帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
Femtocell基地台的發展與技術
 

【作者: 張毓仁】   2008年10月25日 星期六

瀏覽人次:【5932】
  

隨著3G技術不斷演進以及FMC (Fixed Mobile Convergence)的發展趨勢,毫微微蜂巢式基地台(Femtocell)伴隨時代潮流而誕生,在一開始推出就受到行動電信業者與網通設備製造商的支持推動。這個超小型基地台又被稱為3G接取點或FemtoAP。


Femtocell有著一般基地台的絕大部份功能,其裝置的一端經由標準寬頻DSL(Digital Subscriber Line)或Cable連接到行動電信業者的核心網路,而另外一端則透過射頻天線跟行動電話傳遞訊號。這項建立在IP技術之上的接取技術,經由網路來傳送即時的語音與其他應用服務(圖一)。使用者僅需在建築物或家中建立起收發端,亦即設置一台外觀類似WiFi AP的裝置,即可以使用Femtocell的服務。雖然這樣的裝置外觀與一般的WiFi AP差不多,但與一般WiFi AP的相異之處在於Femtocell用的是政府許可的無線電頻道,因此必需受到行動電信業者的管理。一般來說不同電信業者門號的行動電話並無法共同使用同一個Femtocell,如此勢必會促使同一個家庭的用戶都使用同一家電信業者的門號。



《圖一 Femtocell網路架構 》
《圖一 Femtocell網路架構 》資料來源:Femto Forum,資策會行動通訊中心整理

用戶只需要在戶內裝置Femtocell主機,便可摒除以往收訊障礙的困擾,輕鬆享受高品質的3G連線服務。當使用者進入Femtocell的訊號覆蓋範圍,使用者的行動電話就會自動由戶外的大型基地台切換到所處室內空間中的Femtocell。就使用者操作而言,在室內Femtocell訊號覆蓋的範圍中使用行動電話,與一般在戶外使用行動電話是沒有任何的差異,所以Femtocell對用戶的使用上具有相當的便利性,除此之外,任何行動電話可以使用的功能如影像電話也可以在Femtocell訊號覆蓋的範圍內使用。值得一提的是,因為Femtocell的訊號覆蓋率良好,行動電話可以降低其發射功率、減少電池電力耗損、延長待機時間,同時也減少行動電話對人體的輻射。由於行動電信業者可能為鼓勵安裝而給予Femtocell用戶費用上的補貼,提供優惠的行動通訊家庭套餐使用方案,因此消費者也可以獲得話費上的優惠。


除了為消費者帶來好處之外,Femtocell也有利於行動電信業者:使用Femtocell可以增加訊號的涵蓋範圍,還分擔原本戶外大型基地台的通話流量、減少網路的負荷,所以不但可以減少行動電信業者的佈建成本,同時也節省了的空調、電源、機房和電路維護的成本。


。,、


發展歷史

2002年,一群頂尖的工程師在Motorola進行一項研究計畫,計畫目標的主要成果之一,是一座世界上最小的3G基地台。這個產品的外觀類似WiFi AP,但是卻使用於蜂巢式行動通訊系統上,這可以說是Femtocell的雛型。在2004年,成立了一些專注於研究開發 Femtocell產品的公司,如 Arivana、Ubiquisys等。自此Femtocell這個的名詞逐漸被廣泛的使用,隔年則有更多的大公司加入開發 Femtocell的行列,如Samsung、ip.access等。到了2007年,Femtocell的概念已經成為通訊科技的主流,不但引起業內外公司的關注,也吸引媒體與觀察家的目光。不少公司透過公開的場合或研討會展示相關的產品。同年七月,Femto Forum 成立,其組織成立的宗旨即是為了向世界推廣Femtocell,並促進這項新科技的成功。短短不到一年的期間,該組織的會員已經超過60家公司,除了通訊設備廠如NEC,Motorola加入這個組織外,不少的大型行動電信業者如 AT&T、BT 與Vodafone 也是Femto Forum的會員。


市場現況

目前已經有不少公司開始佈局Femtocell。在今年年初,行動電話營運商O2與NEC還有Ubiquisys共同合作在英國進行大型的實場測試,共500位使用者參與這項測試,而這些使用者對這項測試都有不錯的回應。這可以說是Femtocell新的里程碑,因為這實驗的成功代表Femtocell這項技術已經可以成熟到可以商業化的地步。此外Vodafone也與華為科技合作,在西班牙進行測試,同時,美國最大的電信業者AT&T也將於在當地進行小量測試。國內的電信業龍頭中華電信也率先引進這項技術,在今年七月開放3G Femtocell與閘道器投標,這次有Nokia Siemens Network、Alcatel Lucent、NEC、Samsung等四家國際大廠參與競標,並將於九月開標。雖然這次招標金額不大,但的確具前瞻性的指標。國內的網通業者如正文、友訊、中磊、華碩、合勤等未來將有機會接到大廠釋出的訂單。中華電信也將於第四季推出Femtocell的服務,並根據消費者反應,未來再大舉鋪設。


除了行動電信業者跟電信設備廠商積極地想要進入Femtocell這塊市場外,目前不少的晶片製造商也躍躍欲試,其中以picoChip的產品最為齊全,從3G、Wimax、LTE均有提供Femtocell的解決方案。而以色列晶片廠Percello的3G Femtocell晶片也將於今年年底之前問世。Continuous Computing是一家通訊系統及軟體公司,它們提供完整的Femtocell通訊協定軟體,並且和picoChip合作開發整合式的Femtocell的參考平台。


網路架構

目前Femtocell的架構可說是五花八門,在不同的架構之下,Femtocell整合NodeB與RNC的程度也隨之不同,而連接到核心網路的界面也因此大相逕庭。除了目前3GPP尚在制定Iu-h架構外,目前市面上設備廠商推出的架構主要可分為四種,以下茲以概略說明。


Iub-over-IP架構

這是早期的Femtocell廠商所提出的架構,Femtocell 設備僅具有Node-B的功能。在這個架構下,Femtocell並且與Macrocell共用RNC,也就是說RNC把Femtocell當作一般Macrocell來處理。這個方案的好處是網路架構清楚且投資成本小。然而因為RNC有容量與埠數的限制,Femtocell反而會造成系統所服務用戶數的減少、浪費RNC的容量,所以此架構的缺點是較不符合經濟效益(圖二)。


《圖二 Iu-b over IP網路架構 》
《圖二 Iu-b over IP網路架構 》資料來源:資策會行動通訊中心繪製

Iu-over-IP架構

在這個架構下Femtocell具備了Node-B與部份RNC的功能。在IP接取網路的部份則加入新的網路元件FemtoGateway。FemtoGateway在Iu介面接受來自Femtocell的資料,再通過標準的Iu-CS與Iu-PS介面把這些資料送到核心網路,而FemtoGateway的主要功用便是將資料在不同協定做轉換。除此之外,FemtoGateway還負責Femtocell的遠端控制與管理的工作(圖三)。


《圖三 Iu over IP網路架構 》
《圖三 Iu over IP網路架構 》資料來源:資策會行動通訊中心繪製

UMA/GAN架構

在這個架構下,UMA/GAN client的功能被整合進Femtocell。 Femtocell可以利用現有的UMA的安全機制以及傳輸管理方式與核心網路溝通。之前所提到FemtoGateway的功能則是被GANC (GAN controller)所取代,而Femtocell則是被GANC 視為一個UMA的終端裝置(如圖四)。


《圖四 UMA網路架構 》
《圖四 UMA網路架構 》資料來源:資策會行動通訊中心繪製

SIP/IMS架構

在此架構之下,行動電信業者會建構一個IMS的核心網路,由這個IMS核心網路對Femtocell用戶提供服務,PDG (Packet Data Gateway)負責接收來自Femtocell的資料並將其傳送到核心網路。而Femtocell與PDG之間的傳輸則是採用SIP協定方式。SIP/IMS這方式是行動電話營運商發展的長期目標,但是因為需重新建置IMS核心網路,所以這個架構的投資成本相當大 (圖五) 。


