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5G企业私网崛起 基地台同频干扰管理重要性日增
 

【作者: 王冠雄、陳偉鑫】2022年08月16日 星期二

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由於企业网路、无人化工厂、AI智慧医疗等宽频应用中,透过5G私有网路可以高速且独立的方式传输大量的且具机密性的资料。本文深入探讨如何避免5G行动通讯私有网路的同频干扰管理等问题。



图一 : 由於5G系统操作在更高频的频段,相较於4G LTE网路而言,5G系统需要布建更多的5G基地台,才能够涵盖原有的讯号范围。(source:Transforming Network Infrastructure)
图一 : 由於5G系统操作在更高频的频段,相较於4G LTE网路而言,5G系统需要布建更多的5G基地台,才能够涵盖原有的讯号范围。(source:Transforming Network Infrastructure)

由於无线上网需求增加,对於宽频应用需求也跟着增加,因此宽频行动网路消费者对於多使用者、多重存取、双向网路速度、低延迟的要求也随之提升,在这种情况下,致使原先的第四代行动通讯(4G)的传输频段(700MHz~2GHz)亦随着宽频需求的增加,而逐渐显露出不够使用的窘境,而原本更低的频段已经塞满各种军用、商用频段、民间火腿族的收发器的无线电讯号,因此新世代的行动通讯只能往更高的频段发展,越高的频段则可用频宽越大,所以传输速度更快,且因此天线尺寸可以进一步缩小,因此相邻通道间隙可以增加,而减少了通道间的干扰。


但是在高频时若电波信号沿着地球表面传播时,由於地表波的损耗随着频率的增加而快速增加,因此电波信号传播距离会快速减少,也因为高频路径耗损、传输耗损及低穿墙的特性,使得5G系统操作在更高的频段时,其基地台的电波涵盖范围缩小,因此5G基地台的布建间隔需要减少,才能避免电波讯号有涵盖上的死角。


5G的无线存取架构是由LTE Evolution(1G-6GHz)和新无线电存取技术(RAT; 6G-100GHz)组成新无线电存取技术(NR)。由於NR操作在1G~100GHz,所以旧版LTE无法相容。在5G NR的技术可以分成FR1和FR2这两种频段范围,FR1是指sub-6,其操作频率是在6GHz以下;FR2是指6GHz以上,主要是操作在毫米波(mmWave),主要频率范围为20GHz~60GHz。


根据3GPP的规范显示,在台湾目前可以使用的5G NR频段是n78与n79,n78主要是商用频段,其频段范围是3.3GHz-3.8GHz;而n79频段则是4.5GHz-5GHz,其中n79的4.8GHz-4.9GHz则是私有网段。


由於企业网路、无人化工厂、AI智慧医疗等宽频应用中,需要传输大量的且具机密性的资料,因此5G私有网路在高保密性的商业应用中变得越来越受到重视,在5G私有网路中可以将机密的、且高商业价值的资料以高速且独立的方式进行传输。


由於在私有网段中存在着许多同频基地台与操作於同频的5G CPE,因此在5G相邻基地台布建间隔减少的情况下,如何避免同频干扰已是5G行动通讯私有网路所无法避免的问题,也是相当值得探讨的研究范畴。


为何需要5G私有网路?

在宽频行动通讯中,由於传递於其间的资料有来自其他基地台所传过来的资料,也有来自於其他异质网路的资料,如果在公共网路中传递的资料,包含私人资讯、商业资讯、娱乐资讯、机密资讯,那将会使得具有商业价值的或是保密性高的资料暴露於危险之中,有监於此,则高保密性的5G私有网路应运而生。


5G私有网路即为3GPP在Release16 中所定义的的非公共网路(Non-Public Network;NPN),非公共网路是供给私有且非公共化的组织(例如企业、军队或是学校)使用,因此只要是非经授权的装置,都没有办法和非公共网路连接使用,而对於已通过非公共网路授权的装置,则是除了自身的网路之外就不会存取其他网路,因此将可以形成具有高安全性极高稳定性的封闭内网网路。


5G私有网路又称为「专频网路」或「私有网路」,大致上会需要私有网路的不啻为下列几项原因:


1.依服务等级决定优先权


在5G私有网路,不同的企业与服务应用存在着许多不同的需求,而具有即时且低延迟需求的服务的资料,则具有传送资料的高优先权,例如即时环境监测及远端智慧医疗。


2.高保密及高隐私需求


许多高技术门槛即及技术密集的公司,对於资料的流向与控管要求相当高,一旦企业使用5G 私有网路则可以将高机密的资料留在企业内部的5G私有网路进行监控以确保资料部会外流到外部 网路。


3.较低的资料传输延迟


在私有网路内传输资料可以避免资料在外部资料中心再转换一次,因此在私有网路内的资料传输与交换会有较低的资料传输延迟。


4.较高的资料安全性


在私有网路中的使用者必定是经过授权的,因此外部的未经授权的使用者是无法私有网路,因此私有网路有较高的资料安全性。


5.扩展覆盖范围


5G私有网路也可应用在偏远的、非5G网路覆盖到的地方,例如在防空洞内、在矿坑内、在偏远山区而没有5G基地台讯号覆盖的地区都可以透过建置5G私有网路将5G讯号专有的扩展到这些地区。


