CDMA Femtocell号码资源分配研究

摘要：为了解决CDMA Femtocell大规模应用中遇到的MSC不能配置多个FAP，且与现有宏网络难以互相切换的问题，对CDMA Femtocell号码资源分配进行了研究，包括PN，小区标识，登记区，UATI，色码等内容，提出与现有宏蜂窝网络不同的分配方案和建议。方案对现有宏蜂窝网络的影响最小，而且易于实施，能够节省运营商的投资和维护，促进CDMA Femtocell的商用。
关键词：CDMA；Femtocell；FAP；PN；号码分配

0 引言
    据全球Femtocell论坛2010年发布的数据，全球已有60余张Femtocell网络。
CDMA制式的Femtocell近年来也呈现出蓬勃发展的趋势。2008年，美国Sprint公司以提升家庭用户数据体验为目标，推出了全球第一款基于CDMA制式的Femtocell，规模至今已超过20万；2009年，Verizon公司为解决家庭覆盖不足的问题也推出了CDMA Femtocell，规模已超过10万。国内，中国电信已于2009年完成了CMDA Fetmocell的试验室测试工作，目前正在全国包括北京等6个省／市进行试商用验证。
    为了应对即将到来的CDMA Femtocell国内规模商用，现阶段对Femtocell应用的问题和难点进行分析和研究是非常有必要的。本文主要针对Femtocell号码资源分配进行了研究，包括PN、小区标识、UATI分配等内容。

1 网络架构
    CDMA Femtocell网络架构模型如图1所示。

    图中，FAP为Femtocell接入点，集成了BTS，BSC／PCF，以及AN的功能。FGW为Femtocell网关，SeGW为Femtocell安全网关，FMS为Femto cell管理系统设备，均为网络侧设备。
    HRPD及1X分组域中，FAP通过A接口接入网络。1x电路域架构有两种接入方式，一种通过SIP接口接入IMS域，一种是通过A接口接入电路域
MSC，即图1中Fx1在不同接入方式下使用不同的接口。鉴于中国运营商没有成熟的IMS网络，本文对1x Femtocell电路域的研究仅基于通过A接口接入MSC的方式。

2 存在的问题
    FAP为用户端设备，具备即插即用的特点。用户购买FAP并与运营商签约后，就可以自行安装使用了。由于用户有控制权，Femtocell系统的数据是动态变化的，而且即使覆盖范围小，FAP数量也会非常宠大。这些特点使得Femtocell系统与原有宏蜂窝网络有很多不同之处，并且做为一个新的系统，建设Femtocell网络不应该对现有宏蜂窝网络产生过多影响。
    因此，在应用Femtocell时，有以下主要问题：频率使用问题，与宏网同频或异频时，如何减少两网络间的干扰；在部署专用频率时，终端如何能及时发现异频的Femtocell信号，以便进行正确地切换；由于很可能采用不同资费，对传统终端如何提醒用户进或出Femtocell区域；FAP如何获取同步；支持与宏网络间无缝切换，如何对Femtocell系统号码进行分配，以及部署Femtocell系统后对宏网络配置的影响等。
    本文主要针对上述号码规划问题进行研究，包括PN分配、1x系统的小区标识、LAC划分、HRPD系统的色码、UATI分配等问题。

3 号码资源分配研究
3．1 PN分配
    FAP的数量众多，而CDMA系统PN码资源有限，Femtocell系统必须支持PN复用。
    Ferntocell系统与宏网络间需要支持无缝切换。但实际上，根据CDMA规范，宏基站可下发的邻区数目是有限的，不可能配置过多的Femto cell邻区。而且由于数据是动态变化的，在宏网上实时配置Ferntocell邻区信息基本是不可实现的。因此，建议Femtocell单独进行PN规划，由运营商划分出少量的专用PN供Femtocell使用。
    在3GPP2中也有PN规划的讨论，但方案比较复杂，实施较困难。基于现有的标准，针对现有终端，研究认为，在实际的家庭场景应用时，家庭与家庭间以及楼层间的穿透损耗可达10～15 dB，对信号传播影响较大。FAP发射功率较小，覆盖范围有限，并且家庭应用中，FAP间切换的情况也基本上可以不予考虑。因此，家庭应用的Femtocell PN规划可以较简化处理。
    Femtocell PN规划中，由于相邻两个小区的PN不相同，基本就可以避免同PN混淆问题。由于覆盖半径比较小，Pilot_INC可以取值为1，不会造成相邻PN干扰的问题。
    假设一个家庭应用的较极端场景：一幢高层楼房，每层有多排，每排有多户，每户均安装了FAP，FAP覆盖范围10 m×10 m。取一处于中间位置的FAP，其上下左右前后都有其他FAP覆盖，考虑其PN不能与相邻FAP重复，则至少需要27个PN，如图2所示。