《圖五 SIP/IMS網路架構 》
《圖五 SIP/IMS網路架構 》資料來源:資策會行動通訊中心繪製

綜合上述,由於目前的網路架構種類繁多,不利於市場推動,所以目前3GPP已經將Femtocell 納入於Release 8的規範中。其中規格書定義了兩種的網路元件:HNB (即Femtocell),HNB Gateway(即Femto Gateway) 與一個新的介面Iu-h,這個新的介面將會是現有的Iu與GAN架構的混合體。HNB經由Iu-h介面將資料傳送到HNB Gateway,而HNB Gateway則利用現有的Iu-CS與Iu-PS介面與核心網路溝通(如圖六)。這個標準目前已經獲得Alcatel-Lucent、Kineto、Motorola和NEC的支持。


技術挑戰

低成本、低售價的Femtocell

低成本及低售價的Femtocell對這項新的技術能不能成功具有決定性的影響。曾經有市場分析機構做過研究,Femtocell的市售價格要低於一百美元才能被一般民眾所接受,而現今製造商的Femtocell成本還在兩百美元附近,與理想價格還有一段距離。如何大幅度地減少成本,除了取決於設備製造商如何將Femtocell裡所有的硬體元件整合在同一顆晶片上面,另外一個決定因素則是如何將軟硬體功能做適當地切割與整合。


與現行網路架構做整合

現行的Femtocell架構種類繁多,各家網路通訊設備製造商都發展出自家專屬的規格與解決方案,同時各行動電信業者也是以設備製造商的私有非標準化架構來進行測試。因為缺乏統一規範,使得各個網路設備間的資訊傳遞出現困難,除了有擴充不易的問題,也增加各設備的製造及維修成本,更不利於此新技術的推廣。目前3GPP已打算在Release 8的規格書中明訂對FemtoCell主要部份的規範,最後規格的確立將會是在明年之後。


遠端設備管理

一旦將來Femtocell在市場上廣為被接受時,大部份的家庭或公司內部可能都會設置Femtocell,屆時,行動電信業者的核心網路會面對上千萬的Femtocell。核心網路伺服器要如何在各個Femtocell之間分配其網路資源,也是一個重要的議題。當有需求時,這些Femtocell也可以自動地將功能做升級。目前Femto Forum 已經決定採用TR-069通訊協定來作為Femtocell的遠端管理與配置以及服務供應的方法。


射頻的頻率干擾

Femtocell存在著關鍵的問題便是頻率干擾。不僅Femtocell 會對Macrocell產生訊號覆蓋上的死角,而Femtocell與Femtocell彼此之間也同樣地會產生干擾。現在有些廠商,計劃把他們的Macrocell網路與 Femtocell 分配在不同的頻率上以解決這個問題,但是這個方法有個缺點,就是會造成頻帶的浪費與缺乏使用效率。Ubiquisys這家公司則利用感知無線電的概念來實作Femtocell。這種Femtocell在啟動時可掃描附近其他的Femtocell與Macrocell,然後再調整其操作頻率。


時間上的同步

3GPP的核心網路要求各基地台準確的時刻資訊來編碼及解碼傳輸的資訊,對Femtocell 設備的同步精確度要求又更高。一些行動電信業者對於依賴IP網路在基地台之間傳輸準確的時刻資訊表示懷疑,認為它不能夠使得資料正確編碼和解碼,並憂慮用戶端Femtocell會面臨一些無法控制的突發狀況,這些問題包括:突然的網路重新配置,或者是特殊的業務流量導致時間封包傳遞的延遲。現在一般作法不是採取傳統的NTP (network timing protocol)就是以最新制定的IEEE 1588 規格為解決方案,因為這樣才可以符合在Femtocell架構下的要求。


服務品質與流量優先次序控制

當有成千上萬台Femtocell藉由ADSL與Ethernet連接到後端的核心網路時,Femtocell與Femtocell彼此之間會互相排擠資源,爭奪網路頻寬。不同種類的封包透過IP網路傳輸,其中以語音電話的傳輸是需要即時性的,而且對時間延遲具有高度敏感性的。除一般的語音、影像資料封包外,IP網路還要傳送時間資訊如IEEE 1588或者是NTP的封包。這是對IP的連接是非常具有挑戰性的。所以區分封包流量的傳送優先順序就是這項技術是否會成功的另外一個要素。


資料加密與安全性

目前對Femtocell的認證乃是經由的USIM上的資訊來完成EAP-AKA的流程。這個方式非常容易遭受到駭客的攻擊。攻擊者可以使用一台有USIM讀卡機的筆記型電腦來取得網路端的認證,然後藉由攻擊HLR(Home Location Register)來癱瘓行動電信業者的核心網路。現在有些廠商提出以X.509為基礎的認證方式,將憑證(certificate)以及密鑰(private key)在一出廠時就存放在Femtocell裡受保護的晶片當中。這個方式是以接取網路(Access Network)的FAP identity server負責Femtocell的認證工作,所以可以減少了以USIM為基礎認證方法上所產上一些安全性的問題。


結語

Femtocell帶來了許多技術發展的機會與使用上便利性。行動通訊系統業者利用此項技術,不但可以降低現有戶外大型基地台(Macrocell)的負荷、增加覆蓋率、使得系統業者可以提供更佳品質的室內行動資料服務,進而增加用戶對系統業者的滿意度。也因為如此,使用者更可能進一步地改變使用習慣,如增加對多媒體或加值服務的使用。從財務角度來看,還可以增加系統業者的利潤跟營收。


根據市場研究機構ABI Research的預測,到2011年全球將會有一億兩百萬Femtocell用戶。在這樣一個新知與技術風起雲湧的時代,Femtocell背後所隱藏的龐大商機是可以預見的。3G行動通訊系統業者勢必與網路設備製造商密切合作,而在未來幾年中,這些網路設備製造商勢必將受惠於這個高度成長的新科技,同時,這也是台灣的網路設備製造商切入行動通訊核心網路供應鏈的一個絕佳時機。


對於Femtocell的用戶而言,這項新科技除了可以強化行動通訊設備在室內的通訊品質,還帶來更高速率的資料接取服務。用戶無論是在家中或者戶外,都可以使用行動電話來做為主要通訊工具。未來,系統業者將有許多新的應用服務提供給用戶,這些新的服務也將以更優惠的價格為使用者帶來更多生活上的便利。身處這個通訊技術發展日新月異的時代中,Femtocell技術不僅加速了資訊傳輸的效率與便捷,更為下一個世代的生活藍圖添上一筆豐富的色彩。可期的是,除了相關系統廠商的技術提升之外,消費者更將是此波潮流的最大贏家。


(作者任職於財團法人資訊工業策進會網路多媒體研究所行動通訊中心)


相關文章
主要國家行動頻譜使用現況與規劃分析
高整合3G模組加速智慧車上路
4G部署:多模的極致效用?
朝向對人類與地球更友善的資訊社會邁進
3G UMTS網路行動力 VS. Femtocell搜尋表現
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
mbed
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Arduino
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Raspberry Pi
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
  相關新聞
» 蔡司3D X-ray量測方案 加速先進半導體封裝產品上市時程
» ADI新隔離技術最大化電源效率並最小化輻射 助攻工業4.0
» 2018十大SSD模組廠品牌排名 金士頓、威剛、金泰克穩居前三
» 擴充測試設備庫存 益萊儲為5G商業部署測試提供保障
» 高通完成RF360控股剩餘股份的收購
  相關產品
» HOLTEK New BC3602 Sub-1GHz FSK/GFSK Low Current RF Transceiver IC
» 是德推出單機式多通道毫米波量測解決方案
» R&S CMX500完成5G NR協定一致性測試驗證
» 益萊儲任命最新全球CEO兼總裁Jay Geldmacher
» Molex推出新型MicroTPA 2.00毫米 線對板和線對線連接器系統
  相關資源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw