LTE-Advanced 网络中家庭基站的架构研究

吴挺竹 陈群峰 中邮科通信技术股份有限公司 350007

【文章摘要】

本文对部署在LTE-Advanced 中的家庭基站（也称Femtocell）的网络架构进行研究与分析。家庭基站是为了增强室内的覆盖性能所提出的一种新型技术。当前，移动通信运营商把越来越多的关注投向了移动通信第四代网络的建设，这为家庭基站的大规模部署提供了良好的契机，因为在家庭或办公室这样的室内场景中，它可以有效地增加信号覆盖和提高用户容量。可以预见在接下来的几年里，家庭基站将大大改变移动通信技术与商用网络的格局。

【关键词】

LTE; Femtocel; HeNB;4G; 架构; 家庭基站

0 绪论

据调查约70% 的无线业务在室内发生，然而大量的用户由于室内信号覆盖不佳而无法充分体验到高速的数据业务。在传统的宏基站网络中，运营商在室内提供高质量的信号覆盖与数据业务是非常困难的。

为解决该问题，一种被称为家庭基站的技术应运而生。它是一种小型、低功率的基站设备，可将手机发出的话音和数据呼叫通过因特网传输到基于标准接口的核心网络，从而提供室内环境的移动通信服务。每个单独的设备通常可支持4-16个并发的话音与数据连接，允许经授权的用户连接到家庭基站来使用话音之外的服务，比如信息或实时多媒体流等。获得更好的室内信号覆盖强度，是发展、部署家庭基站最大的驱动力。此外，提高视频和数据下载的速度是仅次于前者的另一个驱动力。正是基于良好的信号覆盖和数据速度，家庭基站能带来许多新颖实用的服务项目。例如偏远地区通话信号覆盖、家庭成员位置短信亲情通知、虚拟家庭固号等。

本文主要对部署在LTE-A 中的家庭基站的网络架构进行研究与分析。在第2部分中，将对4G 家庭基站中不同的功能组件进行介绍。第3 部分将讨论LTE-A网络中推荐的家庭基站架构。最后，在第4部分进行全文的总结。

1 LTE-A 中的家庭基站网络组件

1.1 Femtocell 接入点/ HeNBHeNB 是一种即插即用的设备，大小与一般的无线路由器差不多，使用宽带回程来连接运营商的核心网。由于它是在经授权的频段中向指定的用户提供信号，因此HeNB 有着极佳的QoS 保证与完美的终端用户服务体验。此外，它采用标准的3GPP S1 空口标准与移动设备进行通信。

1.2 HeNB GW

HeNB GW 对HeNB 起着连接安全、控制、以及汇聚等作用。在家庭基站架构中，HeNB 与HeNB GW 是不可或缺并且相辅相成的两种设备。HeNB 提供着无线电管理功能，与此同时HeNB GW 保持着与核心网的连接功能，例如进行对终端的寻呼操作时，就需要二者的相互协作方可实现。HeNB GW 中也可包含AAA 认证功能，这样就提高了HeNB GW 与HeNB连接时的安全级别。典型的AAA 服务器与MME（移动管理实体）一起，都位于运营商的核心网中。除此之外，HeNB GW也可包含媒体网关（MGW）的功能。

1.3 SeGW（安全网关）

在家庭基站网络中，SeGW 被用于在HeNB 与核心网之间建立端到端的IP安全隧道，从而提供安全的通讯连接；利用S1 接口上的GTP（GPRS 隧道协议），SeGW 也可提供安全的数据连接。正是使用了这些隧道加密技术，它为家庭基站网络提供了完整的保护。

1.4 HeMS（HeNB 管理系统）

HeMS 提供对HeNB 设备的自动配置和远程管理功能。它采用可伸缩体系结构设计，支持对数以万计的HeNB 来进行管理。HeMS 使得运营商能够利用现有的基础管理设备来管理HeNB 的部署。具体地说，运营通过它可以完全自动化设备配置、启动和管理远程软件升级、使用收集的故障数据和性能数据执行远程分析、轻松处理设备验证。

