多模小基站之互操作策略探究

山西信息规划设计院有限公司 张逢飞

引言

随着目前无线技术的不断发展，从目前我国现有的运营商的现状来看，GSM/UMTS/LTE多制式并存已经非常普遍，如果改变这种现状，实现高效率、低成本的建设多张网络并且建立网络资源在多种制式之间的灵活共享模式，已经成为摆在运营商面前的一道问题。以往的基站只能够支持一种网络制式[1]，如果想要实现网络演进就需要对相关的基站以及配套设备实现重新的部署，这种情况下增加了运营商的成本。为了解决这个问题，多模基站被开发出来。

1.多模小基站概念

1.1 概念

多模基站可实现对多种制式的同时支持。多模基站之所以能够达到这个效果，是因为借助了SDR（Software Defined Radio，软件无线电）技术实现设计和开发。其利用有效开放式的体系结构，通过采用模块化、标准化的硬件单元构成的通用平台为基础[2]，利用软件来定义和实现无线设备的部分通信功能。利用SDR技术，网络演进不再像以前那样复杂，只需添加或更换部分基站单板，其余通过软件配置方式即可实现，其可扩展性特征明显。对运营商而言多模基站的生命周期更长，降低运营商投资风险。

1.2 技术原理

多模基站的架构与传统单模基站相同，一般都是采用BBU+RRU组成的分布式基站架构，实现射频模块和基带模块的分离，方便运营商灵活组网。基带-射频接口可采用CPRI、OBSAI、OBRI等多种协议[3]，其中使用最为广泛的是CPRI协议。多模基站的应用优势在于其BBU与RRU均可同时支持GSM/UMTS/LTE等多种网络制式。

2.多模小基站的互操需求分析

全球电信运营商开始采用性价比较高的小型基站技术来改善蜂窝网络的容量和覆盖范围。运营商面对日益增长的移动数据流量，为了而应对数据流量的增长，提出了将网络带到更洁净移动用户的这种方式。而小型基站能够让电信运营商将成本集中在用户最需要的地方，降低成本的同时可提升用户的网络体验[4]。以高通创锐讯为例，其已开发一系列28纳米(nm)解决方案，可提供适用于住宅、地铁和企业的小型基站，以增强电信运营商的3G与LTE网络。该公司以打造全功能的小型基站，并以更高的功效提供优异的性能为目标，已经协助电信运营商降低了为提高网络容量而带来的成本和复杂性。其提出的FSM99xx 解决方案，可支持3G与4G同时运作或利用载波聚合提供双载波4G，也可提供高通先进的Wi-Fi功能，以更好地使用所有可用频谱，同时为移动用户提供无缝的联网功能。高通全新小型基站解决方案的设计具有最高功效[5]，可降低运营成本，并且符合以太网络供电系统的要求，适用于企业部署。FSM99xx解决方案采用28nm制程技术，并充分利用高通业界领先的四核Krait移动处理器，耗电量仅为其他基于ARM处理器的一半。FSM99xx解决方案系列产品同样具备RF线性化技术，最多可将功率放大器的功耗降低一半以上，这是非常重要的优点，因为放大器有可能会消耗小型基站功耗预算的一半以上。FSM99xx是先进的HetNet与SON(自组网络)技术的平台。

利用多模小基站的应用优势，可以为运营商提供 GSM、TDSCDMA/WCDMA、TD-LTE/LTE FDD 无线网络接入。从目前终端的现状来看，考虑到网络优势，一般对网络设置了优先级，如果网络条件良好的情况下，用户首先使用到的是4G网络，条件较差则主动连接3G甚至2G网络[6]。这种终端因条件因素不同选择的网络不同，网络提供的优势业务也就出现了变更。这种情况下只有在多模小基站内部采取互操作的方式，引导用户在使用网络的过程中为其匹配最合适的网络，提升用户体验。

