Rupert Baines är marknadschef på brittiska Picochip. Han har 18 års erfarenhet av marknads-föring av teknik, bland annat har han arbetat sex år på Analog Devices med kretsar till så skilda tekniker som GSM och ADSL.  Han har också arbetat för operatörer, däribland Atlantic Telekom.

Det blir allt mer uppenbart att potentialen för femtoceller sträcker sig mycket längre. De kan leverera alla de tjänster som företagsanvändare efterfrågar. Med ökad användning av mobilt bredband ger de operatörerna en möjlighet att skräddarsy kapaciteten i näten exakt där den behövs. De kan också bli ett alternativ till pikoceller i glest befolkade områden.

Operatörer som Vodafone, Comcast, Sprint och Softbank stödjer de här visionerna och har gjort klart att femtoceller inte kan komma i produktion fort nog. Det här har skapat huvudbry för leverantörer av infrastruktur eftersom femtocellerna skiljer sig så radikalt från traditionell utrustning till mobilnäten.

För första gången måste industrin verkligen tänka igenom hur produkterna blir användarvänliga eftersom många av dem kommer att installeras av användarna själva. Dessutom måste de vara tillförlitliga och klara av att ställa in alla parametrar på egen hand så att omgivande basstationer inte störs. De måste också kunna anslutas till operatörens fasta nät utan någon krånglig konfigurering.

Till allt detta kan läggas krav på säkerhet både vad gäller betalningsströmmar men också användardata och virusattacker.

När det gäller kostnaden för hårdvaran krävs innovativa grepp för att pressa priserna. Dagens basstationer kan kosta över 10 000 dollar medan materialkostnaden för en femtocell måste landa under 150 dollar.

Slutligen så måste basstationerna förutom att vara användarvänliga även ha många av konsumentprodukternas egenskaper, som att var små i storleken och ha låg effektförbrukning. En lösning baserad på en signalprocessor som klockas i gigahertzhastighet och som slukar över 10 W platsar helt enkelt inte.

Kraven på låg effektförbrukning, nya funktioner och lågt pris kan enbart mötas genom att integrera så mycket som möjligt i samma krets. PC302 är en sådan basbandskrets för WCDMA från Picochip.

När det gäller nya standarder som Kinas TD-SCDMA eller LTE kommer dessa att inkludera femtoceller redan från start som en väsentlig del av näten. För dagens standarder, cdma2000 och WCDMA, som är allmänt spridda kommer de flesta femtoceller att adderas till befintliga nät. Det kan ske så snart produkterna finns framme.

För en produkt som PC302 innebär det att den måste vara tillverkad i en modern process – 65 nm – och förutom att modemet följer 3GPP NodeB måste kretsen innehålla så mycket stöd som möjligt för att basstationen ska kunna konfigurera och optimera sig själv vad gäller kärnnät, radio och säkerhet.

Den obehagliga verkligheten för tillverkarna är att det här inte är en önskelista utan funktioner som måste finnas som standard. Som tur är har 3GPP insett det och har arbetat med att hitta lösningar för hur de ska lösas. Specifikationen finns i Release 8.

Om insikten att tillverkarna nu hamnar i en konsumentmarknad blir en chock så är det faktum att näten inte längre planeras och byggs på ett noga uttänkt sätt lika stor. Det är därför som femtocellerna fått många av de nya funktionerna.

Traditionellt har planeringen av näten gjorts manuellt liksom konfigureringen i basstationerna. För GSM-systemen handlar det om frekvensplanering medan WCDMA-nät kräver planering av kodnycklarna. Dessutom måste effekten i basstationerna hela tiden justeras.

En femtocell måste klara av allt detta på egen hand och att implementera dessa funktioner har visat sig vara en stor del av det totala konstruktionsarbetet för en krets till en femtocell.

För att kunna konfigurera sig självt startar femtocellen i terminalläge, även kallat ”user equipment” på 3GPP-jargong, när strömmen slås på. Basbandskretsen kan då lyssna av radiotrafiken för att sedan välja rätt kodningsschema och lämplig uteffekt. Informationen används också för att sköta hand-over till andra basstationer inklusive basstationer i GSM-nät. Funktionen med att lyssna används löpande för att hitta förändringar i nätet, bland annat kan nya femtoceller adderas till nätet, vilket kräver at uteffekten justeras.

Införandet av femtoceller påverkar också nätverksarkitekturen. Traditionella WCDMA-nät innehåller basstationer (NodeB) som är kopplade till en radionätskontroller (RNC) vilken i sin tur kommunicerar med kärnnätet. Förbindelsen mellan basstationen och radionätskontrollern går över dedicerade och hyrda förbindelser enligt standarden TS 25.434 vilket är dyrt.

Att stoppa in femtoceller i den typen av nät skapar en rad utmaningar vad gäller arkitekturen. Existerande radionätskontrollrar är inte konstruerade för att hantera ett stort antal basstationer med små celler. Och även om de teoretisk ska följa standard så innehåller många av gränssnitten till radionätskontrollrar tillverkarspecifika delar. Och att använda hyrda ledningar är en omöjlighet för en massmarknadsprodukt.

Men kanske än viktigare är det faktum att många av de styrsignaler till basstationen som radionätskontrollern idag genererar (vilken radiokanal som ska användas och skedulering av paket) måste skötas av femtocellen själv.

Den måste därför inte bara kunna hantera radiogränssnittet utan även styrningen av radion, kryptering i användarplanet och paketdatakonvertering (PDCP). Av den anledningen måste en systemkrets till en femtocell som PC302 innehålla mycket mer än den hårdkodade delen av det fysiska gränssnittet (PHY) för en enhet enligt NodeB. Den måste ha avsevärd processorkraft liksom acceleratorer för att kunna exekverar RNC-stackens funktioner. Vidare behöver den rätt sorts beräkningskraft vilket är en blandning av beräkningskraft för PHY:n, för kontrollplanet och för nätverksdelen av stacken.

För att klara det har PC302 en dedicerad processor för PHY:n och en Arm11-kärna för att hantera protokollstacken, fördela resurser och för säkerhetstilllämpningar. Fotocellen ansluts sedan till kärnnätet via en dedicerad gateway (FGW) som klarar att hantera en stor mängd femtoceller. Gränssnittet är designat för att klara säkerhetsproblem, fördelning av resurser liksom begränsningar i nätverket och använder ett protokoll definierat av Femto Forum och 3GPP kallat luh (det är konsumentversionen av det existerande lu-gränssnittet som sitter mellan RNC:n och kärnnätet).

Eftersom fördelningen av uppgifter är annorlunda i en femtocell än i ett vanligt nät måste femtocellen ha utökade säkerhetsfunktioner för autentisering, lokalisering, kryptering och för att motstå attacker från hackare. Förutom säkra IP-protokoll (IP Security) och säkra realtidsprotokoll krävs resurser för att hantera blockkrypto (Kasumi eller A5/3) som är 3GPP:s kryptosystem för att skydda användardata och integritet. PC302 innehåller hårdvaruacceleratorer för dessa algoritmer.

Det är värt att påpeka att eftersom säkerhetskraven är så höga behöver även basbandskreten skydd mot intrång. Genom att använda Arms lösning kallad TrustZone går det att göra säkra transaktioner och autentisera programprocesser. Hårdvaruprogrammerade (OTP) nycklar i kretsen kan användas för uppstartsprocessen och för olika autentiseringsförfaranden.

Lika viktigt som det är att minimera kostnaderna för basbandskretsen är behovet av att förenkla och förbilliga radiodelen av systemet. Ett sömnlöst gränssnitt mellan radiodelen och basbandsdelen eliminerar behovet av externa komponenter som FPGA:er för att utföra interpolations- och decimeringsfiltrering. PC302 har av den orsaken ett mycket flexibelt gränssnitt som tillåter direkt anslutning via både parallella bussar och LVDS. Det går till exempel att direkt ansluta radiokomponenter som Maxims MAX2547 och MAX2599 lika väl som kretsar för det kommande radiogränssnittet för Femtoceller.

PC302 innehåller filter för att forma signalen i sändaren så att den uppfyller TS24.104. Sändareffekten styrs av en loop med kort fördröjning. Även i mottagarkedjan finns filter för att forma signalen och ta bort signaler från intilliggande kanaler. Signalen justeras också automatiskt till rätt nivå.

En viktig sak att påpeka för konstruktörerna är att radiokomponenten har en funktion för att lyssna på trafiken (sniffer). Det gäller både 2G- och 3G-nät.

Precis som frågorna kring nätverksarkitekturen är det även tighta krav på synkroniseringen mellan femtocellerna och resten av nätverket för att minimera radiostörningar, hantera hand-over och för att garantera hög kvalitet på tjänsten nya krav på konstruktörerna.

Det tål att upprepas, kraven på femto­cellen är att eliminera så mycket som möjligt av kostnaden och att hålla nere effektförbrukningen och komplexiteten. Då går det inte att inte använda traditionella metoder för att klara av stabiliteten i klocksignalen som Rubidiumoscillatorer och ungsstabiliserade oscillatorer. Istället används nätverksbaserade lösningar som Precision Time Protocol (PTP) som specificeras av IEEE1588 eller det äldre Network Time Protocol (NTP). Båda dessa kräver hårdvarustöd för bland annat tidsstämplingen.

Ett alternativ är att använda GPS som både ger tids- och positionsuppgifter vilket kan blir obligatoriskt i framtiden. Normalt brukar man anse att GPS inte fungerar inomhus men kombinationen av assisted GPG (A-GPS), nya lösningar och genom att släppa kravet på att GPS-mottagaren ska ta hänsyn till att antennen kan röra sig liksom att det få ta tid att hitta positionen gör att man kan öka känsligheten så att tekniken fungerar även inomhus.

En basbandskrets måste också vara flexibel när det gäller vilken typ av klocksignal den matas med. PC302 kan till exempel matas med en inbyggd numerisk styrd oscillator (NCO) eller via en extern spänningsstyrd oscillator (VCXO) som övervakas via den inbyggda sigmadeltaomvandlaren.

När operatörerna nu vill få fart på användningen av femtoceller ser leverantörerna av dessa vilka utmaningar denna nya generation av infrastrukturprodukter skapar. Tillgången till en robust och högintegrerad basbandslösning hjälper dem. Men de måste ändra sitt tänkesätt genom att låna erfarenheter från konsumentindustrin. Användarvänlighet, lågt pris och låg strömförbrukning är bara några av de saker som tas för givna av konsumenterna.