解決後4G時代訊號干擾問題　新世代行動通訊網路架構掀革

在4G即將陸續開展其服務的此刻，產業界已開始將眼光放在未來5～10年的5G發展計畫，而這技術所根據的基礎將會有何改變？

全球行動產業發展將朝三大趨勢推進：第一，行動視訊流量呈現爆炸性成長，預計2018年，全球行動視訊市場規模將超過300億美元，行動視訊流量將占行動寬頻總流量80%；第二，行動寬頻將帶來一個潛力巨大的藍海市場，觸發醫療、交通、零售等多領域出現全新業務模式，為人與人、人與物、物與物提供普遍的無線連接；第三，預計2020年，智慧終端設備的數量將超越全球人口總數，且智慧終端設備的功能將擁有更高、更快傳輸效能。

據估計，到2020年每個人都將能透過無線裝置相互連接，並隨著物聯網(IoT)的推動，將會有七兆個聯網裝置與七十億的聯網使用者，這當中的無線傳輸將會是無所不在。另外，包括那些行駛中的交通運輸工具，當中配備是透過感測器或標籤進行感應傳輸，並且能夠聰明的根據所處情境而運作。

基地台微型化趨勢成形

在此趨勢下，小型基地台商機將快速湧現。工研院IEK指出，未來行動通訊網路將逐漸轉變為以小型基地台(Small Cell)為主的部署型態，小型基地台將適用於住宅、企業辦公大樓、大型賣場，以及室外短距離傳輸等應用場域。根據小型基地台論壇(Small Cell Forum)的預估，全球小型基地台2016年出貨量將達6,240萬台。

因應數據流量的不斷爆增，比小型基地台更小的微型基地台也應運而生。4G長程演進計畫(LTE)系統架構不再只是大基地台與大基地台之間的傳輸，而是在大基地台基礎之下，再由小型基地台、大樓內的微型基地台，以及更小的毫微微型蜂巢式(Femtocell)基地台共同架構而成。透過小基地台或微型基地台的支援，數據流量較高地區的大基地台，可彌補彼此之間的漏洞，達到更好的傳輸能力。

不過，受限於LTE商用模式不明及訊號干擾等因素，LTE小型基地台與Femtocell基地台的產品動能仍不明顯。雖然目前分流需求不明，但因異質架構網路是未來LTE與先進長程演進計畫(LTE-Advanced)架構持續發展目標，所以透過大小基地台間，與各種中繼站(Relay Node)進行協同合作與溝通，使行動傳輸更具效率與彈性，是必然趨勢，所以4G LTE小型基地台未來需求仍將湧現。預估2014年下半年，美國、日本、南韓在用戶滲透率提高，密集度達到一定水準之後，分流需求將會湧現，屆時小型基地台的需求也將呈現跳躍性成長。

4G要先克服訊號干擾

儘管LTE發展備受看好，但是未來幾年，LTE要再以前兩年一樣的速度飛快成長，仍然面臨多重技術障礙。目前LTE正面臨三大挑戰，包括訊號干擾、回程網路解決方案(Backhaul Solution)以及異質架構網路(Heterogeneous Network)等，尤其訊號干擾問題受到高度關注。

LTE使用頻段更多，且不同於2G、3G架構，就如前面所述，以往架構是由許多大基地台進行串聯傳輸，而LTE架構有各式基地台，中繼節點更多，因此使訊號干擾問題更甚於2G與3G行動網路。

因此，為追求更好的LTE傳輸品質，設備商藉由發展多重輸入多重輸出(MIMO)系統，來增加傳輸速率、距離，以及提升頻譜效率；但是，MIMO存在訊號干擾失真的問題，因此解決訊號干擾的天線與射頻濾波器，已成為未來LTE的關鍵技術。

針對此訊號干擾的挑戰，通訊設備業者也紛紛推出解決方案，例如CommScope推出雙光束(Twin Beam)解決方案，使每個天線可以達到六個扇區，強化波束密度，減少波束覆蓋，進而降低天線之間的干擾問題。

圖1　Cloud Radio技術架構圖

無獨有偶，中興通訊也推出相關解決方案。中興通訊指出，相較於2G與3G網路建置，LTE面臨的干擾問題嚴峻許多，因此如何處理不同基地台之間的小區間干擾問題，是解決LTE干擾的關鍵。對此，中興通訊推出適用於4G網路的Cloud Radio解決方案，透過雲調度(Cloud Scheduling)和雲協同(Cloud Coordination)，讓LTE網路更加順暢(圖1)。

國際電信聯盟(ITU)定義的4G具有1Gbit/s的單用戶資料速率。而次世代5G網路目標不僅要提高此速率，且要打造一個能提供此速率的高容量網路，以支援更大的用戶社群。換句話說，就是將更大的匯集容量，提供給更多的用戶同時使用，或是增進頻譜使用效率。研究中假定，行動裝置可在幾百MHz到最高80GHz的頻率範圍中運作。室內基地台的尺寸可以像一個房間那麼小，它採用超微型(Pico)和毫微微型基地台，在射頻(RF)下將頻率重複利用率最大化。

這些研究報告並沒有核心網路連接起來的具體細節，但假定核心網路應提供前面提到的無縫連接；同時，它們也沒有針對必須與高容量網路介接之行動裝置的功耗問題提出解決辦法。

然而，雖然5G被設定成可同時使用多種無線介面技術，但它是一個獨立的無線通訊系統，而不是整體電訊系統的一部分，也就是說5G標準並未提及蜂巢網路與無線區域網路(WLAN)的整合，但它明確指出將脫離固網服務範圍，使其成為家庭和辦公室應用的最佳解決方案。