3.多模小基站的互操作策略

3.1 覆盖互操作

在移动通信网络中，基于覆盖的移动性互操作是其中一个最基本也是比不可靠的功能。基于覆盖的移动性其主要目的是保证业务的连续性，在提升用户体验的同时达到无缝覆盖的目的。想了解系统内或者系统之间之内是否出现切换或重选的操作，可以通过在小区内或者邻近小区内的信号强度/信号质量的绝对值比较或相对值门限进行判断[7]。这种方式比较繁琐，需要耗费一定的人力、物力，但是针对多模小基站而言，就可以完善省略这个步骤，这是因为多模小基站在功率设计的过程中就考虑到这一点，多模小基站可实现每一个模式与模式之间的覆盖平衡，基本上可以达到多个模式实现共同覆盖的方式，此举不仅大大提升了用户的体验，还能够减小多模小基站组网时网络规划的复杂度。

华为发布了包括全球首个多频多模室外Micro小基站和业界集成度最高的Pico小基站，以帮助运营商提高室外、室内覆盖和容量，应对移动网络大流量挑战。华为系列化多频多模小基站，融入“One Box, One Cable”的设计理念，高度集成了基带、射频、传输、天线等。在同一站点只需一个Box就具备原先多个Box才具有的容量和功能。同时还支持UMTS、LTE等不同制式及不同频段和制式间的动态频率共享，将显著提升运营商的投资效率。其中，华为室外型Micro小站适用于密集城区增强覆盖和容量提升。在LTE Only模式下，该小站可支持载波聚合来有效提升系统容量和用户体验。同时，它还支持多种传输接口，可适应广泛的部署场景。另外，华为室内型Pico小站适合安装在室内用于改善覆盖和容量提升。

以室内办公场景为例，分析一个GSM＋TD-SCDMA＋TD-LTE三模小基站为例进行覆盖距离的分析。

表1 多模小基站的覆盖距离分析

根据多模小基站的模式，在覆盖平衡的基础上，可以不需要考虑基站内部中各个模式之间的移动性互操作。

3.2 负载互操作

移动通信技术从最初的2G、3G发展到目前的4G，其中移动通信技术在发展的过程中有非常多的标准，运营商不希望设备仅符合一种标准，此举会带给运营商非常大的成本输出。小基站最初需要解决功耗问题，因为最开始小基站只在室内设置，另外还需要考虑以后升级到下一代网络仍然可以使用[8]，这就要求多模基站要能够同时支持多种制式。在这个过程中产生的负载问题，如果对负载的控制不够妥当可能会影响到整个通信系统的效率，甚至严重影响到用户的用网体验。对不同的网络制式，采取的评估方法也有所不同，详见表2。

表2

考虑到在具体部署过程中，可以按照网络不同发展阶段下的频谱策略及网络覆盖与容量需求，通过对多模基站软件配置实现各制式之间的灵活带宽配比，达到多制式之间的负荷均衡。举例分析，在LTE建网初期，针对较少的用户数和话务量，可以考虑对LTE分配15MHz或20MHz带宽，只配置1个LTE载波，将其余可用的频谱都分配给GSM或UMTS网络。随着时间推移，LTE用户数或话务量呈现出逐渐增加的趋势或者已经有用户反馈体验效果不佳的情况，实现对LTE的扩容，通过对多模基站的瞬时工作带宽重新划分，给LTE分配40MHz频谱，配置LTE双载波，而留给GSM或UMTS网络的频谱资源则相应减少。

值得注意的是，频谱划分还要结合运营商的频谱策略及用户迁移等具体情况来决定。通过这种方式有效平衡网络的负载分布问题。另外，考虑到无线信道条件发生变化以及终端的移动和数据业务始终都处于变化状态，这种情况可能会影响到已经接入的业务占用的资源出现变化，从而引起系统负载的变化。一旦系统负载到达一定程度很可能引发拥塞[9]，这种情况就需要对系统负载进行控制，保证业务和系统的稳定运行。目前比较常见的方法是阻止新用户或者新业务的介入。与此同时系统还可以进行快速的负载迁移，将部分优先级较低的用户进行强制切换到低负载邻区，可实现LTE与3G的相互负载迁移，或者是3G与GSM的相互迁移。还可以通过调整移动性参数使得边缘用户自动重选/切换到低负载邻区。通过对负载的互操作不仅能够解决系统拥堵的问题，还能够降低功耗。

