探讨Femtocell网络架构
摘 要:为了解决高速数据业务的室内覆盖问题,顺应移动通信对于高速率的要求,采用超微型蜂窝式网络的Femtocell网络架构被视为可行且有效的未来移动通信网络的方式。主要介绍了Femtocell网络架构方式,探讨未来技术发展方向。
关键词:Femtocell FAP IMS
中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-044-02
1前言
Femtocell是一种小型、低功率的3G无线设备,它将低功率、体积小而价格低廉的FAP分布于室内空间,从而改善现有移动网络室内覆盖率不好的情况,为用户提供高频宽、低收费的移动语音与数据通信服务 。然而,当Femtocell网络与现行移动网络并存时,就会产生网络架构是否可行、是否需要变更或新增通信协议、网络组件等新的议题。
2Femtocell网络简介
提高传输效率与质量,整合语音与数据通信业务,降低通信费用是移动通信服务的发展趋势。根据研究,70%的移动通信的行为发生在室内,3G运营商为了增加网络容量以及室内覆盖率,需要建更多基站。然而无线频带属于有限资源,租赁费用高昂,架设户外基站也是高价的投资,密集架设户外基站不仅增加网络设备的成本,也会因为频带重叠造成信号的干扰而不利于保证通信的质量。因此,考虑提高无线带宽使用效率和降低网络构建的成本,用放置于家庭内的小功率超微型基站(FAP)取代密集建于户外无线基站将成为未来无线通信发展的趋势。FAP可以让用户使用单一终端设备随时随地进行语音和数据通信,并且传输功率低,覆盖范围小,不容易造成信号的彼此干扰,有利于提高无线频带使用效率,适合设置于室内环境(如用户家中或办公室)。它利用有线宽带网络连接移动通信的核心网络,结合现有的3G移动网络,使用者不需要更换终端设备就可以获得更好和更便宜的移动语音与数据通信的服务。它不仅可以吸引用户由移动网络获得网络服务,也促进固定网络与移动通信网的整合。
随着Femtocell网络发展,还有许多相关问题急待探讨。第一,FAP的传输速率受限于后端有线宽带网络的传输速率,提高后端有线网络的传输速率并提供有保障可靠且实时的传输质量是IP网络提供者首要面对的问题。第二,在无线接入网络方面,考虑频带租赁及无线基站构建的成本,Femtocell网络与3G网络将并存于未来网络架构中。但由于两者都使用特许服务频带,很可能因频带重叠而产生信号的干扰,再加上安装在室内的FAP轻巧且价格低廉,很容易被用户移动,不利于用以前的网络规划的方式避免信号的干扰。因此,解决信号干扰是Femtocell网络提供者需要克服的重要问题。第三,Femtocell网络能让用户以较低通信费用获得更高传输速率的服务,对无线通信营运商也具有分担网络流量与提高通信资源利用率的优点。然而,依照现行用户者装置选取无线网络的机制却无法保证一定选用到Femtocell。因此在Femtocell与Macrocell并存的网络架构下,如何让用户的移动通信装置自动优先采用Femtocell网络进行通信,是Femtocell开发者与通信业者需要讨论的。此外,FAP应该开放给所有使用者共享,或是只提供单一家庭用户使用,也是Femtocell开发应考虑的重点。
3Femtocell网络架构
Femtocell网络将FAP建于室内,用于补充现有Macrocell网络移动通信带宽不足和室内信号履盖率不高的情况,因此不仅要与已有移动通信架构进行整合,也必须与现有的移动通信接口相兼容。目前FAP与通信网络之间的联接方式主有三种Iub-over-IP方式、Iu-over-IP方式和IMS—based方式。因为Femtocell网络以大量的FAP来提供使用者高效率的通信服务,因此三个方式都采用FAP-Gw(FAP Gateway)的网络组件负责网络安全、通信协议转换、FAP的管理与连接控制等功能。
3.1采用原有网络架构和营运方式的Iub-over-IP方式
