5G與行動邊緣運算推助 小型基地台建置添動能

2016-10-31
小型基地台是彌補大型基地台覆蓋率不足的最佳利器,隨著市場對無線聯網的需求不斷攀升,小型基地台的重要性也與日俱增,甚至被業界視為是實現5G與行動邊緣運算不可或缺的要件,因而引吸愈來愈廠商投入布局。
小型基地台甫面世時,定義相當狹隘,主要指稱在單一外型(Form Factor)封裝之下同時具備無線電單元(Radio Unit)以及基頻單元(Base Band Unit)的基地台,其網路擴增覆蓋區域(Footprint)與功率輸出皆遠低於傳統大型基地台。但此一定義隨著時間慢慢產生變化,許多先前並未被視為小型基地台的裝置,現在也受到熱烈討論。

小型基地台定義的變化不只反映了廠商分類無線電解決方案的方式,同樣也顯現了行動通訊營運商看待小型基地台的角度。雖然定義不再局限,但不變的關鍵分界仍在於功率輸出以及設計目標。小型基地台的功率輸出遠不及大型基地台,主要在大型基地台難以觸及、甚或無經濟效益的地區提供網路功能。

目前小型基地台包括毫微微型蜂巢式基地台(Femtocell)、特微型蜂巢式基地台(Picocell)以及微型基地台(Microcell),其他也在討論範圍中的無線電解決方案還有遠端無線電站(Remote Radio Head, RRH)、以及愛立信(Ericsson)的Dot、華為的Lampsite等遠端無線電系統,偶爾也觸及到分布式天線系統(Distributed Antenna System, DAS)。有些廠商甚至也將Wi-Fi視為小型基地台,但Ovum認為Wi-Fi是種空中介面,並不隸屬於小型基地台。迷你大型基地台(Mini Macro)近期也被歸類為小型基地台,其功率輸出不亞於大型基地台,而覆蓋區域與建置地區等條件則較偏向小型基地台。

另一種分類小型基地台的方式則以應用為基礎,表1為Ovum依照此一基準分類的結果。由於仍有變數,並非所有廠商都符合表中列出之性質,因此以此方式分類時需要保持彈性,舉例而言,愛立信的RBS 6402特微型蜂巢式基地台主要售予中型企業,卻能同時支援128名使用者。

針對不同應用 供應商產品各有不同

小型基地台市場可分為兩組廠商:一組由大型基地台供應商組成,另一組則由小型基地台專門廠商組成。例如思科(Cisco)並無提供大型無線存取網路(Radio Access Network, RAN)解決方案,因此可被視為第二類廠商。

對大型基地台供應商來說,小型基地台只是整體RAN服務的一部分,和大型基地台與核心網路共同組成布局網路的工具。眾廠商提供的小型基地台應用皆大同小異,唯一例外是愛立信,它並無為家庭用戶提供小型基地台。但此現象並不代表每個廠商針對各應用所提供的小型基地台是完全相同的,在觸及各市場應用之中仍存有差異性,所提供的小型基地台類別也不同(詳見表2)。

相較於大型基地台廠商,小型基地台專門廠商中同質性較低。像是Airspan有WiMAX的資源,也擁有大型基地台解決方案,市場中並無具備同等條件的廠商。而思科在網路設備及封包核心網路(Packet Core)的地位也是眾所皆知的。康普(CommScope)在併購Airvana後也得以同時提供分布式天線系統與小型基地台產品(表3)。小型基地台專門廠商與大型基地台廠商最大的不同在於,專門廠商並無意透過提供完整RAN解決方案來競爭,而是聚焦於更小塊的市場,並以技術與服務來與其他廠商做出區別。此外,小型基地台專門廠商也不追求室外或是城域(Metro)小型基地台空間,目標著眼於室內應用。但只要能將對大型網路的影響減到最小,行動通訊營運商對於市場中的混合無線電(Mixing Radio)廠商皆抱持著開放的態度。

小型基地台建置可望採用套裝方案

數間大廠與網路供應商皆已研發專為小型基地台建置使用的套裝服務,大致有以下三類:

.小型基地台即服務(Small-cell-as-a-service, SCaaS)p> .小型基地台供應商擔任促進者角色

小型基地台供應商與擁有基地台用地、能源與網路回傳資源的合作夥伴建立關係,以協助營運商建置。

.企業與加值經銷商(Value-Added Reseller, VAR)合作關係

小型基地台供應商與頻道合作夥伴聯手支援企業3G/LTE小型基地台之建置。

儘管城域小型基地台的益處顯而易見,但要進行大規模建置仍有漫漫長路要走。以下列出幾點挑戰:

.城域小型基地台建置費時又耗力

能提供最佳射頻覆蓋的地區並不一定具備足夠功率;而理想用地的擁有者也可能索取不亞於大型基地台的費用。以上種種理由使得基地台用地不易取得,在城域環境要建置小型基地台可說是難上加難。此外,由於各市政當局所提出條件不一,造成分區作業相當費時。曾有數間廠商反應,建置小型基地台的時間和成本其實跟大型基地台不相上下,因此更亟需找出有助於大量建置的解決方案。

.覆蓋範圍比容量帶來更高建置驅動力

行動通訊營運商建置城域小型基地台是為了補足大型基地台所無法涵蓋的地區,增加網路容量反而是次要的誘因。

.小型基地台只是行動營運商選項之一

行動通訊營運商若要改善網路覆蓋範圍並提升容量,小型基地台並非唯一選擇,購入更多頻譜、增加大型基地台駐點等都能達到相同目標。

小型基地台技術仍在進化中

為了提供不間斷的聯網,並增進移動性、容量以及整體網路效率,小型基地台的效能必須要跟上大型基地台的腳步,否則營運商便有可能提供水準以下的網路效能,進而使得終端使用者的體驗品質不一。就算使用者無法察覺目前連到的是小型或是大型基地台,還是會發現使用上有不順暢的情況。

