Femtocell在校园3G覆盖中的应用

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【摘 要】

随着用户对网络覆盖要求的增加，成本以及部署的难易程度将会是移动通信室内覆盖的关键。从femtocell的技术原理出发，介绍了其关键技术，通过与传统室分和无线局域网进行对比分析，并结合实际案例，从设计和优化两个角度详细介绍了Femtocell技术的应用，最后对其在LTE的应用前景展开设想。

【关键词】

Femtocell FAP WLAN 室内覆盖 3G网络

1 背景

Femtocell（以下简称Femto）被称为毫微微小区或者家庭基站，是一种小型、低功率蜂窝技术。它具有毫瓦级（mW）的发射功率，典型覆盖半径为10～50m，主要针对家庭住宅或企业等室内环境，可同时提供3GPP标准业务和传统的固网业务（包括语音和宽带上网等）。

相对于利用传统宏基站和室分微蜂窝的方式增强室内覆盖，Femto技术从部署成本以及部署难度来说都具有一定优势[1]。

2 Femto关键技术简介

Femto系统由Femto基站（FAP）、安全网关、Femto网关以及其他支撑设备组成。其中，Femto基站提供各类接入能力，包括3G信号、Wi-Fi信号、FE接口等；安全网关提供IPSec隧道以及防火墙功能；Femto网关提供类似于宏网络RNC（Radio Network Controller）功能，提供对Femto基站进行信令与数据收敛功能；Femto网管提供对Femto系统的管理功能，包括Femto基站自配置自优化、关键KPI上报等；AAA负责对Femto基站进行鉴权[2]。如图1所示。

Femto使用IP协议，通过用户已有的ADSL、LAN等宽带连接提供回程链路，远端由专用网关（Gateway）实现从IP网到移动核心网的连通。发射功率为10～100mW，覆盖半径为50～200m，允许的最大用户运动速度为10km/h；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、即插即用等特点，并可选择用网线中的其中两芯进行直流供电[3]。其关键技术包括：自配置自优化功能、终端接入控制、位置接入控制、移动性管理、干扰优化。

3 Femto与室分及WLAN的对比

Femto可以实现传统室分微蜂窝的所有功能，与室分、WLAN的优劣对比如下：

（1）Femto的优势

1）部署方便，利用现有网线即可，并且其中两芯还用于供电，业主不容易产生反感。

2）设备小、天线小，容易隐蔽，其大小与家用无线路由器相当。

3）建网成本低廉，约为室分的1/10。

（2）Femto的劣势

1）覆盖范围不如传统室分系统，不适合应用于深度覆盖。

2）设备性能的稳定性可能不如室分。

室分、WLAN和Femto三种覆盖技术的适用场景对比如表1所示：

室分、WLAN和Femto三种覆盖技术的部署对比如表2所示：

引入Femto产生的问题如下：

（1）干扰问题：由于Femto覆盖范围为10～50m，

因此不会对室外宏站带来额外的干扰。

（2）维护问题：Femto与其他室内分布设备的维护一样，通过Femto替代了其他室分系统的区域，不会带来额外的维护工作量。

4 某高校Femto应用案例

4.1 Femto整体解决方案介绍

（1）项目背景

该校现有全日制在校学生约15 800人、教职工1 150人。用户使用区域主要为教学楼、宿舍和图书馆等，目前这些区域已建有一套有线校园局域网（采用“城市热点”提供的校园宽带认证管理平台，对上网用户进行认证和计费管理），无室分网络覆盖。随着移动智能终端和笔记本电脑的普及，室外宏站容量吃紧，同时由于穿透损耗，室内上网速度感知较差，出现较多投诉，为了满足无线上网以及通话要求，需要在有线校园网的区域内部署无线接入网络。

基于对现有有线网络认证及计费系统不进行大规模改造，以及在满足基本语音、移动数据业务的前提下尽量降低网络建设成本的原则，向校方提供Femto及Wi-Fi集成网关的解决方案（诺西设备）[4]。如图2所示。

（2）3g语音业务解决方案

FAP（Femto Access Points）可以提供3G的Femto信号，凡是合法的3G用户都可以实现在Femto小区之间以及Femto小区和宏网小区之间的语音主被叫服务。同时，由于支持Femto小区之间以及Femto小区和宏网小区之间的语音切换，可以保证该业务的连续覆盖。语音业务的控制面和用户面IP包的源地址是FAP的IP地址，可以通过预先IP地址规划分配到指定网段。校园网核心路由器通过源地址网段路由，将语音IP包转发到“城市热点2”；“城市热点2”将来自该源地址的IP包不做用户认证和计费，直接通过宽带网络转发到3G CS核心网。

以上方案对现有的有线网络以及认证计费模式不做任何改动，同时不受出口带宽、传输时延的影响，保证了Femto用户享受到和宏网用户同质量的3G语音业务体验。

（3）数据业务解决方案

FAP可以同时提供Femto以及Wi-Fi的接入方式。

1）通过Wi-Fi方式接入的移动设备可以从现有的DHCP服务器上获得指定网段的IP地址，该网段区分于有线用户以及Femto用户。Wi-Fi用户访问校园网内部服务器，不认证不计费；Wi-Fi用户访问Internet时，校园网核心路由器将Wi-Fi的数据包转发到“城市热点2”；“城市热点2”将对该Wi-Fi用户进行认证，只有当该用户是合法的校园网有线用户且为状态正常的3G用户（不欠费）时，才有权限访问Internet。认证成功后，“城市热点2”将根据IP地址作为标识，对Wi-Fi用户进行流量统计和计费。

2）通过Femto方式接入的移动设备的IP地址就是FAP的IP地址，可以通过预先IP地址规划分配到指定网段，该网段区分于有线用户以及Wi-Fi用户。校园网核心路由器通过源地址网段路由，将来自Femto的IP包转发到“城市热点2”；“城市热点2”将来自该源地址的IP包不做认证和计费，直接通过宽带网络转发到3G PS核心网。

3）对于有线网络用户，通过指定IP网段，沿用“城市热点1”做用户认证和计费。

（4）计费解决方案

1）通过Femto方式接入的用户，所有的信令和用户面的IP包由“城市热点”透明转发到3G核心网；用户的计费将由现有的计费系统（Charging Gateway）完成；由于Femto小区将采用和宏网不同的位置区号（LAC），在计费系统中可以对Femto小区的用户实现差异计费。

2）通过有线方式接入的用户，计费方式沿用现有的“城市热点1”，无需任何改动。

3）通过Wi-Fi方式接入的用户，访问校园网内部不计费；访问Internet时，“城市热点2”对该Wi-Fi用户认证通过后，可以通过不同的IP地址区分用户，实现计费。

（5）位置绑定解决方案

区别于宏网基站，FAP具有体积小、重量轻、易于被移动等特点。为了避免FAP被用户随意带到校园以外的区域使用，需要对FAP的物理位置做定期的自动检查，如果发现FAP在不被允许的区域，该FAP将不能够被继续使用。

诺西提供多种对FAP位置绑定的解决方案，具体如下：

1）基于MAC地址的位置绑定：FAP持续记录和它连接的路由器的MAC地址，如果路由器的MAC地址变化超过一定次数（具体次数可以配置），FAP会发出告警信息同时关闭Femto信号。

2）基于宏网小区的位置绑定：FAP会定期扫描周围的宏网小区信息并上报给FGW，FGW会通过和预先在数据库里配置的宏网信息对比，看FAP是否在允许的宏网小区覆盖范围内。如果发现FAP已经不在允许的位置，FGW会中断该FAP连接，同时发出告警信息。

4.2 设计方案

学生宿舍16栋共六层，平均每个宿舍住4人，采用Femto独立布放，每层需要6台Femto，共需36台Femto。第六教学楼共四层，采用Femto独立布放，一层、二层各需要4台Femto，三层需要3台Femto，四层需要1台Femto，共需12台Femto。如图3所示。

4.3 Femto网络性能分析

（1）干扰特性分析

理论分析和测试结论均表明，Femto与同制式的3G网络采用异频点组网，相互之间几乎没有干扰。而同制式的Femto之间的干扰，家庭场景下可以通过Femto自动扰码分配、自动发射功率调整等方式来解决，相邻家庭间Femto的干扰很小，不影响用户体验；企业场景下的Femto可以通过自动获取邻区参数、自动配置邻区关系实现3G独有的软切换特性，来有效地规避干扰。

（2）移动特性分析

Femto将采用2G网络引入3G网络覆盖时相同的移动性策略，即优先驻留Femto，在空闲状态下与3G网络双向重选、在呼叫状态下与3G网络单向切换的应用策略。

测试研究结论表明，Femto与3G网络的切换为基于MSC的硬切换，实际测试的切换成功率优于3G到2G的异系统切换[5]。规模部署时，可在3G网络配置统一的虚拟邻区（4个以上）和统一对Femto重选参数来实现上述的移动性策略。上述配置对3G网络配合工作量要求小，且对3G网络KPI没有影响。

针对校园场景，CS用户移动性需求较高，用户在宿舍内区域会频繁走动；而PS用户移动性需求较低，通常不会一边走动一边做PS业务。因此，CS业务需要保证连续覆盖，同时保证相邻Femto之间的切换和重选。对校园场景，既要考虑Femto网络与宏网络之间的切换及重选，也要考虑Femto小区之间的切换及重选。

（3）容量分析

根据学生宿舍建筑功能特点，室内发生的CS业务和PS业务的概率较高，按照50%的并发率（根据行业经验值取值最大）和30%的用户渗透率，每个Femto（可支持的最大用户数为8个）足以覆盖8个宿舍的48位用户数（48*50%*30%=7.2）。

CS业务：考虑用户的话务量，诺西Femto设备可以提供的话务量是3.6Erl，假设每用户话务量为0.03Erl，那么一台设备就可以同时支持120个用户。设备设置最大支持8个用户，所以能够满足。

