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Femtocell与 UMTS系统共存下的切换性能研究
张辉， 贾华伟
北京邮电大学信息通信工程学院，北京 (100876)
：
摘 要：Femtocell 又称毫微微蜂窝基站，作为一种新兴技术被业界普遍认为是解决室内覆
盖的主要手段之一，它的发展将会推动固网和移动网的融合。Femtocell 可以把用户通过手
机发出的话音和数据业务传输到基于标准接口的 3G核心网络，且它的家庭接入点即插即用，
可连接到任何现有的基于 IP的传送网络。本文介绍了 Femtocell与 WCDMA系统共存下系
统模型，以及相应的用户切换准则，并分析了家庭基站在设定不同导频功率下的切换，随后
提出一种自适应导频功率控制算法来减少室内外用户的不必要的切换次数。
关键词：Femtocell WCDMA 室内覆盖 切换 自适应导频功率
1．引言
新一代移动通信在网络规划和网络质量方面面临巨大的挑战，尤其是在室内区域。研究
表明：无线网络中，超过 50%的语音业务和超过 70%的数据业务发生在室内场景，室内覆
盖的好坏直接影响着用户满意度[1]。为了满足移动用户对语音和数据业务快速增长的需求，
世界各地的运营商纷纷开始部署 3G网络，中国也开始大规模部署 TD-SCDMA的预商用网
络。3G 相比于 2G 在传输速率上有很大的提升，但因为它工作在 2GHz 频段，其无线传播
特性特别是建筑物穿透特性较之工作在 900MHz、800MHz的 GSM、IS-95系统要差，网络
部署后，原来 2G系统中室外基站可以覆盖到的很多室内区域将成为盲区。
图 1 Femtocell与宏基站网络架构
目前一项新的应用技术应运而生： Femotocell(毫微微蜂窝基站)。Femtocell 使用 IP 协
议，通过用户已有的 ADSL、LAN等宽带电路连接接入，远端由专用网关实现从 IP网到移
动网的联通，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用的特点。Femtocell 与宏基站
的网络架构如图 1。
家庭基站的接入策略[3]可以分两类，一类是封闭式接入，即家庭基站只供家庭内部用户
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使用。通过采用相应的鉴权机制，保护用户数据的安全性。另一类是开放式接入，家庭基站
附近的用户根据导频信号强度，灵活地选择接入点。
虽然开放式接入策略能够增加接入家庭基站的用户数，提高家庭基站的使用效率和宏小
区边缘用户的服务质量，但是面临很多问题。在开放式接入策略下如何执行切换。对于一个
宏小区下只有一个宏基站，却可能有多个家庭基站，一般来说，从家庭基站切换到宏基站比
从反之要容易。传统的蜂窝网络，会把相邻小区的基站列表广播给小区内的用户，用户根据
信标信道的功率强弱灵活的选择所接入的小区。由于家庭基站数量众多，并且灵活的可变，
网络控制端无法实时更新小区列表，用户也就不能完成精确的切换。如果一个街区中存在大
量的家庭基站，如图 2 所示。当用户沿街道行走时，受到附近强导频的干扰和阴影衰落的
影响，用户终端会作出频繁的切换，导致服务不稳定并浪费大量网络资源。
图 2 存在大量家庭基站的街区场景
本文首先介绍了Femtocell与WCDMA系统共存下系统模型，以及相应的用户切换准则，
并分析了家庭基站在设定不同导频功率下的切换，随后提出一种自适应导频功率控制算法来
减少室内外用户的不必要的切换次数。
2．系统模型介绍
场景部署模型
在实际系统中，家庭基站随机均匀部署在宏蜂窝小区的覆盖区域内，其部署整体模型如
图 3所示，共有 7个宏小区，每一个宏小区内随机均匀分布着 50个 Femtocell。局部场如图
4所示。
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
150 200 250 300 350 400 450 500
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
图 3 系统仿真模型 图 4 局部场景示例
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正方形表示一个（12m*12m）的普通房间，Femtocell（红色表示）部署在房间的中心，
每一个房间的室内用户数仅为 1，室内用户的运动速度是
用户的部署也是随机的，运动速度为 1m/s，运动方向是随机的。关键的仿真系统参数包括
路径损耗模型、阴影衰落、宏基站和 Femtocell等，如表 1[2]。
表 1 系统仿真参数
载频 2GHz
带宽 5MHz
宏基站间距离 1000m
宏基站
最大发射功率 43dBm (20W)
导频功率 33dBm (2W)
天线增益 11dBi
噪声系统 5dB (-103dBm when T=300K and W=)
Femtocell
最大发射功率 125mW (21dBm)
天线增益 2dBi
噪声系数 7dB (-101dBm when T=300K and W=)
移动台
上行最大发射功率 125mW (21dBm)
天线增益 0dBi
路径损耗模型
在本论文中，Femtocell与WCDMA宏基站采用的同频组网，其相互之间的干扰就必须
严格来计算，采用的路径损耗模型，均是根据 3GPP相关提案[3][4]，
室外衰落模型：
室外环境采用的路径衰落模型[4]：
10 10( ) 40 18log 21log 80b bPL dB h d h f= ´ D - D + +
-3
10（1-4 10 ）log
其中， d为发射机和接收机之间的距离（单位为 km）； f 为载波频率（单位为MHz）；
bhD 为离开屋顶的基站天线高度。在本论文中，设定 15 , 2bh m f GHzD = = 。则该路径衰落公
式可以简化为：
10( ) dB d= +
其中距离 d的单位是 m。
室内衰落模型：
由于建筑物结构比较复杂，室内微微小区的路径衰落模型中所需考虑的影响因素比较
多。给出室内路径衰落模型[4]：
(( 2)/( 1) )
10 10
4( ) 20log 20log n nin in ex ex
fPL dB d q W q W F n
c
p + + -æ ö= + + + +ç ÷
è ø
其中， f 为载波频率（单位为 Hz）； c为光速（单位为 m/s）； inW 为室内墙壁造成的衰
落（单位为 dB）； inq 为一个随机整数，表示室内发射机与接收机的距离之间的墙壁个数； enW
为建筑物外墙造成的衰落（单位为 dB）； enq 为一个随机整数，代表处于两个不同建筑物（两
栋独栋房屋或者两个不同公寓）之间的发射机和接收机之间的墙壁个数；F为楼层之间造成
的衰落（单位为 dB）；n为接收机和发射机之间相隔的楼层数；在本论文中，我们仅考虑发
射机和接收机处于同楼层的情况，具体的各项参数的数值由下表 2给出。
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表 2 室内模型参数
参数 取值
inW 5dB
enW 5dB
F
N 0
F 2×109Hz
C 3×108m/s
根据以上可以得到比较简单的室内微微小区的衰落公式：
10( ) 37 20logPL dB d qW= + +
室内/外与室外/内衰落模型：
本论文借用曼哈顿微小区模型[4]的计算方法将室外宏小区和室内微微小区的路径衰落
模型结合起来。举例说明，在计算处于室内的接收机和室外宏小区宏基站的之间路径衰落的
公式为：
( )( ) vmacro owPL dB PL aR qW L= + + +
其中 ( )vmacroPL 为将室同 UE映射到房屋的四边后得到的虚拟 UE位置，再根据室外宏小区
路径衰落模型公式计算得到的宏基站到这些虚拟 UE位置的路径衰落；R为室内 UE到这些
虚拟 UE位置的距离； a室内衰落系数（单位为 UE到这些虚拟 UE位
置的距离 R之间所存在的墙壁的个数（
þ
ý
ü
î
í
ì
ú
û
ú
ê
ë
ê
Î
wd
Rq ,...,1,0 ， wd 设为 2m，q则为 0到
w
R
d
ê ú
ê ú
ë û
之
间的一个随机整数）；W为室内墙壁造成的衰落（本论文中取值为 5dB）； owL 为室外到室内
的穿透损耗（移动台处于窗户边上则取值为 2dB，其他情况下取值为 10dB）；该衰落模型的
计算如图 4所示。
图 5 室内室外场景模型
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3．基于导频功率控制的切换机制
本论文提出了一种以减少用户切换为最优化目标的自适应导频功率控制算法。在实际网
络中，当MUE和 HUE测量发现 Femtocell的Macrocell的导频功率很接近时，它们会在两
者之间进行切换，然而这种切换有时候是没有必要的。比如MUE只是经过 Femtocell而已，
或者 HUE在 Femtocell的小区边缘，频繁的切换会给基站带来不小的信令负载，因此必须
避免不必要的切换发生。
家庭基站的下行导频功率调整算法的基本想法：Femtocell对接收到的 Femtocell的下
行导频功率进行测量，主要测量为接收信号码功率（RSCP）、信噪比（ 0/cE I ）、导频持续
时间切换门限（T）[5]；测量后将 UE接收的导频功率信息上报给家庭基站，家庭基站根据
上报信息进行相应的导频功率控制。切换的判定准则如下：
(1). 根据 3GPP提案
[6]
加入激活集的导频强度 , 18femto pilotP dB³ -
(2). , ,( ) ( ) 3femto pilot femto pilotP new P old dB³ + ,并持续的时间在 [7]以上
满足以上两个条件，判定为一次切换。
在本论文中，算法实现的一个重要内容就是要记录MUE和 HUE发生切换的事件次数。
设定所有移动用户的发生切换的事件都是必须避免的，因此定义 n1= n2=0；如果在测量时间
间隔内MUE发生切换，则 Femtocell的导频功率减小△1 =3dB，迅速减小 Femtocell的覆盖
区域。如果在测量时间间隔内 HUE发生切换，则 Femtocell的导频功率增加△2 = 1dB，增加
Femtocell的覆盖区域。其流程图如图。
图 6 切换优化原则
4．仿真及结果分析
动态仿真场景为 7小区模型，宏基站天线为全向天线，其他相关的仿真参数见系统模型
介绍。但是有所不同的是，在这部分仿真场景中，我们只考察中心目标小区中的宏小区移动
在测量时间间隔 t1
和 t2内移动事件
检测不必要移动事
件 nt1, nt2
nt1>n1
nt2>n2
减小覆盖：
= - △1
重新设定测量事件
增加覆盖：
= + △2
重新设定测量事件
循环迭代
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台和家庭移动台的动态切换情况，邻小区干扰仍然以静态的方式存在。由于本改进算法只是
针对家庭基站，因此在仿真场景设定中进行了一些简化。在中心目标小区中，我们只考察
50个运动的宏小区移动台和 50个家庭移动台。宏小区移动台随机运动，而室内用户只在室
内做随机性运动。
从图 7中可以看出，在 Femtocell未采用自适应导频功率控制情况下，在 Femtocell设定
不同的导频功率值，其总的平均切换次数是比较高，对于网络系统的频繁的切换会给基站带
来不小的信令负载，因此必须避免不必要的切换发生。
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
HNB Pilot Power
A
ve
ra
ge
h
an
do
ve
r n
um
be
r
MUE handover
HUE handover
Total handover
图 7 未采用导频功率控制下用户的平均切换次数
采用本论文提出的自适应导频功率控制算法，在保证充足的室内覆盖的情况下能明显的
降低切换次数，如图 8改善系统的性能，另一方面可以看出在 Femtocell的导频功率设置在
[-10dB-3dB]左右，可以保证 UE的切换次数就小，并且降低系统的干扰以及信令面时延。
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
0
1
2
3
HNB Pilot Power
A
ve
ra
ge
h
an
do
ve
r n
um
be
r
MUE handover
HUE handover
Total handover
图 8 采用导频功率控制下用户的平均切换次数
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5．总结
本论文立足于 3GPP相关提案和论文文献，介绍了 Femtocell与WCDMA系统共存下系
统模型，以及相应的用户切换准则，并提出一种自适应导频功率控制算法来减少室内外用户
的不必要的切换次数，降低网络信令面的时延，改善系统性能。
Femtocell 是目前业内公认的解决高速数据业务的室内覆盖问题的新技术，具有很好的
发展前景，将会成为未来 3G，4G无线网络构架的重要组成部分。家庭基站的引入对运营商
来说，节约了设立宏基站的成本，但当采用开放式接入策略后，提高了小区边缘用户的服务
质量，减轻了宏基站的网络负载，因此有广阔的应用前景。但是家庭基站技术还远未成熟，
对于现在普遍考虑的同频组网方案，还需要对功率控制，接入控制，切换控制，干扰抑制等
无线资源管理算法进行进一步的研究。
参考文献
[1] Vikram Chandrasekhar and Jeffrey G. Andrews, “Femtocell Networks: A Survey,” IEEE Communication
Magazine, September 2008.
[2] Harri Holma, Antti Toskala. WCDMA技术与系统设计：第三代移动通信系统的无线接入。 械工业出版
社，2005
[3] 3GPP TR , "3G Home NodeB Study Item Technical Report(Release 8)," 3GPP, Mar. 2008.
[4] 3GPP R4-071617, "HNB and HNB-Macro Propagation Models," Qualcomm Europe,Oct 2007.
[5] Mostafa Zaman Chowdhury. Won Ryu. Eunjun Rhee. Yeong Min Jang, “Handover between Macrocell and
Femtocell for UMTS based Networks”, Advance Communication Technology, 2009,ICACT 2009. 11th
Internation Conference on Volume 01 15-18 Feb. 2009
[6] K. Valkealahti, A. H¨oglund, J. Pakkinen, and A. Flanagan, “WCDMA common pilot power control with cost
function minimization”, Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference (VTC Fall ’02),
-2247, 2002.
[7] Third Generation Partnership Project (3GPP): “Requirements for support of radio resource management”.
Technical Specification , ,2001.
[7] H. Claussen, L. T. W. Ho, and L. G. Samuel, "Self-optimization of coverage for femtocell deployments," in
Wireless Telecommunications Symposium, 2008. WTS 2008, 2008, pp. 278-285.
Handover Study for Macrocell and Femtocell based on
UMTS Network
Zhang hui，Jia Huawei
Communication and Information System, Beijing University of Posts and Telecommunications.
Beijing, PRC, (100876)
Abstract
Femtocell is a promising technology, which is regarded as one of the methods to solve the indoor
coverage. The development of Femtocell will promote the convergence of fixed network and mobile
network. Femtocell can transfer voice and data services sent by phone to standard interface of 3G core
network and Femtocell is a plus and play device which can connect to any transmission network based
on IP. This paper introduce Femtocell and WCDMA system model, and corresponding handover
principle and analyze UEs handover number under the condition of the different pilot power of
Femtocell. Then we put forward on an adaptive pilot power algorithm to reduce unnecessary handover
number of UEs.
Keywords: Femtocell, WCDMA, Indoor coverage , Handover, Adaptive pilot power
作者简介：张辉，男，1983年生，硕士研究生，主要研究方向是 Femtocell、OFDM和 LTE
系统。贾华伟，男，1984 年生，硕士研究生，主要研究方向是 Femtocell、UMTS 和 4G 系
统。
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