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LTE Femtocell搭起宽带无缝连接的桥梁
4G到你家!

【作者: 籃貫銘】2011年08月03日 星期三

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人们有多爱用行动上网?根据思科「视觉网络指针(Visual Networking Index,VNI)」的研究报告显示,2010年全球的行动网络数据流量达到每月237 PB(petabytes),几乎是2000年全球网络(含固定网络)流量的3倍。会造成如此热潮,除了Wi-Fi技术在NB上的普及之外,智能型手机与社交网站的兴起更是一大原因,尤其是智能型手机在去年的热销,更让行动网络的需求节节高升,操作系统大老微软(Microsoft)就预测,至2014年时,智能型手机的数量将会超过PC,届时行动网络的带宽需求将再创高峰。这也促使电信商必须升级现有的无线基础设施,提供消费者更快、覆盖率更全面的无线宽带网络,而4G就因应而生。



《图一 Femtocell AP的市场规模预测。》
《图一 Femtocell AP的市场规模预测。》

前进4G,LTE Femtocell扮推手

为了前进4G时代,业者与电信组织纷纷寻求解决之道,其中LTE因兼容于现有的3G基础设施,具有下行100Mbit/s,上行50Mbps的高传输速率,且能改善小区边缘用户的收讯,提高小区容量,降低系统延迟,支持100km半径的小区覆盖,能够为350km/h高速移动的用户提供大于100kbps的接入服务,因此成为跨入4G前的重要标准。由于LTE采用Node B的单层结构,有利于简化网络和降低延迟,以达到低时延、低复杂度和低成本的要求,也获得了多数电信商的青睐。


虽然LTE规范的好处众多,但电信业者仍面临每位传输获利太低,以及室内用户覆盖率不佳等挑战,前者主因布建成本仍高于获利;后则是讯号强度在室内明显不足,特别是在进行高数据量传输的时候。而为了克服这些挑战,Femtocell就成了当前电信商最佳的解决方案。资策会网多所组长许亨仰博士就指出,光靠布建大型基地台(Macro Cell)很难解决室内传输效率不佳的问题,再加上布建额外基地台的成本很高,因此采用Femtocell是最经济、也最有效率的方法。



《图二 家用Femtocell的布建应用范例。》
《图二 家用Femtocell的布建应用范例。》数据源:Ubiquisys

根据资策会MIC的调查报告,2011年全球的Femtocell出货量预计将达到810万台,年成长率高达277%,至2014年时,将达到4千3百万的规模,而成长率仍维持在38%的高档。FemtoForum的报告也指出,至2012年Femtocell AP的出货量将超过1000万台,显见Femtocell对于LTE布建与普及的重要性。


标准定义陆续完成 商业规模可期

在传输架构上,Femtocell推广组织FemtoForum,在经过多次会议讨论,把Femtocell导入TR-069与IEEE1588等规范,强化Femtocell在远程服务配置与管理以及网络同步化处理的能力。之后3GPP陆陆续续定义数版针对Femtocell的规范,其中第八版的标准文件中,详述了femto架构,使用Home Node B(HNB)和Home eNodeB(HeNB)的术语,并定义了新的「IuH」接口,此种接口能够将家庭基地台直接连到3G和 4G核心网络。


而关键的第九版规范中,新增了数项的概念与定义,包含:(1)新增了混合通讯的概念(hybrid cell),让所有的用户都能接取,但采用封闭型用户群组(Closed Subscriber Group, CSG)的方式进行管理;(2)外而内的行动能力(Inbound mobility);(3)管理旧的CSG信息;(4)接取控制;(5)HeNB的管理与维护;(6)电信商控制的CSG列表;(7)定HeNB的RF需求。而这些规范定义之后,也让Femtocell的商业化更加迅速。


在台湾的部分,NCC在去年已完成了Femtocell型式认证及审验技术规范,在相关管理细则完成后,已可开始提供电信业者申请审验布建。由于此验证规范的底定,也让台湾电信业者的态度产生转变,从原先的观望转为实际行动,目前台湾几家电信业者都表示很有兴趣,其中又以中华电信最为积极,预料今年就会展开布建的动作。


低功耗易布建 避免干扰是要点

相较于大型基地台,Femtocell除了拥有成本与布建容易的优势之外,还具备了多项特点。首先在数据传输上,Femtocell由于体积轻巧,能布建在办公室与住家内,因此可以解决行动通讯覆盖率不佳以及室内传输量不足的问题,以提供用户无缝的无线网络服务;再者,Femtocell的功耗低,能够提供较低电耗的数据接取,对于环境及用户都更加友善。而截至目前为止,全球已有19家电信商开始布署Femtocell。



