Nanocell技术方案与实践

曹汐 中国移动通信研究院高级工程师，无线系统研究员

王东 中国移动通信研究院工程师，无线硬件研究员

刘光毅 中国移动通信研究院高级工程师，无线技术研究所总工程师

Nanocell技术方案与实践

曹汐 中国移动通信研究院高级工程师，无线系统研究员

王东 中国移动通信研究院工程师，无线硬件研究员

刘光毅 中国移动通信研究院高级工程师，无线技术研究所总工程师

随着移动互联网的快速发展，移动通信网络运营存在的两个不平衡日益显现，即移动业务数据量的增长与移动通信网络承载能力增长间的不平衡；移动业务数据量的增长与运营商收入增长间的不平衡。为了维持产业链的健康和可持续发展，必须通过网络技术能力的提升、网络建设和运营方式等方面的革新来降低网络的部署和运营成本。Small Cell技术能弥补传统宏蜂窝深度覆盖的不足，分流宏蜂窝网络业务负荷，降低运营商网络建设和运营成本。为了充分利用运营商已经大量部署的WLAN站点与传输资源，进一步降低网络建设成本，融合TD-LTE Small Cell与WLAN两类热点及室内覆盖技术，中国移动提出了Nanocell及其端到端的系统解决方案，期望能够聚合TD-LTE及WLAN产业力量、满足用户业务未来发展需求、促进产业健康发展。

Nanocell TD-LTE Small Cell WLAN

1 引言

随着智能手机等新一代终端的不断普以及移动互联网业务的发展，无线数据业务呈现了爆炸式的增长趋势。根据目前相关机构的统计结果，现阶段全球无线数据业务年增长率超过100%；而未来数据业务预计5年增长40倍，10年增长1000倍。在过去5年中，中国移动网络中的数据业务增加了60倍，其中移动语音业务的60%和数据业务的70%发生在室内。据预测，未来室内业务将占总业务量的90%。而随着无线数据业务的高速增长以及室内无线传输需求的不断增加，传统蜂窝网络的覆盖方式对于支持室内无线数据业务的瓶颈日益突出，对移动运营商的网络发展提出种种挑战，包括：

（1）传统2G、3G网络无线接入容量极限逐渐显现。

（2）频谱资源日益紧张，可用于广覆盖的蜂窝移动通信网络的新增频率资源日益匮乏。

（3）站址、天馈资源获取难度日益增加，密集城区的站间距接近理论极限，很难支持蜂窝宏基站的更密集部署。

（4）普通蜂窝网络部署密集，网络干扰环境更加复杂，影响网络性能。

（5）宏站的部署和运营成本高昂，新增宏站扩容的建网方式难以为继。

为了维持产业链的健康和可持续发展，移动通信网络的发展必须考虑如何通过网络技术能力的提升、部署方式和运营方式等方面的革新来不断降低网络的部署和运营成本。而Small Cell技术能较好地克服上述问题，提升频谱资源利用率，实现低成本快速灵活建网，补充传统宏蜂窝网络深度覆盖不足和局部热点区域的容量不足。此外，为了分流2G/3G网络的数据业务，中国移动在2014年已建设超过420万个WLAN接入点，通过多网的协同，满足不断增长的用户移动数据业务的需求。

为了融合Small Cell与WLAN两类热点及室内覆盖技术，充分利用WLAN站点与传输资源，弥补宏蜂窝深度覆盖的不足，合理分流宏蜂窝网络业务压力，降低运营商网络建设和运营成本，中国移动提出了Nanocell及其端到端的系统解决方案，期望能够聚合TD-LTE及WLAN产业力量，满足用户业务未来发展的需求、促进产业健康发展。

2 Nanocell的定义及主要特征

对于典型的蜂窝网络，通常采用宏基站进行连续覆盖和室内浅层的部署，采用微基站进行道路、室外覆盖室内、以及室内深度覆盖的室内分布系统的部署，采用企业级Picocell进行补盲、补热，而家庭级Femtocell则用于家庭部署。而包括Picocell和Femtocell的众多小型基站在业界也统称为Small Cell。

对于室内和热点场景的部署，需要充分考虑设备的体积、成本、效率与回传Backhaul的限制。结合室内、热点的部署特点，中国移动提出Nanocell及其系统解决方案，实现Small Cell与WLAN在室内和热点地区的融合组网。

Nanocell与传统的宏基站、微基站等在整个移动通信网络中的主要部署场景如图1所示。

图1 Nanocell应用场景示意图

Nanocell的主要定义是：一种集成Small Cell（通常指发射功率小于1W的室内蜂窝小区，如Picocell、Femtocell等）与WLAN的产品形态。集成电信级WLAN服务的一体化设备、对蜂窝网和WLAN干扰协同的系统化设计及后续面向WALN和蜂窝网的融合是Nanocell区别于Small Cell的最主要特征，具体表现在：

●同时支持蜂窝网络系统及WLAN的覆盖：通过技术方案，降低蜂窝系统与WLAN之间的干扰，保证两者之间的覆盖及容量。

●可以部署在企业、热点与家庭场景：Nanocell既可以由运营商部署并维护，也可以由普通用户部署，并通过回传由运营商自动完成配置及维护工作。

●支持较低的建设成本与维护成本：分阶段支持基于SoC芯片架构的Small Cell与WLAN AP功能的融合；分阶段支持核心网的融合演进；制定标准统一的网管系统。

●使用灵活、低成本的回传网络：Nanocell可使用IP化的低成本有线或无线的宽带回传网络，可以使用运营商自有的宽带回传网络或者有合作协议的第三方网络。

●支持完善可信的安全能力：具有可靠的安全机制保证接入和业务安全，通过证书实现身份认证，具备可信环境，保证设备、信令和数据传输安全。

3 Nanocell的系统架构

为了适应Nanocell大规模部署的需求，减少对已有LTE和Wi-Fi网络的影响，Nanocell采用了一套专门的网络架构。

如图2所示，Nanocell的系统架构可分为3个部分：EPC核心网部分、WLAN接入控制部分及Nanocell新增网元部分。其中，EPC核心网及WLAN接入控制的架构和组网方式沿用已有系统架构和功能，而Nanocell新增的网元如下：

●Nanocell：为终端提供蜂窝网接入，和终端间通过Uu口进行空口的通信。同时，提供WLAN接入，与终端通过WLAN模块进行通信。

●Nanocell网关：对Nanocell设备进行双向认证；对S1接口的信令和数据及Nanocell与网管间的消息通过IPSec进行加密；在Nanocell数量大时，Nanocell网关可根据配置进行S1接口信令面的汇聚，降低对MME的信令压力。

