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Small Cell系統設計揭密
向不可能挑戰

【作者: 姚嘉洋】   2013年12月17日 星期二

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Small Cell(小型基地台)之所以會出現,基本上是沿續了先前的Femtocell(毫微微型蜂巢式基地台)的架構,而衍生出的泛用型基地台的統稱,歸納產業界各方的說法來看,撇除一般我們所熟知的大型基地台(Macrocell)外,其餘所有的中小型基地台,產業界皆一律稱之為Small Cell。也因此,除了我們常聽到的Femtocell外,Microcell(微型基地台)與Picocell(特微型基地台)都可被稱為Small Cell的一種,而這些基地台因為容納人數與傳輸距離的不同,而各自擁有不同的定位存在,所以單就Small Cell來看,就硬體規格上並沒有特定的標準存在,再加上既有傳統的大型基地台的存在與新進的Small Cell的加入,訊號彼此又會互相干擾,也造成Small Cell的發展到目前為止仍然處在「雷聲大,雨點小」的階段。


室內加上Wi-Fi 為Small Cell必備條件

我們都知道,在傳統大型基地台在室內訊號傳遞能力有限,而Small Cell會被安裝室內的情況下,它所扮演的角色,恰好可以在室內彌補大型基地台的不足,讓使用者在使用行動網路的情況下,無需面臨網路延遲的問題。依據愛立信(Ericsson)消費者實驗室的研究,使用者在室內的網路行為相當多元,從收發信件到觀看影片都會出現,所以至少需要10Mbps的傳輸速度,才有辦法滿足使用者不同的網路行為需求。



圖一 : 一般使用者使用高速率行動網路的環境,大多是以室內為主,因為這類行為通常是觀看線上影音或是閱讀長篇文章居多。(Source:blog.mozilla.org)
圖一 : 一般使用者使用高速率行動網路的環境,大多是以室內為主,因為這類行為通常是觀看線上影音或是閱讀長篇文章居多。(Source:blog.mozilla.org)

廣泛來看,涵蓋的人數與傳輸距離的不同,主要也是因應了不同實際的環境需求,以Femtocell為例,它就會定位一般的室內住宅為主,傳輸距離不長、人數也約莫是四至八人左右,但來到一般辦公室環境或是更大的室內公共空間,Femtocell恐怕就不勝負荷,必須改成Microcell或是Picocell為宜。此外,智慧型手機、平板電腦的普及,這些可由消費者所攜帶的電子產品同時具備進行行動網路與Wi-Fi的連線功能,有了Wi-Fi的加入,多少可以減輕行動網路的壅塞情況。所以市場也吹起了希望Small Cell可以導入Wi-Fi的呼聲。


Small Cell挑戰之一 訊號干擾問題嚴重

ADI(亞德諾半導體)資深應用工程師簡百鍾談到,其實Small Cell的相關討論有相當長的一段時間,早在2008年左右,ADI就已經推出第一款收發器元件,到了2012年,沿續先前的產品架構,推出了第二代產品AD936X。但事實上,觀察全球Small Cell市場並不如預期中的熱絡,主要的原因在於不同等級的基地台出現範圍重覆覆蓋的情況下,要由誰負責進行傳輸?訊號彼此間的干擾的問題,到目前為止業界也沒有普遍的共識。


除此之外,高通創銳訊業務開發副總裁Nick Karter表示,Small Cell也可能支援以下一個或多個通訊協定: Wi-Fi、UMTS、CDMA2000以及 LTE。隨著不同的電波頻段選擇,也會影響傳輸範圍以及速度,因此很難去為Small Cell定義一個固定的傳輸範圍或速度。就高通的觀察,目前業界的確有整合Wi-Fi以及Small Cell的需求。整合Wi-Fi功能將能更有效率地利用已授權及未授權的頻譜資源,能支援多種不同類型以及傳輸介面的裝置,提供智慧連線管理來增進用戶體驗以及服務品質(Quality of Severice),並能有效分擔不同無線技術所需要硬體成本。從硬體層面來看,挑戰大多與降低Wi-Fi與LTE彼此間交互干擾的參考設計有關。



圖二 : Small Cell同時導入LTE與Wi-Fi技術,再加上與大型基地台又會有範圍重覆覆蓋的情況,訊號干擾的問題要解決,其實不甚容易。(Source:community.ubnt.com)
圖二 : Small Cell同時導入LTE與Wi-Fi技術,再加上與大型基地台又會有範圍重覆覆蓋的情況,訊號干擾的問題要解決,其實不甚容易。(Source:community.ubnt.com)

Xilinx(賽靈思)資深產品行銷經理黃維信分析,在現今幾乎所有的智慧型手機都同時擁有蜂巢式和Wi-Fi科技的優勢下,透過Small Cell與Wi-Fi功能的整合,能進一步強化覆蓋率、容量和用戶的使用者體驗。然而,為了讓整合後的功能運作更加順利,還是必須克服一些技術挑戰。從無線系統設計的觀點而言,挑戰包括了Small Cell和Wi-Fi的存取點整合成本(多頻/寬頻無線電、共用回傳)、潛在的RF(射頻)共存、干擾管理、系統卸載與不卸載時的流量管理等。


