Nanocell：TD-LTE與WLAN的融合*

曹 汐，楊 寧，孫 滔，劉光毅，鄧 輝

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院 北京100053）

1 引言

隨著智能手機(jī)等新一代終端的不斷普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)了爆炸式的增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)目前相關(guān)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，現(xiàn)階段全球無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)年增長(zhǎng)率超過(guò)100%；而預(yù)計(jì)未來(lái)5年數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)40倍，10年增長(zhǎng)1 000倍。在過(guò)去5年中，中國(guó)移動(dòng)通信有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)移動(dòng)）網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增加了60倍，其中移動(dòng)話音業(yè)務(wù)的60%和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的70%發(fā)生在室內(nèi)；據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)室內(nèi)業(yè)務(wù)將占總業(yè)務(wù)量的90%。而隨著無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速增長(zhǎng)以及室內(nèi)無(wú)線傳輸需求的不斷增加，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方式對(duì)于支持室內(nèi)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)表現(xiàn)的瓶頸日益突出，使移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨著種種挑戰(zhàn)，包括如下幾個(gè)方面：

·傳統(tǒng)2G、3G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線接入容量極限逐漸顯現(xiàn)；

·頻譜資源日益緊張，可用于廣覆蓋的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的新增頻率資源日益匱乏；

·站址、天饋資源獲取難度日益增加，密集城區(qū)的站間距接近理論極限，很難支持傳統(tǒng)蜂窩宏基站的更密集部署；

·普通蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署密集，網(wǎng)絡(luò)干擾環(huán)境更加復(fù)雜，影響網(wǎng)絡(luò)性能；

·宏基站的部署和運(yùn)營(yíng)成本高昂，新增宏基站擴(kuò)容的建網(wǎng)方式難以為繼。

為了維持產(chǎn)業(yè)鏈的健康和可持續(xù)發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展必須考慮如何通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力的提升、部署方式和運(yùn)營(yíng)方式等方面的革新，不斷降低網(wǎng)絡(luò)的部署和運(yùn)營(yíng)成本。為了滿足現(xiàn)階段用戶室內(nèi)業(yè)務(wù)發(fā)展需求，同時(shí)分流2G/3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，中國(guó)移動(dòng)在2011年底決定，在未來(lái)3年的時(shí)間中，建設(shè)600萬(wàn)個(gè)WLAN AP，通過(guò)多網(wǎng)的協(xié)同，滿足不斷增長(zhǎng)的用戶移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。與此同時(shí)，為了加速TD-LTE的產(chǎn)業(yè)成熟，在工業(yè)和信息化部的統(tǒng)一部署和領(lǐng)導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)外企業(yè)共同完成了TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了TD-LTE的技術(shù)成熟性，并啟動(dòng)了TD-LTE擴(kuò)大規(guī)模試驗(yàn)，開(kāi)展面向商用的應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)。

為了融合TD-LTE與WLAN兩類熱點(diǎn)及室內(nèi)覆蓋技術(shù)，充分利用WLAN站點(diǎn)與傳輸資源，彌補(bǔ)宏蜂窩深度覆蓋的不足，合理分流宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)壓力，降低運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，中國(guó)移動(dòng)提出了Nanocell及其端到端的系統(tǒng)解決方案，期望能夠聚合TD-LTE及WLAN產(chǎn)業(yè)力量，滿足用戶業(yè)務(wù)未來(lái)的發(fā)展需求，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

2 Nanocell的定義及主要特征

對(duì)于典型蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通常采用宏基站進(jìn)行連續(xù)覆蓋和室內(nèi)淺層的部署，采用微基站進(jìn)行道路、室外覆蓋室內(nèi)以及室內(nèi)深度覆蓋的室內(nèi)分布系統(tǒng)的部署方式，并采用pico/企業(yè)級(jí)femto進(jìn)行補(bǔ)盲、補(bǔ)熱，而家庭級(jí)femto用于家庭部署。其中pico/femto，業(yè)界也稱為小基站（small cell）。

對(duì)于室內(nèi)和熱點(diǎn)場(chǎng)景的部署，需要充分考慮設(shè)備的體積、成本、效率與回傳（backhaul）的限制。結(jié)合室內(nèi)、熱點(diǎn)場(chǎng)景的部署特點(diǎn)，中國(guó)移動(dòng)提出Nanocell及其系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)小基站與WLAN在室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)的融合組網(wǎng)。

Nanocell與傳統(tǒng)的宏基站、微基站等在整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的主要部署場(chǎng)景如圖1所示。

Nanocell的主要定義為：一種集成小基站（通常指發(fā)射功率小于1 W的小區(qū)，如pico、femto等）與WLAN的產(chǎn)品形態(tài)。

