Femtocell Networks A Survey的翻译.docx
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FemtocellNetworksASurvey的翻译
摘要
提高无线链路的系统容量，最可靠的方法是通过发射器和接收器相互靠近，从而产生更高质量的链接和更多空间复用这一双重好处。
在一个有“游牧”用户的网络中，不可避免地涉及部署更多的基础设施，这些基础设施通常的形式有微小区，热点，分布式天线，或继电器。
一个较为便宜的可选方案是近期提出的概念毫微微蜂窝基站，也被称为家庭基站，这是家庭用户安装的数据接入点，用以获得更好的室内语音和数据覆盖。
在这篇文章中，我们概述了毫微微蜂窝基站技术和商业问题，并描述了在每个前沿最先进的国家。
我们还描述了毫微微蜂窝基站网络面临的技术难题，并给出克服它们的一些初步设想。
ABSTRACT
Thesurestwaytoincreasethesystemcapacityofawirelesslinkisbygettingthetransmitterandreceiverclosertoeachother,whichcreatesthedualbenefitsofhigherqualitylinksandmorespatialreuse.Inanetworkwithnomadicusers,thisinevitablyinvolvesdeployingmoreinfrastructure,typicallyintheformofmicrocells,hotspots,distributedantennas,orrelays.Alessexpensivealternativeistherecentconceptoffemtocells—alsocalledhomebase-stations—whicharedataaccesspointsinstalledbyhomeuserstogetbetterindoorvoiceanddatacoverage.Inthisarticle,weoverviewthetechnicalandbusinessargumentsforfemtocells,anddescribethestate-of-the-artoneachfront.Wealsodescribethetechnicalchallengesfacingfemtocellnetworks,andgivesomepreliminaryideasforhowtoovercomethem.
目录
第一章引言1
第二章毫微微蜂窝基站的各个技术方面3
第三章毫微微蜂窝基站的商业方面7
3.1当前标准化和部署9
第四章技术挑战11
4.1物理和媒体访问层：
宽带毫微微蜂窝基站11
4.2物理和媒体访问层：
语音毫微微蜂窝基站13
4.3网络基础设施15
第五章主要研究方向17
5.1干扰管理17
5.2MIMO毫微微蜂窝基站19
第六章结论21
第七章致谢23
第八章参考文献25
第一章引言
对无线网络更高的数据速率的需求是迫切的，并引发了新的数据的蜂窝标准的设计和发展，如WiMAX（802.16e标准），3GPP的高速分组接入（HSPA）和LTE标准，3GPP2的EVDO和UMB标准。
与此同时，Wi-Fi网状网络也正在开发以更加分散的方式提供“游牧”高速数据服务[1]。
虽然Wi-Fi网络将无法支持蜂窝标准同级别的移动性和覆盖范围，为了在家庭和办公室使用中具有竞争力，蜂窝数据系统需要提供与Wi-Fi网络大致相当的服务。
无线容量的增长是由ArrayComm公司的martincooper的这一观察所例证的
：
“无线容量在已过去104年里，以每30个月增长一倍的速度变化”。
这意味着自从1957年以来增加了约百万倍的容量。
其中25倍的增长来自于更广泛的频谱，5倍改善是通过将频谱划分成更小的片段，5倍的改善是通过设计更好的调制方案得到的，以及高达1600倍增长是通过降低细胞的大小和传输距离得到的。
巨大的收益来自于较小的小区规模，源于其高效的空间复用的频谱，也就是较高的区域的频谱效率[2]。
在这种持续的微化蜂窝网络中存在的主要问题是，这样做的网络基础设施是昂贵的。
最近的发展是毫微微蜂窝基站，也被称为家庭基站，这是短距离，低成本和低功耗的基站，由消费者为了获得更好的室内语音和数据接收而安装的。
用户安装的设备与通过宽带连接，例如DSL，电缆调制解调器，或一个单独的射频回传信道的蜂窝网络进行通信。
而传统方法需要双模手机提供家庭和移动两种服务，一个家庭毫微微蜂窝基站的部署提供了固定移动与现有手机的融合。
与为了增加系统的容的量其他技术相比，如分布式天线系统[3]和微小区[4]，毫微微蜂窝基站的主要优点是，服务提供商只需花费很少的费用。
表3提供了这三种方法的关键特征的详细比较。
表3：
毫微微蜂窝基站，分布式天线和微小区
基础设施
开支
产品特点
毫微微蜂窝基站：
消费者安装的无线数据接入点在家里面，回程数据通过互联网到移动运营商网络的宽带网关（DSL/有线/以太网/WiMAX）
资本支出：
补贴毫微微蜂窝基站的硬件设施。
运营成本：
a）提供一个通过IP传输数据的可扩展架构
b）升级毫微微蜂窝基站到新的水平。
好处：
a）更低的成本，更好的覆盖，延长手机电池寿命通过减小单元的大小。
b）更高的SINR得到更大的容量以及到家庭用户的专用BS。
c）减少用户流失
分布式天线：
安装在空间上分开的天线单元（AES），经由专用光纤/微波回程链路连接到宏基站。
资本支出：
AE和回程安装。
运营成本：
AE维护和回程连接。
好处：
a）自用户会自动连接到到附近的AE，得到更好的覆盖
b）通过利用宏观和微观的多样性（每个宏小区用户使用多个AE）得到更大的容量。
缺点：
a）不解决室内覆盖问题，
b）RF干扰来自于处在相同带宽的附近的AE将减少容量
c）回程部署成本可能是相当大的。
微蜂窝：
安装信号发射塔，这会提高接收不良城区的覆盖率。
资本支出：
安装新的信号发射塔。
运营成本：
电力，场地租赁和回程。
好处：
a）由更小的单元尺寸得到更大的系统容量。
b）完成操作员控制。
缺点：
a）安装和维护细胞塔是昂贵的。
b）没有彻底解决室内覆盖问题。
研究无线应用表明，超过50％来电和超过70％的数据流量来源于室内。
语音网络的设计能够容忍低信号质量，因为话音信号所需要的数据速率非常低，为10kbps或更小的数量级。
然而数据网络，需要更高的信号质量，以提供用户所期望的多Mbps带宽的数据速率。
对室内设备来说，尤其是对被部署在许多无线宽带系统的有更高的载波频率来说的室内设备来说，衰减损失将会导致高信号质量，以及高数据速率难以实现。
这就提出了一个显而易见的问题：
为什么不鼓励终端用户在这些位置安装短程低功率的链接？
这是毫微微蜂窝基站这一方法双赢的精髓。
用户很高兴有更高的数据速率和可靠性;运营商降低其昂贵的宏蜂窝网络的流量，并能集中资源于真正的移动用户。
总之，有利于毫微微蜂窝基站的关键参数如下。
更好的覆盖和容量。
由于其短收发距离，毫微微蜂窝基站可以大大降低发射功率，延长手机的电池寿命，并实现更高的信号与干扰加噪声比（SINR）。
这些转化为更高的接收质量（也就是所谓的五杆覆盖范围）和更高的容量。
因为减少了干扰，更多的用户可以使用一个特定区域在同一频谱区，从而增加了该区域的频谱效率，或等价地，每赫兹每单位面积的活跃用户总数。
改进的宏单元的可靠性。
如果室内用户可以被吸收到在基于IP骨干网的毫微微蜂窝网络，宏小区BS可以重定向其资源，为移动用户提供更好的接收效果。
成本效益。
毫微微蜂窝基站的部署将降低运营商的运营及资本开支。
一个典型的城市宏蜂窝需要高达1000美元的每月的场地租赁，电力与回程的额外费用。
营运开支将对宏蜂窝网络产生压力，特别是当用户增长与数据流量需求的增加不匹配时。
毫微微蜂窝基站的部署将减少添加宏BS塔的需要。
最近的一项研究[6]表明，每年每个宏单元的营业费用为60000美元而毫微微蜂窝基站只需200美元。
减少用户流失。
可怜的室内覆盖将导致客户不满，将会鼓励他们要么换运营商要么维护一个室内的单独的有线线路。
毫微微蜂窝基站提供的增强的家庭覆盖效果将减少家庭用户换运营商的想法。
这篇文章的目的是为这些终端用户部署的基础设施的改进进行概述，以及更详细的描述这些改进是如何进行的。
我们还描述了毫微微蜂窝基站存在的业务和技术挑战，并提供了如何解决这些问题的一些想法。
第二章毫微微蜂窝基站的各个技术方面
毫微微蜂窝基站容量可以从香农定律得以迅速验证，它涉及无线链路容量（比特/秒），W赫兹的带宽，信号与干扰加噪声比（SINR）。
SINR为接收到的有用信号的强度，接收到的干扰信号强度，路径损耗和阴影的函数。
路径损耗导致的发射的信号衰减为
，其中A是一个固定的损耗，d是发射机和接收机之间的距离，α是路径损耗指数。
增加容量的关键是通过最小化D和α来提高发射机-接收机对之间的接收。
同时，在网络范围内空间复用的附加的好处可以通过利用分集来获得，但是又不局限于此。
另外还可以使用干扰消除，干扰抑制和抗干扰技术来获得。
毫微微蜂窝基站能够降低发射功率，同时保持良好的室内覆盖。
穿透损耗将毫微微蜂窝与周围的毫微微蜂窝基站的传输相隔离。
假设一个固定的接收功率目标与路径损耗的传播模型（不衰退），并用α（β）作为户外（相应室内）路径损耗指数，覆盖面积L2与N个毫微微蜂窝导致发射功耗降低[10（α-β）log10L+5βlog10N]分贝。
例如，选择一个小区尺寸为L=1000米N=50毫微微蜂窝，以同样的路径损耗指数α=β=4，毫微微蜂窝基站发出的发射功率节省近34分贝。
当室内路径损耗指数越小时，也就是选择β=2，发射功率节省增至近77分贝。
总之，毫微微蜂窝基站的容量优势归因于：
1，降低毫微微蜂窝基站和用户之间的距离，从而导致更高的接收信号强度。
2，更低的发射功率，以及由于户外传播和渗透损失导致的相邻宏蜂窝和毫微微小区用户干扰的减轻。
3，由于毫微微蜂窝基站服务只有大约1-4的用户，他们可以把他们的资源的较大部分（发射功率和带宽）分给每个用户。
而宏蜂窝具有更大的覆盖区域（500米-1公里的半径），以及更多的用户数量，为数据用户提供服务质量（QoS）是比较困难的。
1和2描述了信号强度提高，干扰减少的双重提升。
3表明，毫微微蜂窝基站部署将使宝贵的功率和频率资源获得更有效地使用。
这里的假设是，有线宽带运营商在回程上提供足够的QoS。
否则，回程容量的限制可能会减少毫微微蜂窝基站提供的室内容量增益。
例子。
考虑一个有100个活跃用户的蜂窝OFDMA系统。
一个情形为一个宏单元同时为所有100个用户提供服务，另一个情形为由50个毫微微蜂窝基站为100个活跃用户提供服务，每个毫微微蜂窝基站服务2个活跃用户。
图1示出每个用户和总吞吐量（以总带宽进行了归一化）的归一化的累积分布函数，考虑到语音和数据业务。
仿真结果表明归一化平均的用户吞吐量近0.6B/S/Hz的增益是通过毫微微蜂窝基站的部署得到的。
宏蜂窝同时向所有100个用户提供数据服务是不可行的。
因为发射功率的有限和每用户可用的频谱的有限。
因此，我们考虑以下情况下，在该宏小区总是调度20最强的用户进行传输。
另一方面，毫微微蜂窝基站可在整个带宽进行同时传输。
相对于宏蜂窝，毫微微蜂窝部署显示了一个标准化的用户的吞吐量增益等于1.8B/S/Hz和一个庞大的系统的吞吐量增益总和为近250b/秒/赫兹。
这表明，毫微微蜂窝基站的最大好处是在系统中的空间频谱效率方面的巨大的改进。
图1：
毫微微蜂窝与宏蜂窝吞吐量
第三章毫微微蜂窝基站的商业方面
毫微微蜂窝基站为运营商在场地租赁，回程和电力成本上提供了节省。
但是他们还要承担战略投资。
尽管预算紧张和制造成本高，运营商需要积极定价毫微微蜂窝基站，来与无处不在的Wi-Fi进行竞争。
例如，北美运营商Sprint收取49.99美元毫微微蜂窝基站的补贴价，为一个订阅月费为30美元的家庭计划。
与此同时，该毫微微蜂窝基站必须提供的功能在许多方面比一个消费级的Wi-Fi接入点更复杂。
新生的毫微微厂商都面临着成熟的高容量的Wi-Fi市场，运营商通过微量补贴以降低投资回报率（ROI）的时间。
因此，成本问题是在大多数情况下，是每个技术挑战的解决方案选择的首要因素。
表1示出了在毫微微小区网络部署中，通过Airvana公司和Gartner[5]进行的预测成本解构。
总的来说，可以假设，在1.5年后，运营商的投资将恢复，使未来进入盈利状态。
表1：
毫微微蜂窝基站部署的投资回报预测
Airvana
新的核心网络基础设施
资本支出=35元每消费者
新增用户每个客户意味着
a）毫微微蜂窝基站价格=200美元的固定支出投资回
b）对客户的价格=50美元=235美元报时间
c）市场营销费用=50美元为16
每增加一个用户净开支=200美元个月
每月营收
a）客户收益=25美元每客户的收益
b）网络营运开支=8美元=14美元每月
c）客户支持=3美元
Gartner
每月营业额
1）降低宏基站功率节省的电费
=0.50美元每客户每客户的意味着
2）减少宏单元数节省的费用收益=9.5客户投
=1.50美元每客户美元每月资100
3）室内数据下载的单月营收美元
=5美元每客户户
4）在LTE/WiMAX/UMB捆绑的需要
语音业务，宽带业务=2.50美元每客户20个月
每月开支
1）毫微微蜂窝基站内的免费语音通话每客户每月
=2.50美元每客户开支=4.5
2）核心网络升级的经营开支美元每月
=2美元每客户
3.1当前标准化和部署
鉴于成本挑战，对实现低成本的毫微微蜂窝解决方案来说，跨越客户需求的标准化是非常重要的。
为此，一个叫做毫微微论坛，由运营商和毫微微蜂窝基站的供应商构成的合作组织，成立于2007年，它的目标是为产品互操作性制定开放标准。
表2示出了毫微微蜂窝基站部署的当前状态。
北美运营商Sprint在丹佛，印第安纳州和田纳西州提供CDMA1XEVDO服务;同时，一些运营商Verizon和AT＆T（美国），O2Telefonica公司和摩托罗拉公司（欧洲）和软银（日本）正进行进入市场之前的毫微微蜂窝的试验。
ABI研究预测，到2012年将会有1.02亿全球用户和超过32万个毫微微蜂窝。
表2：
现有的毫微微蜂窝基站产品
生产厂家
合作/运营商
地区
技术
Samsung（Ubicell）
南美
a）IS-95,CDMA20001xEV-DO
b）WCDMA
AirWalkCommunications
南美
CDMA1xRTT&1x-EVDO
Ericsson
欧洲
GSM/3GPPUMTS
Airvana
Nokia-Siemens
3GPPUMTS
Alcatel-Lucent
南美
3GPPUMTS
AxiomWireless
PicoChip
英国
a）3GPPUMTS
b）WiMax
IPAccess（Oyster）
PicoChip
英国
3GPPUMTS
Ubiquisys（Zonegate）
Kinetowireless,
Google
英国
3GPPUMTS/HSPA
第四章技术挑战
本部分概括介绍面向毫微微蜂窝基站网络中的关键技术难题。
1，宽带毫微微蜂窝基站：
资源分配，定时/同步和回程。
2，语音毫微微蜂窝基站：
毫微微蜂窝基站的干扰管理，毫微微蜂窝基站允许访问问题，切换，移动性和提供紧急911服务。
3，网络基础设施：
安全地桥接毫微微蜂窝基站与运营商网络，基于IP。
4.1物理和媒体访问层：
宽带毫微微蜂窝基站
运营商将面对减少RF干扰和毫微微蜂窝网络的有效频谱分配的双重问题。
干扰缓解将需要创新的解决方案，因为低成本的目标，可能就必须在毫微微蜂窝内按比例缩小信号的处理能力。
该RF干扰产生于a）宏单元到毫微微蜂窝基站的干扰b）毫微微蜂窝基站到毫微微小区的干扰c）毫微微蜂窝基站到宏蜂窝的干扰。
由于接收功率的分布不均匀产生的远近效应为a）和c）的主要贡献者，而毫微微小区到毫微微蜂窝基站的干扰是由于发射功率相对较小的和穿透损耗。
挑战一：
毫微微蜂窝如何适应周围的环境，并在跨层干扰的存在的情况下分配频谱？
3GPPLTE和WiMAX标准可以确保宏蜂窝用户小区内的正交性和减轻使用频分复用的小区间的干扰。
由于毫微微蜂窝基站将由终端消费者安装，毫微微蜂窝基站的临时位置将导致集中频率规划困难的问题。
由于宏蜂窝和毫微微蜂窝基站之间以及毫微微蜂窝基站之间缺乏协调，宏蜂窝和毫微微蜂窝用户之间分散的频谱分配是一个开放的研究问题，它可以提供下列问题的回答。
·宏蜂窝和毫微微蜂窝基站的用户在带宽分割时是否需要正交？
是否有一个“最佳”分割政策？
它如何随着毫微微蜂窝基站密度而变化的？
·或者，用共享带宽（即通用频率复用）的方法，宏蜂窝和毫微微蜂窝基站应该分配给他们的用户哪一部分的频谱？
·其中，这两项计划在大量的配置中是“更好”的吗？
挑战2：
毫微微蜂窝基站如何提供定时和同步？
毫微微蜂窝基站需要同步以对齐接收信号和减少多址干扰，并确保载波偏移在可容许的范围内。
宏小区用户越区切换到毫微微蜂窝基站和毫微微蜂窝基站用户越区切换到宏小区也需要同步。
由于缺乏它们之间的集中协调，这是更为困难的。
在IP回程时，毫微微蜂窝基站获得一个对数据抖动免疫的时间基准是困难的。
对4GOFDMA的空中接口来说，测距程序是必须的。
它用以实现定时（〜1微秒）和频率精度（~250ppb）[7][8]。
有以下两个原因。
1、载波偏移会引起载波间干扰，从而导致副载波正交性的破坏。
此外，毫微微蜂窝基站将不得不补偿手持通话器产生的频率误差，这些手持通话设备通常具有性能差的振荡器。
2、在TDD系统中，毫微微蜂窝基站需要一个准确的参考以协调前向和反向链路传输的绝对相位以及给定时漂移划定界限。
尽管这两个问题也存在于宏小区BS中，低成本的负担以及在回程时同步的难度使得提高同步效率在毫微微蜂窝基站中显得尤为重要。
网络解决方案，如IEEE-1588基于IP的精确定时协议，这一协议具有定时精度达到100ns的潜力。
又如自适应定时恢复协议（如G.8261标准），这两个协议都是有前途的。
另一种可能性是毫微微蜂窝基站装备有GPS用以与宏蜂窝同步，它依赖于维持室内卫星接收的稳定和保持价格敏感单元的低成本。
最后，高精度恒温晶体振荡器可用于毫微微蜂窝基站内，这将会产生额外成本和需要额外的定期校准。
挑战3：
回程如何提供可接受的服务质量？
IP回程需要延迟敏感流量的服务质量，并提供宏单元的平价服务。
此外，它应提供足够的容量，以避免造成交通阻塞。
虽然现有的宏蜂窝网络提供15毫秒的延迟保证，但是目前的回程网络对延迟弹性无能为力。
缺乏网络的中立性是一个严重的问题，在有线回程提供商是同一家公司或与移动运营商有紧密的战略合作关系的情况下除外。
毫微微蜂窝基站的回程已被用于提供Wi-Fi交通时，另一个问题就会出现。
由西班牙Telefonica的试验表明：
当用户采用无线网络连接，毫微微蜂窝基站在传输数据时将会遇到困难，甚至低带宽的服务，如语音服务也会遇到困难。
这是特别重要的，考虑到改进的语音覆盖将作为毫微微小区的主驱动器。
4.2物理和媒体访问层：
语音毫微微蜂窝基站
对于语音用户，操作员面临两个选择：
要么给宏蜂窝和毫微微蜂窝用户分配不同频带以消除跨层的干扰。
或者，服务宏小区和毫微微小区中的用户在带宽的相同区域，以最大限度地提高区域的频谱效率。
考虑到无线资源易于部署和其稀缺的特点，使用带宽的同一区域是可取的，如果可以实现的话。
挑战4：
毫微微蜂窝基站如何处理跨层的干扰？
CDMA网络（没有毫微微蜂窝基站）采用快速功率控制，以补偿路径损耗，阴影和衰落，并提供均匀的覆盖。
当添加了毫微微蜂窝基站，功率控制造成的死区（图2），会导致非均匀的覆盖。
在反向链路上，小区边缘宏蜂窝用户以最大功率发送会干扰附近的毫微微蜂窝基站，这是不可接受的。
因此，相比于内部的毫微微蜂窝，小区边缘的毫微微蜂窝遇到更显著的干扰。
在前向链路上，在小区边缘，毫微微蜂窝基站是最被需要的。
宏单元的用户是由附近的毫微微蜂窝基站的传输中断，因为他们相比小区内的用户遭受更高的路径损耗。
例如：
考虑一个CDMA反向链接，它的参数如下：
宏小区用户到宏蜂窝的距离=500米
毫微微蜂窝基站的半径=20米
宏小区用户到毫微微蜂窝基站的距离=30米
处理增益=128
路径损耗指数=4
期望接收功率=0dBm的（1毫瓦）
在毫微微蜂窝基站用户的干扰功率= 10×log10（5004 / 304）= 48.87分贝
CDMA的干扰抑制=10*log10的（128）=21.07分贝
在毫微微蜂窝基站，后处理信号干扰比=-27.8分贝。
接收端是不可行的。
图2：
CDMA毫微微蜂窝基站网络的死区
挑战5：
毫微微蜂窝基站是否应该提供开放或封闭的访问？
封闭式接入毫微微蜂窝基站有一组固定的家庭用户来认购，为了隐私和安全，他们是被许可以使用毫微微蜂窝的。
开放接入毫微微蜂窝基站，在另一方面，宏蜂窝用户在通过毫微微蜂窝基站附近时也会为他们提供服务。
无线电干扰是通过允许强宏蜂窝干扰与附近的毫微微蜂窝通信进行管理的。
尽管开放接入降低宏蜂窝负载，更多的用户和毫微微蜂窝通信将给回程提供足够的容量（以挑战3）和为家庭用户提高隐私问题带来压力。
开放接入需要避免“饿死”支付的家庭用户，所以他们不应该看到“所有电路都繁忙”的情况。
由于毫微微蜂窝基站通常以为用户提供统一费率的通话而销售，开放接入需要对每分钟通话都必须支付的访客和零关税家庭用户进行区分。
由于这两个原因，运营商正在寻找在“混合动力车型”，其中一些少量的资源被保留用于注册的家庭成员，有的则用于开放式的漫游者。
挑战6：
如何在开放式接入中进行切换？
在一般情况下，从毫微微蜂窝基站到宏蜂窝网络的越区切换是更容易的，因为与从宏蜂窝到毫微微蜂窝的越区切换相比，这里只有一个宏BS。
目前的2G和3G系统广播一个邻居列表。
这个列表是移动用户连接到当前小区中，用以寻找潜在的切换小区的一个列表。
这样的切换协议不能扩展到邻接宏单元的大量的毫微微蜂窝基站，并且底层的网络设备没有被设计来快速改变列表，在毫微微蜂窝基站来去的过程中。
这促使4G切换过程要考虑毫微微蜂窝基站的存在。
在开放接入中，信道波动可能会导致路过的宏小区用户执行多个切换。
在同频部署中，Claussen等人[10]提出了自动配置以周期性降低毫微微蜂窝内的导频功率，在没有通话正在进行时，从而尽量减少通过的宏蜂窝用户的切换。
一个开放的研究领域是开发低复杂度的算法来预测宏蜂窝用户切换到附近的毫微微蜂窝基站之前的停留时间。
Yeung和Nanda[11]已经提出控制越区切换的事件的方案，这个方案在宏小区用户行进在一个毫微微蜂窝基站的附近时，选择基于用户移动性和滞留时间的阈值速度。
挑战7：
用户可以
升级会员 