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MIMO/Femtocell/SDR扮推手
4G技術問世指日可待

2009-11-19

J.P. Rissen

眾所矚目的4G標準，在業界全力的催生之下，已經離真正普及愈來愈近。尤其包括標準制定組織、設備供應商與晶片業者的推動下，4G更成為近期沸沸揚揚的話題。然而，正因為4G具有強大效能，也就需要完整的技術支持才能真正實現，包括MIMO、Femtocell與SDR都將是關鍵。

國際電信聯盟無線電通訊組(ITU-R)預估語音流量在2015年前仍為主力，但是情況已有轉變，視訊加上各種型態的行動商務等豐富多媒體娛樂服務，會成為帶動利潤的主要來源。而此一轉變將助長先進技術的出現，以擴大頻寬及生產量，同時優化頻譜效率。

面對這樣的趨勢，服務供應商紛紛評估、購買和部署新的無線服務傳輸技術，致力於滿足新的需求，並同時在傳統領域上求得最大利潤。能有效從2G、3G過渡到最終4G基礎架構的公司，將可在往後的10年內站穩腳步。因此，本文將綜合闡述這些相互重疊的無線標準2G、3G和4G，以助理解無線基礎架構的演進情況，提供企業/公司對下一代技術系統的投資內容及商業模式的參考基礎。

3G起步雖遲疑　後期發展一飛沖天

自從90年代早期萌生2G數位無線蜂巢通訊技術，公共無線通訊已有了大量的發展。在最早期時，全球行動通訊系統(GSM)及其北美對等系統分碼多重存取(CDMA)，主要是針對語音服務而設計的服務，但它們支援數據的能力不足，僅能提供如簡訊(SMS)和低速資料封包傳輸。

直至90年代末期，3G蜂巢通訊系統問世，但不同系統間仍不相容，隨著全球行動通訊系統(UMTS)和CDMA2000等早期3G技術，則明顯改善運作效能，包括同時使用電路服務(Circuit Services)如語音和視訊通話，以及封包服務如網頁瀏覽或者即時訊息，加上更高的傳輸速度，如UMTS R99的數據速率可達384kbit/s，CDMA2000 EV-DO初始版本峰值速率達2.4Mbit/s。

在2005～2006年開始部署這些技術時，改善了上下行的用戶體驗和頻譜效率。高速且具適應性的無線電介面封包傳送機制，加上混合式自動重傳請求機制(HARQ)等先進重傳技術，更增進相關運作效能的提升，也帶動大量的用戶採用。

LTE/WiMAX浪潮來襲　全IP化成必經之路

研究固網隨時間演進的情況，是預測無線系統是否會出現大幅變動的好方法。從數據機的撥號連線到高速非同步數位用戶迴路(ADSL)不斷增長的傳輸速度，以及從電路交換到IP封包架構等服務內容來看，皆為如此。

很明顯地，無線技術必須作好準備以朝向全IP服務平台邁進，這也就是在HSPA無線電存取技術演進的同時，IP多媒體子系統(IMS)標準的制定工作在2002年也起程了。IMS提供了具互通性的IP框架，以便在單一網路拓撲上支援各項多媒體服務。

同樣的，兼具長程演進計畫(LTE)及系統基礎架構演進技術(SAE)的演進封包系統(Evolved Packet System, EPS)，也被定義為UMTS演進的主要技術，建構在存取網路和核心網路均採用全IP的整合架構。而CDMA市場邁向4G的演進也是朝著LTE而來。

在此同時，另一項主要無線寬頻存取技術全球互通微波存取標準介面(WiMAX)也開始使用IEEE 802.16e標準，並吸引業界目光。這些技術均採用正交分頻多工系統(OFDM)無線電存取技術及IP網路架構。相關無線技術系統演進如圖1。

圖1　無線技術系統的演進

善用頻譜效率　無線通訊向4G邁進

為滿足用戶對於位元率與容量等方面不斷增長的可能需求，由ITU-R以國際行動先進通訊系統(IMT-Advanced)的名義規定4G系統的框架，並於2008年提出4G無線存取候選技術的最終需求內容，並計畫於2011年提出新系統的無線電介面規格建議書。

