浅析飞蜂窝技术发展
时间：2022-05-27 18:42:01 浏览次数：次
1.引言
随着移动通信的高速发展，移动通信的主要商用技术也正从2G、2.5G、3G向HSPA过渡，业务类型也随着无线接入速率的不断提高，逐渐从单纯的语音和短信息业务向丰富的数据业务演变，移动数据业务占业务总量的比率也越来越高。
根据NTT DoCoMo的统计，室内场所吸收了移动通信将近70%的话务量，从目前的2G/2.5G网络运营经验看，移动用户有60%的时间都在室内，因此良好的网络覆盖特别是室内覆盖式3G活的成功的关键。然而3G的实际部署也面临覆盖、容量和离网等因素的挑战。2GH在频段的无线信号，因其传输损耗和空间损耗较大，对建筑物墙体的穿透能力较弱，室内覆盖质量往往不尽人意。而大量的高速数据与多媒体业务，如视屏电话、流媒体、游戏等一般都发生在室内环境，这些业务都需要较大的系统容量和良好的网络质量。
由此以飞蜂窝（以下简称Femtocell）、NFC、Mesh为代表的无线宽带新技术成为了业界的新热点，并且遍及全业务运营中的FMC领域、移动支付领域以及无线城市领域。其中Femtocell以其低成本、灵活部署、易于安装等优势脱颖而出，倍受业界推崇。
2.Femtocell概念及特点
Femtocell概念最早由英国Ubiquisys公司提出，源于3G初期覆盖的不足以及Wi-Fi技术的挑战。3G发展初期的网络建设重点主要是室外覆盖，用户在室内的通信需求往往无法很好地满足。尤其是近年来Wi-Fi技术的迅速普及以及Wi-Fi/蜂窝网双模手机的不断增多，3G话音及数据业务都有被分流的危险。在这种情况下，Femtocell概念一经推出，就受到移动运营商的追捧。利用这种新技术及终端，移动运营商可以进入原来被固定网络和Wi-Fi网络所控制的家庭及办公场所市场。
Femtocell是毫微微蜂窝基站，也被称作家庭基站或3G接入点，是一种小型、低功率蜂窝基站，主要用于家庭及办公室等室内场所，因此也被称为家庭基站。它的作用是作为蜂窝网在室内覆盖的补充，为用户提供话音及数据服务。它的外形通常和Wi-Fi AP类似，既可以单独使用，也可以集成在家庭网关中作为家庭网络的一部分。
Femtocell使用IP协议，通过用户已有的ADSL、LAN等宽带电路连接，远端由专用网关实现从IP网到移动网的联通。它的大小与ADSL调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用的特点。飞蜂窝有适用于CDMA、GSM、UMTS等各种标准和支持2G、2.5G、3G的产品，与运营商的其它移动基站同制式、同频段，因此手机等移动终端可以通用。它具有1个载波，发射功率为10～100毫瓦（与WiFi的AP差不多），覆盖半径为50～200米，支持4～6个活动用户，允许的最大用户运动速度为10公里/小时。
3.Femtocell系统网络结构
Femtocell是一种在家庭中使用的基站，其系统结构如图1所示。图1中的AAA服务器、安全网关、时钟服务器和Femtocell网关为逻辑功能实体，实际部署可以单独设立，也可以和其他设备合并设立。
Femtocell系统包括Femtocell、Femtocell网关等功能实体、各功能实体的主要功能如下：
Femtocell也称为无线接入点（AP），提供UMTS无线接入功能，继承了WCDMA基站和部分RNC功能，通过现有宽带网络接入UMTS。其主要功能包括无线调制解调、无线资源管理及功率控制等。
Femtocell网关也称为无线接入点网关，提供Femtocell汇聚、无线接入点管理、语音和数据的分流和前转、ATM/IP协议的转换以及到核心网的标准接口等。
Femtocell归属服务器位于运营商管理的内部网，主要完成地址规划（Femtocell网关、Femtocell OMC、安全网关、时钟服务器等网元地址的管理和Femtocell内网地址的分配）以及Femtocell用户信息管理（Femtocell用户注册信息维护，用户准入列表维护管理、Femtocell组管理，Femtocell位置合法性检测等）。