次世代無線傳輸技術發展熱絡

圖2　傳輸速率的遞減

目前4G LTE，甚至到LTE-A的傳輸都是根據在多人多蜂巢細胞的架構，無論是正交分頻多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)、MIMO、協同性多點傳輸接收(Coordinated Multi-point Transmission/Reception, CoMP)，都是按照分時多工的概念所規畫的，也就是以共享頻寬的概念來進行傳輸。上述所指為當有多人在同時進行傳輸時，系統會依照優先順序或是依時間順序排隊進行傳輸，當有十個用戶裝置在單一介面都須要進行傳輸時，每個裝置就只能分配到十分之一的頻寬，這也是所謂的Shannon定律，而這也主宰了目前無線傳輸技術的發展。

目前在LTE的環境之下，每個裝置和最近的基地台可以用10MHz的頻寬進行傳輸，不論是利用波束成形(Beamforming)、MIMO及其他的多工技術，每個裝置都是分享此10M的頻寬，因而導致干擾的情況。目前解決此干擾的方式，都是使用時槽(Time Slot)的原則來進行多工處理，所以隨著聯網裝置呈指數的增加，速率則是出現指數下降的情況(圖2)。

面對5G無所不在異質網路的高速傳輸需求，而且是沒有死角與阻塞的情況，技術人員必須解決上述延遲的問題，並以光纖的速度進行傳輸。目前有一項突破的傳輸技術，是Artemis所提出的DIDO的解決方案。所謂的DIDO，是一種新的無線寬頻的傳輸架構，稱作pCell(Personal Cell技術)，可以稱作個人蜂巢網路的架構。雖然它是在2011年所提出的，不過據此公司指出，他們發展此技術已近10年了。

此技術捨棄過去透過無線蜂巢基地台進行傳輸的方式，所以也可稱作無蜂巢(Cell-less)的傳輸方式。因為既有的架構都是透過分工的方式，雖然各基地台能夠彼此合作和協調，可以採用的改善多工方式都是架構在MIMO之上，也就是說各上網裝置都必須要分享頻寬，所以這些都是目前4G LTE的局限。

而這種DIDO技術的架構是每個聯網裝置在其本身的「Cell」中，可以充分使用連線的頻寬，根據該計畫主持人Perlman所提供的數據，可以達到光纖的速度，他稱之為無線光纖；這對於那些處在都會地區而言，或是大型的聚會場所而言，其可以發揮相對較佳的優勢。

每個聯網裝置可用其專屬的頻寬連上DIDO的路由器，而路由器可集中在業者所建置的網路資料中心(Data Center)，形成DIDO資料中心。當然，每個聯網裝置都需要有個DIDO的天線裝置，用以與DIDO路由器進行傳輸工作。根據DIDO提出者的計算，這可以提升約一千倍的速率。

圖3　DIDO架構圖

一般行動網路都是包含聯網裝置和無線存取裝置，不過在DIDO架構中，在連至網路之前，每個聯網裝置要先有DIDO天線與接受器，再連至DIDO存取點和伺服器；每個裝置都有個DIDO接收器，用以接收來自路由器回傳的訊號；它們所回傳的訊號在同時間回傳(圖3)。此DIDO伺服器將來自於各聯網裝置所發出的訊號合起來，而非以時間來多工處理，因此每個訊號所得到頻寬都是相同的，而且能夠使用所有可用的頻寬，不是以分享頻寬的方法，藉由此原理提升千倍的速率。

5G網路即將到來

全球4G建設還在進行中，5G行動通訊的技術探討就已經開始展開，預計2020年行動寬頻將迎向5G時代，屆時無線傳輸速率將比現在LTE最快的速率，還要快上一百倍。華為正積極投入5G標準化及研究工作，並已經在2012年成立實驗室，研究下一代網路技術，包括5G、次世代被動光纖網路(NG-PON)等。

5G被設定成可同時使用多種無線介面技術，以突破既有行動通訊的局限。然而DIDO也提供一個極佳的傳輸技術解決方案，不過其應用範圍，被視為是在實體層的範圍，在其他像接取層以上的網路層級，仍然未清楚的定義，或有其局限性。而就目前3GPP訂定的規範而言，也尚未納入此技術。

5G抑或DIDO　局勢仍未定

隨著5G的到來，所有的裝置都將處於可聯網的架構之下，因此無論可見光上網、電力上網，其他各種傳輸介面都是為此而準備。就上述的DIDO來看，Perlman稱它可以做為4G的後繼技術，而且它可以和既有的上網裝置整合在一起，能夠帶來高產出與低延遲，這可適用在室內通訊或是高速行駛的火車當中，能夠帶來高產出與低延遲，提供無蜂巢細胞、無死角、無交遞(Handoff)、無蜂巢邊緣等優勢。

Artemis已在舊金山架構起350個pCell，並已開始和科技與通訊公司進行合作。接下來要做的就是標準化的工作。不過，就其技術本身而言，其效能與擴充性也受到極大的質疑，因為所提供DIDO的伺服器勢必要有頂級的效能，而且數量上勢必要很多，這對於目前行動通訊業者而言，也造成擴充上的難題。不過無論如何，次世代網路的傳輸技術，將會是下一波網路變革的主要驅動來源。