預計4G無線電存取技術將能在100MHz通道上支援1Gbit/s的資料率，相當於10bit/s/Hz的頻譜效率。4G的平均頻譜效率約為5bit/s/Hz，相當於EPS網路性能的三倍。

從架構面來看，4G系統與最新的3G EPS和超行動寬頻(UMB)演進一致，均為全IP系統，因此相較於3G早期系統與EPS之間，最新的3G演進系統(如EPS和UMB)與4G之間可能有更多的共同點。

4G系統將支援內建的永遠連線(Always-on)機制，這是由於傳統的撥入(Dial-in)模型並不符合新的服務，加上線上狀態(Presence)、即時訊息(IM)及所有其他的即時資訊和互動服務，都是強化聯網機制的關鍵因素。

此外，4G系統還能提升資源效率、增強用戶體驗。目前4G系統已可支援公共3G蜂巢系統提供的所有技術功能，包括最佳化的鏈路適應和功率控制能力，藉以提升用戶評價，改善資源使用效率、可配置的時間或者頻率雙工模式，能更佳適應非對稱服務、在系統內或系統間移動時，可流暢提供服務，以及保障用戶資料、控制訊號和用戶資訊。

也因為上述驅動原因，未來業界將特別注重無線電框架結構的定義內容，以促進不同系統間的共存和最小化在不同系統間移動時交換中斷的時間。

ITU-R定義的IMT-Advanced包含了超越IMT-2000內容的IMT新性能，這樣的系統可存取更廣泛多樣的通訊系統，包含來自固網及行動的進階行動服務，並且以封包傳輸為主。

4G發展箭在弦上

既然談及4G，就勢必須要了解其定義。如同IMT-2000，4G/IMT-Advanced不僅為一無線電存取技術，而是一個完整的系統。

1999年時成立第三代合作夥伴計畫(3GPP)和3GPP2，並針對3G/IMT-2000的候選技術進行研究。這兩個標準化組織的職責範圍將擴展為包含未來的4G規範，如3GPP2於2007年7月成立次世代技術點對點(NTAH)，以為ITU-R IMT-Advanced提供建議規範，以及研究如何從CDMA2000或HRPD演進至IMT-Advanced，3GPP也宣示，LTE-Advanced不但符合甚至超越IMT-Advanced的需求。電信業者各式技術演進如圖2。

圖2　電信業者各式技術演進

若從近期業者動態來看，全球各地電信業的LTE演進技術策略內容均有不同，但可知的是，包括TeliaSonera、Verizon Wireless及NTT DoCoMo等，均已展開了LTE網路建置的工作，而全球十五家主要的電信業者，也紛紛聲明將投資LTE建置。業者透露，LTE試用網路將於2010年陸續啟動。

4G門檻提高

要全面演進為全IP架構，對於業者而言是一項很大的挑戰，因為這將大幅影響核心網路、服務層及無線電存取網路的內容。

除了網路演進的複雜度之外，保證用戶能從現有的電路基礎架構，順利演進到全IP網路也很重要，其中更須考慮幾項重點。

第一項是須保障高品質的體驗，不僅是語音或視訊品質，還包括通話建立時間和網路回應時間。從90年代初即開始對現有電路系統進行最佳化，用戶不會容忍這些方面的性能指標出現顯著惡化的情況。

其次則是須保障在系統間移動時服務的連續性。CDMA2000與EV-DO已能確保語音通訊在電路及封包系統之間能平順移動的連續性，近來則對另一項相似的解決方案進行標準化，以確保在電路交換及IMS網域間UMTS系統中服務的連續性。

最後則是網路容量的確保。如在IP網域，藉由強化式標頭壓縮技術(RoHC)、適應性通道編碼，以及使用高速共用無線電通道所取得的統計複用增益，網際網路語音通訊協定(VoIP)可達到相同的無線電介面存取效能。

在一些營運中的網路，會在傳輸層面進行全IP演進的第一步作業，然後才會在服務層面進行。由於採用3GPP R4，自傳輸層中分離通訊通話控制(仍仰賴傳統的電路交換協定)，才能在GSM和UMTS網路中進行這個動作。同樣的，UMTS地面無線接取系統–網際網路協定(UTRAN-IP)演進內容，可支援在IP存取網路上任何種類的電路或封包服務。

