账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
Femtocell基地台的发展与技术
 

【作者: 張毓仁】2008年10月25日 星期六

浏览人次:【6008】
  

随着3G技术不断演进以及FMC (Fixed Mobile Convergence)的发展趋势,毫微微蜂巢式基地台(Femtocell)伴随时代潮流而诞生,在一开始推出就受到行动电信业者与网通设备制造商的支持推动。这个超小型基地台又被称为3G接取点或FemtoAP。


Femtocell有着一般基地台的绝大部份功能,其装置的一端经由标准宽带DSL(Digital Subscriber Line)或Cable连接到行动电信业者的核心网络,而另外一端则透过射频天线跟移动电话传递讯号。这项建立在IP技术之上的接取技术,经由网络来传送实时的语音与其他应用服务(图一)。用户仅需在建筑物或家中建立起收发端,亦即设置一台外观类似WiFi AP的装置,即可以使用Femtocell的服务。虽然这样的装置外观与一般的WiFi AP差不多,但与一般WiFi AP的相异之处在于Femtocell用的是政府许可的无线电频道,因此必需受到行动电信业者的管理。一般来说不同电信业者门号的移动电话并无法共同使用同一个Femtocell,如此势必会促使同一个家庭的用户都使用同一家电信业者的门号。



《图一 Femtocell网络架构 》
《图一 Femtocell网络架构 》数据源:Femto Forum,资策会行动通讯中心整理

用户只需要在户内装置Femtocell主机,便可摒除以往收讯障碍的困扰,轻松享受高质量的3G联机服务。当用户进入Femtocell的讯号覆盖范围,用户的移动电话就会自动由户外的大型基地台切换到所处室内空间中的Femtocell。就用户操作而言,在室内Femtocell讯号覆盖的范围中使用移动电话,与一般在户外使用移动电话是没有任何的差异,所以Femtocell对用户的使用上具有相当的便利性,除此之外,任何移动电话可以使用的功能如影像电话也可以在Femtocell讯号覆盖的范围内使用。值得一提的是,因为Femtocell的讯号覆盖率良好,移动电话可以降低其发射功率、减少电池电力耗损、延长待机时间,同时也减少移动电话对人体的辐射。由于行动电信业者可能为鼓励安装而给予Femtocell用户费用上的补贴,提供优惠的行动通讯家庭套餐使用方案,因此消费者也可以获得话费上的优惠。


除了为消费者带来好处之外,Femtocell也有利于行动电信业者:使用Femtocell可以增加讯号的涵盖范围,还分担原本户外大型基地台的通话流量、减少网络的负荷,所以不但可以减少行动电信业者的布建成本,同时也节省了的空调、电源、机房和电路维护的成本。


。,、


发展历史

2002年,一群顶尖的工程师在Motorola进行一项研究计划,计划目标的主要成果之一,是一座世界上最小的3G基地台。这个产品的外观类似WiFi AP,但是却使用于蜂巢式行动通讯系统上,这可以说是Femtocell的雏型。在2004年,成立了一些专注于研究开发 Femtocell产品的公司,如 Arivana、Ubiquisys等。自此Femtocell这个的名词逐渐被广泛的使用,来年则有更多的大公司加入开发 Femtocell的行列,如Samsung、ip.access等。到了2007年,Femtocell的概念已经成为通讯科技的主流,不但引起业内外公司的关注,也吸引媒体与观察家的目光。不少公司透过公开的场合或研讨会展示相关的产品。同年七月,Femto Forum 成立,其组织成立的宗旨即是为了向世界推广Femtocell,并促进这项新科技的成功。短短不到一年的期间,该组织的会员已经超过60家公司,除了通讯设备厂如NEC,Motorola加入这个组织外,不少的大型行动电信业者如 AT&T、BT 与Vodafone 也是Femto Forum的会员。


市场现况

目前已经有不少公司开始布局Femtocell。在今年年初,移动电话营运商O2与NEC还有Ubiquisys共同合作在英国进行大型的实场测试,共500位用户参与这项测试,而这些用户对这项测试都有不错的响应。这可以说是Femtocell新的里程碑,因为这实验的成功代表Femtocell这项技术已经可以成熟到可以商业化的地步。此外Vodafone也与华为科技合作,在西班牙进行测试,同时,美国最大的电信业者AT&T也将于在当地进行小量测试。国内的电信业龙头中华电信也率先引进这项技术,在今年七月开放3G Femtocell与网关投标,这次有Nokia Siemens Network、Alcatel Lucent、NEC、Samsung等四家国际大厂参与竞标,并将于九月开标。虽然这次招标金额不大,但的确具前瞻性的指针。国内的网通业者如正文、友讯、中磊、华硕、合勤等未来将有机会接到大厂释出的订单。中华电信也将于第四季推出Femtocell的服务,并根据消费者反应,未来再大举铺设。