PS业务：诺西Femto设备最大支持下载速率是14.4Mbps，按照最好的服务质量384kbit/s来计算，则一台设备可以支持的用户数为38.4。设备设置支持用户数为8，因此完全可以满足8位用户的服务质量[6]。

由于3G网络PS业务的特点，总带宽要求为（满配置情况）：

Femto数量*14.4Mbps*50%=总带宽（50%并发率）

若学生宿舍1栋需要安装12台Femto，则所需总带宽为：12*14.4Mbps*50%=86.4Mbps。

（4）切换策略分析

用户从室外至室内、室内至室外以及室内至室内移动时，都需要支持小区重选。互操作原则如下：

1）室外至室内：3G用户都优先驻留到Femto网络上。通过宏网侧参数配置，使Home Node B（简称为HNB）Ec/Io比宏网低2dBm时就允许重选到HNB小区上；对于学生宿舍大量连续密集覆盖场景，只支持宏网络向Femto的重选过程，不支持异频硬切换。

2）室内至室外：Femto可自动扫描并完成宏网络邻区以及切换参数配置；可使用户优先重选到3G宏网络，如果3G宏网络信号覆盖较差，则重选到2G宏网络。

3）室内至室内：需要支持Femto间同频重选；Femto切换参数和宏网络切换参数分开。Femto采用默认的同频、异频、异系统切换参数配置。

（5）Femto实际测试评估

为了验证设计方案和Femto设备在实际环境中的覆盖情况，项目人员使用Femto设备分别于学院某办公楼和网管机房进行了开通测试效果评估。验证结果显示通话清晰、数据业务使用正常。将Femto设备放置于走廊约1m高凳子上测得的效果如图4所示。

走廊效果说明：在设备周围7m范围内，无阻挡测试的信号强度达到-65dBm以上。但经墙体阻挡信号衰减严重，6m范围内有墙体阻挡，信号衰减为-85dBm左右。

机房效果说明：50平米房间内信号可以完全达到-70dBm以上，信号经墙体损耗约16dBm左右。经墙体损耗后室外信号强度在-85dBm左右，通话清晰、数据业务使用正常。

总结：Femto设备在无阻挡环境内覆盖良好，覆盖范围可达10m以上；在有阻挡的室内环境中，信号衰减，经两层墙壁阻挡后信号在-85dBm左右，仍能满足覆盖要求。

4.4 项目总结

该学校基于Femto解决方案充分利用现有的校园传输网络，发挥Femto技术优势，扩展了3G信号在室内的覆盖范围。

每一个Femto小区都可以提供空口5.75Mbps/

14.4Mbps的上/下行速率，能够很好地分流宏网的数据压力，提供有质量保证的用户体验。

由于3G用户不受校园网认证计费系统的限制，因此可以通过在计费系统中实现Femto差异化计费，鼓励用户多使用3G的语音及数据业务，增加运营商的业务收入。

校园网核心交换设备对Femto的语音和数据业务流采用透明转发方式，通过宽带网络转发到3G核心网，避免了传输对3G业务的影响。

基于Femto解决方案对现有校园网有线用户的网管系统不做任何改动，对有线用户的正常使用不产生任何影响；可以基于IP地址区分不同Wi-Fi用户，无需更改FAP和网管计费系统的软件。

新增加的网管系统对Wi-Fi用户在现有认证方式上增加了3G用户状态查询的功能，对于3G的欠费用户不提供Wi-Fi服务，加强了Wi-Fi使用权限和3G账户状态的绑定。

5 结束语

在移动用户发展日趋饱和、竞争不断加剧的今天，如何以最小的成本更快、更多地抢占覆盖点，提供优质的网络服务，是当前运营商网络建设的重中之重。因此，发挥好Femto的部署和成本优势，在4G大战打响前抢得先机，这势必会让Femto技术成为通信业界瞩目的热点。

参考文献：

[1] Simon R Saunders， Stuart Carlaw. Femtocells： Opportunities and Challenges for Business and Technology[M]. Hoboken： John Wiley & Sons Ltd， 2009.

[2] 张斌，李福昌，王一骢. Femto技术与组网应用[J]. 邮电设计技术， 2010（12）： 5-8.

[3] Jie Zhang， Guillaume de la Roche. Femtocells： Technologies and Deployment[M]. Hoboken： John Wiley & Sons Ltd， 2010.

[4] Nokia Siemens Networks： Reaching the Mass market with 3G Femto Home Access， Whitepaper[R]. Finland， 2008.

[5] 陈项. Femto日臻成熟 助力中国信息化融合[N]. 人民邮电报， 2010-03-16.

[6] Harri Holma， Antti Toskala. WCDMA for UMTS： HSPA Evolution and LTE[M]. 5th ed. Hoboken： Wiley， 2010.

作者简介

李晓辉：通信工程师，学士毕业于重庆邮电大学，现任广东省电信工程有限公司网优维护分公司技术部经理，主要从事网络优化及通信软件研发工作。

陈远明：通信工程师，学士毕业于中山大学，现任广东省电信工程有限公司网优维护分公司项目管理部经理，主要从事网络优化及项目管理工作。