3.3 业务互操作

针对多模小基站，为了提高其运行效率，一般都会对其提供的业务进行限制。例如，GSM仅听过语音业务，目的是为了节约频谱资源有效保证TCH信道数，确保整个覆盖区域范围内的语音业务需求能够满足用户要求。加上GSM的数据业务频谱效率比较低，如果提供数据业务会浪费很多的频谱资源。而3G则是语音数据都开启，某项数据调查显示，2017年7月份，4G用户累计净增1.4亿。2017年以来，4G用户保持较快增长，总数达到了9.1亿户，占移动电话用户的66.3%，其中1-7月累计净增1.4亿户。但是仍然存在一小部分的3G收集用户，还需要保证这类用户的语音、数据业务需求。其中数据功能是作为LTE系统的补充，而语音功能是作为GSM系统的补充。而LTE由于投入商用仍然还存在一些问题，因此无法为市场提供较高质量的语音业务。

面对这种情况，加上上述限制，一旦用户在使用终端设备驻留的通信制式进行操作但无法响应时，可实现执行模式的互操作，目前一般是4G网络不佳的情况下支持3G、2G，3G终端网络不佳支持2G。以4G终端为例，4G终端的优选驻留网络为4G，其中可实现的业务互操作包括语音、数据两个方面，语音通过CSFB回落至2G/3G。4G回落至2G一般是采用PS切换、CCO或者重定向的方式[10]，4G回落至3G主要是PS切换和重定向两种。如果是出现数据拥堵的情况，一般是切换或者重定向3G。正常情况下，目前都是4G网络无法使用的情况下切换至3G。而3G出现拥堵则切换至2G。

在上述操作中，其中最重要的就是LTE系统下的CSFB。CSFB 是LTE 终端通过 CS 域使用语音业务的一种方案。用户的终端一般是驻留在LTE网络。如果用户发起语音或者接收语音，终端网络会从4G切换至3G或者2G，无线网络下除外，完成语音呼叫后再返回LTE。飞烽通信联合中磊电子展出全系列的3G/4G Small Cell小型基站，包括家庭级和企业级的TD-SCDMA/ TD-LTE/ FDD-LTE多模方案。Small Cell全系列小型基站，支持高达100Mbps的LTE数据下载速率，同时还提供TD-SCDMA/TD-LTE双模小型基站的CSFB和FR功能。

4.结语

面对网络的不断发展，多模小基站的出现顺应了时代的发展，也顺应了技术的更替。多模基站采用了平台化、模块化的设计理念并基于SDR技术，不仅支持GSM/UMTS/LTE多种网络制式，实现多制式共基带、共射频，而且还支持网络后续的升级演进，扩展性强。本次研究对多模小基站进行了一次比较全面的分析，重点从覆盖、负载和业务三个方面进行互操作策略的分析。从目前来看，随着室内深度和容量覆盖需求不断增加，多模小基站的未来应用优势将越来越明显。其中仍然值得深思的就是如何利用多模小基站的优势充分发挥出每一个通信制式的优点。

[1]CPRI Specification V4.2. Common Public Radio Interface(CPRI;Interface Specification[S].2010.

[2]毛明.使用OBSAI协议搭建多模基站的基带射频接口[J].中兴通讯技术,2010,16(2):49-52.

[3]鲁学勇.SDR技术在基站系统中的应用[J].电信科学,2003,19(4):66-67.

[4]中国移动.VoLTE技术白皮书(2013 版)[Z].2013(6).

[5]Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker.LTE——UMTS 长期演进理论与实践[M].北京:人民邮电出版社,2009(12).

[6]中国移动技术部.Voice over LTE (VoLTE) 介绍[Z].2013(6).

[7]赖红,周志雄,崔卓.多模无线基站技术研究[J].现代电信科技,2012(12):53-57.

[8]樊宏.SDR新型基站技术应用及发展[J].山东通信技术,2010,30(1):40-42.

[9]3GPP.TS 23.272 V10.15.0.Circuit Switched (CS)fallback in Evolved Packet System (EPS).2014(6).

[10]3GPP.TS 36.314 V9.1.0.Layer 2–Measurements.2010(6).