除了行动电信业者跟电信设备厂商积极地想要进入Femtocell这块市场外,目前不少的芯片制造商也跃跃欲试,其中以picoChip的产品最为齐全,从3G、Wimax、LTE均有提供Femtocell的解决方案。而以色列芯片厂Percello的3G Femtocell芯片也将于今年年底之前问世。Continuous Computing是一家通讯系统及软件公司,它们提供完整的Femtocell通讯协议软件,并且和picoChip合作开发整合式的Femtocell的参考平台。


网络架构

目前Femtocell的架构可说是五花八门,在不同的架构之下,Femtocell整合NodeB与RNC的程度也随之不同,而连接到核心网络的界面也因此大相径庭。除了目前3GPP尚在制定Iu-h架构外,目前市面上设备厂商推出的架构主要可分为四种,以下兹以概略说明。


Iub-over-IP架构

这是早期的Femtocell厂商所提出的架构,Femtocell 设备仅具有Node-B的功能。在这个架构下,Femtocell并且与Macrocell共享RNC,也就是说RNC把Femtocell当作一般Macrocell来处理。这个方案的好处是网络架构清楚且投资成本小。然而因为RNC有容量与埠数的限制,Femtocell反而会造成系统所服务用户数的减少、浪费RNC的容量,所以此架构的缺点是较不符合经济效益(图二)。


《图二 Iu-b over IP网络架构 》
《图二 Iu-b over IP网络架构 》数据源:资策会行动通讯中心绘制

Iu-over-IP架构

在这个架构下Femtocell具备了Node-B与部份RNC的功能。在IP接取网络的部份则加入新的网络组件FemtoGateway。FemtoGateway在Iu接口接受来自Femtocell的数据,再通过标准的Iu-CS与Iu-PS接口把这些数据送到核心网络,而FemtoGateway的主要功用便是将数据在不同协议做转换。除此之外,FemtoGateway还负责Femtocell的远程控制与管理的工作(图三)。


《图三 Iu over IP网络架构 》
《图三 Iu over IP网络架构 》数据源:资策会行动通讯中心绘制

Iu over IP网络架构

UMA/GAN架构


《图四 UMA网络架构 》
《图四 UMA网络架构 》数据源:资策会行动通讯中心绘制

UMA网络架构

SIP/IMS架构


《图五 SIP/IMS网络架构 》
《图五 SIP/IMS网络架构 》数据源:资策会行动通讯中心绘制

SIP/IMS网络架构


综合上述,由于目前的网络架构种类繁多,不利于市场推动,所以目前3GPP已经将Femtocell 纳入于Release 8的规范中。其中规格书定义了两种的网络组件:HNB (即Femtocell),HNB Gateway(即Femto Gateway) 与一个新的接口Iu-h,这个新的接口将会是现有的Iu与GAN架构的混合体。HNB经由Iu-h接口将数据传送到HNB Gateway,而HNB Gateway则利用现有的Iu-CS与Iu-PS接口与核心网络沟通(如图六)。这个标准目前已经获得Alcatel-Lucent、Kineto、Motorola和NEC的支持。

技术挑战

低成本及低售价的Femtocell对这项新的技术能不能成功具有决定性的影响。曾经有市场分析机构做过研究,Femtocell的市售价格要低于一百美元才能被一般民众所接受,而现今制造商的Femtocell成本还在两百美元附近,与理想价格还有一段距离。如何大幅度地减少成本,除了取决于设备制造商如何将Femtocell里所有的硬件组件整合在同一颗芯片上面,另外一个决定因素则是如何将软硬件功能做适当地切割与整合。


与现行网络架构做整合

现行的Femtocell架构种类繁多,各家网络通讯设备制造商都发展出自家专属的规格与解决方案,同时各行动电信业者也是以设备制造商的私有非标准化架构来进行测试。因为缺乏统一规范,使得各个网络设备间的信息传递出现困难,除了有扩充不易的问题,也增加各设备的制造及维修成本,更不利于此新技术的推广。目前3GPP已打算在Release 8的规格书中明订对FemtoCell主要部份的规范,最后规格的确立将会是在明年之后。


远程设备管理

一旦将来Femtocell在市场上广为被接受时,大部份的家庭或公司内部可能都会设置Femtocell,届时,行动电信业者的核心网络会面对上千万的Femtocell。核心网络服务器要如何在各个Femtocell之间分配其网络资源,也是一个重要的议题。当有需求时,这些Femtocell也可以自动地将功能做升级。目前Femto Forum 已经决定采用TR-069通讯协议来作为Femtocell的远程管理与配置以及服务供应的方法。


射频的频率干扰

Femtocell存在着关键的问题便是频率干扰。不仅Femtocell 会对Macrocell产生讯号覆盖上的死角,而Femtocell与Femtocell彼此之间也同样地会产生干扰。现在有些厂商,计划把他们的Macrocell网络与 Femtocell 分配在不同的频率上以解决这个问题,但是这个方法有个缺点,就是会造成频带的浪费与缺乏使用效率。Ubiquisys这家公司则利用感知无线电的概念来实作Femtocell。这种Femtocell在启动时可扫描附近其他的Femtocell与Macrocell,然后再调整其操作频率。


