CDMA Femtocell標準及關(guān)鍵技術(shù)

摘要：首先闡述了CDMA Femtocell標準的制定歷程和發(fā)展現(xiàn)狀，再從應(yīng)用和開發(fā)的角度出發(fā)，對CDMA Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進行深入分析。對3GPP2標準中未明確但十分重要的內(nèi)容，如匯聚管理、移動性管理等給出具體實現(xiàn)方案，有益于Femtocell產(chǎn)品開發(fā)和實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：CDMA；Femtocell；FAP；架構(gòu)；匯聚；切換

0 引言
    Femtocell(毫微微蜂窩)是一種新型的小型化、低功率基站，利用有線寬帶接入作為回傳，具有低成本、接入方便、覆蓋靈活等特點，主要部署在家庭或企業(yè)等室內(nèi)環(huán)境，可以幫助運營商擴大無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高容量，提高運營商的競爭力。
    Femtocell技術(shù)出現(xiàn)后，各國際標準組織制定了相關(guān)技術(shù)規(guī)范。本文介紹了CDMA Femtocell標準的現(xiàn)狀，深入剖析3GPP2 Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)，并探討了標準的未來演進方向。

1 標準現(xiàn)狀
    與CDMA Femtocell相關(guān)的標準化組織有3GPP2、Femto Forum和Broadband Forum等。Femto Forum是發(fā)起者。在產(chǎn)業(yè)內(nèi)部協(xié)調(diào)需求，研究技術(shù)及市場應(yīng)用。Broadband Forum與3GPP2合作，制定Femtocell與網(wǎng)管系統(tǒng)之間的TR-069數(shù)據(jù)模型，提供接口開放建議。3GPP2定義需求，制定CDMA Femtocell相關(guān)技術(shù)規(guī)范。
    3GPP2 CDMA Femtocell需求規(guī)范S．R0126-0于2008月5月發(fā)布。規(guī)范分兩個階段進行。Phase 1主要支持基于IMS的1X電路域Femtocell和基于IOS的分組Femtocell(HRPD和1X分組域)，于2010年4月前發(fā)布。Phase 2主要支持基于IOS的1X電路域Femtocell、扁平架構(gòu)Femtocell和HRPD Femtocell增強特性。
    CDMA Femtocell規(guī)范主要包括空口、接入網(wǎng)IOS和核心網(wǎng)部分?？湛谝?guī)范主要涉及支持Fetmocell增強特性的1XC．S0005-E規(guī)范，HRPD C．S0024-C規(guī)范，增強系統(tǒng)選擇C．S0016-D以及最小性能規(guī)范C．S0010-D和C．S0032-C。接入網(wǎng)IOS規(guī)范主要涉及同時支持基于現(xiàn)有終端和增強特性終端的A．S0024規(guī)范。核心網(wǎng)規(guī)范為X．S0059-100～500，包括Femtocell網(wǎng)絡(luò)框架、Femtocell IP技術(shù)、Femtocell配置參數(shù)、基于IMS的1X Femtocell規(guī)范。

2 Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
    CDMA Femtoeell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括1x電路域架構(gòu)，1x分組域架構(gòu)和HRPD架構(gòu)。
    1x分組域架構(gòu)與HRPD架構(gòu)相同，如圖1所示。其中FAP(Femtocell接入點)是用戶端設(shè)備，集成BTS和BSC／PCF的功能，通過A接口接入FGW(Femtocell網(wǎng)關(guān))。SeGW(Femtocell安全網(wǎng)關(guān))為FAP連接運營商網(wǎng)絡(luò)提供安全接入。Femtocell AAA是FetmoCell認證服務(wù)器，提供FAP認汪與授權(quán)功能，也可以發(fā)送策略信息給SeGW。FMS(Femtocell管理系統(tǒng))為FAP提供管理和參數(shù)配置，基于TR-069網(wǎng)管接口標準。

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    1x電路域FemtoceIl架構(gòu)有兩種方式，即通過SIP接入IMS和通過A接口接入MSC。
    Femtocell通過SIP接入IMS，F(xiàn)AP實現(xiàn)SIP客戶端功能，將傳統(tǒng)1x空口協(xié)議轉(zhuǎn)換為SIP協(xié)議接入IMS。其優(yōu)點是Femtocell直接接入新的獨立的IMS網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)影響小；使用SIP協(xié)議，可擴展性好。
缺點是接入過程復(fù)雜，性能低于現(xiàn)有1x網(wǎng)絡(luò)；傳輸效率低，時延大；與宏網(wǎng)之間的切換流程復(fù)雜，時間長；在業(yè)務(wù)方面也不能重用現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)，需要重新開發(fā)補充業(yè)務(wù)。但現(xiàn)實中，對沒有部署IMS的運營商，該架構(gòu)優(yōu)勢難以發(fā)揮，部署時還需要新增轉(zhuǎn)換設(shè)備，將SIP信令轉(zhuǎn)換后接入現(xiàn)有核心網(wǎng)，但不適合中國使用。
    Femtocell通過A接口接入MSC，F(xiàn)AP完成BTS和BSC功能，提供標準A接口，F(xiàn)GW完成A接口代理功能接入MSC。優(yōu)點是采用標準A接口，業(yè)務(wù)接入與處理與宏網(wǎng)絡(luò)完全相同；與宏網(wǎng)間的切換與現(xiàn)有切換類似，切換時間較短；FGW功能簡單，對現(xiàn)網(wǎng)MSC影響較小。在具體使用時，F(xiàn)AP與FGW問A接口的底層承載方式可以有不同方式。該架構(gòu)受到更多運營商和設(shè)備商的支持，如圖2所示。本文中后續(xù)的分析也將基于該架構(gòu)。

3 Femtocell關(guān)鍵技術(shù)
    Femtocell做為移動網(wǎng)絡(luò)的一部分，應(yīng)能支持移動網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)所有業(yè)務(wù)。Femtocell的部署應(yīng)盡量減少對已有系統(tǒng)的影響，在不修改已有移動核心網(wǎng)和終端的前提下，實現(xiàn)Femtocell與宏站之間的雙向切換，實現(xiàn)Femtocell與Femtocell之間的無縫切換。Femtocell還應(yīng)具備一定的自組網(wǎng)能力，減少與宏基站之問的干擾。適合于在用戶側(cè)安裝和使用，支持即插即用、用戶接入控制、遠程管理等功能，并支持基于Femtocell的差異計費。[!--empirenews.page--]
3．1 即插即用
    用戶購買FAP設(shè)備，提供簽約信息，如家庭地址、接入控制列表、FAP機身編號等，由運營商客服人員把這些信息提供給客服平臺處理。
    用戶將FAP開機，F(xiàn)AP執(zhí)行鄰區(qū)發(fā)現(xiàn)過程，搜索并獲得無線相鄰小區(qū)信息。FAP根據(jù)預(yù)配置，通過DNS解析或其他方式發(fā)現(xiàn)SeGW IP地址，在FAP與SeGW之間建立IPSec安全隧道。通過安全IP隧道，F(xiàn)AP用DNS方式找到FMS并且上傳其相鄰小區(qū)搜索結(jié)果給FMS。FMS配置好FAP的空口和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后下發(fā)到FAP。FAP從FMS的配置信息中得知FGW地址，到FGW進行注冊，注冊完成后，F(xiàn)AP可以在指定的頻率上開始工作。
    FAP還要支持自動優(yōu)化功能，當(dāng)FAP周圍的無線環(huán)境發(fā)生變化時或周期性的在運行過程中處于無業(yè)務(wù)狀態(tài)時，自動對頻點、PN、鄰區(qū)等做自動優(yōu)化和配置，并將最終的結(jié)果上報給FMS。
3．2 匯聚管理
    同一個MSC可支持小區(qū)數(shù)是受限的，而網(wǎng)絡(luò)實際部署后FAP數(shù)量可能遠超出這個限制。需要FGW實現(xiàn)匯聚功能，使多個FAP可以共享相同的小區(qū)標識(CellID)。FGW應(yīng)保留一張FAP-FGW間使用的小區(qū)標識與FGW-MSC間使用的小區(qū)標識的映射表。FGW在收到FAP向MSC發(fā)送的A接口消息時，將消息中的小區(qū)標識字段替換為FGW-MSC間使用的小區(qū)標識后把消息發(fā)給MSC。反之，F(xiàn)GW在收到MSC向FAP發(fā)送的A接口消息時，將消息中的小區(qū)標識字段替換為FAP-FGW間使用的小區(qū)標識后把消息發(fā)給FAP。
    PDSN支持的PZID也是有限的，多個FAP需要共享相同的PZID以及PCF IP地址，F(xiàn)GW應(yīng)支持A10／A11接口匯聚功能。經(jīng)過接口匯聚后，無論FGW下部署多少FAP，對PDSN都只呈現(xiàn)以FGW的IP地址為PCF IP地址的一個或幾個PCF。A10／A11接口匯聚功能需要由FGW重新分配A10 KEY，替換轉(zhuǎn)交地址和FAP分配的A10 KEY來實現(xiàn)。如圖3所示。

    HRPD宏網(wǎng)AN通常不能支持配置多個FAP信息，F(xiàn)GW應(yīng)支持A13／A16接口匯聚，使宏網(wǎng)配置FGW信息以替代FAP信息。FGW通過將FAP發(fā)送的消息／數(shù)據(jù)中的源IP地址轉(zhuǎn)換成FGW的IP地址，并將宏網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送的消息／數(shù)據(jù)中的目的IP地址轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的FAP的IP地址，來實現(xiàn)FAP與宏網(wǎng)絡(luò)側(cè)的消息／數(shù)據(jù)交互。這樣可以節(jié)省宏網(wǎng)絡(luò)維護成本。
    類似的，從AN-AAA考慮，F(xiàn)GW實現(xiàn)A12接口匯聚功能，會減少AN-AAA的處理量，減少對FAP的運營維護。
3．3 移動性管理
    1x及HRPD空口規(guī)范為更好的支持Femtocell移動性制定了新的增強特性。但目前來看，運營商對Femtocell的需求還是基于支持現(xiàn)有傳統(tǒng)終端。[!--empirenews.page--]
    1x及HRPD Femtocell移動性管理均支持dormant態(tài)和激活態(tài)的宏網(wǎng)與Femtocell間雙向切換，1xFemtocell還支持FAP間的切換。切換流程基本與宏網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有流程一致。差別主要在激活態(tài)終端從宏網(wǎng)向Femtocell的切換。切換請求發(fā)到FGW后，由于FAP數(shù)量眾多，F(xiàn)GW很可能難以確定切換目標FAP。此時，F(xiàn)GW需要發(fā)送測量請示消息給所有配置相同PN偏置的FAP，讓這些FAP嘗試檢測終端和測量反向鏈路信號強度，并將測量結(jié)果和FAP的發(fā)射功率上報給FGW，以方便FGW據(jù)此惟一確定目標FAP。以1x為例，流程與原切換流程差異之處在新增的測量請求和響應(yīng)消息，如圖4所示。

    1x激活態(tài)FAP間切換，類似于宏網(wǎng)絡(luò)硬切換流程，但宏網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到MSC的切換請求(Handoff Re(quest)、負載更新(Bearer Update Reque st)等消息改由FGW終結(jié)和處理，切換完成后改為由FGW發(fā)送切換執(zhí)行(Handoff Performed)命令通知MSC發(fā)生了切換。這樣可以最小化Fetmoce ll系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的切換對現(xiàn)有MSC的影響。
3．4 安全
    FAP為用戶端設(shè)備，F(xiàn)AP和SeGW之間的IP網(wǎng)是非授信網(wǎng)絡(luò)，因此在FAP向終端提供服務(wù)之前，F(xiàn)AP直支持與SeGW進行雙向認證以及與鑒權(quán)服務(wù)器的授權(quán)過程。FAP應(yīng)支持證書認證方式，也應(yīng)支持EAP_AKA認證方式。對于EAP_AKA的鑒權(quán)方式，F(xiàn)AP與UIM卡可以機卡一體，也可機卡分離。FemtocellAAA是可以獲取FAP安全運作所必需的鑒權(quán)信息的CDMA 2000網(wǎng)絡(luò)實體。FAP通過SeGW與位于運營商核心網(wǎng)內(nèi)的FMS進行通信。FAP和SeGW之間應(yīng)該通過IPsec隧道來保護所有的消息。
3．5 接入控制
    為保障注冊用戶的私有性，F(xiàn)emtocell系統(tǒng)具備接入控制功能，通過接入控制列表(ACL)實現(xiàn)對授權(quán)用戶提供服務(wù)。
    (1)FAP工作在開放模式，任意終端都可以通過FAP接入并獲得服務(wù)，不需對終端執(zhí)行接入控制。
    (2)FAP工作在閉合模式，僅ACL中的用戶被允許接入并獲得服務(wù)，由FAP做接入控制點。HRPD也可以用AN-AAA為接入控制點。
    (3)FAP工作在信令模式，終端能注冊到FAP，但不在ACL中的終端接入FAP時可能被重定向到宏網(wǎng)，由FAP做接入控制點。HRPD也可以用AN-AAA為接入控制點。
    ACL采用國際移動用戶識別碼(IMSI)作為用戶標識，可以在自動配置過程中進行沒定，也可以由運營商或者用戶進行修改。FMS應(yīng)保存并管理ACL。為了執(zhí)行接入控制，F(xiàn)AP也應(yīng)存儲ACL。在自動配置期問FAP的ACL應(yīng)該由FMS提供，發(fā)生改變時也由FMS進行更新。在FMS和FAP中存儲的ACL應(yīng)完全相同并同步進行更新。

4 標準演進方向
    當(dāng)前CDMA Femtocell標準化工作已接近尾聲。展望未來，標準還可能向以下方向發(fā)展和演進：
    (1)與E-UTRAN互通。如LTE家庭基站與CDMA宏網(wǎng)絡(luò)互通，以及CDMA Femtocell與LTE宏網(wǎng)互通。
    (2)企業(yè)應(yīng)用。可能包括FAP間直連，更高的切換性能要求如實觀軟切換，更高的干擾檢測和協(xié)調(diào)要求，LIPA、Local Switch等。
    (3)自組織網(wǎng)絡(luò)SON?？赡馨ㄗ詣余弲^(qū)配置和優(yōu)化、PN自動規(guī)劃、頻率／Cell ID／LAC／子網(wǎng)等自動規(guī)劃、切換優(yōu)化、干擾協(xié)調(diào)等。
    (4)3GPP概念引入。例如引入閉合用戶組CSG概念，對CSG用戶和非CSG用戶實現(xiàn)不同的接入控制策略等；尋呼優(yōu)化；實現(xiàn)黑白名單機制等。

5 結(jié)語
    3GPP2 Femtocell技術(shù)基本成熟，支持Femtocell大規(guī)模部署，支持傳統(tǒng)終端接入，支持與宏網(wǎng)絡(luò)間及FAP間無縫切換，支持即插即用、用戶接入控制等，能夠滿足運營商部署Femtocell網(wǎng)絡(luò)的需求。