Femto技术与组网应用 - 全文

0 前言

Femto技术在3GPP R8中被引入，并成为R8的研究热点。因为Femto具有发射功率低、覆盖范围小、部署方便、价格低廉等特点，所以受到了业界的广泛关注。Femto以固定宽带接入网络为回程，同时向用户提供移动业务，是一种典型的固定移动融合技术，Femto将是全业务运营商提供差异化服务的重要手段。

对运营商来说，Femto技术的应用可以提高室内覆盖质量、提升用户体验、减少用户离网率，同时可以在空口分流宏网络流量、缓解宏网络扩容压力、降低3G建网的CAPEX和OPEX。对用户来说，因为Femto部署的成本低，运营商可以为用户提供更低的通信资费，另外Femto用户可以独享无线资源和传输资源，获得更好的信号质量和接入速率，能够促进用户数据业务使用习惯的培养。总之，Femto技术的出现为运营商提供了室内覆盖的新思路。

1 Femto技术概述

1.1 Femto标准进展

3GPP称Femto为Home Node B（HNB），即家庭基站。3GPP于2007年3月启动HNB的相关研究工作，其目标是试图形成家庭基站的标准应用场景，找到标准的解决方案。2008年5月3GPP完成了这个研究工作，形成了技术报告：TR 25.820“3G Home Node B Study Item Technical Report（R8）”。

R8规范了HNB架构、Iuh接口、CSG相关标识、测量规则、小区选择与重选规则、HNB网管南向接口等方面的内容。R9将继续完善HNB的标准，工作目标主要涉及以下几部分：从宏小区到HNB小区的连接态的切换、从HNB小区到HNB小区的连接态的切换、支持OPEN模式和hybrid模式的HNB小区、Iuh接口上CS业务的上行复用。

行业标准方面，2009年4月CCSA开始了HNB系列行业标准的制定。该系列标准包括家庭基站设备技术要求和测试方法、家庭基站网关设备技术要求和测试方法、家庭基站管理系统设备技术要求和测试方法、家庭基站与家庭基站管理系统之间接口测试方法、家庭基站Iuh接口技术要求和测试方法。目前该系列标准已经陆续完成报批，处于待发布阶段。

1.2 Femto产业链状况

在Femto标准制定的同时，产业界也迅速跟进，华为、阿朗、诺西在2009年年初第一批推出了Femto解决方案，到2009年下半年思科、NEC、新邮通等厂家都推出了自己的Femto产品。从设备产业链的角度讲，Femto技术已经成熟，具备了规模商用的条件。

商用方面，NTT Docomo、Vodafone、T-mobile等主流运营商已开展相关试验，Sprint、Verzion、AT&T 也在着手Femto的试验和商用筹备，但是目前尚未有真正大规模商用的Femto网络。

2 Femto关键问题

2.1 网络架构

Femto接入网络主要由HNB、家庭基站网关（HNB GW）、安全网关（SeGW）和家庭基站网管系统（HMS）构成（见图1）。HNB为用户私有设备，通过公共IP网络连接到HNB GW，HNB GW通过Iu接口连接到核心网。从核心网来看，HNB接入网是RNC，HNB GW通过标准的Iu接口接入到核心网；从UE侧来看，HNB接入网是Node B，HNB与UE采用标准的Uu接口进行通信。

图1 Femto 我网络结构

HNB具有Node B的无线承载功能，向终端提供标准的Uu接口，同时也集成了RNC的无线资源管理、移动性管理等功能，HNB还提供了HNB GW的Iuh接口。

HNB GW是为HNB系统新增的网关设备，将来自众多HNB的业务汇聚在一起，然后通过标准的Iu_CS和Iu_PS接口传回到已有的核心网络，这样就向核心网屏蔽了Iuh接口和HNB系统特性。HNB GW还具有Iuh链接管理、UE注册、HNB注册、UE接入控制等功能。

HMS主要提供HNB的网络管理功能，HMS与HNB之间采用TR069协议。具体的网管功能包括用户管理、软件管理、参数配置、故障管理、性能管理、HNB拓扑管理、日志管理等。HMS还支持HNB初始化过程中的HNB GW发现功能，为HNB提供初始配置数据，对HNB进行位置信息验证，准入列表维护。

