CDMA Femtocell标准及关键技术

摘要：首先阐述了CDMA Femtocell标准的制定历程和发展现状，再从应用和开发的角度出发，对CDMA Femtocell网络架构和关键技术进行深入分析。对3GPP2标准中未明确但十分重要的内容，如汇聚管理、移动性管理等给出具体实现方案，有益于Femtocell产品开发和实现。
关键词：CDMA；Femtocell；FAP；架构；汇聚；切换

0 引言
    Femtocell(毫微微蜂窝)是一种新型的小型化、低功率基站，利用有线宽带接入作为回传，具有低成本、接入方便、覆盖灵活等特点，主要部署在家庭或企业等室内环境，可以帮助运营商扩大无线网络覆盖，提高容量，提高运营商的竞争力。
    Femtocell技术出现后，各国际标准组织制定了相关技术规范。本文介绍了CDMA Femtocell标准的现状，深入剖析3GPP2 Femtocell网络架构以及实现关键技术，并探讨了标准的未来演进方向。

1 标准现状
    与CDMA Femtocell相关的标准化组织有3GPP2、Femto Forum和Broadband Forum等。Femto Forum是发起者。在产业内部协调需求，研究技术及市场应用。Broadband Forum与3GPP2合作，制定Femtocell与网管系统之间的TR-069数据模型，提供接口开放建议。3GPP2定义需求，制定CDMA Femtocell相关技术规范。
    3GPP2 CDMA Femtocell需求规范S．R0126-0于2008月5月发布。规范分两个阶段进行。Phase 1主要支持基于IMS的1X电路域Femtocell和基于IOS的分组Femtocell(HRPD和1X分组域)，于2010年4月前发布。Phase 2主要支持基于IOS的1X电路域Femtocell、扁平架构Femtocell和HRPD Femtocell增强特性。
    CDMA Femtocell规范主要包括空口、接入网IOS和核心网部分。空口规范主要涉及支持Fetmocell增强特性的1XC．S0005-E规范，HRPD C．S0024-C规范，增强系统选择C．S0016-D以及最小性能规范C．S0010-D和C．S0032-C。接入网IOS规范主要涉及同时支持基于现有终端和增强特性终端的A．S0024规范。核心网规范为X．S0059-100～500，包括Femtocell网络框架、Femtocell IP技术、Femtocell配置参数、基于IMS的1X Femtocell规范。

2 Femtocell网络架构
    CDMA Femtoeell网络架构包括1x电路域架构，1x分组域架构和HRPD架构。
    1x分组域架构与HRPD架构相同，如图1所示。其中FAP(Femtocell接入点)是用户端设备，集成BTS和BSC／PCF的功能，通过A接口接入FGW(Femtocell网关)。SeGW(Femtocell安全网关)为FAP连接运营商网络提供安全接入。Femtocell AAA是FetmoCell认证服务器，提供FAP认汪与授权功能，也可以发送策略信息给SeGW。FMS(Femtocell管理系统)为FAP提供管理和参数配置，基于TR-069网管接口标准。

    1x电路域FemtoceIl架构有两种方式，即通过SIP接入IMS和通过A接口接入MSC。
    Femtocell通过SIP接入IMS，FAP实现SIP客户端功能，将传统1x空口协议转换为SIP协议接入IMS。其优点是Femtocell直接接入新的独立的IMS网络，对现有网络影响小；使用SIP协议，可扩展性好。
缺点是接入过程复杂，性能低于现有1x网络；传输效率低，时延大；与宏网之间的切换流程复杂，时间长；在业务方面也不能重用现网业务，需要重新开发补充业务。但现实中，对没有部署IMS的运营商，该架构优势难以发挥，部署时还需要新增转换设备，将SIP信令转换后接入现有核心网，但不适合中国使用。
    Femtocell通过A接口接入MSC，FAP完成BTS和BSC功能，提供标准A接口，FGW完成A接口代理功能接入MSC。优点是采用标准A接口，业务接入与处理与宏网络完全相同；与宏网间的切换与现有切换类似，切换时间较短；FGW功能简单，对现网MSC影响较小。在具体使用时，FAP与FGW问A接口的底层承载方式可以有不同方式。该架构受到更多运营商和设备商的支持，如图2所示。本文中后续的分析也将基于该架构。

3 Femtocell关键技术
    Femtocell做为移动网络的一部分，应能支持移动网现网所有业务。Femtocell的部署应尽量减少对已有系统的影响，在不修改已有移动核心网和终端的前提下，实现Femtocell与宏站之间的双向切换，实现Femtocell与Femtocell之间的无缝切换。Femtocell还应具备一定的自组网能力，减少与宏基站之问的干扰。适合于在用户侧安装和使用，支持即插即用、用户接入控制、远程管理等功能，并支持基于Femtocell的差异计费。
3．1 即插即用
    用户购买FAP设备，提供签约信息，如家庭地址、接入控制列表、FAP机身编号等，由运营商客服人员把这些信息提供给客服平台处理。
    用户将FAP开机，FAP执行邻区发现过程，搜索并获得无线相邻小区信息。FAP根据预配置，通过DNS解析或其他方式发现SeGW IP地址，在FAP与SeGW之间建立IPSec安全隧道。通过安全IP隧道，FAP用DNS方式找到FMS并且上传其相邻小区搜索结果给FMS。FMS配置好FAP的空口和网络参数后下发到FAP。FAP从FMS的配置信息中得知FGW地址，到FGW进行注册，注册完成后，FAP可以在指定的频率上开始工作。
    FAP还要支持自动优化功能，当FAP周围的无线环境发生变化时或周期性的在运行过程中处于无业务状态时，自动对频点、PN、邻区等做自动优化和配置，并将最终的结果上报给FMS。
3．2 汇聚管理
    同一个MSC可支持小区数是受限的，而网络实际部署后FAP数量可能远超出这个限制。需要FGW实现汇聚功能，使多个FAP可以共享相同的小区标识(CellID)。FGW应保留一张FAP-FGW间使用的小区标识与FGW-MSC间使用的小区标识的映射表。FGW在收到FAP向MSC发送的A接口消息时，将消息中的小区标识字段替换为FGW-MSC间使用的小区标识后把消息发给MSC。反之，FGW在收到MSC向FAP发送的A接口消息时，将消息中的小区标识字段替换为FAP-FGW间使用的小区标识后把消息发给FAP。
    PDSN支持的PZID也是有限的，多个FAP需要共享相同的PZID以及PCF IP地址，FGW应支持A10／A11接口汇聚功能。经过接口汇聚后，无论FGW下部署多少FAP，对PDSN都只呈现以FGW的IP地址为PCF IP地址的一个或几个PCF。A10／A11接口汇聚功能需要由FGW重新分配A10 KEY，替换转交地址和FAP分配的A10 KEY来实现。如图3所示。

