LTE系统的家庭式基站技术浅析

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LTE系统的家庭式基站技术浅析

　北京邮电大学 白炜 丁婕 　　现代移动通信越来越趋向于提供高速传输多媒体业务，LTE系统家庭式基站的诞生，有效的改善了系统在热点地区的覆盖、吞吐量和室内用户的传输体验。
　　在LTE的标准化进程中，一种家庭式基站(HomeeNodeB，HeNB)的概念和技术应运而生。和传统的蜂窝通信的基站不同，家庭式基站是一种小型的、可以安装在室内的、配置灵活的基站。有统计表明，对于高速的多媒体业务，宽带业务更多的应用场景为室内和热点地区。而采用传统的蜂窝式移动通信方式则对此类需求的支持不足。家庭式基站的诞生正是为了解决这样的矛盾，提供给需要多媒体业务的室内用户以更好的用户体验。
　　针对LTE系统的家庭式基站技术，从业务上说，LTE系统在上下行传输速率方面，需要达到下行100Mbit/s和上行50Mbit/s的传输速率，并且可以根据不同业务的不同QoS需求制定不同的传输策略，LTE对于传输时延的要求也越来越高，达到接入网要求用户层的最大时延不超过5ms，控制层的最大时延不超过100ms。
　　从技术的角度上来说，LTE系统下行传输采用OFDMA接入方式，上行传输采用单载波FDMA，有效的抑制了本小区用户之间的干扰，高效的利用了宽带频谱，并且降低了传输信号的峰均比。MIMO技术的引入也极大的增加了LTE的数据传输速率。此外，AMC、功率控制、干扰协调等技术对于LTE系统性能的提高也起到很大作用。

　　整体结构
　　LTE系统除了在接入网部分，改变了无线接入方式，引入了一些增强技术之外，在网络整体结构上也有了较大的改变。LTE系统采用了一种扁平式的网络结构，取消了WCDMA系统的RNC，将NodeB升级为eNodeB(enhanced Node B)，eNode B集成了以往RNC的功能如无线网络资源的管理、切换管理、流量汇集等，进一步降低了传输处理时延，加强了网络运行的灵活度。在LTE系统中，基站(eNB)是一个综合的功能强大的接入网节点。
　　引入了家庭式基站的LTE系统，在整体的网络结构上和没有配置家庭式基站的LTE系统基本上一致，但是由于家庭式基站需要具备体积小、安装灵活性高的特点，相应的家庭式基站之间的通信相对复杂。目前的LTE规范还暂不支持家庭式基站之间的X2接口。图1所示为引入了家庭式基站的LTE系统结构。
　　E-UTRAN在逻辑结构上引入了家庭式基站网关(HomeeNB Gateway,HeNB GW)，相当于扩展了家庭式基站和核心网之间的S1接口，从而可以在系统中配置更多的家庭式基站。我们可以认为家庭式基站网关是用来集中控制层(C-Plane)，尤其是S1-MME接口网关模块的一个集中器。而家庭式基站端的S1-U接口可以终止于家庭式基站网关或者可以通过直接的用户层(U-Plane)的家庭式基站和服务网关之间进行逻辑连接。
　　从移动管理模块(Mobility Management Entity)的角度看来，家庭式基站和普通的LTE基站没有差别。而对于家庭式基站，家庭式基站网关相当于移动管理模块。当然家庭式基站和通过家庭式基站网关连接到EPC，其S1接口的定义和功能都是完全一样的。家庭式基站网关连接到EPC时，家庭式基站网关服务的用户在小区间的移动可以不需要进行移动管理模块MME之间的切换。家庭式基站可以支持普通LTE基站的全部功能，其和EPC之间的连接过程也与普通的LTE基站完全相同。
　　各模块功能
　　配置有家庭式基站的LTE系统，主要的工作模块有家庭式基站、家庭式基站网关以及移动管理模块。如前文所述，家庭式基站和普通的LTE基站具有相同的功能，如果家庭式基站连接到家庭式基站网关的话，则依据目前的LTE标准，其还需要支持如下功能：
　　寻找并发现合适的服务家庭式基站网关；每个家庭式基站同一时刻只能连接到一个家庭式基站网关上；普通的LTE基站使用的TAC和通用陆地无线网络标识(PublicLandMobileNetwork Identifier, PLMN ID)也可以同样为家庭式基站所使用；当家庭式基站连接到家庭式基站网关的时候，UE对于MME的选择功能也从家庭式基站转移到了家庭式基站网关上。
　　1.家庭式基站网关具备如下的功能
　　1.1为移动管理模块MME服务的UE和家庭式基站服务的UE提供UE相关的S1接口应用消息的中继传输。
　　1.2终止非UE相关的，发送给家庭式基站和发送给移动管理模块的S1应用部分过程。请注意，这里当配置了家庭式基站网关后，非UE相关过程将在家庭式基站网关和家庭式基站之间，家庭式基站网关和MME之间进行。
　　1.3可以选择终止家庭式基站和服务网关之间的S1-U接口。
　　1.4支持家庭式基站使用的TAC和PLMNID。
　　2.MME支持如下功能
　　对于封闭用户组的接纳控制。
　　对于家庭式基站中属于CSG的未注册用户的寻呼消息的分布，是否提供支持寻呼消息过滤机制，目前还在研究当中。

　　相关接口
　　1.1用户层S1接口的协议栈结构
　　用户层的S1接口被定义为在家庭式基站，家庭式基站和移动管理模块之间的数据传输层。图2所示为用户层S1接口协议栈结构。
　　家庭式基站网关可以选择性的终止朝向家庭式基站和服务网关的用户层数据，并且为家庭式基站和服务网关中继用户层数据提供中继服务。
　　1.2控制层S1接口的协议栈结构
　　对于没有配置家庭式基站网关的LTE系统，所有的S1接口过程均终止于家庭式基站和MME。
　　对于配置有家庭式基站网关的LTE系统，家庭式基站网关则需要终止和家庭式基站、MME之间的非专用的UE进程。家庭式基站网关应该为家庭式基站和MME之间需要中继的控制层数据提供中继传输的功能。协议功能范围内的所有非专用UE的进程都是在家庭式基站和家庭式基站网关、家庭式基站网关和MME之间定义的。而任何协议功能范围内UE专用的进程则在家庭式基站和MME内部实现。
　　总结
　　不断增长的用户对于高速多媒体业务的需求，驱动着移动通信技术的不断发展和进步。LTE家庭式基站的诞生，有效的解决了高速业务用户在热点地区的传输需求和LTE的覆盖目标，并且由于其体积较小、配置简单、灵活性高，必将会把人类的移动通信生活推动到一个新的高度。