基于利用原有网络设备和不强制使用者更新终端设备的前提下,此方式的Femtocell网络设计倾向沿用原有网络架构 。FAP与用户端使用已有的接口,提供使用者进行网络联接和获得通信所需资源,以及进行语音及数据通信的程序。如图1所示,RNC负责Femtocell用户的通信服务、资源管理。FAP-Gw则负责FAP与RNC之间的信号的传递。这种方式的网络架构类似目前3G网络的使用模式,FAP具有部分的Node B的功能,FAP-Gw与Node B共享RNC设备,通过RNC设备与核心网络连接,核心网络与RNC都把FAP当成普通的Node B来处理。不过由于RNC能处理的通话量有限,当FAP太多时,会严重占用RNC的资源,造成通信质量的降低,并且3GPP对于Iub接口并没有定义固定格式,各家厂商分别采用自行定义的格式,不易于互相的连接,将会阻止此种模式的发展。
图1Iub-over-IP方式
3.2改进的Iub-over-IP 方式
加强对FAP的管理用以提高通信资源的利用率是Femtocell网络设计的趋势。3GPP制定的Iub-over-IP方式中,FAP又称为Home Node B(HNB)同时具有Node B与部分RNC的能力,而用于连接核心网络与FAP的FAP-Gw可命名为HNB Gateway(HNB-GW)。如图2所示,在此方式中3GPP将制定Iub新接口,以支持HNB与HNB-Gw之间连结与管控的功能。HNB-Gw以Iu接口与核心网络连接,用来接受与发送核心网络的管理信息。由于具有标准化的接口,因此发展厂商有可遵循的标准。此方式中,HNB-Gw与RNC没有直接的连结,RNC不需额外负担HNB的管理,使得Macrocell网络与HNB的服务完全独立。
图2改进的Iub-over-IP方式
3.3采用全IP网络的IMS-based方式
由于数据通信将成为未来通信的主流,全IP网络方式普遍得到IT业者的支持。IMS方式如图示所示,它以全IP和具有FMC特性的IMS核心网络作为系统开发基础,同时支持全IP通信机制以及移动网络无线通信服务。此方式的FAP设备需要包含Node B与RNC的功能,与IMS核心网络之间则使用PDG(Packet Data Gateway)进行各种数据的不同类型的转换,并提供适当的通信资源以保障通信质量与效率。此方式允许全IP网络与原有的移动网络并存,因此受到通信业者的重视。但目前IMS核心网络的建设投资比较大,维护成本高,对此方式的应用形成某种程度的阻碍。但其良好的网络架构和通信质量,使其成为未来网络发展的终极目标。
图3IMS-based方式
4结束语
Femtocell网络不仅可以有效利用现有带宽,提供高质量高效率的传输服务,提高网络覆盖率并增加网络容量,也具有整合服务资源,提供个人化服务的特征。Femtocell网络可让使用者获得更好的通信服务,可以为使用者节省通信费用,也可以提供更精确的使用者定位信息,有助于发展以使用者位置为基础的服务,例如提供外围服务设施相关信息或紧急救助服务等等。而Femtocell网络利用原有的移动通信的网络架构与设备,对于电信营运商而言,可以不需要更换终端,不需要改造其核心网络,从而节约成本,而且提供给用户更高质量的通信服务,从而提高使用者忠诚度,提高了使用者的贡献度。另一方面,可以对Femtocell网络与Macrocell网络的通信负担进行弹性配置,降低营运成本。不论使用者或营运商皆可受惠于Femtocell网络的构建。因此,Femtocell网络的广泛应用应该是指日可待的。
注释:
张凌峰,蒋鑫,芮鹤龄.家庭基站位置限制方案研究[D].电信科学,2009(4).
Dan O"Shea.The next small thing in wireless[J].Telephony,2006,247(19).
张晨晖,彭涛,王文博.Femtocell:3G室内覆盖无障碍[N].通信产业报,2007.
The UMA company UMA:The 3GPP standard for femtocell-to-core network connectivity .