Ｆｅｍｔｏｃｅｌｌ——３Ｇ網絡家庭覆蓋解決方案研究

范金寧　蔡　敏

【摘要】文章簡要介紹了Femtocell技術產生的背景,對Femtocell設備、網絡架構及相關協議作了分析,通過仿真詳細說明了Femtocell同宏單元相比的優勢,提出了Femtocell所面臨的技術挑戰和解決方法。

【關鍵詞】3G Femtocell 宏單元 干擾

1 引言

Femtocell是毫微微蜂窩基站,又稱家庭基站或3G接入點,是一種超小型手機基站設備。Femtocell使用IP協議,通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接提供回程鏈路,遠端由專用網關(Gateway)實現從IP網到移動核心網的連通。Femtocell具有1個載波,發射功率為10～100毫瓦,覆蓋半徑為50～200米,支持4～6個活動用戶,大小與ADSL調制解調器相似,具有安裝方便、自動配置、自動網規、即插即用等特點。

Femtocell一直受到眾多運營商的關注與推動,其有利于保護運營商在固定寬帶網絡的投資,可以在3G網絡建設中快速解決室內深度覆蓋難題。2009年4月7日,3GPP組織、Femto論壇和寬帶論壇頒布了世界上第一部Femto技術規范。

2 Femtocell產生背景

首先,3G技術相比于2G技術在傳輸速率上有很大的提升,但因為它的工作頻段較高,其無線傳播特性特別是建筑物穿透特性較之GSM、IS-95系統要差,限制了室內服務的覆蓋。其次,單一GSM連接的回程鏈路需要13kbps、GPRS連接約需60kbps～80kbps,而3G則需348kbps。諸如HSDPA等3G升級服務,其單一連接甚至需要14.4Mbps帶寬,呈現出指數級增長——這意味著一個HSDPA用戶就占用了相當于1000個GSM用戶的流量。最后,因為3G采用了CDMA技術,小區具有呼吸效應,一旦業務量較多,就會造成宏蜂窩小區覆蓋范圍的減小。由此,能夠提高室內覆蓋范圍和服務質量的Femtocell接入技術應運而生。

Femtocell技術可以提供優質的3G信號,為每個用戶提供更高速率的寬帶服務和更好的寬帶體驗,而且可以減少CAPEX和OPEX。Femtocell由用戶購買,使用寬帶接入電路,減少了網絡設備的擴容和相應基站鏈路的投資,解決了新基站建設所面臨的站址選擇、機房、電源等諸多困難,并且節省了機房、電源、空調和電路維護等運行成本。

3 Femtocell接入方式與網絡架構

Femtocell設備的引入原則是不對移動核心網產生任何影響,其集成了Node B、RNC、SGSN與GGSN功能,用戶通過Femtocell設備就可以直接接入Internet網絡,而無須經過移動分組域核心網。

Femtocell設備功能集成度與其接入到核心網的方式是相對應的。Femtocell接入移動網的方式主要分為三種:基于IP通道協議的模式,基于RAN網關的模式,基于SIP/IMS的方式。表1為三種網絡架構的特性對比:

由于其具備業務透明度高、成本低、對網絡影響小等優點,目前多數廠家選擇了RGW(RAN GateWay)實現方式;而根據2008年6月宣布的3GPP標準,Femtocell將采用基于RAN網關的模式。RGW模式初期投資小,對核心網影響很小。核心網將RGW當成普通RNC設備處理,RGW負責網絡安全、業務匯聚、協議轉換、Femtocell設備管理與配置及Femtocell設備的接入控制。Femtocell網絡結構見圖1:

圖1Femtocell網絡結構(RGW方式)

4 Femtocell與宏單元仿真對比

4.1 用戶容量

Femtocell和宏單元的最大容量可以由一定帶寬條件下無線信道傳輸速率和信噪比計算得到(香農定理),增加信道容量可以通過提高發射功率和降低干擾來實現。其中信噪比反映了在地面傳播過程中,發射功率與干擾、路徑損失之間的關系。路徑損失引起傳輸信號的衰減為Ad-α,A是路徑損失系數,d是發射機與接收機之間的距離,α是路徑損失指數。增加容量的關鍵是減小d和α的值,以增強接收機的接收能力。同時,Femtocell技術可以采用其他的抗干擾技術來增加容量。

穿透衰減使得在封閉環境下的各Femtocell之間相互隔絕,互相沒有干擾。假定一個帶有路徑損失的信道模型,α和β分別代表室外和和室內的路徑損失指數,覆蓋的區域面積為L2,其中有N臺Femtocell設備,則其發生功率衰減的目標值為[10(α-β)lgL+5βlgN]dB。例如,選擇蜂窩的范圍為L=1000m和50個Femtocell,路徑損失指數為α=β=4,則Femtocell可以減少發射功率34dB。若室內的路徑損失指數較低(β=2),則可以減少發射功率77dB。

綜上,同宏單元相比,Femtocell容量優勢在于:

◆Femtocell與用戶之間距離縮短,有效地增加了接收信號強度。

◆Femtocell發射功率較低以及室內阻隔,使得Femtocell和宏單元及各Femtocell之間的干擾少。

◆Femtocell服務1～4個用戶,對于每個用戶來說都可以獲得更高的帶寬和發射功率。而宏蜂窩覆蓋比較大的范圍(500m～1000m)和服務較多的用戶,提供高質量的數據業務是非常困難的。