既有技術力有未逮　革命性技術浮出檯面

也因為4G的門檻大幅提升，既有技術難以滿足，進而刺激了多項革命性技術的問世，以下就加以介紹。

‧	協同式多重輸入多重輸出
	由於細胞(Cell)間的干擾經常限制蜂巢系統容量，協同式多重輸入多重輸出(Collaborative MIMO)技術採用非一致訊號合併，大幅減少細胞間的干擾。而此技術與傳統MIMO的差異在於，後者由多個基地台提供協同式MIMO環境內的端點服務，而前者之一個端點僅由一個基地台服務。

此技術是一種一致性干擾協調技術，透過協調許多基地台處收發用戶訊號的作業，以抑制細胞間干擾的情況。網路式多重輸入多重輸出(Network MIMO)依賴於不同基地台間有一致的收發波形，要求高頻寬、低延遲回程網路的支援，以及基地台間的精確同步，以共用基地台間的通道資訊。網路式MIMO的性能高於協同式MIMO，但是前者對於回程傳輸能力要求更高，複雜度也更高。MIMO之效能比較如圖3。

圖3　網路MIMO的潛在性能

‧	多用戶多重輸入多重輸出
	這項技術旨於在多個空間通道的同一框架內同時提供服務給多個用戶，藉以提升系統的整體處理量。使用基地台發射機的用戶通道形成這些通道，並對不同的天線間每個用戶的資料流使用不同的權重值。多用戶多重輸入多重輸出(Multi-User MIMO)也稱為波束賦形或者預先編碼，可最小化波束之間的干擾。

‧	軟體定義無線電
	藉由軟體定義無線電(SDR)可實現多標準/多頻帶基地台。在軟體定義無線電產品中，由硬體平台上的軟體庫完成大量的處理作業，而這些軟體庫可視為許多無線標準的公共基礎。軟體定義無線電的顯著優點在於減少專屬於不同標準和頻段的開發作業數量，因而可透過軟體升級的方式實現演進。

談及行動網路，目前仍需要大量的人力與物力進行部署和經營，尤其是站點安裝、網路優化、日常網路營運和故障排除等，所有這些作業均需人為參與及高度的專業技能。

但未來的系統必須提供創新的方法降低營運成本，簡化系統操作，而催生了自組無線網路(Self-Organized Radio Network)。

而要達到此目標，基本上可採用自配置新增站點、自優化無線參數和相鄰清單配置與自適應網路負載變化來完成。

‧	無線中繼和網狀網路
	無線中繼和網狀網路(Wireless Relay and Mesh Networking)著力於改善網路容量和可靠性。在路損嚴重的區域，部署中繼技術可延伸覆蓋範圍，而與無線基地台互連的網狀網路，有助於提供資料路徑備援。這兩項技術有助於以具成本效益的方式部署4G網路。

另一項極為關鍵的技術，則是毫微微型蜂巢式基地台和小型細胞覆蓋(Femtocell/Small Coverage)。在已問世的基地台路由器(BSR)方案中，可通過3G無線及固接式網際線路(ADSL/乙太網路)，對擁有舊有3G端點的用戶，連接及存取舊有核心網域。此架構係為提升終端用戶體驗的關鍵，因為70%的通話來自室內，而目前只有2%的建築物有特別在室內進行覆蓋部署。

除此之外，此方案由於引入全新的商業模型，並透過降低傳輸和功率成本、減少無線網路開銷，而大幅度縮減資本支出(CAPEX)和營運支出(OPEX)。

提高頻譜效率4G實現有望

綜觀全球無線通訊技術之發展與業務現況可以發現，用戶數呈等比級數的成長，不但讓無線通訊的使用量暴增(圖4)，也進而推升了頻譜需求(圖5)。但無論如何，提升頻譜效率將是未來無線技術的主要發展方向。放眼未來，為了適應10年後全新的通訊、行為及商業模型形態，除了不斷提升位元率的傳輸速度，頻譜效率也將是無線系統的本質。而也唯有能達到上述目標，眾所矚目的4G與其他先進技術也才有真正問世的一天。