目前小型基地台技術發展主要聚焦於以下三個面向:

.與大型網路更進一步整合,提供最優化的效能,並善用容量、覆蓋範圍與頻譜運用等益處。

.藉由增進媲美大型基地台的功能提升小型基地台的技術能力以及效能,同時也在小型基地台空間採用集中式無線存取網路(C-RAN)和虛擬化(Virtualization)等全新技術。

.運用未授權頻譜等全新光譜帶,並開發與Wi-Fi等無線網路技術的綜效應用(Synergy)。

小型基地台若要達成更進一步整合並提供同等服務,除了需要標準組織的支援,更需要汲取RAN廠商在提供大型基地台相關功能的經驗,並藉此吸引他們將小型基地台整合進RAN服務中(圖1)。為達到此一目標,小型基地台必須要能支援干擾協調(Interference Coordination)和載波聚合(Carrier Aggregation)等技術,目前仍有諸多改善空間需要以大型基地台的水準突破。同時,SpiderCloud及Airvana等獨立小型基地台廠商也開始在企業解決方案與C-RAN等領域進行革新。

圖1 3GPP連續發布針對小型基地台與新型異質網路建置的支援

小型基地台目前正在規劃或進行商用化的技術有:

.增強型蜂巢式區間干擾消除技術

此一技術為蜂巢式區域間干擾消除(Inter-cell Interference Coordination, ICIC)技術的進階版。eICIC能解決同頻譜中小型與大型基地台之間異質網路的干擾問題。此技術隨著3GPP Release 10推出,更進階版的feICIC也隨著LTE Release 11推出。

.小型基地台雙連線(Dual Connectivity)技術

此技術結合基地台間(Inter-site)載波聚合以及協調式多點(Coordinated Multipoint, CoMP)技術,進而將大型基地台的涵蓋範圍與小型基地台的容量結合來改善效能,在網路回傳不理想的地區效果尤其顯著,還能減少核心網路中的訊息負擔(Signaling Load)。此技術研發始於3GPP Release 12,於Release 13推出強化版,並將於2016至2017年間進行商用。

.高階調變(Higher-order Modulation)

針對256-QAM等高階調變的支援隨著Release 12引進,目標在於改善頻譜效率並支援更高的高峰值資料速率。

.LTE/Wi-Fi互連及未授權頻譜之使用

所有RAN大廠皆開始將Wi-Fi整合進小型基地台產品中,並以經整合的Wi-Fi技術為中心建立使用案例。而使用未授權頻譜以補足現有授權頻帶的作法也特別吸引營運商。授權輔助接入(License-assisted Access, LAA)能支援LTE與Wi-Fi等技術之間未授權頻譜之使用。Release 13其中一項成果便是整併載波偵聽(Listen Before Talk, LBT)功能以能避免LTE廣播干擾Wi-Fi傳輸。眾RAN大廠與SpiderCloud等較小型的廠商皆已表態支援授權輔助接入技術。此塊領域未來的目標極有可能要整合LTE和Wi-Fi的網路聚合技術(Link Aggregation),以及針對LTE的MulteFire頻段。

5G與行動邊緣運算將推動小型基地台建置

5G被廣泛認為是小型基地台最主要的驅動力,其原因如下:

.3.5GHz以上的頻帶雖已排定供5G使用,但尚未具備較低頻帶的無線電傳播(Radio Propagation)功能。

.小型基地台比大型基地台更適合較短波長,也因此成為5G成功建置的關鍵之一。

.即使5G仍需數年時間研發,目前已能開始將小型基地台引入網路進行前置作業。

物聯網(Internet of Things)是5G的首要使用案例,但需要使用更有效率的網路架構,小型基地台便是解藥良方。

歐洲5GPPP研究組織認可行動邊緣運算(Mobile Edge Computing, MEC)是5G網路關鍵的崛起技術之一,同等重要的技術還有軟體定義網路(SDN)/網路功能虛擬化(NFV)。

行動邊緣運算將處理、儲存和管理等網路功能移至基地台或小型基地台,使其偏向RAN端。藉由將資源集中在網路端,行動邊緣運算得以減少延遲時間(Latency)、增進效率並加速一系列服務和應用的提供。不僅有機會減少行動核心網路壅塞問題,也可望降低35%的網路回傳需求。

諾基亞的「液態應用(Liquid Applications)」是MEC的前導。目前已有其他廠商採用行動邊緣運算模型作為虛擬網路的技術之一,最直接的案例便是華為的CloudEdge。

歐洲ETSI標準也正著手進行行動邊緣運算的標準化作業,可望同時接納蜂巢式以及Wi-Fi等非蜂巢式網路。首批規範預計在2016年底公布。小型蜂巢式基地台論壇(Small Cell Forum)表示,由於小型基地台主要以邊緣為導向,許多使用案例都與ETSI行動邊緣運算處理的案例十分契合。

MEC將支援特定功能,讓經授權的第三方能合作研發以小型基地台為基礎的全新應用與服務,造福更多行動用戶、企業,以及垂直合作廠商。這些功能包括影片分析、定位服務、物聯網、優化本地內容傳遞以及網路端的資料緩存(Data Caching)。

(本文作者為Ovum智慧網路資深分析師)

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