2.2 自配置自优化功能

自配置自优化功能是Femto最重要的功能。

一方面，Femto数量众多，运营商不方便也不可能投入巨大的精力对其进行开通和维护，这就要求HNB能够即插即用，维护便捷。即插即用指Femto上电后，自动完成认证鉴权、网络发现、IP获取、IP Sec隧道建立、自动参数配置等过程。维护便捷指运营商可以通过OMC进行远程批量配置管理、软件升级、日志自动保存等操作。

另一方面，Femto部署的一个重要原则是不能对宏网络产生较大干扰，不能造成宏网络质量的下降。这就要求Femto具有自适应自优化算法，保证最优的发射功率，以减小Femto网络对宏蜂窝的干扰。

此外，Femto具有自动无线测量、自动邻区配置等功能，以满足其与宏网络之间的移动性管理要求。

2.3 UE接入控制

Femto是用户私有设备，所以要对终端进行接入控制。根据接入控制策略的不同，3GPP将Femto分为3种模式，即封闭模式、开放模式和混合模式。

采用封闭模式时，只允许本Femto的用户接入，拒绝其他用户接入。CSG就是封闭用户组的概念（在R8中引入），用来作接入控制。根据终端对CSG的支持，又分为非CSG终端接入控制和CSG终端接入控制。对于非CSG终端，即不支持CSG的终端，Femto或Femto GW处会有一个用户准入列表，如果用户的IMSI在准入列表中则可以接入，否则拒绝接入。非CSG终端的接入控制在接入网侧完成，即在Femto和Femto GW处完成。对于CSG终端，看UE和Femto的CSG是否一致，如果一致则允许接入，否则拒绝接入。CSG终端的接入控制在核心网完成，因此CSG模式的接入控制需要终端、Femto、核心网三者都支持CSG功能。

R9中又引入了开放模式和混合模式。处于开放模式的Femto不作接入控制，所有的合法终端都可以接入，从UE的角度来看，Femto就是一个宏基站。

混合模式介于开放模式与封闭模式之间，混合模式的Femto属于一个CSG，采用混合模式的Femto，除了CSG列表中的用户可以接入外，CSG列表外的合法用户也可以接入。但是，CSG列表内的用户具有高优先级，在资源受限时应该优先保证CSG列表内用户的服务质量。

2.4 位置接入限制

位置接入限制就是要限制Femto在别的地方使用，主要是基于以下几方面考虑。

首先，保护运营商的长话收入，因为Femto一般采用归属地接入，因此如果Femto被拿到外地去用，在该Femto下向归属地打电话会按市话计费，这将造成运营商长话收入的流失。

其次，防止Femto在别的运营商网络中使用。

最后，因为同一运营商不同地区运营策略可能不同，如果不采用位置接入限制将会出现市场的混乱。

3GPP在TS 25.467中给出了3种解决方案，分别是基于宏网络的位置绑定、基于宽带信息的位置绑定、基于GPS的位置绑定。具体的实现流程本文不再详述。

2.5 移动性管理

Femto的部署区域一般都存在宏网络覆盖，Femto与宏网络同覆盖的场景如图2所示。这就涉及到Femto小区与宏小区之间的小区重选和切换问题，并且在企业级应用中，还涉及到Femto小区之间的小区重选与切换问题。

图2 Femto 与宏网络通覆盖的场景

目前，Femto可支持与2G/3G宏网络的双向重选，同时支持Femto到宏网络的切换，但是目前对从宏网络到Femto的Inbound切换的支持还不完善。

对于Femto小区与宏小区之间的小区重选，主要的判据是Femto小区的信号质量，并且遵循UE优先驻留在Femto小区的原则。UE一旦进入Femto覆盖范围，优先选择驻留在Femto小区上，并且能够在宏小区信号质量好于Femto小区时仍然驻留在Femto小区（如Femto距离宏基站较近时）；当Femto小区的覆盖变得比较弱时，UE重选到宏小区。