《图三 跨阶层干扰(Cross-tier Interference)示意图。》
《图三 跨阶层干扰(Cross-tier Interference)示意图。》数据源:资策会MIC许亨仰博士

《图四 同阶层干扰(Co-tier Interference) 示意图。》
《图四 同阶层干扰(Co-tier Interference) 示意图。》数据源:资策会MIC许亨仰博士

布建Femtocell虽有许多的益处,但仍有数项挑战须克服,包含整体通讯接口的管理、布署与营运分析、安全性、行动能力以及时间的同步。首先在通讯接口的管理上,避免讯号相互干扰是主要的议题。许亨仰指出,Femtocell网络的干扰问题依照干扰源可分为两类,一为跨阶层干扰(Cross-tier Interference),是Femtocell与基地台(Macrocell)间的干扰;再者为同阶层干扰(Co-tier Interference),是Femtocell与Femtocell间的彼此干扰。


许亨仰表示,由于Femtocell布建的地点是由用户自行架设,因此无法事先规划与限制,所以可能会产生密集设置的地区会产生无线干扰问题,例如公寓住宅区或办公大楼等,这些出现干扰的范围称之为Dead zone,Dead zone的产生造成用户的严重干扰,也是Femtocell网络系统布建的重大挑战。而目前可以采取的解决方案有功率控制、智能化基地台布建规划、避免跨阶层干扰与同阶层干扰的资源分配算法等,进一步降低干扰与优化QoS,并协调用户间的负载平衡,提升户用的通讯质量。


SoC芯片纷问世LTE Femto即将起飞

对于LTE Femtocell的终端产品业者来说,除了要面临软件端的架构与程序开发之外,硬件架构的设计也是其一大挑战,主要的困难点就在于整合LTE RF/Baseband,以及WAN接口接取的设计。但随着芯片商陆陆续续开始提供整合性的SoC解决方案与设计参考后,不但让LTE Femtocell CPE的开发难度降低、生产速度加快,同时整体的制造成本也大幅下滑,市场普及举日可待。


以Picochip为例,针对LTE标准,该公司在前年(2009)就推出了一款整合软硬件的平台方案---「PC960X」,只要LTE基地台的OEM/ODM商使用现有的Picochip硬件,就可以立即进行LTE产品的开发。该系统整合了基频、射频与软件层,同时还支持TDD和FDD。而为了因应HSPA+过渡到LTE间的需要,该公司也开始发展双模的产品,去年底(2010)推出的PC500解决方案,是一个整合LTE基频处理器的单芯片,同时也支持HSAP+标准。今年年初时,更推出了专门针对成本敏感的小型基地台SoC方案---「PC3008 」,此SoC芯片以40nm制程技生产,内建一颗ARM11处理器(950MHz),让厂商能够制造更具成本效益的femtocell。


另一家芯片商高通(Qualcomm),也在去年宣布开始提供首款Femtocell的芯片组样品---「FSM9xxx」系列,该芯片支持3GPP与3GPP2标准,且具备1GHz处理器核心,并整合射频与电源管理。但目前该系列芯片仅支持HSPA+与CDMA标准,仍未具备LTE规范,但预料未来也会走向双模的架构,提供LTE的支持。


结论

对于解决行动通讯室内数据传输与覆盖率不佳的问题,Femtocell是一项非常有潜力的技术,尤其是高质量的传输效率,以及快速启动和易于采用的特性,对于推广LTE系统服务将非常有帮助。随着标准与规范陆续定义完成,以及相关芯片方案供货商和OEM/ODM业者的参与,预料Femtocell将可在2-3年之内,引发用户与电信业者的青睐。


未来,LTE Femtocell仍需积极改善互通接口的管理、安全性以及用户行动能力的议题,以让该技术成为更稳定、更可靠且更普及的通用性产品。


※BOX:CTimes小辞典


什么是Femtocell?

Femtocell全名为毫微微蜂巢式基站,又被称为家庭基站,是布建在室内的行动通讯基站(Femto AP)所形成的超威型cell。一般的终端装置,可以透过Femtocell Access Point经由家庭的宽带网络(如ADSL或光纤)连接至电信网络中的Femtocell Gateway,来取得行动电信业者所提供的语音与数据传输服务,是一项扩展流动通讯室内覆盖的解决方案,可以把用户手机发出的话音和数据呼叫,传输到基于标准接口的3G核心网络,而且其接入点即插即用,可连接到任何现有基于IP的传送网络。


※BOX:多元化的Femtocell产品设计


一般家用的Femtocell。

户用的Femtocell。

超小型的Femtocell,能以USB连接计算机使用。

企业级的Femtocell,能支持较多的用户。

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