CDMA Femtocell號(hào)碼資源分配研究

摘要：為了解決CDMA Femtocell大規(guī)模應(yīng)用中遇到的MSC不能配置多個(gè)FAP，且與現(xiàn)有宏網(wǎng)絡(luò)難以互相切換的問題，對(duì)CDMA Femtocell號(hào)碼資源分配進(jìn)行了研究，包括PN，小區(qū)標(biāo)識(shí)，登記區(qū)，UATI，色碼等內(nèi)容，提出與現(xiàn)有宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同的分配方案和建議。方案對(duì)現(xiàn)有宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的影響最小，而且易于實(shí)施，能夠節(jié)省運(yùn)營(yíng)商的投資和維護(hù)，促進(jìn)CDMA Femtocell的商用。
關(guān)鍵詞：CDMA；Femtocell；FAP；PN；號(hào)碼分配

0 引言
    據(jù)全球Femtocell論壇2010年發(fā)布的數(shù)據(jù)，全球已有60余張F(tuán)emtocell網(wǎng)絡(luò)。
CDMA制式的Femtocell近年來也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。2008年，美國(guó)Sprint公司以提升家庭用戶數(shù)據(jù)體驗(yàn)為目標(biāo)，推出了全球第一款基于CDMA制式的Femtocell，規(guī)模至今已超過20萬；2009年，Verizon公司為解決家庭覆蓋不足的問題也推出了CDMA Femtocell，規(guī)模已超過10萬。國(guó)內(nèi)，中國(guó)電信已于2009年完成了CMDA Fetmocell的試驗(yàn)室測(cè)試工作，目前正在全國(guó)包括北京等6個(gè)?。羞M(jìn)行試商用驗(yàn)證。
    為了應(yīng)對(duì)即將到來的CDMA Femtocell國(guó)內(nèi)規(guī)模商用，現(xiàn)階段對(duì)Femtocell應(yīng)用的問題和難點(diǎn)進(jìn)行分析和研究是非常有必要的。本文主要針對(duì)Femtocell號(hào)碼資源分配進(jìn)行了研究，包括PN、小區(qū)標(biāo)識(shí)、UATI分配等內(nèi)容。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
    CDMA Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型如圖1所示。

    圖中，F(xiàn)AP為Femtocell接入點(diǎn)，集成了BTS，BSC／PCF，以及AN的功能。FGW為Femtocell網(wǎng)關(guān)，SeGW為Femtocell安全網(wǎng)關(guān)，F(xiàn)MS為Femto cell管理系統(tǒng)設(shè)備，均為網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備。
    HRPD及1X分組域中，F(xiàn)AP通過A接口接入網(wǎng)絡(luò)。1x電路域架構(gòu)有兩種接入方式，一種通過SIP接口接入IMS域，一種是通過A接口接入電路域
MSC，即圖1中Fx1在不同接入方式下使用不同的接口。鑒于中國(guó)運(yùn)營(yíng)商沒有成熟的IMS網(wǎng)絡(luò)，本文對(duì)1x Femtocell電路域的研究?jī)H基于通過A接口接入MSC的方式。

