Nanocell：TD-LTE與WLAN的融合*

曹 汐，楊 寧，孫 滔，劉光毅，鄧 輝

（中國移動通信有限公司研究院 北京100053）

1 引言

隨著智能手機等新一代終端的不斷普及和移動互聯網業務的發展，無線數據業務呈現了爆炸式的增長趨勢。根據目前相關機構的統計結果，現階段全球無線數據業務年增長率超過100%；而預計未來5年數據業務增長40倍，10年增長1 000倍。在過去5年中，中國移動通信有限公司（以下簡稱中國移動）網絡中的數據業務增加了60倍，其中移動話音業務的60%和數據業務的70%發生在室內；據預測，未來室內業務將占總業務量的90%。而隨著無線數據業務的高速增長以及室內無線傳輸需求的不斷增加，傳統蜂窩網絡的覆蓋方式對于支持室內無線數據業務表現的瓶頸日益突出，使移動運營商的網絡發展面臨著種種挑戰，包括如下幾個方面：

·傳統2G、3G網絡無線接入容量極限逐漸顯現；

·頻譜資源日益緊張，可用于廣覆蓋的蜂窩移動通信網絡的新增頻率資源日益匱乏；

·站址、天饋資源獲取難度日益增加，密集城區的站間距接近理論極限，很難支持傳統蜂窩宏基站的更密集部署；

·普通蜂窩網絡部署密集，網絡干擾環境更加復雜，影響網絡性能；

·宏基站的部署和運營成本高昂，新增宏基站擴容的建網方式難以為繼。

為了維持產業鏈的健康和可持續發展，移動通信網絡的發展必須考慮如何通過網絡技術能力的提升、部署方式和運營方式等方面的革新，不斷降低網絡的部署和運營成本。為了滿足現階段用戶室內業務發展需求，同時分流2G/3G網絡的數據業務，中國移動在2011年底決定，在未來3年的時間中，建設600萬個WLAN AP，通過多網的協同，滿足不斷增長的用戶移動數據業務需求。與此同時，為了加速TD-LTE的產業成熟，在工業和信息化部的統一部署和領導下，國內外企業共同完成了TD-LTE規模試驗，充分驗證了TD-LTE的技術成熟性，并啟動了TD-LTE擴大規模試驗，開展面向商用的應用技術攻關。

為了融合TD-LTE與WLAN兩類熱點及室內覆蓋技術，充分利用WLAN站點與傳輸資源，彌補宏蜂窩深度覆蓋的不足，合理分流宏蜂窩網絡業務壓力，降低運營商網絡建設和運營成本，中國移動提出了Nanocell及其端到端的系統解決方案，期望能夠聚合TD-LTE及WLAN產業力量，滿足用戶業務未來的發展需求，促進產業健康發展。

2 Nanocell的定義及主要特征

對于典型蜂窩網絡，通常采用宏基站進行連續覆蓋和室內淺層的部署，采用微基站進行道路、室外覆蓋室內以及室內深度覆蓋的室內分布系統的部署方式，并采用pico/企業級femto進行補盲、補熱，而家庭級femto用于家庭部署。其中pico/femto，業界也稱為小基站（small cell）。

對于室內和熱點場景的部署，需要充分考慮設備的體積、成本、效率與回傳（backhaul）的限制。結合室內、熱點場景的部署特點，中國移動提出Nanocell及其系統解決方案，實現小基站與WLAN在室內和熱點地區的融合組網。

Nanocell與傳統的宏基站、微基站等在整個移動通信網絡中的主要部署場景如圖1所示。

Nanocell的主要定義為：一種集成小基站（通常指發射功率小于1 W的小區，如pico、femto等）與WLAN的產品形態。

集成電信級WLAN服務的一體化設備、對蜂窩網和WLAN干擾協同的系統化設計及后續面向WALN和蜂窩網的融合是Nanocell區別于小基站的最主要特征，具體如下。

·同時支持蜂窩網絡系統及WLAN的覆蓋。通過技術方案，降低蜂窩系統與WLAN之間的干擾，保證兩者之間的覆蓋及容量。

·可以部署在企業、熱點與家庭場景。Nanocell既可以由運營商部署及維護，又可以由普通用戶部署，并通過回傳由運營商自動完成配置及維護工作。

·支持較低的建設成本與維護成本。分階段支持基于SoC芯片架構的小基站與WLAN AP功能的融合，分階段支持核心網的融合演進，制定標準統一的網管系統。

·使用靈活、低成本的回傳網絡。Nanocell可使用IP化的低成本有線或無線的寬帶回傳網絡，可以使用運營商自有的寬帶回傳網絡或者有合作協議的第三方網絡。

·支持完善可信的安全能力。具有可靠安全機制保證接入和業務安全，通過證書實現身份認證，具備可信環境，保證設備、信令和數據傳輸安全。

3 Nanocell的系統架構

如圖2所示，Nanocell的系統架構可分為3個部分：EPC核心網部分、WLAN接入控制部分及Nanocell新增網元部分。其中，EPC核心網及WLAN接入控制的架構和組網方式沿用已有系統架構和功能。Nanocell新增網元功能的說明如下。

圖1 Nanocell應用場景示意

圖2 Nanocell系統架構

·Nanocell，為終端提供蜂窩網接入，和終端間通過Uu口進行空口的通信；同時提供WLAN接入，與終端通過WLAN模塊進行通信。

·Nanocell網關，對Nanocell設備進行雙向認證，對S1接口的信令和數據及Nanocell與網管間的消息通過IPSec協議進行加密，當Nanocell數量大時，Nanocell網關可根據配置進行S1接口信令面的匯聚，降低對MME的信令壓力。

·Nanocell網管，對Nanocell、Nanocell網關進行管理，在Nanocell啟動時對其參數進行配置，在運行中，對Nanocell進行性能管理。

·回程網絡，使用靈活的IP化接入方式，支持有線及無線的回傳方式，其組網方式也相應地依據其回程的方式進行組織。

·本地網關，是Nanocell的可選功能，可將用戶的數據通過本地網絡進行路由轉發，訪問本地網絡的IP資源，減少傳遞到核心網的IP數據分組。

4 Nanocell產業化需要重點關注的問題

4.1 成本控制

Nanocell產品能否滿足運營商的部署需求，實現大規模部署，設備的成本控制是最關鍵的因素之一。Nanocell產品雖然在設備重量、體積、發射功率、用戶容量方面比宏基站小很多，但是在網元類型、基本功能、系統帶寬和峰值速率等方面與宏基站基本相同。因此，Nanocell的成本控制目標是要以終端的成本實現基站的功能。而要實現該目標，Nanocell必須借鑒終端產品的設計思路，即芯片級解決方案。利用集成了CPU、DSP及硬件加速器的SoC芯片實現基站BBU（基帶處理單元）的功能，采用高集成度的射頻芯片，低功耗、低成本的PA（功率放大器）及射頻前端器件實現基站RRU（遠端射頻單元）的功能。甚至在部署規模發展到一定階段時，通過單芯片加射頻前端等少量外圍器件實現整個融合設備的全部功能，進一步降低產品成本。

另外，部署規模對Nanocell產品的成本也有非常大的影響。為借助規模優勢、有效控制成本，Nanocell的核心器件和產品研發需要借助FDD系統的產業規模，盡量做到與FDD共用主要芯片、產品架構、硬件平臺和高層協議軟件，在促進TDD/FDD融合發展的同時，實現Nanocell整體規模的壯大。

4.2 低成本同步解決方案

引入Nanocell后，組網方式將更為豐富，為了在絕大多數部署場景中有效抑制TDD小區間上下行時隙干擾，要求Nanocell間保持同步，并且Nanocell和宏基站也能保持同步。通常，需要同步精度，頻率精度誤差≤±0.25 ppm，時間同步精度誤差≤3μs。目前，常見的同步方案有以下3種。

·網絡同步 （如IEEE 1588v2）：通過傳 輸網絡由1588v2高精度時間同步協議為基站提供同步信息。

·GNSS(global navigation satellite system)同步：利用專用衛星接收機通過GPS或北斗等衛星導航系統授時，獲得高精度的頻率和時間同步信號。為了提高衛星信號的搜索能力，提升室內弱信號環境下的同步成功率，還可以采用A-GNSS（assisted-GNSS）技術優化同步建立和保持性能。

·空口同步：周期性監聽參考基站的同步信號，實現與參考基站的頻率和時間同步，通常包括同步建立和同步保持兩個過程。為了應對更為復雜的應用場景，還可能需要支持多模多頻段空口偵聽，或者支持多跳空口同步。Nanocell同步方案對比及選擇策略見表1。

表1 Nanocell同步方案對比及選擇策略

然而，Nanocell的部署場景豐富，以上3種常見同步方案對于不同的應用場景各有優缺點，難以依靠某一種同步方案就滿足絕大多數應用場景下的同步要求。因此，實際應用時可能需要采用多種同步方式相結合的組合同步方案，并在產品實現時盡量考慮模塊化、接口通用化等設計思路，降低同步方案對產品成本和實現復雜度的影響。

4.3 接口開放

Nanocell無線設備作為一種新的產品形態，需要考慮和現有或未來網絡設備的互通，還需要考慮不同設備廠商之間的互通。例如Nanocell無線設備中的WLAN AP和AC設備間的互通、Nanocell無線設備和異廠商EPC設備間的互通等。因此在Nanocell的系統設計和產品實現時，需要充分支持接口開放問題，保證新老設備、異廠商設備間的接口互通，形成一個開放的產業鏈格局。

5 結束語

Nanocell是中國移動為了聚合蜂窩與WLAN產業鏈、完成蜂窩網絡與WLAN深度融合所推出的端到端解決方案。該方案以現有網絡為基礎，通過產品升級和網絡結構調整，可實現在一套系統上同時支持TD-LTE和WLAN兩種無線寬帶網絡接入，彌補傳統宏蜂窩深度覆蓋的不足，合理分流宏蜂窩網絡業務負荷，降低運營商網絡建設和運營成本。現階段Nanocell采用設備級融合方案，為蜂窩網和WLAN的融合提供了基礎，后續演進方案可以通過芯片級的融合和通信協議上的深度融合進一步優化和提升兩種無線寬帶網絡的承載能力和效率，形成優勢互補，最大化利用頻譜資源、站點和傳輸資源，為移動互聯網發展提供新的技術手段。

1 中國移動通信有限公司研究院.中國移動Nanocell技術白皮書，2012