时间上的同步

3GPP的核心网络要求各基地台准确的时刻信息来编码及译码传输的信息,对Femtocell 设备的同步精确度要求又更高。一些行动电信业者对于依赖IP网络在基地台之间传输准确的时刻信息表示怀疑,认为它不能够使得数据正确编码和译码,并忧虑客户端Femtocell会面临一些无法控制的突发状况,这些问题包括:突然的网络重新配置,或者是特殊的业务流量导致时间封包传递的延迟。现在一般作法不是采取传统的NTP (network timing protocol)就是以最新制定的IEEE 1588 规格为解决方案,因为这样才可以符合在Femtocell架构下的要求。


服务质量与流量优先次序控制

当有成千上万台Femtocell藉由ADSL与Ethernet连接到后端的核心网络时,Femtocell与Femtocell彼此之间会互相排挤资源,争夺网络带宽。不同种类的封包透过IP网络传输,其中以语音电话的传输是需要实时性的,而且对时间延迟具有高度敏感性的。除一般的语音、影像数据封包外,IP网络还要传送时间信息如IEEE 1588或者是NTP的封包。这是对IP的连接是非常具有挑战性的。所以区分封包流量的传送优先级就是这项技术是否会成功的另外一个要素。


数据加密与安全性

目前对Femtocell的认证乃是经由的USIM上的信息来完成EAP-AKA的流程。这个方式非常容易遭受到黑客的攻击。攻击者可以使用一台有USIM卡片阅读机的笔记本电脑来取得网络端的认证,然后藉由攻击HLR(Home Location Register)来瘫痪行动电信业者的核心网络。现在有些厂商提出以X.509为基础的认证方式,将凭证(certificate)以及密钥(private key)在一出厂时就存放在Femtocell里受保护的芯片当中。这个方式是以接取网络(Access Network)的FAP identity server负责Femtocell的认证工作,所以可以减少了以USIM为基础认证方法上所产上一些安全性的问题。


结语

Femtocell带来了许多技术发展的机会与使用上便利性。行动通讯系统业者利用此项技术,不但可以降低现有户外大型基地台(Macrocell)的负荷、增加覆盖率、使得系统业者可以提供更佳质量的室内行动数据服务,进而增加用户对系统业者的满意度。也因为如此,用户更可能进一步地改变使用习惯,如增加对多媒体或加值服务的使用。从财务角度来看,还可以增加系统业者的利润跟营收。


这个方式是以接取网络(Access Network)的FAP identity server负责Femtocell的认证工作,所以可以减少了以USIM为基础认证方法上所产上一些安全性的问题。


根据市场研究机构ABI Research的预测,到2011年全球将会有一亿两百万Femtocell用户。在这样一个新知与技术风起云涌的时代,Femtocell背后所隐藏的庞大商机是可以预见的。3G行动通讯系统业者势必与网络设备制造商密切合作,而在未来几年中,这些网络设备制造商势必将受惠于这个高度成长的新科技,同时,这也是台湾的网络设备制造商切入行动通讯核心网络供应链的一个绝佳时机。对于Femtocell的用户而言,这项新科技除了可以强化行动通讯设备在室内的通讯质量,还带来更高速率的数据接取服务。用户无论是在家中或者户外,都可以使用移动电话来做为主要通讯工具。未来,系统业者将有许多新的应用服务提供给用户,这些新的服务也将以更优惠的价格为用户带来更多生活上的便利。身处这个通讯技术发展日新月异的时代中,Femtocell技术不仅加速了信息传输的效率与便捷,更为下一个世代的生活蓝图添上一笔丰富的色彩。


可期的是,除了相关系统厂商的技术提升之外,消费者更将是此波潮流的最大赢家。


相关文章
主要国家行动频谱使用现况与规划分析
高整合3G模组加速智慧车上路
4G部署:多模的极致效用?
朝向对人类与地球更友善的资讯社会迈进
3G UMTS网络行动力 VS. Femtocell搜寻表现
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Arduino
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Raspberry Pi
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» 数位化及AI时代下的私家住宅 聚碳酸窬材料应用的最隹时机
» 是德5G符合性测试解决方案 获必维国际检验集团选用
» 跟Windows 7说觚觚 终止支援最後倒数88天
» MIPI开发大会台北登场 根本解决5G与车用连结挑战
» 拆解2020年 集邦拓??提明年产业大预测
  相关产品
» Basler AG与drag and bot GmbH合作开发机器人程式整合专案
» u-blox最新公尺级定位技术 增强GNSS效能
» 英飞凌雷达技术助力Google Pixel 4实现手势控制功能
» 意法半导体推出下一代支付系统晶片 提升性能和保护功能
» 贸泽供货ADI ADcmXL3021三轴震动感测器 适用於条件式监控
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw