實現彈性/低成本部署　異質網路提升寬頻體驗

長程演進計畫(LTE)讓營運商可使用更寬廣的新頻段，並以更高資料傳輸速率、更低延遲及扁平式IP架構，可與現行3G網路相輔相成。為能進一步運用普遍且符合成本效益的方式提升寬頻使用者經驗，第三代合作夥伴計畫(3GPP)已就LTE-Advanced架構的不同層面進行研究。

無線電鏈路效能在3G強化技術及LTE已逼近理論上限，因此要從網路拓撲著手以提升無線網路效能。LTE-Advanced將能提升每單位面積的頻譜效率。透過整合大型(Macro)、超微型(Pico)、毫微微型(Femto)及中繼(Relay)基地台所形成的異質網路，可實現彈性及低成本部署，讓網路中任何地點使用者，都享有一致的寬頻體驗。

本文將探討使用替代性部署模式或異質網路拓撲的需求。為提升這些網路的效能，本文將介紹各種必要先進技術，用以管理、控制干擾，使這類網路能完整發揮優點，範圍延伸技術可讓更多使用者終端裝置直接獲益於超微型、毫微微型及中繼基地台等低功率基地台，適應式跨基地台干擾協調技術(Adaptive Inter-cell Interference Coordination)可在產生干擾的基地台間，提供智慧型的資源分配功能，提升異質網路各基地台間的公平性，此外，本文也將以大型/超微型網路為例，顯示異質網路的效能增益。

LTE是由3GPP所開發的領先正交分頻多重存取(OFDMA)無線行動寬頻技術，具備高頻譜效率、低延遲及高資料傳輸速率等特性。LTE運用3G的規模經濟，以及基礎設施與裝置廠商所形成的生態系統，能以符合成本效益的方式提供較優異的效能表現。LTE標準於2009年3月公布，屬於3GPP Release 8的一部分。相較於3G及其演化技術，LTE並未提供任何特殊功能提升頻譜效率，而LTE在所需頻譜開放時，可運用更寬廣頻寬以改善系統效能。

拓撲為無線網路效能躍進關鍵

圖1　頻譜效率持續提升，逼近理論上限。

3GPP已針對各種不同層面進行研究，在LTE-Advanced架構中提升LTE效能，其中包括更高階多重輸入多重輸出(MIMO)、載波聚合(多分量載波)及異質網路(中繼、超微型及毫微微型基地台)。由於單一鏈路頻譜效率的提升在3G及LTE已逼近理論值上限(圖1)，因此下一代技術主要為增進單位面積的頻譜效率。換言之，LTE-Advanced透過變更傳統網路拓撲，使基地台範圍內任何地點的使用者，都能享有一致的使用經驗。LTE-Advanced的關鍵層面之一，就是使用異質網路的全新部署策略。

傳統網路部署繁雜

現行無線行動網路為典型的同質網路，規畫時以大型基地台為中心部署。所謂的同質行動系統是指基地台網路經過配置規畫，搭配各種使用者終端，使其中所有基地台都擁有類似的傳輸功率水準、天線模式、接收器雜訊層，以及連結至資料(封包)網路的後置網路連線力。此外，所有基地台也提供網路中所有使用者終端無限的存取功能，且大致服務相同數量的使用者終端，其中所有終端都以類似的服務品質(QoS)需求傳送相似的資料流。

大型基地台的設置地點在網路規畫時均經過審慎挑選，而基地台環境也經過適當配置以提供最大涵蓋範圍，同時控制基地台間的干擾。由於流量需求成長及射頻(RF)環境改變，網路須仰賴基地台蜂巢分割(Cell Splitting)或額外載波以克服容量及鏈路配置等限制，並維持一致的使用者經驗，不過這種部署程序既複雜又繁複。另外，要在人口密集的都會區取得設置大型基地台與塔台的地點也越來越不容易，因此營運商需要更為彈性的部署模式，以普遍且符合成本效益的方式提升寬頻使用者經驗。

異質網路具備彈性/低成本優勢

若從資訊的理論容量上限判定，無線行動系統已演進至獨立系統，即僅需一座基地台幾乎已可達最佳效能。無線網路未來提升效能時，則須更加倚賴進階網路拓撲，以縮短網路與行動使用者間的距離，運用各種不同基地台所組成的異質網路，可提升單位面積的頻譜效率。

如圖2異質行動系統所示，本行動系統包括經過規畫的標準型配置大型基地台，一般可以約5～40瓦(W)高功率傳輸；同時該系統重疊多個超微型、毫微微型及中繼基地台，以較低傳輸功率100毫瓦～2瓦運作，且相對大型基地台，部署方式較不詳細規畫。低功率基地台部署可消除大型基地台的訊號涵蓋範圍死角，並提升熱點容量；大型基地台的設置一般必須經過審慎的網路規畫，但超微型/ 中繼基地台部署較可因時地制宜，僅須對網路涵蓋範圍及流量密度如熱點，具備初步了解即可。

圖2　異質網路整合運用大型、超微型、毫微微型及中繼基地台。

超微型、毫微微型及中繼基地台的傳輸功率較低、實體尺寸較小，因此取得站台地點較具彈性。中繼基地台可於後端固接網路無法取得或過於昂貴下提供額外彈性。

在同質網路中，每個行動終端裝置都是由訊號最強的基地台提供服務，因此來自其他基地台的多餘訊號則被視為干擾。這類原則在異質網路中可能導致效能遠低於最佳水準。因此與傳統的行動通訊相較，可在這類系統中的基地台間使用更智慧的資源協調方式、更優異的伺服器選擇策略及更有效干擾管理等先進技術，可大幅提升傳輸量及使用者經驗。

次世代網路提升基地台邊緣/中央資料速率

圖3　整合大型/超微型部署搭配進階干擾管理的下行鏈路傳輸量。

以下將以整合式大型/超微型網路部署為例，說明LTE-Advanced異質網路可提升的潛在效能。在3GPP R1-084026中使用3GPP的評估方法，搭配組態1(統一配置)，該網路包含大型基地台(43dBm傳輸功率及17dB天線增益)，同時每座大型基地台搭配四座超微型基地台(30dB傳輸功率及5dB天線增益)，並可能採用或不採用異質網路強化技術。圖3顯示下行傳輸使用異質網路功能後，使用者資料傳輸速率的提升情形。如圖所示，基地台邊緣及中央使用者的傳輸速率，均因智慧型伺服器選擇及進階干擾管理技術而大幅提升。

超微型基地台的傳輸功率遠低於大型基地台，同時在網路中可提供主要的熱點設置。大部分使用超微型基地台的行動網路，由於部署未經事先規畫，可預期在大範圍內會出現低訊號干擾現象，使RF環境運作困難，不利於控制頻道傳輸至基地台邊緣的使用者。更重要的是，大型與超微型基地台間傳輸功率可能有顯著差異如20dB，表示整合大型與超微型基地台的部署中，超微型基地台的下行傳輸涵蓋範圍遠低於大型基地台。

上行傳輸則無此問題，因為使用者終端裝置在不同基地台接收的訊號強度，取決於終端裝置的傳輸功率，而所有終端裝置至不同基地台的上行鏈路，都使用相同傳輸功率。因此所有基地台的上行鏈路涵蓋範圍相似，而上行鏈路的切換邊界(Handoff Boundaries)取決於頻道增益，這可能使異質網路下行與上行鏈路的切換邊界間產生無法匹配，讓基地台與使用者終端裝置間的連結或伺服器選擇較同質網路更為困難，因為同質網路下行與上行鏈路切換邊界更緊密匹配。

訊號強度影響Pico基地台效能

若伺服器選擇主要取決於LTE Release 8的下行鏈路接收訊號強度，則超微型基地台的效用將大為降低。因高功率基地台的涵蓋範圍較大，可能會因訊號強度導引大部分使用者終端裝置至大型基地台，但是又沒有足夠資源有效服務使用者終端裝置，在此情形下，低功率基地台可能未服務任何使用者終端裝置，因而減低基地台蜂巢分割技術的優點。即使所有低功率基地台至少服務一個使用者終端裝置，且使用可用頻譜，然而不同基地台間的負載差異仍可能造成資料傳輸速率分配不公，造成網路中各使用者終端裝置使用體驗不一致。因此就網路容量的觀點而言，最好能擴大超微型基地台的涵蓋範圍，並大幅提升基地台細胞分割增益，以平衡大型與超微型基地台間負載。本文將此概念稱為範圍延伸。