    HRPD宏网AN通常不能支持配置多个FAP信息，FGW应支持A13／A16接口汇聚，使宏网配置FGW信息以替代FAP信息。FGW通过将FAP发送的消息／数据中的源IP地址转换成FGW的IP地址，并将宏网络侧发送的消息／数据中的目的IP地址转换成相应的FAP的IP地址，来实现FAP与宏网络侧的消息／数据交互。这样可以节省宏网络维护成本。
    类似的，从AN-AAA考虑，FGW实现A12接口汇聚功能，会减少AN-AAA的处理量，减少对FAP的运营维护。
3．3 移动性管理
    1x及HRPD空口规范为更好的支持Femtocell移动性制定了新的增强特性。但目前来看，运营商对Femtocell的需求还是基于支持现有传统终端。
    1x及HRPD Femtocell移动性管理均支持dormant态和激活态的宏网与Femtocell间双向切换，1xFemtocell还支持FAP间的切换。切换流程基本与宏网络现有流程一致。差别主要在激活态终端从宏网向Femtocell的切换。切换请求发到FGW后，由于FAP数量众多，FGW很可能难以确定切换目标FAP。此时，FGW需要发送测量请示消息给所有配置相同PN偏置的FAP，让这些FAP尝试检测终端和测量反向链路信号强度，并将测量结果和FAP的发射功率上报给FGW，以方便FGW据此惟一确定目标FAP。以1x为例，流程与原切换流程差异之处在新增的测量请求和响应消息，如图4所示。

    1x激活态FAP间切换，类似于宏网络硬切换流程，但宏网络发送到MSC的切换请求(Handoff Re(quest)、负载更新(Bearer Update Reque st)等消息改由FGW终结和处理，切换完成后改为由FGW发送切换执行(Handoff Performed)命令通知MSC发生了切换。这样可以最小化Fetmoce ll系统内部发生的切换对现有MSC的影响。
3．4 安全
    FAP为用户端设备，FAP和SeGW之间的IP网是非授信网络，因此在FAP向终端提供服务之前，FAP直支持与SeGW进行双向认证以及与鉴权服务器的授权过程。FAP应支持证书认证方式，也应支持EAP_AKA认证方式。对于EAP_AKA的鉴权方式，FAP与UIM卡可以机卡一体，也可机卡分离。FemtocellAAA是可以获取FAP安全运作所必需的鉴权信息的CDMA 2000网络实体。FAP通过SeGW与位于运营商核心网内的FMS进行通信。FAP和SeGW之间应该通过IPsec隧道来保护所有的消息。
3．5 接入控制
    为保障注册用户的私有性，Femtocell系统具备接入控制功能，通过接入控制列表(ACL)实现对授权用户提供服务。
    (1)FAP工作在开放模式，任意终端都可以通过FAP接入并获得服务，不需对终端执行接入控制。
    (2)FAP工作在闭合模式，仅ACL中的用户被允许接入并获得服务，由FAP做接入控制点。HRPD也可以用AN-AAA为接入控制点。
    (3)FAP工作在信令模式，终端能注册到FAP，但不在ACL中的终端接入FAP时可能被重定向到宏网，由FAP做接入控制点。HRPD也可以用AN-AAA为接入控制点。
    ACL采用国际移动用户识别码(IMSI)作为用户标识，可以在自动配置过程中进行没定，也可以由运营商或者用户进行修改。FMS应保存并管理ACL。为了执行接入控制，FAP也应存储ACL。在自动配置期问FAP的ACL应该由FMS提供，发生改变时也由FMS进行更新。在FMS和FAP中存储的ACL应完全相同并同步进行更新。

4 标准演进方向
    当前CDMA Femtocell标准化工作已接近尾声。展望未来，标准还可能向以下方向发展和演进：
    (1)与E-UTRAN互通。如LTE家庭基站与CDMA宏网络互通，以及CDMA Femtocell与LTE宏网互通。
    (2)企业应用。可能包括FAP间直连，更高的切换性能要求如实观软切换，更高的干扰检测和协调要求，LIPA、Local Switch等。
    (3)自组织网络SON。可能包括自动邻区配置和优化、PN自动规划、频率／Cell ID／LAC／子网等自动规划、切换优化、干扰协调等。
    (4)3GPP概念引入。例如引入闭合用户组CSG概念，对CSG用户和非CSG用户实现不同的接入控制策略等；寻呼优化；实现黑白名单机制等。

5 结语
    3GPP2 Femtocell技术基本成熟，支持Femtocell大规模部署，支持传统终端接入，支持与宏网络间及FAP间无缝切换，支持即插即用、用户接入控制等，能够满足运营商部署Femtocell网络的需求。