtocell同宏单元相比的优势,提出了Femtocell所面临的技术挑战和解决方法。

【关键词】3G Femtocell 宏单元 干扰

1 引言

Femtocell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。Femtocell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。Femtocell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。

Femtocell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。

2 Femtocell产生背景

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Femtocell接入技术应运而生。

Femtocell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。Femtocell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。

3 Femtocell接入方式与网络架构

Femtocell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Femtocell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。

Femtocell设备功能集成度与其接入到核心网的方式是相对应的。Femtocell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,Femtocell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、Femtocell设备管理与配置及Femtocell设备的接入控制。Femtocell网络结构见图1:

图1Femtocell网络结构(RGW方式)

4 Femtocell与宏单元仿真对比

4.1 用户容量

Femtocell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。其中信噪比反映了在地面传播过程中,发射功率与干扰、路径损失之间的关系。路径损失引起传输信号的衰减为Ad-α,A是路径损失系数,d是发射机与接收机之间的距离,α是路径损失指数。增加容量的关键是减小d和α的值,以增强接收机的接收能力。同时,Femtocell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Femtocell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Femtocell设备,则其发生功率衰减的目标值为[10(α-β)lgL+5βlgN]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。

综上,同宏单元相比,Femtocell容量优势在于:

◆Femtocell与用户之间距离缩短,有效地增加了接收信号强度。

◆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。

◆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。

4.2 用户吞吐量增益

Femtocell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:OFDMA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,图2(a)、(b)显示了Femtocell与宏单元吞吐量的对比。

(a)

(b)

图2Femtocell和宏单元的吞吐量

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Femtocell可以同时向全部用户传输整个带宽,Femtocell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。

5 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:

◆Femtocell宽带服务:资源分配,时钟同步和回程。

◆Femtocell语音服务:干扰管理,基站接入、切换和移动性。

◆网络运营安全:Femtocell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Femtocell架构。下面主要介绍解决干扰问题的方法。

5.1 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Femtocell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。

5.2 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GTc(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。

5.3 自适应功率控制

Femtocell(例如Sprint公司的Airave Femtocell)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Femtocell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Femtocell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Femtocell网络的性能。而上文仿真也表明,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Femtocell的中断概率,如图3所示,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Femtocell的覆盖范围,使用户可以同宏蜂窝通信,但这样会增加相邻Femtocell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。

图3Femtocell的中断概率

6 结论

Femtocell技术是可以提供高质量低成本的室内3G网络解决方案,同时也可以减少3G网络的负担。本文介绍了Femtocell作为3G网络室内接入的优势以及技术特点,对Femtocell的使用环境进行了仿真实验。从仿真结果来看,Femtocell比单一宏单元网络的性能优越,采用干扰避免、CDMA跳时和定向天线技术等技术可以有效降低干扰。然而,对于Femtocell大规模部署,运营商还面临着降低Femtocell单机成本、解决RF干扰、提供优质的IP回程链路和网络安全等多方面挑战。

参考文献

[1]朱小景,徐博斌. 固定移动网络融合解决方案:Femtocell[J]. 移动通信,2008年3月(下): 59-62.

[2]肖征荣,王君珂,张智江. Femtocell网络及其挑战分析[J]. 移动通信,2009年4月(上): 65-70.

[3]Weber S, et al. Transmission Capacity of Ad Hoc Networks with Successive Interference Cancellation[J]. IEEE Trans. Info. Theory, 2007,53(8): 2799-2814.

[4]Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G Andrews. Femtocell Networks: A Survey[J]. IEEE Communications Magazine, 2008(9): 59-68.★

【作者简介】

范金宁:华南理工大学电子与信息学院硕士研究生,主要从事信道编解码和无线宽带接入技术研究。

蔡敏:华南理工大学教授、博士导师,广州市电子行业协会副理事长、半导体委员会主任委员。