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| 3G UMTS網路行動力 VS. Femtocell搜尋表現 |
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【作者： Farhad Meshkati,Yi Jiang,Lenny Grokop,Sumeeth Nagaraja,Mehmet Yavuz,Sanjiv Nanda】 2010年10月05日 星期二
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毫微微蜂巢式基地台 [femtocell，也稱為家用B節點 (Home NodeB)]，為安裝於室內的低功率基地台，在家庭、企業或熱點環境中提供行動服務。一般來說家用B節點 (HNB)會透過DSL路由器或有線數據機，連接網際網路及行動電話業者網路。
毫微微蜂巢式基地台的主要優點包含：在家中提供優異的使用者經驗（語音涵蓋範圍更大、資料傳輸量更高）；可分擔大型行動網路流量負載，並減少基礎建設的部署成本 [1]、[2]。然而，部署毫微微蜂巢式基地台的挑戰在於毫微微蜂巢式基地台的搜尋能力；也就是說，UE進入家中時，如果已連結至不同頻率的大型基地台，且大型基地台的品質 (CPICH Ec/Io) 良好，就可能無法找到並連結至毫微微蜂巢式基地台（如圖一及圖二所示）。為了促進毫微微蜂巢式基地台的搜尋功能，大型基地台網路提供的Sintersearch 廣播數值設定必須較高，不過這樣會影響網路中所有UE。
另一替代解決方案為，研究者建議使用基地台重選信標 (CRB)，例如毫微微蜂巢式基地台使用大型基地台頻率傳送信標。信標在時域中相當稀少，可盡量降低對鄰近UE的干擾。實驗室測試顯示，即使Sintersearch數值較低，CRB仍可非常有效地增進毫微微蜂巢式基地台的搜尋能力，同時不影響大型基地台用戶的語音品質；至於信標涵蓋範圍內的大型基地台UE，其HSDPA傳輸量僅受到些許影響。
| 《圖一 連結至大型基地台的UE，進入部署毫微微蜂巢式基地台的家中。》 |
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本文各段落內容簡介如下：第II節介紹模擬方法及假設，包括建立路徑損耗模型、動態模擬模型，以及SIB參數假設。第III節介紹毫微微蜂巢式基地台搜尋表現的模擬結果（Sintersearch閾值函數）。第V節針對毫微微蜂巢式基地台的搜尋能力，簡要探討UE強化的概念。第VI節說明如何使用基地台重選信標，以增進毫微微蜂巢式基地台的搜尋能力，並列出實驗室的測試結果。第VII節則為本文結論。
| 《圖二 由於大型基地台覆蓋率強大，UE無法執行頻率間搜尋》 |
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II.系統模擬模型及假設
本節首先介紹RF模型，再依據RF模型計算從大型基地台及毫微微蜂巢式基地台到任何特定位置UE間的路徑損耗，以及相關的CPICH Ec/Io數值。
A.模擬模型
研究者使用A.W.E. Communications的WinProp軟體工具，建立詳細的稠密都市街區路徑損耗模型。建模軟體的效度及準確度經現場測量證實，如附錄所示。
稠密都市街區
如圖三及圖四所示，街區面積約200公尺×200公尺，包含八座建築，其中有四座三層建築，以及四座五層建築。每層樓有十間公寓，其中六間為三房公寓（1250平方英尺），四間為單房公寓（625平方英尺），因此街區中共有320間公寓。公寓使用各種材質，由WinProp軟體附的材質資料庫依據現場情況選定（請參見附錄）。街區周圍環繞一般的水泥建築，高度不一。建築周圍有三個大型基地台，其中二個位於東南角、一個在西北角。三個大型基地台的傳輸功率經過偏移，以模擬不同位置的幾何參數，例如基地台邊緣及基地台站台。毫微微蜂巢式基地台則隨機部署公寓中，而公寓的毫微微蜂巢式基地台數目，可依大型基地台的涵蓋範圍而定；如此可造成群集效應，讓收訊不良的區域擁有較多毫微微蜂巢式基地台，而收訊良好區域的毫微微蜂巢式基地台則較少。公寓中毫微微蜂巢式基地台的位置由五個地點中選擇，其中二個對應樓層位置，三個則對應桌子位置。群集現象如圖四所示，顯示基地台邊緣街區的毫微微蜂巢式基地台部署情形。
這些部署可降低取樣，以達成較低的毫微微蜂巢式基地台穿透密度。圖五說明WinProp根據毫微微蜂巢式基地台位置樣本產生的路徑損耗。大型基地台的路徑損耗則是依據街區在大型基地台內的位置而定。根據大型基地站台至站台邊緣的不同位置，共產生十種不同的大型基地台路徑損耗圖表。除非另行說明，否則本文所有結果皆以十個地點的平均值為依據。
| 《圖三 (a) 稠密都市街區的模擬模型。(b) 各個建築的樓層規劃。》 |
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行動力路線
本研究共使用三種街區行動力路線，即戶外、走廊及公寓內部。建立行動力路線的主要目的，是了解一般閒置UE穿過街區、建築及在公寓內的動作模式。戶外路線共有四個，於人行道和建築間通道行進；走廊路線也有四個，模擬UE從建築入口進入，往上爬幾層樓梯，沿著走廊前進，最後到達公寓入口。公寓內部路線則分為二種類別，第一類包含各種不同路線，由公寓入口開始，前往床頭桌、桌子、餐桌或料理台等定點，在這些地方UE會止住不動一段時間。這些路線表示使用者回家，並將手持裝置放在特定位置。第二類則包含UE定期來回走動的繞行路線，每日數次。此類路線表示使用者將手持裝置放入口袋，在公寓四處移動。圖四及圖六說明上述路線。
| 《圖四 街區的鳥瞰圖，顯示毫微微蜂巢式基地台的位置、戶外路線 (R1-R4) 以及走廊路線 (R5-R8)。》 |
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毫微微蜂巢式基地台採用彩色編碼以顯示所在樓層。本圖說明群集效應在大型基地台收訊不佳的區域，例如特定公寓建築的一樓，毫微微蜂巢式基地台密度較高。
B. 模擬假設
研究者假設的部署情境為雙頻率，其中頻率F1由大型基地台及毫微微蜂巢式基地台共用，而頻率F2僅供大型基地台使用。前述二種頻率假設為鄰接頻率，而鄰頻干擾比 (ACIR）則為33dB。請注意，雖然本研究探討重點為雙頻率情境，但本研究的質性結論也適用於其他情境，例如擁有一個毫微微蜂巢式基地台專屬載波的三頻情境。本文內容全部採用限制關聯的假設方式，也就是說，毫微微蜂巢式基地台只能由家中的UE（HUE）存取，不能由其他 HUE 或大型基地台UE（MUE）存取。分析中假設大型B 節點 (MNB) 負載為50%，代表使用完整功率的 50%（亦即 40dBm）傳輸。此外也假設將完整功率的10%，分配於引導MNB及HNB。毫微微蜂巢式基地台的穿透率假設為5%（基地台邊緣）以及2.5%（基地台站台）。依據上述的部署假設，以及模型產生的路徑損耗圖表，就能在行動路線沿線任何地點，以UE測量所有B節點的CPICH Ec/Io。衰退效應也列入模擬項目，並加入路徑損耗之中。其後將Ec/Io資料輸入模擬器之中。模擬器遵循3GPP25.304 [3]規定的3GPP 基地台重選程序（圖七將簡要說明）。
| 《圖五 毫微微蜂巢式基地台位置樣本的路徑損耗圖表》 |
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| 《圖六 公寓內部路線所包含的 UE：i) 沿著入口至定點的紅線移動；ii) 沿著紅色繞行路線移動。》 |
