毫微微型蜂巢式基地台問世數年，卻因為受到4G發展起飛遞延的影響，而始終無法正式起飛。不過，儘管如此，仍有不少廠商押寶該市場的未來機會，並透過開發不同類別與應用之產品，強化毫微微型蜂巢式基地台之市場競爭力。
目前國際間有許多組織在研究和制訂下一代的無線通訊標準，例如國際電子電機工程學會鑽研IEEE 802.16、第三代合作夥伴計畫(3GPP)看好長程演進計畫(LTE)或是毫微微型論壇(Femto Forum)及全球微波存取互通介面論壇(WiMAX Forum)等。
這些通訊標準的內容和技術或許有諸多差異，但如果仔細觀察其中的脈絡，就可以發現有些議題是現今大家關注的焦點、將來提升通訊品質的利器。而毫微微型蜂巢式(Femtocell)基地台就是其中一項關鍵技術。
簡單來說，毫微微型蜂巢式基地台是為了要克服通訊品質不良的室內環境而誕生的產品。從產品開發觀點來看，毫微微型蜂巢式基地台能成功發展的優勢包括低成本、低功率、隨插即用、強化移動寬頻網路的室內覆蓋率以及與營運商共用現有的頻譜等。
每一個毫微微型蜂巢式基地台可經由無線介面、光纖或是數位用戶迴路(DSL)網路和通訊系統的後端網路連線，其主要經由無線傳輸提供網路服務給室內使用者。與無線區域網路(Wi-Fi)相比，毫微微型蜂巢式基地台的優勢在於它是行動通訊網路的延伸，如圖1所示，毫微微型蜂巢式基地台經由後端網路和業者的伺服器互聯，在室內環境布建毫微微型蜂巢式基地台可克服基地台通訊死角的問題。
另外，當毫微微型蜂巢式基地台布建在大型基地台(Macrocell)的覆蓋範圍下時，透過適當的技術，就能與大型基地台進行無縫換手，而不須要切換裝置或模式等繁複的動作。
毫微微型蜂巢式基地台優勢顯著
因此，身為下一代通訊系統所倚重的關鍵科技，布建毫微微型蜂巢式基地台將可帶來諸多優點，包括增加通訊系統覆蓋範圍，對於室內的使用者而言，現今的通訊系統都會有訊號死角的問題。這個問題在人口稠密，高樓林立的都會區更是嚴重。有了毫微微型蜂巢式基地台，在每個通訊不良的角落都可以放上一個毫微微型蜂巢式基地台來增加系統的覆蓋範圍。
另外，也可以增加頻寬使用效率。原本營運商所分配的頻寬都是分配在各個大型基地台間以服務使用者的，但是因為毫微微型蜂巢式基地台的低功率和置於室內環境的兩項特性，所以相同的頻寬也可以重複分配在眾多毫微微型蜂巢式基地台上。只要分配得宜，營運商對於頻寬的使用效率就可以大大提升。
至於對降低行動裝置電池消耗也有幫助。如當行動裝置要克服建築物的遮蔽效應和不良的通道品質時，行動裝置往往要增加功率才能維持通訊品質。但是增加傳輸功率也代表行動裝置須要消耗更多電力。而毫微微型蜂巢式基地台的布建，降低遮蔽效應的影響，進而可減輕行動裝置的電池負荷。
另一方面，也能夠降低大型基地台傳輸負載。當大型基地台要服務室內的使用者時，須要增加傳輸功率和增加通道數量來滿足室內使用者對於服務品質的要求。增加傳輸功率對於大型基地台不算難事。但是增加傳輸通道數量代表了大型基地台要將頻帶資源消耗在不佳的通道品質上。因此，當室內環境都經由毫微微型蜂巢式基地台來服務時，大型基地台就可以有更多的頻寬資源留予其他的使用者，進而減輕大型基地台的傳輸負載。
當然亦能提供使用者更好的服務品質。原本室內使用者和大型基地台之間的通道品質因為建築物的遮蔽而大打折扣。但是如今將毫微微型蜂巢式基地台分布在室內後，使用者就可以經由毫微微型蜂巢式基地台取得更好的服務品質。
以下將介紹毫微微型蜂巢式基地台的相關標準制定進度，對於立志成為4G標準的LTE與WiMAX系統在毫微微型蜂巢式基地台方面上的設計做一簡要的介紹；另一方面，相關的國際性論壇組織如Femto Forum、WiMAX Forum的發展狀況對於營運商的影響；以及發展如火如荼的毫微微型蜂巢式基地台將會遇到什麼樣潛在性的挑戰，本文也將提出探討。
4G為毫微微型蜂巢式基地台添柴薪
有鑑於毫微微型蜂巢式基地台技術的持續發燒，立志成為4G標準的LTE與WiMAX系統皆針對此議題進行討論與設計。
首先為了要滿足使用者的需求，LTE與WiMAX在訂定有關毫微微型蜂巢式基地台的需求與標準時，都傾向讓毫微微型蜂巢式基地台可依照使用者要求，能有更多選擇性。整理LTE與IEEE 802.16m的系統文件後，可將毫微微型蜂巢式基地台的服務對象分為兩大類，一為封閉型用戶群組(Closed Subscriber Group, CSG)，是一群有權使用一組毫微微型蜂巢式基地台的使用者，不同的CSG則是利用CSGID作為辨別和區隔之用；第二種則是開放型用戶群組(Open Subscriber Group, OSG)，即一般使用者。而依照CSG和OSG的分類，尚可將毫微微型蜂
巢式基地台分為下列數種：
．CSG-Closed毫微微型蜂巢式基地台
CSG-Closed毫微微型蜂巢式基地台將服務對象限縮在CSG。其他使用者則無法使用CSG-Closed毫微微型蜂巢式基地台。毫微微型蜂巢式基地台會在超訊框標頭(SFH)中廣播它的CSGID，行動裝置就是靠著CSGID來分辨它是否有權限來使用這一個毫微微型蜂巢式基地台。但是緊急服務(Emergency Service)是例外，任何基地台都必須接受任何使用者所提出的緊急服務要求。
．CSG-Open毫微微型蜂巢式基地台
CSG-Open毫微微型蜂巢式基地台主要是提供頻寬資源給CSG行動裝置所使用。和CSG-Closed毫微微型蜂巢式基地台的不同之處在於CSG-Open毫微微型蜂巢式基地台開放有限的資源給非CSG的行動裝置，且CSG使用頻寬資源的權限較非CSG高。
．OSG毫微微型蜂巢式基地台
所有使用者都可以對這一類的毫微微型蜂巢式基地台要求連線服務。 而不管是上述哪一種類的毫微微型蜂巢式基地台，其目前在LTE系統所定義的架構圖如圖2所示，導入毫微微型蜂巢式基地台的LTE系統架構基本上和沒有導入毫微微型蜂巢式基地台的架構一致。數以百計的毫微微型蜂巢式基地台(HeNB)連接至移動管理實體(Mobility Management Entity)或服務閘道(S-GW)，再透過後端控制器連接至核心網路。另外，毫微微型蜂巢式基地台也可以連接到毫微微型蜂巢式基地台閘道(HeNB GW)，以用來集中控制層(C-Plane)。
對於毫微微型蜂巢式基地台而言，毫微微型蜂巢式基地台閘道就相當於移動管理實體一樣，而其S1介面的功能也都完全一樣。如圖3所示，毫微微型基地台透過S1-MME連結至控制層；透過S1-U可直接透過用戶層(U-Plane)與核心網路(Evolved Packet Core)進行邏輯連結。因此，在LTE系統中導入毫微微型蜂巢式基地台並不會增加核心網路的複雜度，反而能有效解決使用者在熱點(Hot Spot)上的傳輸需求，並增加LTE網路的覆蓋率。
而在IEEE 802.16m標準中，毫微微型蜂巢式基地台和大型基地台之間利用不同的次前置序列(SA-Preamble)以互相區別。行動裝置允入毫微微型蜂巢式基地台時所進行的網路登入(Network Entry)或換手(Handover)程序和大型基地台並無太多差別。但為了克服複雜的室內通訊環境，以及解決毫微微型蜂巢式基地台和大型基地台或相鄰毫微微型蜂巢式基地台之間的干擾問題，目前的IEEE 802.16m標準草案(P802.16m/D1)中要求毫微微型蜂巢式基地台須具備幾項技術特徵，如感知周遭環境的功能，毫微微型蜂巢式基地台須要量測相鄰大型基地台/毫微微型蜂巢式基地台的訊號強度和環境變化。為了感知環境的變化程度，毫微微型蜂巢式基地台除了自行測量外，也可要求行動裝置量測周遭訊號並進行回報。
