摘要：首先闡述了CDMA Femtocell標準的制定歷程和發(fā)展現狀，再從應用和開發(fā)的角度出發(fā)，對CDMA Femtocell網絡架構和關鍵技術進行深入分析。對3GPP2標準中未明確但十分重要的內容，如匯聚管理、移動性管理等給出具體實現方案，有益于Femtocell產品開發(fā)和實現。
關鍵詞：CDMA；Femtocell；FAP；架構；匯聚；切換

0 引言
    Femtocell(毫微微蜂窩)是一種新型的小型化、低功率基站，利用有線寬帶接入作為回傳，具有低成本、接入方便、覆蓋靈活等特點，主要部署在家庭或企業(yè)等室內環(huán)境，可以幫助運營商擴大無線網絡覆蓋，提高容量，提高運營商的競爭力。
    Femtocell技術出現后，各國際標準組織制定了相關技術規(guī)范。本文介紹了CDMA Femtocell標準的現狀，深入剖析3GPP2 Femtocell網絡架構以及實現關鍵技術，并探討了標準的未來演進方向。

1 標準現狀
    與CDMA Femtocell相關的標準化組織有3GPP2、Femto Forum和Broadband Forum等。Femto Forum是發(fā)起者。在產業(yè)內部協調需求，研究技術及市場應用。Broadband Forum與3GPP2合作，制定Femtocell與網管系統(tǒng)之間的TR-069數據模型，提供接口開放建議。3GPP2定義需求，制定CDMA Femtocell相關技術規(guī)范。
    3GPP2 CDMA Femtocell需求規(guī)范S．R0126-0于2008月5月發(fā)布。規(guī)范分兩個階段進行。Phase 1主要支持基于IMS的1X電路域Femtocell和基于IOS的分組Femtocell(HRPD和1X分組域)，于2010年4月前發(fā)布。Phase 2主要支持基于IOS的1X電路域Femtocell、扁平架構Femtocell和HRPD Femtocell增強特性。
    CDMA Femtocell規(guī)范主要包括空口、接入網IOS和核心網部分?？湛谝?guī)范主要涉及支持Fetmocell增強特性的1XC．S0005-E規(guī)范，HRPD C．S0024-C規(guī)范，增強系統(tǒng)選擇C．S0016-D以及最小性能規(guī)范C．S0010-D和C．S0032-C。接入網IOS規(guī)范主要涉及同時支持基于現有終端和增強特性終端的A．S0024規(guī)范。核心網規(guī)范為X．S0059-100～500，包括Femtocell網絡框架、Femtocell IP技術、Femtocell配置參數、基于IMS的1X Femtocell規(guī)范。

2 Femtocell網絡架構
    CDMA Femtoeell網絡架構包括1x電路域架構，1x分組域架構和HRPD架構。
    1x分組域架構與HRPD架構相同，如圖1所示。其中FAP(Femtocell接入點)是用戶端設備，集成BTS和BSC／PCF的功能，通過A接口接入FGW(Femtocell網關)。SeGW(Femtocell安全網關)為FAP連接運營商網絡提供安全接入。Femtocell AAA是FetmoCell認證服務器，提供FAP認汪與授權功能，也可以發(fā)送策略信息給SeGW。FMS(Femtocell管理系統(tǒng))為FAP提供管理和參數配置，基于TR-069網管接口標準。

    1x電路域FemtoceIl架構有兩種方式，即通過SIP接入IMS和通過A接口接入MSC。
    Femtocell通過SIP接入IMS，FAP實現SIP客戶端功能，將傳統(tǒng)1x空口協議轉換為SIP協議接入IMS。其優(yōu)點是Femtocell直接接入新的獨立的IMS網絡，對現有網絡影響小；使用SIP協議，可擴展性好。
缺點是接入過程復雜，性能低于現有1x網絡；傳輸效率低，時延大；與宏網之間的切換流程復雜，時間長；在業(yè)務方面也不能重用現網業(yè)務，需要重新開發(fā)補充業(yè)務。但現實中，對沒有部署IMS的運營商，該架構優(yōu)勢難以發(fā)揮，部署時還需要新增轉換設備，將SIP信令轉換后接入現有核心網，但不適合中國使用。
    Femtocell通過A接口接入MSC，FAP完成BTS和BSC功能，提供標準A接口，FGW完成A接口代理功能接入MSC。優(yōu)點是采用標準A接口，業(yè)務接入與處理與宏網絡完全相同；與宏網間的切換與現有切換類似，切換時間較短；FGW功能簡單，對現網MSC影響較小。在具體使用時，FAP與FGW問A接口的底層承載方式可以有不同方式。該架構受到更多運營商和設備商的支持，如圖2所示。本文中后續(xù)的分析也將基于該架構。

