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摘要：Femtocell（毫微微小区）是一种改善市内覆盖的小型低成本基站，能够提供很好的深层覆盖，适用于家庭和办公室环境。文章在分析了Femtocell的优势的基础上，简单介绍了它的体系结构、接口以及其对现有移动通信网络的影响，最后提出了Femtocell面临的困难以及良好的发展前景。
关键词：Femtocell；宏蜂窝；扁平化；室内覆盖；网关
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)31-0798-02
Functions and Architecture of Femtocell
JI Min-hui
(College of Software Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Abstract: Femtocell is a kind of mini-sized, low-cost base station for improving indoor coverage especially for home and office environments. Based on the introduction on the advantages of Femtocell, it expounds the network architecture, interface and influence to the existed communication network. At last, problems that Femtocell faced and good foreground are talked.
Key words: femtocell; flat; indoor-coverage; gateway
1 引言
移动通信已经成为现代生活不可或缺的一部分，人们对新一代的移动通信要求越来越高。运营商不仅要满足庞大的用户群体，而且要保证高速率高质量的要求。从日本NTT DoCoMo于2001年10月1日开通全球第一个3G服务以来，3G已经成为世界上移动通信的必然趋势。目前，全球3G发展最快的国家是亚洲。因此，3G服务在中国尤其成为个大运营商和生产商发展的重点。此外，实现3G服务的高新技术也日益增多。
根据调查，虽然是移动业务，但70％数据业务却发生在室内，而墙壁引起的损耗使室内信号覆盖效果较差，在高楼密集的现在，室外宏蜂窝基站在网络深层覆盖上存在着缺陷，另外，随着高速率数据业务的需求日益加剧，用户量也越大越多，这就给移动业务本身的质量带来了挑战。针对这些问题，Femtocell(毫微微蜂窝式基站)应运而生。这种技术很好的解决了宏蜂窝基站的室内深层覆盖问题。
2 Femtocell的优点
Femtocell以其方便实用的特点成为3G新的接入点。它的优势在于：用户只需将Femtocell接入基于IP的网络中就可以在家中使用移动电话，而通过这种方式实现的业务资费近乎为零。另外，Femtocell支持四个左右的用户，网络的质量和速率都可以得到很好的保障，Femtocell还支持HSDPA、HSUPA，为用户提供了高速率的数据业务。这些特点都很好的解决了现有蜂窝网络普遍存在的问题。除此之外，Femtocell具有较小的电磁辐射，它的发射功率很小，并且通过自动监测信号调整功率。当Femtocell监测到用户处于空闲状态时，将自动调低发射功率，相反，当用户连接时，自动调整到最佳信号强度，大大减少了电磁辐射。因此，这种设备因其即插即用、自动配置、方便安全等特点成为新一代移动通信领域的新宠。
传统的蜂窝网络主要是通过微微小区(PicoCell)解决室内覆盖和容量问题，其覆盖半径一般小于100m。虽然PicoCell 能较好地解决一些问题，但它仍存在弊端，如部署网络不方便，成本压力大，数据业务的强突发性和用户日益增长的对传输速率的需求，要求移动运营商建立更多的室内小区以保证业务质量；此外，面对众多的室内小区，网络规划、管理和维护将成为难以完成的任务。
与Femtocell较类似的是采用802.11标准的WiFi。对于小型力公室和流动工作者来说，WiFi使用户无需布线连接就可进行网络访问。对于会议室、会客厅、宿舍这类需要共享服务、文件的布线环境和当网络连接行不通或运行成本过高时，WiFi是个不错的解决方案。但WiFi对终端的要求较高。而且，由于802.11只规定了MAC层及PHY层的相关协议，基于IP的高层协议难以保障业务的服务质量。此外，WiFi也存在一定的安全隐患，随着WiFi 服务具有无限扩散的可用性，越来越多的黑客把攻击目标锁定在WiFi上。相比于WiFi，Femtocell不需要采用支持WiFi的双模手机，用户不需更换手持终端就可得到标准化的和安全的接入。Femtocell 的优势在于可以提供更好的网络效率，减少网络造成的通话抖动，而且在室内的无线覆盖效果更佳，并可以提供普通的移动电话网络所能识别的数据模式。只要频率的重复利用问题解决了，那么Femtocell基站就能成为双模手机的强劲的竞争对手。只要用户部署了Femtocell小型基站之后，用户就可以用现在手中的普通手机来拨打WiFi电话了[1]。
3 Femtocell的体系结构
Femtocell系统在网元功能配置上与传统宏蜂窝网络有很大的不同，Femtocell设备集成了传统宏蜂窝网络中多个网元的功能，如NodeB、RNC、SGSN、GGSN等。具体集成哪些网元要视与核心网的接入接口而定。对于Femtocell设备的功能组成及其设备接口，各厂家都有不同的实现方式，通常功能集成方案有两种，第一种是集成NodeB、RNC功能，第二种是集成NodeB、RNC、SGSN与GGSN功能[2]。框架图如图1。