而毫微微型蜂巢式基地台亦應具備自我組織並和其他大型基地台/毫微微型蜂巢式基地台合作的功能，以毫微微型蜂巢式基地台的初始設定為例，每當毫微微型蜂巢式基地台一開始啟用時，其須偵測周遭環境並選擇干擾最少的頻帶進行服務。除了頻帶的選擇外，當毫微微型蜂巢式基地台在某一基地台的覆蓋範圍下時，還要能夠和大型基地台進行時間上的同步。同步後，還要根據周遭環境來決定訊號功率。上述這些動作，都必須由毫微微型蜂巢式基地台相互溝通以及自我調整才能夠完成。
毫微微型蜂巢式基地台同樣須要具備低負載模式(Low Duty Mode)，當一個毫微微型蜂巢式基地台訊號所及的範圍並沒有行動裝置或是所服務的行動裝置都在待機模式(Idle Mode)時，毫微微型蜂巢式基地台即可進入低負載模式並切換於可用區間(Available Interval)與不可用區間(Unavailable Interval)之間。當微型基地台在可用區間時，則可對覆蓋範圍內的行動裝置提供如一般基地台的通訊服務；當微型基地台在不可用區間時，則會進行訊號量測，目的在於完成微型基地台和基地台之間的同調(Synchronization)並且減少對其他基地台所造成的干擾。
國際標準制定快馬加鞭
本節將介紹與毫微微型蜂巢式基地台相關的國際性論壇組織如Femto Forum及WiMAX Forum的發展狀況。Femto Forum是由毫微微型蜂巢式基地台相關業者所組成的國際性組織，主要目的為推動毫微微型蜂巢式基地台相關標準訂定，並與產業界連結，扮演技術面與市場面互相交流的平台角色。該組織的成員致力將市面上的毫微微型基地台核心網路整合成單一標準，根據此標準讓業者將毫微微型蜂巢式基地台服務推向全球市場。目前主要的會員包括電信業者、軟硬體設備業者、晶片開發業者等，國際大廠如阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)、諾基亞西門子(Nokia Siemens Networks)、恩益禧(NEC)與picoChip等皆動作頻頻。
而在WiMAX Forum中的需求工作小組(Service Provider Working Group, SPWG)也同樣針對毫微微型蜂巢式基地台展開研究與討論，其主要討論的工作包括定義WiMAX毫微微型蜂巢式基地台可利用的場景、定義後端接取網路的選項如WiMAX無線傳輸介面、DSL等、定義安裝模式、可支持的頻譜與頻率、定義行動裝置與毫微微型蜂巢式基地台要連入核心網路時的實體(PHY)層、多媒體存取控制(MAC)層的要求如安全、認證等、定義須要導入毫微微型蜂巢式基地台系統的管理要求如無線資源管理等、定義與NWG整合時的系統影響與要求如定址服務(LBS)、緊急服務等、定義現存的IP地址管理、QoS機制、整合Femto Forum、3GPP、3GPP2的討論，並提出解決方案。
因為Femto Forum與WiMAX Forum的大力推廣，眾多的營運商與設備商相繼表示對毫微微型蜂巢式基地台的開發意願，許多廠商也陸續展開相關的研發工作。
遠端管理挑戰仍所在多有
隨著營運商與設備商的開發，毫微微型蜂巢式基地台的普及須要解決兩個問題，一是如何進行網路管理的問題，二是如何解決毫微微型蜂巢式基地台造成的干擾問題。在網路管理方面，今日的行動通訊業者都是透過操作支援系統(Operational Support System, OSS)與業務支援系統(Business Support System, BSS)來管理旗下的網路。大型基地台後端均有高速專線連接到業者的OSS/BSS，而毫微微型蜂巢式基地台通常是透過家庭的用戶迴路(例如ADSL)，以IP連線的方式連接到電信業者的OSS/BSS。不同的連線方式將提高OSS/BSS的處理複雜度。