AAA服务器是Femtocell的鉴权服务器，用于判断用户身份和权限，完成Femtocell的鉴权。
Femtocell OMC对Femtocell相关的设备进行管理，包括图1中的Femtocell、Femtocell网关、Femtocell归属服务器、AAA服务器、时钟服务器和安全网关，还可以完成Femtocell的升级、配置以及日常的性能和故障管理。
时钟服务器提供基于IP传输的同步时钟源，它是一个逻辑实体，可以与其他设备合并设立。
安全网关用于建立Femtocell和Femtocell网关之间的安全隧道。
4.Femtocell关键技术
4.1 即插即用
Femtocell所扮演的角色类似于终端设备，因此其使用方法必须简单明确，用户从运营商获取Femtocell基站后，只要接通电源和网络，必须能自动完成IP连接和IP分配，进行远程的自动软件升级、自动网络规划（包括最小干扰频点的选择、扰码的自动分配、邻区列表的自动创建及发射功率的自动调整）。
4.2 接入控制
接入控制主要有三个层面。第一，接入层的UE接入鉴权。用户必须可以设置Femtocell的接入模式，涉及是否允许所有用户接入，能否设置不同的接入用户，Femtocell信号是否可以独享等，因此Femtocell必须设置一个白名单编辑功能，以满足对Femtocell接入终端的控制。第二，Femtocell基站设备的接入控制。运营商要能够监控Femtocell基站的使用，并控制其IP是否允许接入。目前主要采用在Femtocell基站内置一张类似于SIM卡的信息鉴权设备，在用户获取Femtocell基站时，运营商可以在SIM卡上烧制相应的鉴权信息。第三，核心网3GPP标准的UE接入鉴权。Femtocell对用户的接入必须满足3GPP对3G的各项标准规定。
4.3 切换控制
Femtocell必须与宏峰窝之间实现无缝切换，以提高用户的感知度，切换主要包括三个方面：Femtocell和Femtocell之间的切换、Femtocell向宏峰窝的切换、宏峰窝向Femtocell的切换。
Femtocell和Femtocell之间的切换及Femto-cell向宏峰窝小区的切换只要在Femtocell中设置相应的邻区列表即可。但宏峰窝小区向Femtocell的切换中，由于Femtocell小区众多，宏峰窝邻区列表有限，同时还有相当一部分用于宏峰窝小区之间的邻区列表，因此宏峰窝向Femtocell方向的切换目前业界还在研讨当中。由于运算的复杂度及成本问题，大部分运营商已经同意可以放弃宏峰窝小区向Femtocell的切换，但有少数设备商也提出了逻辑小区的概念，将多个Femtocell归为一个逻辑小区，宏峰窝只关心逻辑小区的设置，而无需了解Femtocell的真实小区，以此来解决邻区列表有限的难题。
4.4 IP传输网络质量要求
因为Femtocell是完全通过IP网络实现与核心网的连接，因此如何保证业务的QoS服务等级，特别是语音业务的QoS要求非常关键，因此对于IP传输网络需要有一定的性能要求，一般要求如下。
满足语音业务QoS最低要求：
a.时延：上行<200ms；下行<2.5s
b.抖动：<100ms
c.丢包率：<20%
d.带宽：>100kbit/s
满足视频电话及PS384K业务QoS最低要求：
a.时延：<100ms
b.抖动：<70ms
c.丢包率：<5%
d.带宽：>200kbit/s
4.5 时钟同步技术
Femtocell主要通过接收周围宏基站信号来提取同步时钟信号，如果Femtocell完全处于孤岛环境，就需要通过自身的时钟振荡器来获取时钟。另外GPS也可以应用到Femtocell，但由于成本较高，目前仅在CDMA Femtocell中有少量应用。
5.Femtocell存在问题分析
目前Femtocell技术研发中存在问题主要包括干扰、远程管理、功耗和标准化四个方面。客观上讲，Femtocell市场的成功与否取决于能否成功地解决这些问题，以及解决这些问题需要付出多少时间和努力。