●Nanocell网管：对Nanocell、Nanocell网关进行管理，在Nanocell启动时对其参数进行配置，在运行中对Nanocell进行性能管理。

●回程网络：Nanocell回传网络使用灵活的IP化接入方式，支持有线及无线的回传方式，其组网方式也相应地依据其回程的方式来进行组织。

图2 Nanocell系统架构

●本地网关：是Nanocell的可选功能，可将用户的数据通过本地网络进行路由转发，访问本地网络的IP资源，减少传递到核心网的IP数据包。

4 Nanocell的关键技术及产品特征

结合Nanocell的应用场景特点以及其可能的产品特征，Nanocell的主要产品特征可归结如下：

●无线功能及性能要求

——3GPP兼容性：兼容3GPP R9标准协议。

——IEEE兼容性：兼容IEEE 802.11a/b/g/n协议。

——TD-LTE用户容量：企业级32～64个激活用户，家庭级8个激活用户。

●硬件要求

——LTE射频通道数：2个发射通道、2个接收通道。

——WLAN射频通道数：每频段2个发射通道、2个接收通道。

——LTE最大输出功率（总功率）：企业级250mW，家庭级100mW。

——WLAN最大输出功率：100mW/频段。

——供电方式：以太网供电POE/POE+，交流供电（可外置AC-DC适配器）。

●射频指标要求

——3GPP兼容性：兼容3GPPTS36.104。

——共存干扰要求：LTE下行满功率发射的情况下，WLAN接收机灵敏度恶化不得超过3dB；WLAN下行满功率发射时，LTE接收机灵敏度恶化不得超过3dB。

●SON

——基站自启动：基站上电后无需任何人工干预就能自动完成至少包括设备自检、传输自检、软件和配置数据管理、小区自建立。

——PCI自配置自优化：功能开关、PCI自配置、PCI自优化、PCI冲突与混淆检测。

——自动邻区关系：自动添加邻区关系、自动删除邻区关系、自动调整邻区关系属性。

——移动性优化：包括移动性优化功能开关、移动性优化设置、移动性优化功能。

——小区自报警和自治愈：包括自动预警、自动报警；能够实现基站自动故障修复。

●同步解决方案

引入Nanocell后，组网方式将更丰富。为了在绝大多数部署场景中有效抑制TDD小区间上下行时隙干扰，要求Nanocell小区间保持同步，并且Nanocell和宏网络也能保持同步。通常，同步精度要求频率精度误差≤±0.25ppm，时间同步精度误差≤3µs。目前，常见的同步方案有以下3种：

——网络同步（如IEEE1588v2）：通过传输网络由1588v2高精度时间同步协议为基站提供同步信息。

——GNSS同步（GlobalNavigationSatellite System）：利用专用卫星接收机通过GPS或北斗等卫星导航系统授时，获得高精度的频率和时间同步信号。为了加速卫星信号的搜索能力，提升室内弱信号环境下的同步成功率，还可以采用A-GNSS（Assisted-GNSS）技术优化同步建立和保持性能。

——空口同步：周期性监听参考基站的同步信号，实现与参考基站的频率和时间同步，通常包括同步建立和同步保持两个过程；为了应对更为复杂的应用场景，还可能需要支持多模多频段空口侦听，或者支持多跳空口同步。

然而，Nanocell的部署场景丰富，以上3种常见同步方案对于不同的应用场景各有优缺点，难以依靠某一种同步方案就满足绝大多数应用场景下的同步要求。因此，实际应用时可能需要采用多种同步方式相结合的组合同步方案，并在产品实现时尽量考虑模块化、接口通用化等设计思路，降低同步方案对产品成本和实现复杂度的影响。

5 Nanocell的应用部署场景

Nanocell可作为传统宏蜂窝的补充，重点用于中小面积场景的室内场景深度覆盖和容量补充，如营业厅、底商、居民楼、小型写字楼、小型超市、卖场、别墅及公寓住宅等。在此类场景下Nanocell因低成本、快速灵活部署等特性，比传统室分建设方式更具优势。

●对于覆盖面积百平米左右、并发用户数少于8的家庭、酒店公寓单间、办公室等场景可部署单台家庭级Nanocell基站满足室内深度覆盖。

●对于覆盖面积在数百至一千平米、并发用户数大于8的沿街商铺、营业厅、开阔单间等场景可部署单台企业级Nanocell基站满足覆盖和容量要求。

●对于覆盖面积在数千平米的小型企业、超市、卖场、写字楼、教学楼等场景，可部署多台企业级Nanocell基站组网覆盖。

●对于建筑面积1万平米以上的有墙体和楼层隔离的密集建筑场景，可部署多台企业级Nanocell基站组网覆盖可作为传统室分、MDAS、分布式皮站等其他覆盖方案的补充方案。

●除用于整栋楼宇室内覆盖外，Nanocell基站还可用于已有室内覆盖场景的局部区域覆盖或容量增强，实现按需灵活精确覆盖或补充。

●除用于常规应用场景外，Nanocell基站系统还可用于对覆盖面积和容量要求不高的应急通信或特殊应用场景，发挥其快速灵活、配套要求低等优势。

6 Nanocell的应用实践

近期，通过在多个城市、多种典型室内应用场景的现网试点，验证了Nanocell系统已具备端到端商用能力，无线性能符合预期，系统架构灵活，建设维护方便。

6.1 试点应用场景

●中小面积单站覆盖场景：如营业厅、居民楼。

●大中型建筑整栋楼宇覆盖场景：如高校食堂、高校教学楼、超市、专业卖场。

●大型建筑室内局部区域覆盖：如写字楼、高校教学楼等。

6.2 试点产品信息

●TD-LTE频段：Band40：2320～2370MHz。

●WLAN频段：IEEE 802.11 a/b/g/n 2.4GHz/ 5.8GHz。

●TD-LTE最大发射功率：2通道×125mW/通道。

●WLAN最大发射功率：2通道×100mW/频段/通道。

●TD-LTE信号带宽：20MHz。

●TD-LTE射频通道数：2 Tx、2 Rx。

●TD-LTE支持用户数：32激活用户、96 RRC连接用户。

●设备体积重量：<3L/<3kg。

●防护等级：IP30。

6.3 试点应用效果

●无线性能符合预期

——覆盖能力理想：大多数场景组网连续覆盖时，平均每站覆盖面积可达1000～2000m2（含穿透1～2堵墙），吞吐率性能符合理论预期。

——与宏网融合：验证支持Nanocell间及与宏站的互操作、CSFB；可与宏网融合组网。

——多模业务支持：多模Nanocell可支持LTE/ GSM双模覆盖，支持话音、短信、数据业务并发和统一回传。

——同频/异频组网：Nanocell间可支持同频、异频组网。

●系统架构灵活

——系统架构选择：支持无网关（直连核心网）、通过安全网关及安全网关+信令网关多种系统架构，各中架构下与宏网互操作正常。

——回传更加灵活：支持自有PTN/xPON等多种回传方式，第三方回传方式验证技术可行。

——网关功能验证：信令网关支持虚拟网关方案及信令汇聚功能，安全网关支持多种认证方式并支持第三方回传。

●建设维护便捷

——建网便捷：支持基于全IP的传输，采用五类线回传；支持POE+供电方式；支持多种灵活同步方案；站址获取和物业协调容易，施工周期短，建网效率高。

——SON：支持自启动自配置自优化，具备空口侦听能力，开站快速便捷。

——全系统可管可控：支持完善的网管功能，可对全系统各节点进行管理监控。

——容量优势：相比传统室内分布系统，每个接入点独立于小区，容量优势明显，扩容压力小。

7 结束语

Nanocell是中国移动为了聚合蜂窝与WLAN网络产业链，完成蜂窝网络与WLAN网络深度融合所推出的端到端解决方案。该方案以现有网络为基础，通过产品升级和网络结构调整，可实现在一套系统上同时支持TD-LTE和WLAN两种无线宽带网络接入，弥补传统宏蜂窝深度覆盖的不足，合理分流宏蜂窝网络业务负荷，降低运营商网络建设和运营成本。近期，通过在多个城市、多种典型室内应用场景的现网试点应用，验证了Nanocell系统已具备端到端商用能力，无线性能符合预期，系统架构灵活，建设维护方便，可有效用于室内深度覆盖和热点区域容量补充，为TD-LTE网络建设，特别是室内覆盖提供了新的技术手段。

1 中国移动通信研究院.中国移动Nanocell技术白皮书.2012

Nanocell Technology Schemes andApplication

The rapid development of mobile Internet,the growth of the mobile data traffic and the growth of the mobile communication network capability becomes imbalance,and the growth of the mobile traffic and the growth of operators’revenue becomes imbalance.In order to maintain a healthy and on-going development of the mobile communications industry,it is necessary to reduce the network CAPEX/OPEX by introducing the new network technologies and the innovative network deployment and operation.As small cell can offer the capability to offload the Macro Cell traffic and reduce operators’network OPEX and CAPEX,and to take full advantage of the available WLAN site and its backhaul, to achieve an aggregation of TD-LTE Small Cell and WLAN,the 2 type of hotspot and indoor coverage technologies, China Mobile introduces the concept of Nanocell and its end to end solution for the whole network,aims to combine the TD-LTE industry and WLAN industry effort,make arduous efforts to meet the subscriber’s demand for data traffic in future,and maintain a healthy mobile industry.

Nanocell,TD-LTE,Small Cell,WLAN

2014-12-23）