为了跟现有的核心网实现平稳接入，很多方法已经被提出，然而基于初期投入小且对核心网的影响小等特点，网关方式已经被大部分厂商所青睐。这种方式下的Femtocell集成了NodeB和RNC的部分功能，并且在核心网和IP接入网之间引入一个新的网元即网关。网络结构如图2所示。
如图2所示，Femtocell把UMTS中的NodeB和RNC功能集合在一起。他与IP传输网络相连并且使用一些中央节点的服务处理移动性以及与传统的无线网络通信。
3.1 各网元的作用
Firewall的目的是使得用户的网络不会受到潜在的危害，阻止一些在IPSec通道外传送的信号。大大提高了网络的安全性。网关的作用是让一组完整的Femtocell集体相对传统的核心网来说表现为一个单独的RNC。为了构造这个虚拟的RNC，一系列的标准接口需要在一个核心点被终止，在Femtocell的网络体系中这个核心点就是Signalling Gateway。它为以下几个接口提供支持：面向3G-MSC的luCS接口，面向SGSN的luPS接口，对luCS&uPS接口，Signalling Gateway终止RANAP协议栈。
3.2 接口的协议栈
以下简单列出了IuCS和IuPS控制面和用户面的接口协议栈
(1) IuCS Control Plane（见图3）。
2) IuCS User Plane（见图4）。
3) IuPS Control Plane（见图5）。
4) IuPS User Plane（见图6）。
4 结论
目前，Femtocell的发展依然存在着很多难题，如Femtocell与宏蜂窝网络的相互干扰问题以及相互切换的问题，这些都是发展Femtocell亟需解决的难题。当前Femtocell 的局限是仅用于室内覆盖的扩展，当广泛使用时对网络中的干扰所产生的影响会非常大，影响网络的性能和稳定性，用户布设Femtocell 基站的随意性很大，并且可以根据需要随时移动，开启和关闭也由用户控制，这些都导致网络拓扑结构的改变，这样进行集中统一的管理和规划也是难以实现的。
此外，如果宏蜂窝网络的发展能够满足容量与覆盖需求，那Femtocell的市场也将受到一定的影响。尽管如此，他的一些优势也使其在市场上具有很大的竞争力，随着移动网络的发展，Femtocell可能更多地在3.5G或者4G中使用，这也使其成为很多运营商关注的焦点。
参考文献：
[1] 张晨晖,彭涛,王文博. Femtocell:3G室内覆盖无障碍[N].通信产业报,2007.4.23.
[2] The UMA company.UMA:The 3GPP standard for femtocell-to-core network connectivity.
[3] Harri Holma,Antti Toskala.WCDMA技术与系统设计[M].北京:机械工业出版社,2005．
[4] 苏信丰.UMTS空中接口与无线工程[M].北京:人民邮电出版社,2006．
关键词：Femtocell；宏蜂窝；扁平化；室内覆盖；网关
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)31-0798-02
Functions and Architecture of Femtocell
JI Min-hui
(College of Software Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Abstract: Femtocell is a kind of mini-sized, low-cost base station for improving indoor coverage especially for home and office environments. Based on the introduction on the advantages of Femtocell, it expounds the network architecture, interface and influence to the existed communication network. At last, problems that Femtocell faced and good foreground are talked.
Key words: femtocell; flat; indoor-coverage; gateway
1 引言
移动通信已经成为现代生活不可或缺的一部分，人们对新一代的移动通信要求越来越高。运营商不仅要满足庞大的用户群体，而且要保证高速率高质量的要求。从日本NTT DoCoMo于2001年10月1日开通全球第一个3G服务以来，3G已经成为世界上移动通信的必然趋势。目前，全球3G发展最快的国家是亚洲。因此，3G服务在中国尤其成为个大运营商和生产商发展的重点。此外，实现3G服务的高新技术也日益增多。
根据调查，虽然是移动业务，但70％数据业务却发生在室内，而墙壁引起的损耗使室内信号覆盖效果较差，在高楼密集的现在，室外宏蜂窝基站在网络深层覆盖上存在着缺陷，另外，随着高速率数据业务的需求日益加剧，用户量也越大越多，这就给移动业务本身的质量带来了挑战。针对这些问题，Femtocell(毫微微蜂窝式基站)应运而生。这种技术很好的解决了宏蜂窝基站的室内深层覆盖问题。
2 Femtocell的优点