3 Femtocell關鍵技術
    Femtocell做為移動網絡的一部分，應能支持移動網現網所有業(yè)務。Femtocell的部署應盡量減少對已有系統(tǒng)的影響，在不修改已有移動核心網和終端的前提下，實現Femtocell與宏站之間的雙向切換，實現Femtocell與Femtocell之間的無縫切換。Femtocell還應具備一定的自組網能力，減少與宏基站之問的干擾。適合于在用戶側安裝和使用，支持即插即用、用戶接入控制、遠程管理等功能，并支持基于Femtocell的差異計費。
3．1 即插即用
    用戶購買FAP設備，提供簽約信息，如家庭地址、接入控制列表、FAP機身編號等，由運營商客服人員把這些信息提供給客服平臺處理。
    用戶將FAP開機，FAP執(zhí)行鄰區(qū)發(fā)現過程，搜索并獲得無線相鄰小區(qū)信息。FAP根據預配置，通過DNS解析或其他方式發(fā)現SeGW IP地址，在FAP與SeGW之間建立IPSec安全隧道。通過安全IP隧道，FAP用DNS方式找到FMS并且上傳其相鄰小區(qū)搜索結果給FMS。FMS配置好FAP的空口和網絡參數后下發(fā)到FAP。FAP從FMS的配置信息中得知FGW地址，到FGW進行注冊，注冊完成后，FAP可以在指定的頻率上開始工作。
    FAP還要支持自動優(yōu)化功能，當FAP周圍的無線環(huán)境發(fā)生變化時或周期性的在運行過程中處于無業(yè)務狀態(tài)時，自動對頻點、PN、鄰區(qū)等做自動優(yōu)化和配置，并將最終的結果上報給FMS。
3．2 匯聚管理
    同一個MSC可支持小區(qū)數是受限的，而網絡實際部署后FAP數量可能遠超出這個限制。需要FGW實現匯聚功能，使多個FAP可以共享相同的小區(qū)標識(CellID)。FGW應保留一張FAP-FGW間使用的小區(qū)標識與FGW-MSC間使用的小區(qū)標識的映射表。FGW在收到FAP向MSC發(fā)送的A接口消息時，將消息中的小區(qū)標識字段替換為FGW-MSC間使用的小區(qū)標識后把消息發(fā)給MSC。反之，FGW在收到MSC向FAP發(fā)送的A接口消息時，將消息中的小區(qū)標識字段替換為FAP-FGW間使用的小區(qū)標識后把消息發(fā)給FAP。
    PDSN支持的PZID也是有限的，多個FAP需要共享相同的PZID以及PCF IP地址，FGW應支持A10／A11接口匯聚功能。經過接口匯聚后，無論FGW下部署多少FAP，對PDSN都只呈現以FGW的IP地址為PCF IP地址的一個或幾個PCF。A10／A11接口匯聚功能需要由FGW重新分配A10 KEY，替換轉交地址和FAP分配的A10 KEY來實現。如圖3所示。

    HRPD宏網AN通常不能支持配置多個FAP信息，FGW應支持A13／A16接口匯聚，使宏網配置FGW信息以替代FAP信息。FGW通過將FAP發(fā)送的消息／數據中的源IP地址轉換成FGW的IP地址，并將宏網絡側發(fā)送的消息／數據中的目的IP地址轉換成相應的FAP的IP地址，來實現FAP與宏網絡側的消息／數據交互。這樣可以節(jié)省宏網絡維護成本。
    類似的，從AN-AAA考慮，FGW實現A12接口匯聚功能，會減少AN-AAA的處理量，減少對FAP的運營維護。
3．3 移動性管理
    1x及HRPD空口規(guī)范為更好的支持Femtocell移動性制定了新的增強特性。但目前來看，運營商對Femtocell的需求還是基于支持現有傳統(tǒng)終端。
    1x及HRPD Femtocell移動性管理均支持dormant態(tài)和激活態(tài)的宏網與Femtocell間雙向切換，1xFemtocell還支持FAP間的切換。切換流程基本與宏網絡現有流程一致。差別主要在激活態(tài)終端從宏網向Femtocell的切換。切換請求發(fā)到FGW后，由于FAP數量眾多，FGW很可能難以確定切換目標FAP。此時，FGW需要發(fā)送測量請示消息給所有配置相同PN偏置的FAP，讓這些FAP嘗試檢測終端和測量反向鏈路信號強度，并將測量結果和FAP的發(fā)射功率上報給FGW，以方便FGW據此惟一確定目標FAP。以1x為例，流程與原切換流程差異之處在新增的測量請求和響應消息，如圖4所示。