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表一列出閒置模式基地台重選的相關SIB參數。參數Qoffset 設定後：1)頻率 F1 成為連線載波，2)UE在執行閒置基地台重選時，HNB的優先順序高於 MNB。不過 HNB 的CPICH Ec/Io 最低為 -12dB，因此只有在HNB訊號品質良好時，閒置基地台重選才會選擇HNB。
III. 模擬結果與討論
本節將說明行動模擬的結果。
A. 毫微微蜂巢式基地台的搜尋表現
如前所述，若Sintersearch設定的數值較低，則UE回到家中時，就不容易在其他頻率找到自己的毫微微蜂巢式基地台。圖八顯示，在不同UE定點（如第VI節所述之床頭桌、桌子、餐桌等地點），最強大型基地台之 CPICH Ec/Io 的累積分佈函數 (CDF)，或可支持上述論點。根據圖八所示資料，可推論如果UE以頻率F2於大型基地台啟動（毫微微蜂巢式基地台頻率為F1），且Qqualmin+Sintersearch低於-10dB時，則搜尋到毫微微蜂巢式基地台的機會並不高。
| 《圖七 3GPP 閒置模式基地台重選步驟流程圖。》 |
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圖九顯示毫微微蜂巢式基地台的搜尋表現。由圖中可發現，Sintersearch閾值必須很高（例如12dB或以上），才能搜尋到毫微微蜂巢式基地台。
| 《圖九 在不同大型基地台Sintersearch設定情況下的毫微微蜂巢式基地台搜尋表現。結果係以十個地點的平均值為依據。需要設定較高的Sintersearch閾值，才能搜尋到毫微微蜂巢式基地台。》 |
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IV. 毫微微蜂巢式基地台搜尋的替代解決方案
從上述分析中，可了解要有良好的毫微微蜂巢式基地台搜尋表現，就必須調高 Sintersearch設定值，但是這種作法會影響網路中所有UE。最理想的情況，就是 Sintersearch維持在低閾值，也不降低毫微微蜂巢式基地台的搜尋表現。研究者在此提出二項解決方案。其中之一是透過UE強化，不論服務基地台品質如何，均自主定期執行頻率間搜尋。另一項解決方案就是所謂的基地台重選信標，由毫微微蜂巢式基地台使用大型基地台頻率傳輸信標，以啟動重選功能。以下二節將詳細說明上述二項解決方案。
V.UE強化
UE強化解決方案可保證毫微微蜂巢式基地台的搜尋能力，且搜尋數量不會過多；不論服務基地台品質如何，UE每數分鐘就會定期執行頻率間搜尋（例如每二分鐘或五分鐘）。這種方法不需要調高大型基地台的Sintersearch設定值，即可帶來極佳的毫微微蜂巢式基地台搜尋表現。只要UE在其他頻率發現毫微微蜂巢式基地台，且其 CPICH Ec/Io高於-12dB（請參照表一），UE就會重新選擇至毫微微蜂巢式基地台。如圖十所示，使用慢速背景搜尋 (SBS)，大幅提升 HUE 毫微微蜂巢式基地台的搜尋表現；在此背景搜尋間隔為三百秒。然而，UE 強化有一項主要缺陷，就是只適用於將來新型的UE，並未解決舊型UE的毫微微蜂巢式基地台搜尋問題。為了解決舊型UE的毫微微蜂巢式基地台搜尋問題，研究者提出基地台重選信標解決方案，並於下一節說明。
| 《圖十 UE強化搭配定期背景搜尋，可大幅提升毫微微蜂巢式基地台的搜尋表現。》 |
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VI. 基地台重選信標
A. 基地台重選信標的基本概念
為了保持Sintersearch設定值，同時提升毫微微蜂巢式基地台的搜尋能力，毫微微蜂巢式基地台可利用大型基地台頻率傳輸信標訊號，降低大型基地台的 CPICH Ec/Io，使其低於Qqualmin+Sintersearch。因此即使Sintersearch設定值較低（例如 2dB），UE也可於接收信標時執行頻率間的基地台搜尋。由於信標也可能對鄰近 MUE 造成干擾，因此本研究提出層級式的信標設計，如圖十一所示。毫微微蜂巢式基地台多半傳輸低功率信標，但是偶爾會以較高功率傳輸信標突波，持續時間非常短暫（僅數毫秒）。HUE 非常接近毫微微蜂巢式基地台的時候（例如 45dB 內），低功率信標可讓 HUE 快速重選至毫微微蜂巢式基地台，而高功率信標突波則可涵蓋完整的公寓/房屋，如圖十二所示。