后兩點優勢說明,覆蓋相同區域,采用相同的發射功率,Femtocell可提供比宏單元更多的用戶容量。

4.2 用戶吞吐量增益

Femtocell將會比宏單元更加有效地使用寶貴的功率和頻率資源。假設有線寬帶運營商可以為Femtocell提供充足的QoS(高質量服務)回程鏈路,建立以下模型:OFDMA系統的基站服務100個活躍用戶,單一的宏單元同時服務100個用戶,50個Femtocell同時服務100個用戶。仿真條件見表2,圖2(a)、(b)顯示了Femtocell與宏單元吞吐量的對比。

(a)

(b)

圖2Femtocell和宏單元的吞吐量

仿真表明,Femtocell在語音業務中的歸一化中值用戶吞吐量增益接近0.6b/s/Hz。在數據業務中,由于宏單元每用戶發射功率和頻譜效率的限制,不能同時為100個用戶提供數據業務,而只能為其中20個信號最強的用戶進行服務,宏單元中值總吞吐增益小于30b/s/Hz。而Femtocell可以同時向全部用戶傳輸整個帶寬,Femtocell網絡的每用戶歸一化吞吐增益為1.8b/s/Hz,整個系統的中值總吞吐增益為250b/s/Hz。與宏單元相比,Femtocell在頻譜效率上有著巨大的優勢。

5 Femtocell面臨的挑戰及解決辦法

Femtocell面臨的關鍵技術挑戰,主要分為以下三個方面:

◆Femtocell寬帶服務:資源分配,時鐘同步和回程。

◆Femtocell語音服務:干擾管理,基站接入、切換和移動性。

◆網絡運營安全:Femtocell通過IP接入核心網的安全網橋。

解決以上問題的方法,主要是采用新技術和設計有效的Femtocell架構。下面主要介紹解決干擾問題的方法。

5.1 干擾避免

由于其特殊的網絡拓撲結構,在Femtocell網絡中單一的干擾抑制技術是無效的。采用串行干擾抵消技術,是將接收到的信號減去最強的臨近干擾而起到信號還原的作用。但是如果干擾抵消不準確則抗干擾效果會很差;并且由于Femtocell設備的低成本要求,Femtocell的基站和發射器必須降低復雜度,這樣就會影響串行干擾抵消技術的實現,所以干擾抵消技術不能滿足Femtocell的要求。在Femtocell網絡結構中,由于干擾避免技術是避免干擾而不是抑制干擾,因此對于減少干擾是更為有效的方法。由于CDMA Femtocell網絡采用頻率復用技術,當宏單元和Femtocell用戶使用共同帶寬時,干擾避免是采用跳時和定向天線技術來實現的,可以提供7倍的系統容量改善。

5.2 跳頻與跳時技術

在GSM網中,通過慢跳頻技術來避免Femtocell用戶和宏單元用戶之間的相互干擾。同樣,跳頻OFDMA的網絡使用隨機子信道分配,以減少與周邊基站持續干擾的概率。

在跳時CDMA中,CDMA的持續時間GTc(G是處理增益、Tc是時間片周期)被分散在Nhop個時隙中,用戶將隨機選擇發送時隙或者發送保持時隙保持靜默。采用隨機跳時技術通過Nhop系數來權衡處理增益,可以減少干擾用戶的平均數量。這種權衡就是改變現有的CDMA宏單元運營網絡來適應Femtocell技術。

5.3 自適應功率控制

Femtocell(例如Sprint公司的Airave Femtocell)使用“自適應”方案來調節Femtocell的發射功率以解決躍層干擾問題。在前向鏈路過程中,愛立信提出通過增加Femtocell和宏基站之間的距離來降低Femtocell發射功率,從而減少對宏單元用戶的干擾,這種折衷的方法將減小Femtocell的家庭覆蓋范圍。在反向鏈路過程中,建議根據Femtocell用戶的位置提供更高的接收功率給Femtocell用戶及相關的宏單元用戶。

Femtocell中斷概率與平均用戶單元數量的關系模型表明,CDMA跳時技術、增加Femtocell功率比以及定向天線技術可以提高Femtocell網絡的性能。而上文仿真也表明,較高的CDMA時隙、高的功率比以及定向天線技術可以有效地降低Femtocell的中斷概率,如圖3所示,沒有采用任何干擾避免技術的中斷概率極高,很難滿足實際要求。Kishore提出克服遠近效應的辦法,通過增加少量的信道增益來擴大Femtocell的覆蓋范圍,使用戶可以同宏蜂窩通信,但這樣會增加相鄰Femtocell之間的干擾。多模手機方案可以減少干擾,例如,Femtocell中發射器是WCDMA制式而接收是GSM模式。

圖3Femtocell的中斷概率

6 結論

Femtocell技術是可以提供高質量低成本的室內3G網絡解決方案,同時也可以減少3G網絡的負擔。本文介紹了Femtocell作為3G網絡室內接入的優勢以及技術特點,對Femtocell的使用環境進行了仿真實驗。從仿真結果來看,Femtocell比單一宏單元網絡的性能優越,采用干擾避免、CDMA跳時和定向天線技術等技術可以有效降低干擾。然而,對于Femtocell大規模部署,運營商還面臨著降低Femtocell單機成本、解決RF干擾、提供優質的IP回程鏈路和網絡安全等多方面挑戰。

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【作者簡介】

范金寧:華南理工大學電子與信息學院碩士研究生,主要從事信道編解碼和無線寬帶接入技術研究。

蔡敏:華南理工大學教授、博士導師,廣州市電子行業協會副理事長、半導體委員會主任委員。