Femtocell以其方便实用的特点成为3G新的接入点。它的优势在于：用户只需将Femtocell接入基于IP的网络中就可以在家中使用移动电话，而通过这种方式实现的业务资费近乎为零。另外，Femtocell支持四个左右的用户，网络的质量和速率都可以得到很好的保障，Femtocell还支持HSDPA、HSUPA，为用户提供了高速率的数据业务。这些特点都很好的解决了现有蜂窝网络普遍存在的问题。除此之外，Femtocell具有较小的电磁辐射，它的发射功率很小，并且通过自动监测信号调整功率。当Femtocell监测到用户处于空闲状态时，将自动调低发射功率，相反，当用户连接时，自动调整到最佳信号强度，大大减少了电磁辐射。因此，这种设备因其即插即用、自动配置、方便安全等特点成为新一代移动通信领域的新宠。
传统的蜂窝网络主要是通过微微小区(PicoCell)解决室内覆盖和容量问题，其覆盖半径一般小于100m。虽然PicoCell 能较好地解决一些问题，但它仍存在弊端，如部署网络不方便，成本压力大，数据业务的强突发性和用户日益增长的对传输速率的需求，要求移动运营商建立更多的室内小区以保证业务质量；此外，面对众多的室内小区，网络规划、管理和维护将成为难以完成的任务。
与Femtocell较类似的是采用802.11标准的WiFi。对于小型力公室和流动工作者来说，WiFi使用户无需布线连接就可进行网络访问。对于会议室、会客厅、宿舍这类需要共享服务、文件的布线环境和当网络连接行不通或运行成本过高时，WiFi是个不错的解决方案。但WiFi对终端的要求较高。而且，由于802.11只规定了MAC层及PHY层的相关协议，基于IP的高层协议难以保障业务的服务质量。此外，WiFi也存在一定的安全隐患，随着WiFi 服务具有无限扩散的可用性，越来越多的黑客把攻击目标锁定在WiFi上。相比于WiFi，Femtocell不需要采用支持WiFi的双模手机，用户不需更换手持终端就可得到标准化的和安全的接入。Femtocell 的优势在于可以提供更好的网络效率，减少网络造成的通话抖动，而且在室内的无线覆盖效果更佳，并可以提供普通的移动电话网络所能识别的数据模式。只要频率的重复利用问题解决了，那么Femtocell基站就能成为双模手机的强劲的竞争对手。只要用户部署了Femtocell小型基站之后，用户就可以用现在手中的普通手机来拨打WiFi电话了[1]。
3 Femtocell的体系结构
Femtocell系统在网元功能配置上与传统宏蜂窝网络有很大的不同，Femtocell设备集成了传统宏蜂窝网络中多个网元的功能，如NodeB、RNC、SGSN、GGSN等。具体集成哪些网元要视与核心网的接入接口而定。对于Femtocell设备的功能组成及其设备接口，各厂家都有不同的实现方式，通常功能集成方案有两种，第一种是集成NodeB、RNC功能，第二种是集成NodeB、RNC、SGSN与GGSN功能[2]。框架图如图1。
为了跟现有的核心网实现平稳接入，很多方法已经被提出，然而基于初期投入小且对核心网的影响小等特点，网关方式已经被大部分厂商所青睐。这种方式下的Femtocell集成了NodeB和RNC的部分功能，并且在核心网和IP接入网之间引入一个新的网元即网关。网络结构如图2所示。
如图2所示，Femtocell把UMTS中的NodeB和RNC功能集合在一起。他与IP传输网络相连并且使用一些中央节点的服务处理移动性以及与传统的无线网络通信。
3.1 各网元的作用
Firewall的目的是使得用户的网络不会受到潜在的危害，阻止一些在IPSec通道外传送的信号。大大提高了网络的安全性。网关的作用是让一组完整的Femtocell集体相对传统的核心网来说表现为一个单独的RNC。为了构造这个虚拟的RNC，一系列的标准接口需要在一个核心点被终止，在Femtocell的网络体系中这个核心点就是Signalling Gateway。它为以下几个接口提供支持：面向3G-MSC的luCS接口，面向SGSN的luPS接口，对luCS&uPS接口，Signalling Gateway终止RANAP协议栈。
3.2 接口的协议栈
以下简单列出了IuCS和IuPS控制面和用户面的接口协议栈
(1) IuCS Control Plane（见图3）。
2) IuCS User Plane（见图4）。
3) IuPS Control Plane（见图5）。
4) IuPS User Plane（见图6）。
4 结论
目前，Femtocell的发展依然存在着很多难题，如Femtocell与宏蜂窝网络的相互干扰问题以及相互切换的问题，这些都是发展Femtocell亟需解决的难题。当前Femtocell 的局限是仅用于室内覆盖的扩展，当广泛使用时对网络中的干扰所产生的影响会非常大，影响网络的性能和稳定性，用户布设Femtocell 基站的随意性很大，并且可以根据需要随时移动，开启和关闭也由用户控制，这些都导致网络拓扑结构的改变，这样进行集中统一的管理和规划也是难以实现的。
此外，如果宏蜂窝网络的发展能够满足容量与覆盖需求，那Femtocell的市场也将受到一定的影响。尽管如此，他的一些优势也使其在市场上具有很大的竞争力，随着移动网络的发展，Femtocell可能更多地在3.5G或者4G中使用，这也使其成为很多运营商关注的焦点。
参考文献：
[1] 张晨晖,彭涛,王文博. Femtocell:3G室内覆盖无障碍[N].通信产业报,2007.4.23.
[2] The UMA company.UMA:The 3GPP standard for femtocell-to-core network connectivity.
[3] Harri Holma,Antti Toskala.WCDMA技术与系统设计[M].北京:机械工业出版社,2005．
[4] 苏信丰.UMTS空中接口与无线工程[M].北京:人民邮电出版社,2006．