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LTE Femtocell搭起寬頻無縫連接的橋樑
4G到你家!

【作者: 籃貫銘】   2011年08月03日 星期三

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人們有多愛用行動上網?根據思科「視覺網路指標(Visual Networking Index,VNI)」的研究報告顯示,2010年全球的行動網路數據流量達到每月237 PB(petabytes),幾乎是2000年全球網路(含固定網路)流量的3倍。會造成如此熱潮,除了Wi-Fi技術在NB上的普及之外,智慧型手機與社交網站的興起更是一大原因,尤其是智慧型手機在去年的熱銷,更讓行動網路的需求節節高升,作業系統大老微軟(Microsoft)就預測,至2014年時,智慧型手機的數量將會超過PC,屆時行動網路的頻寬需求將再創高峰。這也促使電信商必須升級現有的無線基礎設施,提供消費者更快、覆蓋率更全面的無線寬頻網路,而4G就因應而生。



《圖一  Femtocell AP的市場規模預測。》
《圖一 Femtocell AP的市場規模預測。》

前進4G,LTE Femtocell扮推手

為了前進4G時代,業者與電信組織紛紛尋求解決之道,其中LTE因相容於現有的3G基礎設施,具有下行100Mbit/s,上行50Mbps的高傳輸速率,且能改善小區邊緣用戶的收訊,提高小區容量,降低系統延遲,支援100km半徑的小區覆蓋,能夠為350km/h高速移動的用戶提供大於100kbps的接入服務,因此成為跨入4G前的重要標準。由於LTE採用Node B的單層結構,有利於簡化網路和降低延遲,以達到低時延、低複雜度和低成本的要求,也獲得了多數電信商的青睞。


雖然LTE規範的好處眾多,但電信業者仍面臨每位元傳輸獲利太低,以及室內用戶覆蓋率不佳等挑戰,前者主因佈建成本仍高於獲利;後則是訊號強度在室內明顯不足,特別是在進行高資料量傳輸的時候。而為了克服這些挑戰,Femtocell就成了當前電信商最佳的解決方案。資策會網多所組長許亨仰博士就指出,光靠佈建大型基地台(Macro Cell)很難解決室內傳輸效率不佳的問題,再加上佈建額外基地台的成本很高,因此採用Femtocell是最經濟、也最有效率的方法。



《圖二  家用Femtocell的佈建應用範例。》
《圖二 家用Femtocell的佈建應用範例。》資料來源:Ubiquisys

根據資策會MIC的調查報告,2011年全球的Femtocell出貨量預計將達到810萬台,年成長率高達277%,至2014年時,將達到4千3百萬的規模,而成長率仍維持在38%的高檔。FemtoForum的報告也指出,至2012年Femtocell AP的出貨量將超過1000萬台,顯見Femtocell對於LTE佈建與普及的重要性。


標準定義陸續完成 商業規模可期

在傳輸架構上,Femtocell推廣組織FemtoForum,在經過多次會議討論,把Femtocell導入TR-069與IEEE1588等規範,強化Femtocell在遠端服務配置與管理以及網路同步化處理的能力。之後3GPP陸陸續續定義數版針對Femtocell的規範,其中第八版的標準文件中,詳述了femto架構,使用Home Node B(HNB)和Home eNodeB(HeNB)的術語,並定義了新的「IuH」介面,此種介面能夠將家庭基地台直接連到3G和 4G核心網路。


而關鍵的第九版規範中,新增了數項的概念與定義,包含:(1)新增了混合通訊的概念(hybrid cell),讓所有的用戶都能接取,但採用封閉型用戶群組(Closed Subscriber Group, CSG)的方式進行管理;(2)外而內的行動能力(Inbound mobility);(3)管理舊的CSG資訊;(4)接取控制;(5)HeNB的管理與維護;(6)電信商控制的CSG列表;(7)定HeNB的RF需求。而這些規範定義之後,也讓Femtocell的商業化更加迅速。


在台灣的部分,NCC在去年已完成了Femtocell型式認證及審驗技術規範,在相關管理細則完成後,已可開始提供電信業者申請審驗布建。由於此驗證規範的底定,也讓台灣電信業者的態度產生轉變,從原先的觀望轉為實際行動,目前台灣幾家電信業者都表示很有興趣,其中又以中華電信最為積極,預料今年就會展開佈建的動作。


低功耗易佈建 避免干擾是要點

相較於大型基地台,Femtocell除了擁有成本與佈建容易的優勢之外,還具備了多項特點。首先在數據傳輸上,Femtocell由於體積輕巧,能佈建在辦公室與住家內,因此可以解決行動通訊覆蓋率不佳以及室內傳輸量不足的問題,以提供用戶無縫的無線網路服務;再者,Femtocell的功耗低,能夠提供較低電耗的數據接取,對於環境及用戶都更加友善。而截至目前為止,全球已有19家電信商開始佈署Femtocell。



《圖三  跨階層干擾(Cross-tier Interference)示意圖。》
《圖三 跨階層干擾(Cross-tier Interference)示意圖。》資料來源:資策會MIC許亨仰博士

《圖四  同階層干擾(Co-tier Interference) 示意圖。》
《圖四 同階層干擾(Co-tier Interference) 示意圖。》資料來源:資策會MIC許亨仰博士

佈建Femtocell雖有許多的益處,但仍有數項挑戰須克服,包含整體通訊介面的管理、佈署與營運分析、安全性、行動能力以及時間的同步。首先在通訊介面的管理上,避免訊號相互干擾是主要的議題。許亨仰指出,Femtocell網路的干擾問題依照干擾源可分為兩類,一為跨階層干擾(Cross-tier Interference),是Femtocell與基地台(Macrocell)間的干擾;再者為同階層干擾(Co-tier Interference),是Femtocell與Femtocell間的彼此干擾。


許亨仰表示,由於Femtocell佈建的地點是由使用者自行架設,因此無法事先規劃與限制,所以可能會產生密集設置的地區會產生無線干擾問題,例如公寓住宅區或辦公大樓等,這些出現干擾的範圍稱之為Dead zone,Dead zone的產生造成使用者的嚴重干擾,也是Femtocell網路系統佈建的重大挑戰。而目前可以採取的解決方案有功率控制、智慧化基地台佈建規劃、避免跨階層干擾與同階層干擾的資源分配演算法等,進一步降低干擾與優化QoS,並協調使用者間的負載平衡,提升戶用的通訊品質。


SoC晶片紛問世LTE Femto即將起飛

對於LTE Femtocell的終端產品業者來說,除了要面臨軟體端的架構與程式開發之外,硬體架構的設計也是其一大挑戰,主要的困難點就在於整合LTE RF/Baseband,以及WAN介面接取的設計。但隨著晶片商陸陸續續開始提供整合性的SoC解決方案與設計參考後,不但讓LTE Femtocell CPE的開發難度降低、生產速度加快,同時整體的製造成本也大幅下滑,市場普及舉日可待。


以Picochip為例,針對LTE標準,該公司在前年(2009)就推出了一款整合軟硬體的平台方案---「PC960X」,只要LTE基地台的OEM/ODM商使用現有的Picochip硬體,就可以立即進行LTE產品的開發。該系統整合了基頻、射頻與軟件層,同時還支持TDD和FDD。而為了因應HSPA+過渡到LTE間的需要,該公司也開始發展雙模的產品,去年底(2010)推出的PC500解決方案,是一個整合LTE基頻處理器的單晶片,同時也支援HSAP+標準。今年年初時,更推出了專門針對成本敏感的小型基地台SoC方案---「PC3008 」,此SoC晶片以40nm製程技生產,內建一顆ARM11處理器(950MHz),讓廠商能夠製造更具成本效益的femtocell。


另一家晶片商高通(Qualcomm),也在去年宣布開始提供首款Femtocell的晶片組樣品---「FSM9xxx」系列,該晶片支援3GPP與3GPP2標準,且具備1GHz處理器核心,並整合射頻與電源管理。但目前該系列晶片僅支援HSPA+與CDMA標準,仍未具備LTE規範,但預料未來也會走向雙模的架構,提供LTE的支援。


結語

對於解決行動通訊室內數據傳輸與覆蓋率不佳的問題,Femtocell是一項非常有潛力的技術,尤其是高品質的傳輸效率,以及快速啟動和易於採用的特性,對於推廣LTE系統服務將非常有幫助。隨著標準與規範陸續定義完成,以及相關晶片方案供應商和OEM/ODM業者的參與,預料Femtocell將可在2-3年之內,引發用戶與電信業者的青睞。


未來,LTE Femtocell仍需積極改善互通介面的管理、安全性以及用戶行動能力的議題,以讓該技術成為更穩定、更可靠且更普及的通用性產品。


※BOX:CTimes小辭典


什麼是Femtocell?

Femtocell全名為毫微微蜂巢式基站,又被稱為家庭基站,是佈建在室內的行動通訊基站(Femto AP)所形成的超微型cell。一般的終端裝置,可以透過Femtocell Access Point經由家庭的寬頻網路(如ADSL或光纖)連接至電信網路中的Femtocell Gateway,來取得行動電信業者所提供的語音與資料傳輸服務,是一項擴展流動通訊室內覆蓋的解決方案,可以把用戶手機發出的話音和資料呼叫,傳輸到基於標準介面的3G核心網絡,而且其接入點即插即用,可連接到任何現有基於IP的傳送網絡。


※BOX:多元化的Femtocell產品設計


一般家用的Femtocell。

戶用的Femtocell。

超小型的Femtocell,能以USB連接電腦使用。

企業級的Femtocell,能支援較多的用戶。

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