在Cell DCH状态，因为Femto集成了原RNC的功能，所以Femto到3G宏小区的切换类似于宏网络中跨RNC的切换，即SRNS重定位过程。

但是，目前还不支持从宏网络到Femto的切换。

首先是扰码混淆问题。由于Femto的部署数目较多，且扰码复用，因此在宏小区覆盖范围内，会有多个Femto小区共用同一PSC的情况，即PSC混淆。在传统UMTS系统的切换测量中是通过PSC来区分不同小区的，因此在上述不同Femto小区分配相同PSC将造成PSC混淆。

其次是接入控制问题。在无线测量阶段UE无法知道目标Femto是否允许接入，因此无法作出切换决定。

3 Femto应用场景分析

Femto主要应用于家庭和办公室等室内环境，这些场景的需求特点是不需要支持太多用户，但是对信号质量要求较高，Femto的技术特点正好满足了这些要求，而且部署方便，是家庭和小型办公场所理想的室内覆盖解决方案。

对运营商来说，采用Femto进行家庭场景的室内覆盖，不仅能够降低蜂窝网的运营成本、提升用户感受，还可以进一步推动固定移动融合的发展，提供差异化的服务。具体表现在以下几个方面。

a）节省CAPEX和OPEX。Femto能够在空口分流宏网络流量，缓解宏网络的扩容压力；另外，用户提供站址、支付回程和电源，减低了OPEX。

b） 提高室内覆盖质量。由于3G 技术使用的频段比2G 网络要高，因此对建筑物的穿透能力不够，而3G网络提供的各种多媒体服务又对网络质量提出了较高的要求。Femto可以很好地解决这个问题，大大提高了室内3G 网络的覆盖效果。

c） 提高ARPU 值。网络性能的提升，必然可以提高用户体验，进而推动3G 数据业务的发展和培养用户的使用习惯，为运营商带来更多的收入。

d）增加用户。Femto可以作为运营商获取客户的手段，可以推出类似“亲情1+”之类的家庭套餐，促使拥有Femto覆盖的家庭中的所有家庭成员都使用同一运营商的网络。

Femto技术主要定位于家庭场景的室内覆盖解决方案，但是Femto也可以应用于中小企业的办公楼宇。

高层楼宇的特点是墙体较厚、穿透损耗较严重、建筑结构相对复杂，采用在周围部署宏基站的方式并不能满足室内覆盖的需要。采用BBU+RRU室分系统能够很好地解决室内覆盖，但代价是相对昂贵的部署成本，包括设备、传输资源、工程建设、后期维护的成本等。

采用Femto进行办公楼宇覆盖具有部署灵活、施工方便、成本低廉等优势。但是这种覆盖方案还存在一些尚未解决的问题。

首先是Femto之间的切换问题。目前在3GPP标准中对Femto间切换的支持还不完善。

其次是Femto之间的干扰问题。从目前设备商推出的Femto产品看，Femto覆盖范围有限，同一楼层需要多个Femto共同覆盖，如何控制干扰也将是运营商需要面临的问题。

最后是Femto的容量问题。家庭级的Femto一般只支持16个用户驻留和4个用户并发，这对企业级应用来说是不够的。因此，对于Femto的企业级应用，应该采用企业级的Femto，目前企业级应用的Femto产业链还不成熟，可以商用的产品有限。

4 结束语

虽然3GPP对Femto标准化工作是从R8开始的，但基于尽可能不影响现有网络的考虑，Femto设备对R8之前的终端与核心网络具有良好的兼容性，自配置自优化功能保证了Femto对宏网络尽量小的影响。
目前，Femto产业链已经成熟，华为、阿朗、诺西、思科、NEC等公司都已经推出了Femto解决方案。从技术的角度来讲，引入Femto的时机已经成熟，运营商可以根据自己的网络建设计划逐步部署Femto，可以优先在有固定宽带的家庭场景部署。

但是，Femto的引入能否获得成功还受市场策略、盈利模式等因素的影响，这些因素的影响甚至超过技术本身。