干扰：在传统的宏蜂窝网络部署中，为了确保每个蜂窝之间没有干扰，需要一位有经验的现场工程师通过对整体网络对每个基站进行大量的设置和优化。这是一个相当耗时的过程，需要预先作好规划，并进行大量的现场勘察测试。但对于Femtocell则不然，用户只需简单地将设备从包装盒中取出来，插上电并连接宽带网络后就能够工作。同时，运营商还必须保证这些Femtocell不会对他们的宏蜂窝产生干扰。Femtocell还必须能够解决在被移动位置、放置到毗邻其他设备旁甚至被企业用户放置到屋外试图为邻居提供电话服务时发生的问题。解决这些问题的方法是利用所谓的“认知无线电”技术，这指的是Femtocell中的无线电电路不断地监测射频环境，并根据情况进行自身设置。
功率：功耗是另一个需要考虑的因素。虽然最初的诱惑是，Femtocell供应商可以创建微微蜂窝基站的精简版本，但家庭蜂窝的一个关键需求是要满足消费电子产品的功率限制要求，并且不用风扇而保持安静的工作。进一步说，当作为一个现有家庭网关产品中的一个集成模块时，必须在无需太多重新设计的条件下能满足冷却和电源的限制条件。
集成标准：Femtocell技术日益增长使得形成了很多不同的、甚至独有的集成方法。至少已经有15个不同的基站架构已经确定，涵盖了所有的空中接口包括CDMA、GSM、WCDMA和WiMax。这种多样性将使市场不成体系，这将反过来损害可扩展性、互操作性，并最终增加成本。为回应日益增加的统一需求，Femto论坛发起一项倡议，旨在协调Femtocell网络架构，并制定未来发展的标准。有两类的网络基础架构：以UMTS为核心和基于SIP的。前者利用了移动核心的传递功能，但并没有卸载移动核心。相反地，通过直接与IMS核心或移动软交换通信，基于SIP的架构卸载了移动核心。在这种情况下，更多的功能包括在Femtocell内，并采用一种基于IP的技术集成到核心。
管理：与传统网络架构不同，Femtocell部署的数量很大，并且由用户自己安装，运营商无法像对待宏蜂窝基站那样，派出工程师现场进行维护管理。为了避免上门服务并保持客户满意度，运营商必须能够远程管理Femtocell，更新软件和固件，监控Femtocell的状况和表现，并做诊断测试，所有管理都应在运营商的网络控制台实现。为此，Femtocell开发商必须确保Femtocell的CPE（用户前端设备）可以容易安全地配置、诊断、远程管理。
6.结束语
Femtocell在解决3G时代的室内覆盖上具有光明的前景，但同时它的全面商用也面临着诸多挑战。Femtocell的标准化问题相信随着Femtocell行业标准和企业标准的推出将不再成为困扰业界的难题；网络规划和管理运维也将随着Femtocell技术研发进步、试验网等经验技术积累，使Femtocell网络部署管控逐渐走向成熟。
据市场研究公司ABI Research最新发表的研究报告称，家庭基站（Femtocell）将为半导体厂商提供一个利润丰厚的机会，同时也为运营商和OEM厂商提供巨大的机会。到2013年，全球家庭基站市场的销售收入将从2007年的不到7200万美元增长到18亿美元，复合年增长率在300%以上。这个市场的巨大潜力将吸引越来越多的半导体厂商进入这个市场，其中包括飞思卡尔半导体和高通在内的主要半导体厂商。
Femtocell作为3G时代时代解决室内覆盖的高效手段，机遇与挑战并存，相信在运营商、设备厂商以及芯片厂商的共同努力下，必然会不断发展壮大走向成熟。
参考文献
[1]肖征荣.飞蜂窝技术及发展策略探讨[J].电信技术， 2008，12.
[2]施西.飞蜂窝体系结构的发展[J].电信技术，2008，12.
[3]动讯网.Femtocell的关键技术[OL].http：///article/show-88179-1.html，2009-05-22.
[4]动讯网.Femtocell的网络结构[OL].http：///article/show-88175-1.html，2009-05-22.
[5]动讯网.Femtocell的功能与应用[OL].http：///article/show-88189-1.html，2009-05-22.
[6]动讯网.Femtocell面临的设计挑战[OL].http：///article/show-80265-1.html，2008-11-05.