集成電信級(jí)WLAN服務(wù)的一體化設(shè)備、對(duì)蜂窩網(wǎng)和WLAN干擾協(xié)同的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)及后續(xù)面向WALN和蜂窩網(wǎng)的融合是Nanocell區(qū)別于小基站的最主要特征，具體如下。

·同時(shí)支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及WLAN的覆蓋。通過(guò)技術(shù)方案，降低蜂窩系統(tǒng)與WLAN之間的干擾，保證兩者之間的覆蓋及容量。

·可以部署在企業(yè)、熱點(diǎn)與家庭場(chǎng)景。Nanocell既可以由運(yùn)營(yíng)商部署及維護(hù)，又可以由普通用戶部署，并通過(guò)回傳由運(yùn)營(yíng)商自動(dòng)完成配置及維護(hù)工作。

·支持較低的建設(shè)成本與維護(hù)成本。分階段支持基于SoC芯片架構(gòu)的小基站與WLAN AP功能的融合，分階段支持核心網(wǎng)的融合演進(jìn)，制定標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)。

·使用靈活、低成本的回傳網(wǎng)絡(luò)。Nanocell可使用IP化的低成本有線或無(wú)線的寬帶回傳網(wǎng)絡(luò)，可以使用運(yùn)營(yíng)商自有的寬帶回傳網(wǎng)絡(luò)或者有合作協(xié)議的第三方網(wǎng)絡(luò)。

·支持完善可信的安全能力。具有可靠安全機(jī)制保證接入和業(yè)務(wù)安全，通過(guò)證書實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證，具備可信環(huán)境，保證設(shè)備、信令和數(shù)據(jù)傳輸安全。

3 Nanocell的系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，Nanocell的系統(tǒng)架構(gòu)可分為3個(gè)部分：EPC核心網(wǎng)部分、WLAN接入控制部分及Nanocell新增網(wǎng)元部分。其中，EPC核心網(wǎng)及WLAN接入控制的架構(gòu)和組網(wǎng)方式沿用已有系統(tǒng)架構(gòu)和功能。Nanocell新增網(wǎng)元功能的說(shuō)明如下。

圖1 Nanocell應(yīng)用場(chǎng)景示意

圖2 Nanocell系統(tǒng)架構(gòu)

·Nanocell，為終端提供蜂窩網(wǎng)接入，和終端間通過(guò)Uu口進(jìn)行空口的通信；同時(shí)提供WLAN接入，與終端通過(guò)WLAN模塊進(jìn)行通信。

·Nanocell網(wǎng)關(guān)，對(duì)Nanocell設(shè)備進(jìn)行雙向認(rèn)證，對(duì)S1接口的信令和數(shù)據(jù)及Nanocell與網(wǎng)管間的消息通過(guò)IPSec協(xié)議進(jìn)行加密，當(dāng)Nanocell數(shù)量大時(shí)，Nanocell網(wǎng)關(guān)可根據(jù)配置進(jìn)行S1接口信令面的匯聚，降低對(duì)MME的信令壓力。

·Nanocell網(wǎng)管，對(duì)Nanocell、Nanocell網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，在Nanocell啟動(dòng)時(shí)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行配置，在運(yùn)行中，對(duì)Nanocell進(jìn)行性能管理。

·回程網(wǎng)絡(luò)，使用靈活的IP化接入方式，支持有線及無(wú)線的回傳方式，其組網(wǎng)方式也相應(yīng)地依據(jù)其回程的方式進(jìn)行組織。

·本地網(wǎng)關(guān)，是Nanocell的可選功能，可將用戶的數(shù)據(jù)通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，訪問(wèn)本地網(wǎng)絡(luò)的IP資源，減少傳遞到核心網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)分組。

4 Nanocell產(chǎn)業(yè)化需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題

4.1 成本控制

Nanocell產(chǎn)品能否滿足運(yùn)營(yíng)商的部署需求，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署，設(shè)備的成本控制是最關(guān)鍵的因素之一。Nanocell產(chǎn)品雖然在設(shè)備重量、體積、發(fā)射功率、用戶容量方面比宏基站小很多，但是在網(wǎng)元類型、基本功能、系統(tǒng)帶寬和峰值速率等方面與宏基站基本相同。因此，Nanocell的成本控制目標(biāo)是要以終端的成本實(shí)現(xiàn)基站的功能。而要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，Nanocell必須借鑒終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路，即芯片級(jí)解決方案。利用集成了CPU、DSP及硬件加速器的SoC芯片實(shí)現(xiàn)基站BBU（基帶處理單元）的功能，采用高集成度的射頻芯片，低功耗、低成本的PA（功率放大器）及射頻前端器件實(shí)現(xiàn)基站RRU（遠(yuǎn)端射頻單元）的功能。甚至在部署規(guī)模發(fā)展到一定階段時(shí)，通過(guò)單芯片加射頻前端等少量外圍器件實(shí)現(xiàn)整個(gè)融合設(shè)備的全部功能，進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本。