2 存在的問題
    FAP為用戶端設(shè)備，具備即插即用的特點(diǎn)。用戶購(gòu)買FAP并與運(yùn)營(yíng)商簽約后，就可以自行安裝使用了。由于用戶有控制權(quán)，F(xiàn)emtocell系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)變化的，而且即使覆蓋范圍小，F(xiàn)AP數(shù)量也會(huì)非常寵大。這些特點(diǎn)使得Femtocell系統(tǒng)與原有宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)有很多不同之處，并且做為一個(gè)新的系統(tǒng)，建設(shè)Femtocell網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)該對(duì)現(xiàn)有宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生過多影響。
    因此，在應(yīng)用Femtocell時(shí)，有以下主要問題：頻率使用問題，與宏網(wǎng)同頻或異頻時(shí)，如何減少兩網(wǎng)絡(luò)間的干擾；在部署專用頻率時(shí)，終端如何能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異頻的Femtocell信號(hào)，以便進(jìn)行正確地切換；由于很可能采用不同資費(fèi)，對(duì)傳統(tǒng)終端如何提醒用戶進(jìn)或出Femtocell區(qū)域；FAP如何獲取同步；支持與宏網(wǎng)絡(luò)間無縫切換，如何對(duì)Femtocell系統(tǒng)號(hào)碼進(jìn)行分配，以及部署Femtocell系統(tǒng)后對(duì)宏網(wǎng)絡(luò)配置的影響等。
    本文主要針對(duì)上述號(hào)碼規(guī)劃問題進(jìn)行研究，包括PN分配、1x系統(tǒng)的小區(qū)標(biāo)識(shí)、LAC劃分、HRPD系統(tǒng)的色碼、UATI分配等問題。
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3 號(hào)碼資源分配研究
3．1 PN分配
    FAP的數(shù)量眾多，而CDMA系統(tǒng)PN碼資源有限，F(xiàn)emtocell系統(tǒng)必須支持PN復(fù)用。
    Ferntocell系統(tǒng)與宏網(wǎng)絡(luò)間需要支持無縫切換。但實(shí)際上，根據(jù)CDMA規(guī)范，宏基站可下發(fā)的鄰區(qū)數(shù)目是有限的，不可能配置過多的Femto cell鄰區(qū)。而且由于數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)變化的，在宏網(wǎng)上實(shí)時(shí)配置Ferntocell鄰區(qū)信息基本是不可實(shí)現(xiàn)的。因此，建議Femtocell單獨(dú)進(jìn)行PN規(guī)劃，由運(yùn)營(yíng)商劃分出少量的專用PN供Femtocell使用。
    在3GPP2中也有PN規(guī)劃的討論，但方案比較復(fù)雜，實(shí)施較困難?；诂F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)現(xiàn)有終端，研究認(rèn)為，在實(shí)際的家庭場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)，家庭與家庭間以及樓層間的穿透損耗可達(dá)10～15 dB，對(duì)信號(hào)傳播影響較大。FAP發(fā)射功率較小，覆蓋范圍有限，并且家庭應(yīng)用中，F(xiàn)AP間切換的情況也基本上可以不予考慮。因此，家庭應(yīng)用的Femtocell PN規(guī)劃可以較簡(jiǎn)化處理。[!--empirenews.page--]
    Femtocell PN規(guī)劃中，由于相鄰兩個(gè)小區(qū)的PN不相同，基本就可以避免同PN混淆問題。由于覆蓋半徑比較小，Pilot_INC可以取值為1，不會(huì)造成相鄰PN干擾的問題。
    假設(shè)一個(gè)家庭應(yīng)用的較極端場(chǎng)景：一幢高層樓房，每層有多排，每排有多戶，每戶均安裝了FAP，F(xiàn)AP覆蓋范圍10 m×10 m。取一處于中間位置的FAP，其上下左右前后都有其他FAP覆蓋，考慮其PN不能與相鄰FAP重復(fù)，則至少需要27個(gè)PN，如圖2所示。

    現(xiàn)有宏網(wǎng)絡(luò)中，Pilot_INC一般取值為3或4。可以得出，對(duì)家庭應(yīng)用，宏網(wǎng)劃分出8～10個(gè)PN單獨(dú)給Femtocell系統(tǒng)使用，可以滿足Femto cell需求，對(duì)宏網(wǎng)的影響也很小。
    實(shí)際操作時(shí)，宏網(wǎng)絡(luò)應(yīng)事先知曉Femtocell的專用PN劃分以及Pilot_INC信息，F(xiàn)emtocell系統(tǒng)也應(yīng)知曉宏網(wǎng)絡(luò)的Pilot_INC信息，以方便PN_Offset判決以及Femtocell系統(tǒng)的自動(dòng)PN規(guī)劃。自動(dòng)PN規(guī)劃應(yīng)盡量讓同PN的FAP間隔盡可能地大。
3．2 1x號(hào)碼分配
3．2．1 Cell ID
    1x系統(tǒng)小區(qū)標(biāo)識(shí)Cell ID由16 b組成，前12 b表示Cell，后4 b表示Sector。在一個(gè)MSC下Cell ID是惟一的，一個(gè)MSC下最多可以攜帶65 535個(gè)CellID。一個(gè)FGW下可能有成千上萬個(gè)FAP，給每個(gè)FAP分配一個(gè)惟一的Cell ID是不現(xiàn)實(shí)的。而且為了盡量減少對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響，為Femtocell系統(tǒng)新增MSC也是不可實(shí)現(xiàn)的。因此，F(xiàn)emtocell需要支持CellID復(fù)用。
    Cell ID分配方法為由FGW實(shí)現(xiàn)Cell ID的匯聚。FGW下的各個(gè)FAP使用Cell ID或FAP ID做標(biāo)識(shí)在FAP-FGW間使用，以區(qū)分FAP，如圖3中FAP CellID。MSC惟一識(shí)別的小區(qū)標(biāo)識(shí)為FGW-MSC間CellID如圖3中FGW Cell ID。FGW中應(yīng)保存一個(gè)小區(qū)標(biāo)識(shí)映射表，將FGW Cell ID與FAP Cell ID相對(duì)應(yīng)。FGW在收到FAP向MSC發(fā)送的IOS消息時(shí)，替換收到的消息中的FAP Cell ID信息為在MSC惟一識(shí)別的FGW Cell ID信息后，將消息轉(zhuǎn)發(fā)給MSC。FGW在收到MSC向FAP發(fā)送的IOS消息時(shí)，替換FGW Cell ID為FAP Cell ID，再將消息發(fā)送給FAP。這樣，從MSC和宏網(wǎng)的角度來看，F(xiàn)emtoc ell系統(tǒng)的Cell ID數(shù)目是有限的，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響很小。
    實(shí)現(xiàn)該分配方法，同時(shí)還要求使用相同PN的FAP使用相同的FAP Cell ID，也就是使用相同F(xiàn)GWCell ID。并且，如果一個(gè)MSC下有多個(gè)FG W，兩個(gè)FGW可以共享PN，但不能共享Ceil ID。對(duì)于宏網(wǎng)BSC，需要由組網(wǎng)保證同一個(gè)Cell的相鄰關(guān)系中不出現(xiàn)兩個(gè)FGW的信息，即一個(gè)FGW對(duì)應(yīng)一個(gè)BSC。[!--empirenews.page--]
    1x Femtocell系統(tǒng)編號(hào)示例如圖3所示。