考量成本問題 類比元件走整合風

就系統設計層面上,簡百鍾直言,由於Small Cell不若傳統的基地台系統,因此在功耗與整體成本上,都要盡可能的壓低,才有利於整體系統的設計。在過去,RF收發器會與基頻處理器加以整合,來壓低系統整體成本以進一步提升設計速度,但這種作法的問題就在於RF收發器本身,以類比與混合訊號為基礎,基頻處理器則是專為處理數位訊號為主,在現有的製程技術上,雖然可以加以整合,但在系統表現卻有待加強,與其如此,倒不如將兩者加以分開,將RF收發器元件本身,施以最大程度的類比元件的整合,基頻處理器則就針對先進製程不斷提升其性能,雙方以既有的技術架構下進行發展,會是相對有利的作法。


簡百鍾透露,以ADI第二代的RF收發器為例,它就整合了LNA(低雜訊放大器)、PGA(可程式放大器)、ADC(類比數位訊號轉換器)、DAC(數位類比訊號轉換器)與Mixer(混波器),可以說是類比元件的集大成。也因此,整個系統的設計,僅需處理器、電源管理IC、RF收發器、PA(功率放大器)、石英震盪器與記憶體元件就能完成整個系統設計。他表示,短期內,RF收發器已經無法整合其他元件,就能從功耗降低與尺寸微縮上下手。



圖三 : Small Cell的系統設計,在類比方面已經極盡可能被加以整合,剩下的,就是在功耗與尺寸表現再繼續努力。(Source:ADI)
圖三 : Small Cell的系統設計,在類比方面已經極盡可能被加以整合,剩下的,就是在功耗與尺寸表現再繼續努力。(Source:ADI)

不過,簡百鍾也不諱言,客戶對於Small Cell的系統設計除了成本與功耗要盡可能降低外,不同客戶對Small Cell的設計需求也相當多元,某種程度上也造成了晶片業者們的困擾。所以在產品線方面也必須提供不同等規格的產品供客戶選擇。此外,由於Small Cell的系統設計看似簡單,不過就ADI的角度來看,不論是從類比電路或是電源管理方面,都有不低的門檻需要跨越,像是電源管理元件本身,必須同時提供不同的電壓與電流給處理器、RF收發器與記憶體元件等,讓整體系統得以運作,這也有著相當的複雜度。因此Small Cell的晶片供應商仍然會是外商的天下。


基地台的不變宿命:系統升級

值得注意的是,傳統的大型基地台一直以來都會有網路升級的問題,同樣的問題也會出現在Small Cell上。黃維信談到,LTE-A(LTE - Advanced)是LTE發展的下一個重要階段,期望透過如載波聚合、高階MIMO(Multi Input Multi Output)、協調式多點傳輸收送(CoMP)和最佳化的HetNets蜂巢間干擾協調機制(ICIC)等先進的空中介面功能,以提供更高的數據傳輸率達1Gbps。另一方面,802.11ac則是802.11n的延伸,藉由融合更寬的RF頻寬、多重MIMO空間串流、通道匯整技術和高階QAM等相似概念,同樣也能提供達1Gbps的水準。在實際環境中,LTE Small Cell將整合Wi-Fi功能,能支援LTE-A與802.11ac的就地升級能力將會是電信業者能否提高整體網路效能的關鍵;更重要的是要能控制資本支出(CAPEX)與營運成本(OPEX)。


黃維信所提出的成本控制的說法,其實與簡百鍾不謀而合,儘管進入門檻不低,成本仍然是所有系統業者所在意的重點,從傳統的ASIC(特殊應用積體電路)架構上來看,由於晶片與軟體層,在設計初期就已經完全被寫死的情況下,若要進行系統升級,除非採用模組化方式進行主機板的抽換,否則要讓系統全面更換才能達到升級之效,但這種作法就必須付出高昂的系統成本。所以早在Femtocell時代,TI(德州儀器)就曾提出系統靈活化的概念,以期在最低成本與最少時間的情況下,來進行系統的更新或是升級,更甚者,可以讓系統能達到差異化之效。



圖四 : 不論是何種類型的基地台,系統的軟硬體升級一直都是電信設備與營運商最為頭痛的問題。(Source:www.cambridgeconsultants.com)
圖四 : 不論是何種類型的基地台,系統的軟硬體升級一直都是電信設備與營運商最為頭痛的問題。(Source:www.cambridgeconsultants.com)

而能讓系統能在最短時間內進行升級,在硬體條件許可的情況下,採用FPGA(現場可編程邏輯閘陣列)是相對容易的作法。


黃維信進一步談到,為了滿足Small Cell的特定設計要求,Small Cell系統工程師可以利用FPGA的功能,與各式Small Cell設計的關鍵零組件接合。設計師也可以採用FPGA晶片來執行像是數位上行轉換(DUC)、數位下行轉換(DDC)、峰波因數抑制(CFR)與數位預失真(DPD)等數位無線前端功能。此外,基頻處理與加速功能也可以由FPGA來執行,以達到幫助分載與釋放ASSP上的資源,讓ASSP執行其他功能。這些特色皆能提供工程師在發展具備成本效益的Small Cell系統時所需的高度靈活性與差異化的能力。


結語

儘管Small Cell在行動通訊產業中擁有相當高的話題性,但廣泛來看,Small Cell同樣也面臨了傳統大型基地台的升級挑戰,再加上佈建成本也必須加以考量的情況下,Small Cell的系統設計似乎比想像中還更加困難,用「又要馬兒好,又要馬兒不吃草」來形容,可以說是相當貼切。但長期來看,市場仍然有相當大的需求動能,Small Cell的設計難題要突破應該不是太困難才是。


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