6.提供较稳定的资料传输


由於外部5G公共网路是由许多不同子网路串起的,因此5G私有网路能够提供稳定的内网传输以避免外部网路的不稳定造成资料传输受到干扰。


5G NR私有网路高密度基地台干扰

如前所述,由於5G系统操作在更高频的频段,因此相较於4G LTE网路而言,5G系统需要布建更多的5G基地台,才能够涵盖原有的讯号范围。


5G基地台有好几种形式,如图一所示,例如家庭基站(Femto Cell)、微型基地台(Pico Cell)、小型基地台(Micro Cell),这些小型基地台的讯号涵盖范围远小於5G大型基地台(Macro Cell),并且传输功率较小,因此为了因应传输范围较小以及提升系统频宽、增加频谱使用率这三个目的,各种5G基地台的布建密度有相当大的可能会高於使用者密度,对於5G私有网路而言将会造成以下的几个影响:1.5G讯号涵盖死角变少;


2.各种小型基地台数量上升,提升频谱使用率;


3.邻近基地台干扰增加。


因此,如何有效的抑制由於小型5G基地台增加而导致的邻近基地台干扰,藉以提升系统效能,将是5G私有网路的一个重要的探讨议题。


5G NR私有网路高密度基地台干扰协调机制层次

在5G NR私有网路中的高密度基地台干扰协调机制,主要有三个层次:1.初始基地台建置管理;2.基地台间干扰协调;3.动态调整管理。


首先,基地台的讯号发射功率、覆盖范围、天线波束方向性,都是决定基地台建置的重要考量因素。


私有网路在都会区中是以商办、工厂、医院、学校等组织最有可能建置,若是在商办高度密集区中则很有可能会有好几个私有网路覆盖范围重复。因此,通常在初期都是以覆盖与容量最隹化(Coverage and Capacity Optimization;CCO),以让基地台服务范围内的使用者资料吞吐量(Throughput)最大化为前提,藉由透过调整基地台发射功率大小,并且也需要同时考虑减少造成其他基地台使用者所造成的干扰来达成初期基地台建置管理的目的。


再者,如图二所示,在5G私有网路中同样也存在着大型基地台与小型基地台共存的异质网路,大型基地台的讯号范围将覆盖了大片区域内的最完整涵盖范围,而小型基地台则被用来提升小型区域内的使用者资料吞吐量不足的状况以及弥补大型基地台的讯号覆盖不足的区域,但是这将会造成一个较严重的问题:小型基地台如何抑制来自功率较大的大型基地台的干扰? 因此这就需要探讨到基地台间干扰协调的议题。



图二 : 5G基地台讯号涵盖示意图
图二 : 5G基地台讯号涵盖示意图

5G UDN(ultra dense small cell networks;超密度小细胞网路)是目前探讨5G细胞间干扰抑制的主流技术之一,在5G异质网路中有3GPP提出的演进细胞间干扰控制(enhanced inter-cell interference;eICIC)以及超演进细胞间干扰控制(further enhanced inter-cell interference;feICIC)来抑制细胞间的干扰。


在大型基地台(Macro Cell)中在下行链路(Downlink)中传送多个子资讯框(sub-frame)时,若让一部分的子资讯框保持空白或是关闭,即为几??空白的子资讯框(Almost Blank Subframe;ABS)。


大型基地台在几??空白的子资讯框中不传送下行链路资料,给大型基地台涵盖范围内的资讯接收者,而大型基地台涵盖范围内的小型基地台仍然可以选择是否在这些几??空白的子资讯框中去传送下行链路资料,因此可以让大型基地台与小型基地台的使用者接收到的干扰减少。


因此,可以再根据:


1. 5G私有网路使用者的平均资料吞吐量,以分析出最隹的近??空白子讯框(ABS)/低功率子资讯框比例(LPSF)的比值,以及降低功率比例,这将能找出最大的系统效用函式。特别的是,在5G UDN网路下的每一个基地台,都有机会成为ABS/LPSF的候选提供者。


2. 相邻5G私有网路的基地台,若为同频双工且不同步,则需要拉开两个5G私有网路的基地台的间隔距离,才能避免干扰。因此需要判定相邻5G私有网路的候选基地台,是否为同频双工且同步或不同步,加以确认候选基地台是否能在发挥最大系统效用的情况下,同时也兼顾干扰最小化。


(本文作者王冠雄为台湾立讯网通射频硬体研发??理、陈伟鑫为台湾立讯网通研发总监)


叁考资料

[1] 高一弘,超密度小细胞网路下小细胞间干扰消除之方法(未出版硕士论文) ,国立阳明交通大学,新竹市,2018。


[2] 高浩轩,5G专用网路同频干扰与共存距离之研究(未出版硕士论文),国立中山大学,高雄市,2022。


[3] Wang, X., Teng, Y., Song, M., Wang, X., Xing, A., “Joint optimization of coverage and capacity in heterogeneous cellular networks,” in IEEE PIMRC, pp. 1788-1792, 2015.


[4] K. Mahmoud, H. Walaa, and Y. Amr, “Ultra-dense networks: A survey,” IEEE Commun. Surv. Tuts., vol. 18, no. 4, pp. 2522-2545, Oct.-Dec. 2016.


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