    1x激活態(tài)FAP間切換，類似于宏網絡硬切換流程，但宏網絡發(fā)送到MSC的切換請求(Handoff Re(quest)、負載更新(Bearer Update Reque st)等消息改由FGW終結和處理，切換完成后改為由FGW發(fā)送切換執(zhí)行(Handoff Performed)命令通知MSC發(fā)生了切換。這樣可以最小化Fetmoce ll系統(tǒng)內部發(fā)生的切換對現有MSC的影響。
3．4 安全
    FAP為用戶端設備，FAP和SeGW之間的IP網是非授信網絡，因此在FAP向終端提供服務之前，FAP直支持與SeGW進行雙向認證以及與鑒權服務器的授權過程。FAP應支持證書認證方式，也應支持EAP_AKA認證方式。對于EAP_AKA的鑒權方式，FAP與UIM卡可以機卡一體，也可機卡分離。FemtocellAAA是可以獲取FAP安全運作所必需的鑒權信息的CDMA 2000網絡實體。FAP通過SeGW與位于運營商核心網內的FMS進行通信。FAP和SeGW之間應該通過IPsec隧道來保護所有的消息。
3．5 接入控制
    為保障注冊用戶的私有性，Femtocell系統(tǒng)具備接入控制功能，通過接入控制列表(ACL)實現對授權用戶提供服務。
    (1)FAP工作在開放模式，任意終端都可以通過FAP接入并獲得服務，不需對終端執(zhí)行接入控制。
    (2)FAP工作在閉合模式，僅ACL中的用戶被允許接入并獲得服務，由FAP做接入控制點。HRPD也可以用AN-AAA為接入控制點。
    (3)FAP工作在信令模式，終端能注冊到FAP，但不在ACL中的終端接入FAP時可能被重定向到宏網，由FAP做接入控制點。HRPD也可以用AN-AAA為接入控制點。
    ACL采用國際移動用戶識別碼(IMSI)作為用戶標識，可以在自動配置過程中進行沒定，也可以由運營商或者用戶進行修改。FMS應保存并管理ACL。為了執(zhí)行接入控制，FAP也應存儲ACL。在自動配置期問FAP的ACL應該由FMS提供，發(fā)生改變時也由FMS進行更新。在FMS和FAP中存儲的ACL應完全相同并同步進行更新。

4 標準演進方向
    當前CDMA Femtocell標準化工作已接近尾聲。展望未來，標準還可能向以下方向發(fā)展和演進：
    (1)與E-UTRAN互通。如LTE家庭基站與CDMA宏網絡互通，以及CDMA Femtocell與LTE宏網互通。
    (2)企業(yè)應用?？赡馨‵AP間直連，更高的切換性能要求如實觀軟切換，更高的干擾檢測和協調要求，LIPA、Local Switch等。
    (3)自組織網絡SON?？赡馨ㄗ詣余弲^(qū)配置和優(yōu)化、PN自動規(guī)劃、頻率／Cell ID／LAC／子網等自動規(guī)劃、切換優(yōu)化、干擾協調等。
    (4)3GPP概念引入。例如引入閉合用戶組CSG概念，對CSG用戶和非CSG用戶實現不同的接入控制策略等；尋呼優(yōu)化；實現黑白名單機制等。

5 結語
    3GPP2 Femtocell技術基本成熟，支持Femtocell大規(guī)模部署，支持傳統(tǒng)終端接入，支持與宏網絡間及FAP間無縫切換，支持即插即用、用戶接入控制等，能夠滿足運營商部署Femtocell網絡的需求。