設想一處於閒置模式的UE，處於高功率信標的涵蓋範圍內，並連結至頻率F2的強大大型基地台。如果信標突波與UE的喚醒時間同時發生，則服務中大型基地台（以及任何其他同頻率的鄰近基地台）的 CPICH Ec/Io測量值將偏低，這是因為信標突波造成Io增加，如圖十三所示。因此UE將執行頻率間搜尋，並可重新選擇至毫微微蜂巢式基地台（因為Qoffset設定值）。此時，由於信標突波可能干擾鄰近MUE（語音呼叫或數據呼叫），因此需要仔細選擇信標模式及傳輸功率，以增進毫微微蜂巢式基地台搜尋能力，同時盡可能降低對大型基地台用戶的干擾。研究者已執行實驗室測試，評估研究提出的基地台重選信標效能；測試顯示，基地台重選信標可增進毫微微蜂巢式基地台搜尋能力，同時將MUE效能影響降到最低。
| 《圖十三 突波信標會暫時降低UE在F2頻率基地台的CPICH Ec/Io測量值，以啟動基地台搜尋功能，並重新選擇至頻率F1的毫微微蜂巢式基地台。》 |
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B. 實驗室測試設定
測試設備請參見圖十四。ㄧ個 MNB使用頻率F1、ㄧ個 HNB使用頻率F2，以及一個 AWGN 雜訊產生器在二種頻率中提供雜訊以模擬Ioc。信標訊號產生器輸出由步進衰減器A3調控，而衰減器則由電腦負責控制。電腦可控制任何特定時間的衰減量，以調節投入UE的信標功率。衰減器 A1、A2、A3 及 A4 用於控制UE至B節點的下行鏈路/上行鏈路路徑損耗。
C. 毫微微蜂巢式基地台搜尋表現
毫微微蜂巢式基地台搜尋測試中，大型基地台SIB3的Sintersearch 設定為2dB；大型基地台的路徑損耗設定為較低，以模擬基地台站台情境，此時大型基地台的品質非常良好，如果沒有出現信標，就不會進行頻率間的基地台搜尋。毫微微蜂巢式基地台的 Qoffset設定為-50dB。因此如果找到毫微微蜂巢式基地台，就會排在最高順序。圖十五顯示UE重新選擇至毫微微蜂巢式基地台耗費時間的累積分佈函數。上述時間定義自信標開啟後，至基地台重選至毫微微蜂巢式基地台所需的時間，而平均的搜尋時間為45 秒。只有在非常罕見的情況下，UE才需要等待約5分鐘，以重新選擇至毫微微蜂巢式基地台。
| 《圖十五 以信標啟動毫微微蜂巢式基地台搜尋，於實驗室測試中的表現（大型基地台 Sintersearch=2dB）。》 |
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D. 語音測試 Voice Test
語音測試的實驗室配置與圖十四相同，唯獨將毫微微蜂巢式基地台關閉，以確保UE連結至大型基地台。為了量化信標對鄰近UE語音呼叫品質的影響，研究者由UE發出語音呼叫至大型基地台，並測量UE所在地的區塊錯誤率 (BLER)。測試顯示，出現突波信標時，增加的 BLER 可忽略不計，而在所有的測試案例中，BLER 都沒有超過 1%。為了量化信標對基地台的影響，研究者在有信標干擾及沒有信標干擾的情況下，記錄下行鏈路的 DPCH Ec/Ior。如圖十六所示，UE 處於信標的涵蓋範圍時，傳輸 DPCH Ec/Ior 大約增加了 3dB。上述增加的數值，是為了補償信標突波所穿透的縫隙（參見圖十二）。
雖然從圖十六看來影響似乎相當大，不過這僅限於信標涵蓋範圍內的MUE。如果研究者考量大型基地台中所有 MUE，就會大幅降低影響程度。圖十七顯示，將DPCH Ec/Ior 的增加值平均分配至大型基地台所有UE的情形；可看到DPCH功率增加不到1dB。
E. HS 傳輸量測試
研究者使用和語音呼叫測試相同的實驗室設定，針對研究所提出的基地台重選信標，測試其對HS資料傳輸量（亦即HSDPA傳輸量）的影響。測試顯示，如果只有一位使用者位在大型基地台，且UE位在信標涵蓋區域時，信標對尖峰HS傳輸量的影響不到25%。如果同一個大型基地台服務多個 HS 使用者，信標突波對HSDPA傳輸量的影響就會更低。
| 《圖十七 大型基地台之中所有UE的大型B節點DL功率增加分佈情形。》 |
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VII. 討論與結論
使用者連結至大型基地台，並接近毫微微蜂巢式基地台時，即使毫微微蜂巢式基地台正於其他載波運作，還是希望能夠搜尋並重選至其毫微微蜂巢式基地台。為了促進毫微微蜂巢式基地台的搜尋功能，大型基地台的Sintersearch閾值廣播應調高設定值，但是這將影響網路中的所有使用者。研究者提出二項解決方案，在無須調高大型基地台的Sintersearch設定值下，即可加強毫微微蜂巢式基地台的搜尋表現。其中一項解決方案就是透過UE強化，由UE定期執行頻率間搜尋，使不受服務基地台的CPICH Ec/Io及Sintersearch設定值影響。此方案適用將來新的UE，但無法解決舊型UE的毫微微蜂巢式基地台搜尋問題。至於另一項替代方案則是讓毫微微蜂巢式基地台使用大型基地台的頻率傳輸信標。研究者提出層級式的信標設計，以增進毫微微蜂巢式基地台搜尋能力，同時盡可能降低對鄰近MUE的干擾。實驗室測試顯示，信標可提升毫微微蜂巢式基地台的搜尋能力，且無須調高Sintersearch設定值。此外信標解決方案也不會影響語音呼叫品質，對於信標涵蓋範圍內鄰近大型基地台UE的HSDPA傳輸量，也沒有太大影響。因此基地台重選信標是解決舊型UE毫微微蜂巢式基地台搜尋問題的有效技術，且不需變更現有大型基地台網路的Sintersearch參數。
VIII. 附錄：模型校正與準確度
研究者利用現場測量數據，協助WinProp材料資料庫選擇適當材質，並瞭解模型的準確度。資料收集的地點為加州Rancho Bernardo的公寓社區。研究者總共進行二十八次測量，其中發射器與接收器置於二間鄰近公寓及周遭戶外區域的各個不同位置。研究者依據公寓社區建立WinProp模型，並由資料庫選擇一組建築材質，使預測內容接近測量內容。本組材質後用於建立稠密都市街區。圖十八比較測量及預測的路徑損耗數值。預測與測量之間的標準差為3.79 dB，代表兩者相近。
IX. 參考文獻
[1] M. Yavuz, F. Meshkati, S. Nanda, A. Pokhariyal, Nick Johnson, B. Raghothaman, and A.Richardson, “Interference Management and Performance Analysis of
UMTS/HSPA+ Femtocells,” IEEE Comm. Magazine, vol. 47, pp. 102–109, Sep. 2009.
[2] F. Meshkati, Y. Jiang, L. Grokop, S. Nagaraja, M. Yavuz, and S.Nanda, “Mobility and
Capacity Offload for 3G UMTS Femtocells”, Proceedings of Globecom, Dec. 2009.
[3] User Equipment (UE) procedures in idle mode and procedures for cell reselection in
connected mode’, 3GPPTS25.304
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