GSM Femto原理及应用介绍一、 概述1、背景及意义自 2000 年以来， 移动用户快速增长，无线通信逐渐成为人们生活的一部分，保证用户在任何时间， 任何地点，与任何人都能正常通信是移动公司孜孜以求的目标。近年来移动公司开展了“网络整治” 、 “三高整治”、 “工兵行动”、 “深耕行动”等大型网优项目，以不断提升完善移动通信网络质量，提高客户感知。面临的挑战 : 三高整治随着中国移动GSM 业务量的急剧增长以及扩容新建工程的持续开展，网络规模容量也在不断快速发展。由于频率资源受限，在当前高密度的网络规模下，干扰问题日益严重，通话质量不断降低，传统的网络结构面临网络干扰失控、网络性能无法平衡、网络可扩展性差、网络建设效益逐步下降的发展瓶颈。室分整治目前，室分系统深度覆盖不足，不能有效吸纳室内话务，室内话务主要依靠室外宏站进行承载，造成室外宏站扩容压力大，因此提高室分吸纳话务能力势在必行。物业协调难近年来，业主阻挠和逼迁等现象持续扩散，造成不可控因素增加，传统解决方案较难实施，网络建设面临极大挑战。投诉压力大用户对通信的要求越来越高，因此投诉问题时有发生，给市场造成较大压力。2、GSM Femto 系统简介总结多年的无线优化经验，特别是室内覆盖建设经验，业界出现一种新型GSM室内宽带无线接入系统，该系统采用4G中扁平化网络架构，既可以达到深度和精确覆盖，又具有高流量（融合了WLAN技术） 、体积小、 IP 回传、即插即用、快速建网等优点。为我司持续的GSM网络优化和扩容提供新的解决方案。GSM 终端设备、核心网之间的接口采用标准的Um 、A 和 Gb接口，可以与现有的核心网设备直接对接， 实现 GSM 语音和数据信号覆盖， 为用户提供通信服务。二、 GSM Femto 系统原理介绍GSM Femto是一种采用扁平化架构的、基于IP 回传的、小型化、低功率的无线接入网系统。该系统是在3GPP 规范中制定的 TD-SCDMA/WCDMA Femto基础架构上的一种 GSM 业务的应用，它保留了3G Femto系统中无线资源管理前移、公网回传加密、系统网关汇聚转发、无线环境自适应等基本技术及架构，并将其与GSM技术特点融合，使得GSM 系统能够产生更多的应用方式，适应更多的应用场景，形成更多的解决方案，如图所示。图 1. GSM Femto 架构从 3GPP Femto架构的演变GSM Femto 系统主要由系统网关（ GW ） 、系统网管、 Femto AP三部分组成。图 2. GSM Femto 系统架构拓扑图2.1 Femto 系统核心功能 - 无线资源管理功能前移GSM Femto采用架构是与 Femto AP的应用及部署特点紧密相连的， 因为：与宏站不同， Femto AP 的应用及部署特点使得其在地理位置上经常处于离散分布的状态，从而使得单个Femto AP的无线环境相对来说都较为独立，具备分布式处理的条件；在离散部署的场景中，采用无线资源管理前移的分布式处理策略，不仅不会影响到整体网络的管理和协调，还会大大降低对核心节点的要求，使得系统整体处理能力分布均匀，可扩展性强；将无线资源管理与无线链路的收发、数据链路层的维护等底层功能集成在一个网元中，使得整体信令处理节点减少，格式及协议种类减少，复杂度降低，交互效率得到提高，适合网络扁平化的要求。整体而言，无线资源管理的前移使得家庭网关承载了无线接入网中层 1 至层 3 的几乎所有功能， 绝大部分的无线信令处理、 以及核心网消息的处理、解析都集中在 Femto AP处，系统网关仅承担协议转换、汇聚转发等复杂度相对较低的工作， 如图 3所示。 相比 BTS/BSC 架构，这种处理的集中式结构使得端到到的处理节点减少，能够更好的适应IP 网回传特点，此架构与3GPP Femto架构设计一致。BTSBSCFemto+小型化，集中化图 3. Femto 集中了由 BTS+BSC 协同完成的无线接入功能2.2 系统网关原理系统网关的功能主要有：汇聚转发、协议转换、安全保障。汇聚转发系统网关的主要功能是对系统内家庭网关的蜂窝网业务数据进行汇聚，并转发至核心网；反方向上，它作为家庭网关的代理，接收来自核心网的数据，并将其转发至正确的家庭网关。它将来自多台家庭网关的多条通道，汇聚成一条通道后与核心网进行交互，可以使得两端的网络拓扑得到简化，系统各网元的复杂度都得到降低。如图4 所示。核心网SGSNMGWGGSNMSC ServerHLRInternetAGb家庭网关多条通道单通道汇聚图 4. 系统网关的汇聚转发示意图协议转换另一方面，系统网关还承担协议转换、格式统一的角色。不同网络传输环境有不同的特点，需要不同的协议、格式去适应和支持，系统网关作为家庭网关及核心网之间的代理节点，能够将这种差异性得到转化和适应，从而形成一致的网络传输格式及交互方式。具体而言，系统网关的“转换”功能主要包括语音编码格式的转换，以及 A/Gb接口协议与GSM 数据回传协议之间的转换， 保证系统网关与核心网之间的A/Gb与原有架构一致，无需核心网的任何改变。安全保障GSM 系统网关同时还集成了安全网关的功能， 采用 3GPP 推荐的 IPSec协议，为 Femto AP和系统网关之间提供加密的IPSec 隧道，从而保证公网 IP 数据的安全性和完整性， 保证用户的数据在复杂的公网环境下也不被窃取。另外，安全网关还具有防火墙功能，保证公网连接口的数据安全。2.3 GSM Femto AP 原理GSM Femto AP 中的 GSM 业务功能模块采用了Femto架构，它除了无线数据收发、数据链路建立及维护等BTS的功能，还承担了无线资源管理、 核心网侧协议栈交互等 BSC的功能，它是 GSM 无线接入的最主要处理者。 这种架构设计可以很好的适应小型化、 离散化的部署特点， 将大部分的信令处理前移并集中，使得系统扁平化，从而减少对核心节点的依赖，也可以达到快速开通、接入的效果。GSM Femto AP也继承了 Femto系统的 IP 回传特性。回传接口（系统内接口）的架构则以 3GPP 规范的 Femto系统的 Iuh 接口为基础，仅对应用层进行了一定的 GSM 适应，保留了所有 3G Femto中所有的底层交互方式。基于IP 的回传，使得 Femto AP能够利用互联网接入进行蜂窝网业务数据的回传，提高应用效率，扩大应用场景；也可以使Femto AP建设与宽带建设能够结合起来。在对外接口方面，无线接口方面采用了标准的GSM Um 接口， 并未做任何改变；对外接口（无线 Um 以及 A/Gb）兼容已有系统，不需要对已有的终端（手机）及核心网做任何修改，如图5 所示。Internet核心网SGSNMGWGGSNMSC ServerHLR标准 Um接口 无需改变终端标准 A/Gb 接口 无需改变核心网图 5. 与现有系统完全兼容除了 GSM 语音及短信业务外， GSM Femto AP 还可融合 WIFI/WLAN功能，能够为客户提供多种数据业务选择。三、 GSM Femto AP 产品类型GSM Femto AP依据覆盖范围、容量、场景等不同主要有家庭级AP 、企业级AP 、大功率 AP三种类型。其中大功率 AP是一种增强性的企业级AP设备，由于企业级 AP覆盖区域有限，可能导致容量存在一定的余量，因此提升企业级AP功率以适应更大区域的匹配容量覆盖。3.1 GSM FMETO AP 的结构规格GSM FEMTO AP 的结构规格如下：项目单位家庭级 AP 企业级 AP 大功率 AP AU(基带单元 ) RRU（射频单元）外形/ 尺寸(长 宽 高) mm 175 50 122 360 250 51 380 180 42 500 250 155 重量kg 0.94. 0 3 20 功耗W 14 5540 200 供电外接 12V/2A 的 AC/DC适配器外接 12V/7A 的 AC/DC适配器外接 AC： 156V284V DC：-72 V -36V 外接 AC：156V284V 适配器输入电压VAC 100240 100240 / / 安装方式桌面立式安装挂墙和抱杆挂墙或柜式安装挂墙和抱杆天线形状内置微带天线内置鞭状天线，可外接室分天线无，与 RRU光纤直连 外接天线3.2 GSM FEMTO AP 的业务规格此部分功能与传统GSM 宏网系统基本一样，GSM FEMTO AP业务规格如下：项目家庭级 AP 企业级 AP 大功率 AP CS域业务支持FR(全速率语音)、EFR( 增强型全速率语音)和短信业务 ; 支持FR(全速率语音)、EFR( 增强型全速率语音)和短信业务 ; 支持FR( 全速率语音)、 EFR( 增强型全速率语音)和短信业务 ; PS域业务支持流媒体类业务、背景类业务、交互类业务、会话类业务 ; GPRS业务，支持CS1CS4; 支持流媒体类业务、背景类业务、交互类业务、会话类业务; GPRS业务，支持CS1 CS4; EDGE业务， 支持 MCS1 MCS9; 支持链路自适应; TCH和 PDCH信道相互转化; 支持流媒体类业务、背景类业务、交互类业务、会话类业务; GPRS业务，支持CS1 CS4; EDGE业务， 支持 MCS1MCS9; 支持链路自适应; TCH和 PDCH信道相互转化; WLAN业务IEEE802.11b/g/n; 支 持WiFi802.11b/g/n;支 持WLAN AC管理的 CMCC功能不支持移动性方面支持小区重选、 小区切换 ; 支持小区重选、小区切换; 支持小区重选、小区切换; 3.3 GSM FMETO 的空口规格GSM FEMTO AP 的空口主要规格如下：项目单位家庭级 AP 企业级 AP 大功率 AP 工作频段MHz 上行 :17101735 下行 :18051830 上行 :17101735 下行 :18051830 上行 :17101735 下行 :18051830 信道间隔kHz 200 200 200 最大输出功率W 0.01 0.2 20 参考灵敏度dBm -95 -100 -107 载波配置个1 （GSM/GPRS共享信道）4 （3 个 GSM 载波和 1个 EDGE载波）4 （ 3个 GSM载波和 1 个EDGE载波）天线/ 内置天线，1 个 GSM全向天线，增益2dBi;1 个 WLAN 全向天线，增益2dBi; 1 个 GSM全向天线， 增 益 2dBi; 1 个 WLAN 全向天线，增益 2dBi;支持外接室分天线无内置天线，需外接天线频率误差ppm 0.1 0.1 0.1 空口加密算法/ A5/0 、A5/1 、A5/2 A5/0、A5/1、A5/2 A5/0,A5/1,A5/2 3.4 GSM Femto AP 与直放站的区别和优势接入优势： Femto 提供容量覆盖，其本身是微小型基站设备，具备基带信号发生和处理能力；而直放站只是将原有基站容量进行转移，不增加系统容量；回传优势： Femto 采用 IP 寻址， 既可通过Internet网络进行数据回传，也能通过运营商内部城域网进行回传，即xDSL 、LAN 、PON 、PTN等多种方式均可采用；而直放站本身受基站设备传输线路的影响，且耦合信号后，需通过光纤或馈线进行二次信号传输，局限性很大；抗干扰优势： Femto 相对于宏小区是独立的基站设备，在采用优化方式满足同邻频干扰抑制比的前提下，对宏小区带来干扰小；而直放站存在低噪抬升，可能会对源小区造成较大干扰。小型化优势： Femto 设备小巧美观，安装方便，适合放置于家庭和办公场所，且与宽带有效结合，同时解决用户多方面需求；直放站则无此特点。四、 GSM Femto AP 应用原则4.1 回传网络指标要求Femto AP 采用 IP网络回传，为保证业务质量， 应用时需回传网络满足一定的指标条件：表 1. 回传网络指标网络指标家