此外，不像大型基地台，業者可以派出工程師直接進行調校或者升級，毫微微型蜂巢式基地台一般是安裝在使用者的家中，數量龐大且分散，以人力直接進行毫微微型蜂巢式基地台的調校或者升級顯然不可行，因此這些工作只能透過網路進行。業者的OSS/BSS系統必須能夠透過IP網路來遠端管理數量龐大的毫微微型蜂巢式基地台，才能確保整個網路的正常運作，這對業者既有的OSS/BSS處理能力是很大的挑戰。
在干擾方面，釜底抽薪的方式是讓相鄰的毫微微型蜂巢式基地台與大型基地台使用不同的頻道。然而行動通訊業者掌握的頻道有限，難免會發生毫微微型蜂巢式基地台與相鄰的大型基地台或者毫微微型蜂巢式基地台使用相同的頻道，因此干擾問題一直是毫微微型蜂巢式基地台亟待克服的問題。欲降低毫微微型蜂巢式基地台的干擾問題，首先要做的是維持毫微微型蜂巢式基地台與大型基地台之間良好的訊號同步。同步的方式可以透過後端網路以NTP或是IEEE 1588來支援，然而後端網路同步的方式誤差較大，因此另外一種尚在研議中的方式，則是讓毫微微型蜂巢式基地台直接接收大型基地台的同步訊號來進行同步。
在毫微微型蜂巢式基地台網路中，干擾的發生可分為兩類，第一類為毫微微型蜂巢式基地台之間的干擾，如圖4所示，使用者位於兩毫微微型蜂巢式基地台之間，此時干擾可能發生在下行鏈路(Down Link)與上行鏈路(Up Link)。第二類為毫微微型蜂巢式基地台與大型基地台之間的干擾，如圖5所示，其中包括三種場景。第一種是當大型基地台使用者靠近毫微微型蜂巢式基地台時，大型基地台的下行鏈路可能會遭到毫微微型蜂巢式基地台的下行鏈路干擾，如圖5(a)所示。第二種則是當毫微微型蜂巢式基地台使用者暴露在大型基地台覆蓋下時，毫微微型蜂巢式基地台的下行鏈路可能會遭到大型基地台的下行鏈路干擾，如圖5(b)所示。第三種則是當大型基地台使用者靠近毫微微型蜂巢式基地台時，毫微微型蜂巢式基地台的上行鏈路可能會遭到大型基地台的上行鏈路干擾，如圖5(c)所示。
對於毫微微型蜂巢式基地台的存在目的，普遍的認知是，毫微微型蜂巢式基地台是行動通訊業者用來彌補大型基地台室內覆蓋不足、提升網路容量的手段，因此毫微微型蜂巢式基地台的運作前提是不能對大型基地台的使用者造成影響。依照此一想法，一旦毫微微型蜂巢式基地台與大型基地台發生互相干擾情形，毫微微型蜂巢式基地就必須調整、退讓，結果很可能使得毫微微型蜂巢式基地台不能發揮其應有的功能。是否能在大型基地台與毫微微型蜂巢式基地台的運作模式之間，找出業者與用戶都能滿意的最佳平衡點，左右著毫微微型蜂巢式基地台的未來。
毫微微型蜂巢式基地台起飛有望
4G無線通訊網路因為高頻寬的需求，無可避免的須要使用高頻的頻帶，連帶的卻也造成4G網路室內覆蓋不足的問題，較之以往的無線通訊網路嚴重。毫微微型蜂巢式基地台的出現，適時的彌補了傳統使用大型基地台所難以解決的覆蓋率問題。
毫微微型蜂巢式基地台能夠直接安裝在使用者需要網路服務的地點，是對使用者最直接的解決方案，目前國內中華電信、台灣大哥大、遠傳電信以及國外的Sprint等業者均有意推出毫微微型蜂巢式基地台的服務。對行動通訊業者而言，毫微微型蜂巢式基地台畢竟是嶄新的應用，因此現階段這些服務均屬試驗性質，尚未有大量推廣布建的計畫。若要讓毫微微型蜂巢式基地台真正普及，相關的問題包括網路管理、干擾等問題都需要有徹底的解決方案。前述包括3GPP、IEEE 802.16m Task Group、Femto Forum、WiMAX Forum等單位，針對毫微微型蜂巢式基地台大量布建運作時所可能面臨到的問題，分頭從網路管理與射頻(RF)控制方面著手，討論並制定讓業者及製造商遵循的標準，以利毫微微型蜂巢式基地台的推廣。因此可以樂觀的預見，毫微微型蜂巢式基地台在未來4G的無線通訊網路，必將扮演著重要的角色。
(本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)