    现有宏网络中，Pilot_INC一般取值为3或4。可以得出，对家庭应用，宏网划分出8～10个PN单独给Femtocell系统使用，可以满足Femto cell需求，对宏网的影响也很小。
    实际操作时，宏网络应事先知晓Femtocell的专用PN划分以及Pilot_INC信息，Femtocell系统也应知晓宏网络的Pilot_INC信息，以方便PN_Offset判决以及Femtocell系统的自动PN规划。自动PN规划应尽量让同PN的FAP间隔尽可能地大。
3．2 1x号码分配
3．2．1 Cell ID
    1x系统小区标识Cell ID由16 b组成，前12 b表示Cell，后4 b表示Sector。在一个MSC下Cell ID是惟一的，一个MSC下最多可以携带65 535个CellID。一个FGW下可能有成千上万个FAP，给每个FAP分配一个惟一的Cell ID是不现实的。而且为了尽量减少对现有网络的影响，为Femtocell系统新增MSC也是不可实现的。因此，Femtocell需要支持CellID复用。
    Cell ID分配方法为由FGW实现Cell ID的汇聚。FGW下的各个FAP使用Cell ID或FAP ID做标识在FAP-FGW间使用，以区分FAP，如图3中FAP CellID。MSC惟一识别的小区标识为FGW-MSC间CellID如图3中FGW Cell ID。FGW中应保存一个小区标识映射表，将FGW Cell ID与FAP Cell ID相对应。FGW在收到FAP向MSC发送的IOS消息时，替换收到的消息中的FAP Cell ID信息为在MSC惟一识别的FGW Cell ID信息后，将消息转发给MSC。FGW在收到MSC向FAP发送的IOS消息时，替换FGW Cell ID为FAP Cell ID，再将消息发送给FAP。这样，从MSC和宏网的角度来看，Femtoc ell系统的Cell ID数目是有限的，对现网影响很小。
    实现该分配方法，同时还要求使用相同PN的FAP使用相同的FAP Cell ID，也就是使用相同FGWCell ID。并且，如果一个MSC下有多个FG W，两个FGW可以共享PN，但不能共享Ceil ID。对于宏网BSC，需要由组网保证同一个Cell的相邻关系中不出现两个FGW的信息，即一个FGW对应一个BSC。
    1x Femtocell系统编号示例如图3所示。

3．2．2 LAC
    LAC为位置区，在1X中寻呼时使用，为16 b字段。
    若FGW实现Cell ID替换，FAP的Cell ID与PN为一对一分配时，FGW下的PN只能在一个LAC下复用。一个FGW应只配置一个LAC。
3．2．3 Reg_Zone
    空口注册区Reg_Zone为12 b，在空口传递。终端在不同的Reg_Zone间移动时会发起注册登记。
    如果不需要在跨FAP时做AT注册，则空口注册区Reg_Zone配置范围与LAC相同。
    如果需要在跨FAP时做注册，则LAC下每个FAP的Reg_Zone可以设置为不同TOTAL_ZONES参数设置为1，则AT在FAP间移动时会发起注册请求。好处是方便网络定位到终端当前所处位置。
    虽然Reg_Zone资源较多，但实际应用中，可以简便操作，不单独做Reg_Zone的规划，而将Reg_Zone与PN按一对一同时规划，不同的PN对应不同的Reg_Zone，同样满足终端跨FAP时发起注册。
3．3 HRPD号码分配
3．3．1 Color Code
    HRPD系统色码Color Code为8 b，同样存在复用问题。
    在一个FGW下，如果配置多个Color Code且相邻FAP的Color Code不重用，好处是对空闲态切换有利，但会带来Color Code规划复杂的问题，而且对FAP，AN配置相邻Color Code的要求都比较高，且难以实现。如果配置多个Color Code且大部分相邻Color Code相同，则对切换无益，还会带来宏网配置的难度。
    因此，一个FGW下所有FAP应配置相同的Color Code。FAP可以从FMS获得相邻AN的Color Code信息。组网时，宏网络AN的相邻Color Code应只需配置到FGW一级，操作简便。
3．3．2 UATI
    宏网络A13切换时，由目标AN向源AN发起，目标AN根据UATI中的Color Code信息识别出源AN。
    Femtocell中，Femtocell向宏网络发起A13切换时，宏网络AN根据Color Code识别出切换源为FGW，将消息发送给FGW。FGW收到消息后需要再识别出准确的切换源FAP。
    研究可知，由于反向MAC头中带CC+UATI024，FGW可以考虑从UATI的格式中来区分FAP。

    具体方法为：将UATI024分为两个部分，其中高m比特用于区分一个FGW内的FAP，低(24-m)b用于区分一个FAP内的终端。如图4所示。高m比特由FGW为下属的FAP统一分配。低(24-m)b由FAP自行分配。FAP一般支持用户数为16，m若取值为20，则FGW下可支持百万个FAP。
3．3．3 Sector ID
    由于UATI的分配、Session信息的存储是由各个FAP完成的，终端在FAP间移动时，必须要发起UATI的更新，因此，每个FAP的Subnet需要规划为不同的。
    在子网地址足够的情况下，子网掩码(Subnet Mask)设置为104，每个FAP的Sector ID高104位不同，但一个FGW下的FAP高104都对应相同的Color Code。如果子网地址不足，FAP的子网掩码设置为大于104，以扩充子网数量。此时，一个FGW下的各个FAP的Sector ID高104位可以相同，对应Color Code也相同。此时，对Sector ID的分配参考图5，设SubnetMask为(104+m)b，则FGW通过Sector ID后024位中的高m位可以区分出FAP，剩余的(24-m)b同样用于区分终端。
    HRPD Femtocell系统编号示例如图5所示。

4 结语
    本文从Femtocell的技术现状出发，详细分析了Femtocell系统在实际大规模部署中号码资源分配问题，研究并提出一套简单可行的号码分配方案，为CDMA运营商及设备商部署Femtocell网络提供支持和建议，具有现实意义。