另外，部署規(guī)模對(duì)Nanocell產(chǎn)品的成本也有非常大的影響。為借助規(guī)模優(yōu)勢(shì)、有效控制成本，Nanocell的核心器件和產(chǎn)品研發(fā)需要借助FDD系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，盡量做到與FDD共用主要芯片、產(chǎn)品架構(gòu)、硬件平臺(tái)和高層協(xié)議軟件，在促進(jìn)TDD/FDD融合發(fā)展的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)Nanocell整體規(guī)模的壯大。

4.2 低成本同步解決方案

引入Nanocell后，組網(wǎng)方式將更為豐富，為了在絕大多數(shù)部署場(chǎng)景中有效抑制TDD小區(qū)間上下行時(shí)隙干擾，要求Nanocell間保持同步，并且Nanocell和宏基站也能保持同步。通常，需要同步精度，頻率精度誤差≤±0.25 ppm，時(shí)間同步精度誤差≤3μs。目前，常見(jiàn)的同步方案有以下3種。

·網(wǎng)絡(luò)同步 （如IEEE 1588v2）：通過(guò)傳 輸網(wǎng)絡(luò)由1588v2高精度時(shí)間同步協(xié)議為基站提供同步信息。

·GNSS(global navigation satellite system)同步：利用專用衛(wèi)星接收機(jī)通過(guò)GPS或北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)，獲得高精度的頻率和時(shí)間同步信號(hào)。為了提高衛(wèi)星信號(hào)的搜索能力，提升室內(nèi)弱信號(hào)環(huán)境下的同步成功率，還可以采用A-GNSS（assisted-GNSS）技術(shù)優(yōu)化同步建立和保持性能。

·空口同步：周期性監(jiān)聽(tīng)參考基站的同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與參考基站的頻率和時(shí)間同步，通常包括同步建立和同步保持兩個(gè)過(guò)程。為了應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，還可能需要支持多模多頻段空口偵聽(tīng)，或者支持多跳空口同步。Nanocell同步方案對(duì)比及選擇策略見(jiàn)表1。

表1 Nanocell同步方案對(duì)比及選擇策略

然而，Nanocell的部署場(chǎng)景豐富，以上3種常見(jiàn)同步方案對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景各有優(yōu)缺點(diǎn)，難以依靠某一種同步方案就滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下的同步要求。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能需要采用多種同步方式相結(jié)合的組合同步方案，并在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)時(shí)盡量考慮模塊化、接口通用化等設(shè)計(jì)思路，降低同步方案對(duì)產(chǎn)品成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的影響。

4.3 接口開(kāi)放

Nanocell無(wú)線設(shè)備作為一種新的產(chǎn)品形態(tài)，需要考慮和現(xiàn)有或未來(lái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互通，還需要考慮不同設(shè)備廠商之間的互通。例如Nanocell無(wú)線設(shè)備中的WLAN AP和AC設(shè)備間的互通、Nanocell無(wú)線設(shè)備和異廠商EPC設(shè)備間的互通等。因此在Nanocell的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要充分支持接口開(kāi)放問(wèn)題，保證新老設(shè)備、異廠商設(shè)備間的接口互通，形成一個(gè)開(kāi)放的產(chǎn)業(yè)鏈格局。

5 結(jié)束語(yǔ)

Nanocell是中國(guó)移動(dòng)為了聚合蜂窩與WLAN產(chǎn)業(yè)鏈、完成蜂窩網(wǎng)絡(luò)與WLAN深度融合所推出的端到端解決方案。該方案以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)產(chǎn)品升級(jí)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)在一套系統(tǒng)上同時(shí)支持TD-LTE和WLAN兩種無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，彌補(bǔ)傳統(tǒng)宏蜂窩深度覆蓋的不足，合理分流宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)荷，降低運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本?，F(xiàn)階段Nanocell采用設(shè)備級(jí)融合方案，為蜂窩網(wǎng)和WLAN的融合提供了基礎(chǔ)，后續(xù)演進(jìn)方案可以通過(guò)芯片級(jí)的融合和通信協(xié)議上的深度融合進(jìn)一步優(yōu)化和提升兩種無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)的承載能力和效率，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，最大化利用頻譜資源、站點(diǎn)和傳輸資源，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供新的技術(shù)手段。

1 中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院.中國(guó)移動(dòng)Nanocell技術(shù)白皮書，2012