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3．2．2 LAC
    LAC為位置區(qū)，在1X中尋呼時(shí)使用，為16 b字段。
    若FGW實(shí)現(xiàn)Cell ID替換，F(xiàn)AP的Cell ID與PN為一對(duì)一分配時(shí)，F(xiàn)GW下的PN只能在一個(gè)LAC下復(fù)用。一個(gè)FGW應(yīng)只配置一個(gè)LAC。
3．2．3 Reg_Zone
    空口注冊(cè)區(qū)Reg_Zone為12 b，在空口傳遞。終端在不同的Reg_Zone間移動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)起注冊(cè)登記。
    如果不需要在跨FAP時(shí)做AT注冊(cè)，則空口注冊(cè)區(qū)Reg_Zone配置范圍與LAC相同。
    如果需要在跨FAP時(shí)做注冊(cè)，則LAC下每個(gè)FAP的Reg_Zone可以設(shè)置為不同TOTAL_ZONES參數(shù)設(shè)置為1，則AT在FAP間移動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)起注冊(cè)請(qǐng)求。好處是方便網(wǎng)絡(luò)定位到終端當(dāng)前所處位置。
    雖然Reg_Zone資源較多，但實(shí)際應(yīng)用中，可以簡(jiǎn)便操作，不單獨(dú)做Reg_Zone的規(guī)劃，而將Reg_Zone與PN按一對(duì)一同時(shí)規(guī)劃，不同的PN對(duì)應(yīng)不同的Reg_Zone，同樣滿足終端跨FAP時(shí)發(fā)起注冊(cè)。
3．3 HRPD號(hào)碼分配
3．3．1 Color Code
    HRPD系統(tǒng)色碼Color Code為8 b，同樣存在復(fù)用問題。
    在一個(gè)FGW下，如果配置多個(gè)Color Code且相鄰FAP的Color Code不重用，好處是對(duì)空閑態(tài)切換有利，但會(huì)帶來Color Code規(guī)劃復(fù)雜的問題，而且對(duì)FAP，AN配置相鄰Color Code的要求都比較高，且難以實(shí)現(xiàn)。如果配置多個(gè)Color Code且大部分相鄰Color Code相同，則對(duì)切換無益，還會(huì)帶來宏網(wǎng)配置的難度。
    因此，一個(gè)FGW下所有FAP應(yīng)配置相同的Color Code。FAP可以從FMS獲得相鄰AN的Color Code信息。組網(wǎng)時(shí)，宏網(wǎng)絡(luò)AN的相鄰Color Code應(yīng)只需配置到FGW一級(jí)，操作簡(jiǎn)便。[!--empirenews.page--]
3．3．2 UATI
    宏網(wǎng)絡(luò)A13切換時(shí)，由目標(biāo)AN向源AN發(fā)起，目標(biāo)AN根據(jù)UATI中的Color Code信息識(shí)別出源AN。
    Femtocell中，F(xiàn)emtocell向宏網(wǎng)絡(luò)發(fā)起A13切換時(shí)，宏網(wǎng)絡(luò)AN根據(jù)Color Code識(shí)別出切換源為FGW，將消息發(fā)送給FGW。FGW收到消息后需要再識(shí)別出準(zhǔn)確的切換源FAP。
    研究可知，由于反向MAC頭中帶CC+UATI024，F(xiàn)GW可以考慮從UATI的格式中來區(qū)分FAP。

    具體方法為：將UATI024分為兩個(gè)部分，其中高m比特用于區(qū)分一個(gè)FGW內(nèi)的FAP，低(24-m)b用于區(qū)分一個(gè)FAP內(nèi)的終端。如圖4所示。高m比特由FGW為下屬的FAP統(tǒng)一分配。低(24-m)b由FAP自行分配。FAP一般支持用戶數(shù)為16，m若取值為20，則FGW下可支持百萬個(gè)FAP。
3．3．3 Sector ID
    由于UATI的分配、Session信息的存儲(chǔ)是由各個(gè)FAP完成的，終端在FAP間移動(dòng)時(shí)，必須要發(fā)起UATI的更新，因此，每個(gè)FAP的Subnet需要規(guī)劃為不同的。
    在子網(wǎng)地址足夠的情況下，子網(wǎng)掩碼(Subnet Mask)設(shè)置為104，每個(gè)FAP的Sector ID高104位不同，但一個(gè)FGW下的FAP高104都對(duì)應(yīng)相同的Color Code。如果子網(wǎng)地址不足，F(xiàn)AP的子網(wǎng)掩碼設(shè)置為大于104，以擴(kuò)充子網(wǎng)數(shù)量。此時(shí)，一個(gè)FGW下的各個(gè)FAP的Sector ID高104位可以相同，對(duì)應(yīng)Color Code也相同。此時(shí)，對(duì)Sector ID的分配參考圖5，設(shè)SubnetMask為(104+m)b，則FGW通過Sector ID后024位中的高m位可以區(qū)分出FAP，剩余的(24-m)b同樣用于區(qū)分終端。
    HRPD Femtocell系統(tǒng)編號(hào)示例如圖5所示。

4 結(jié)語
    本文從Femtocell的技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，詳細(xì)分析了Femtocell系統(tǒng)在實(shí)際大規(guī)模部署中號(hào)碼資源分配問題，研究并提出一套簡(jiǎn)單可行的號(hào)碼分配方案，為CDMA運(yùn)營(yíng)商及設(shè)備商部署Femtocell網(wǎng)絡(luò)提供支持和建議，具有現(xiàn)實(shí)意義。