1.5 S1 接口

S1 是在HeNB 与HeNB GW 之间用于传输消息的多功能通讯接口。它使用流控制传输协议来传输控制与信令消息。另外，SeGW 和AAA 功能也只能通过S1 接__自我配置与自我组织的功能。用户可以将HeNB 移至任何地点，HeNB 只要连接到因特网即可正常工作。从运营商的角度来看，部署这种家庭基站架构是很简便的，因为不需要对HeNB 采取任何后配置操作。另外，该架构中的HeNB 地位相对比较重要，因为它集成了HeNB GW 的部分功能。口来实现IP 点对点隧道的建立以及数据完整性的保证。3 4G 网络中家庭基站的架构对于4G 的家庭基站而言，现在尚处于产品发展的初级阶段，因此我们现在还只能对其部署的方式与商业的前景进行探索与思考；况且，即便是3G 的家庭基站，其部署现状也并未完全成熟。4G 家庭基站网络中的所有功能网元，都继承了3GPP 为LTE 通信系统所定义的业务功能。所以，4G 家庭基站架构也是3G 家庭基站架构模型与LTE 业务功能的一种有机结合。

2.1 4G 家庭基站架构一图1 直观地展示了一种采用独立HeNB GW 网元的、基于演进分组系统（EPS）的4G 家庭基站架构。这是一种非常均衡的家庭基站架构，HeNB 采用搜索可用的HeNB GW 并与之建立连接的方式进行工作。HeNB GW 是部署在运营商核心网中的网元设备，当为HeNB 提供服务的同时，HeNB GW 并不会创建一个与MME设备的连接。这是因为为了保证用户数据的安全性，HeNB 在通过验证后，会直接与MME 通过GTP 隧道、IPSec 隧道或SCTP 端到端连接等安全方式进行连接。由于家庭基站面向的是家庭、小企业等应用场景，HeNB 设备可能被用户购买，因此自然地要求家庭基站系统能够根据不同的访问用户决定是否向其提供服务，即具备访问控制功能。在此家庭基站架构中，UE 能够实现对CSG（闭合用户组）的管理功能。例如，UE 可以对其所属的CSG 的用户列表进行维护， 当CSG 小区广播一个CSG ID 时，则只有这个CSG ID所标识的CSG 成员可以访问该小区。这种家庭基站架构中的网元相对独立，在部署时无需进行网元集成工作，因

此部署相对简单。

2.2 4G 家庭基站架构二

图2 为4G 家庭基站的另外一种架构，在此架构中没有以实体形式存在的HeNBGW。需要注意的是，本文所述的几种家庭基站架构，HeNB GW 的功能均是必不可少的。据研究显示，为了提高系统的性能和效率，不同的网络设备的功能操作可以被集成到一个设备中，这样的集成设备在一定的条件下可以与其它网元进行更好的配合协作。本架构中，HeNB GW 并不以实体形式存在，但它的功能实际上被集成到了HeNB 与MME 上，这可以降低网络成本与通信时延。此架构中的HeNB 可在没有网络规划的情况下实现即插即用，即拥有

2.3 4G 家庭基站架构三在家庭基站网络架构中，HeNB GW是作为控制平面信令与用户平面信令的集中汇聚设备；另外，传输用户平面信令的S1-U 接口也可以被S-GW（服务网关）网元所控制。因此，通过分割控制平面信令与用户平面信令的功能的方式，我们可以引出另外一种家庭基站架构，如图3。在该架构中，HeNB GW 只用于汇聚控制平面的信令，而用户平面的信令将直接对S-GW 网元进行传输。通过将用户平面信令的传输从HeNBGW 中分离出来的方式，HeNB 与S-GW进行分组数据传输的效率将会得到提高。因此，在传输用户平面信令与控制平面信令时，HeNB 上的时延也会得到降低，这将自然地增加整个家庭基站网络的分组数据传输效率。按照规范要求，HeNB 与CGS 之间可以建立起多对一的映射，因此某个CGS 所包含的若干HeNB 都应该具有相同的CSG ID 以示区分。需要注意的是，本文所提到的几种架构中的MME，其功能是给用户设备提供移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证等。

3 总结

作为一种高效的室内覆盖解决方案，家庭基站是部署4G 移动数据业务必不可少的手段。虽然目前离4G 家庭基站部署架构的最终标准化还有一段距离，但是政府和运营商都承诺会继续投入大量资本推动家庭基站的产业化进程。在网络与业务不断融合的大背景下，作为家庭业务和个人业务的结合点，家庭基站必将成为融合网络和业务的一个重要组成部分。

【参考文献】

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