若要實現範圍延伸，必須降低高功率大型基地台對低功率基地台服務使用者終端裝置所造成的下行鏈路干擾，可以透過使用者終端裝置的干擾消除技術，或是基地台間的資源協調達成。禁止使用者終端裝置運用高功率大型基地台或鄰近毫微微型基地台，可消除兩者所造成的干擾。為協調基地台間資源，可能要將兩組不同資源分配至兩類高功率及低功率基地台，資源可能是同步系統中的時域(區間或子訊框)或頻域(子載波群組)。利用分配給低功率基地台的資源進行基地台蜂巢分割，可達到容量增益，同時高功率基地台則可利用所分配的資源提供足夠涵蓋範圍。

可用一個簡單的例子說明大型及超微型基地台間的固定資源協調情形，以展示範圍延伸的潛在增益。圖4顯示整合部署大型及超微型基地台時，使用及未使用範圍延伸時的使用者相關統計資料(參考資料2中的組態1)。在此係以路徑損耗作為依據，執行基地台至終端裝置的連結，亦即利用最低路徑損耗與基地台產生連結，而非使用最高下行鏈路訊號強度，以及在大型與超微型基地台間固定均等的分配資源，達到範圍延伸的目的。如圖4所示，範圍延伸可讓更多使用者與超微型基地台連結，且讓空中網路資源更公平地分配至各使用者。在使用者群聚超微型基地台的熱點配置中，效果將更為顯著(參考資料2中的組態4)。

圖4　超微型基地台使用者統計資料(使用或未使用範圍延伸)

異質網路部署關鍵為ICIC

使用範圍延伸的異質網路中，為讓使用者的終端裝置在大型基地台下行鏈路訊號較強的環境中，接收低功率基地台的服務，超微型基地台須和主要的大型干擾源間，執行控制頻道及資料頻道的干擾協調(Inter-cell Interference Coordination, ICIC)。

毫微微型基地台的使用情況中，只有其所有人或用戶可以使用毫微微基地台。靠近毫微微基地台但無使用權的用戶終端裝置，可能遭受特別嚴重的干擾，因此該毫微微型基地台很難建立穩定的下行傳輸通訊至使用者終端機。相對於同質網路以資源重複利用(須進行微調)建立其傳輸模式，毫微微型基地台網路必須透過基地台間的資源分配，以更多協調管理基地台間干擾情形。

因此基地台干擾協調是異質網路部署的關鍵。基本的基地台干擾協調技術包括在會產生干擾的基地台間重整資源分配，如其中會產生干擾的基地台放棄使用部分資源，讓受影響的用戶終端裝置能夠控制及使用資料傳輸功能。整體而言，產生干擾的基地台可互相協調傳輸功率及/或空間電波束，讓對應的用戶終端裝置執行控制及資料傳輸功能。

為發揮異質部署的最大效益，資源協調分配的進階干擾管理技術是必要的。資料分配可於時域、頻域及空間域執行。時域分配可加強適應使用者分布及流量負載的變化。舉例來說，大型基地台可依據超微型及大型基地台服務的使用者終端裝置數量，及/或依據使用者終端裝置的資料速率需求，在每個超微型基地台使用的無線電訊框中，選擇保留部分子訊框。頻域分配的資源分配精細程度與彈性較低，不過仍然是可行方案，特別在非同步網路中。

緩慢適應式資源協調演算法創造網路最高效能

緩慢適應式干擾管理(Slowly-Adaptive Interference Management)方式中，協調與分配資源的時間單位會遠超過排程間隔。緩慢適應式資源協調演算法的目標，是尋找適用於所有傳輸基地台與使用者終端裝置的傳輸功率組合，以及可創造網路最高整體效能的所有時間及/或頻率資源。效能可定義為由使用者資料速率、QoS流量延遲，以及公平性標準所構成的函數。

上述演算法可由中央實體運算，該中央實體可存取解決最佳化問題的所有必要資訊，並可控制所有的傳輸實體。在大部分情況中，上述中央實體可能因為各種原因而無法提供或不符需求，例如運算複雜性及來自傳送頻道資訊，或執行資源使用決策的通訊鏈路所造成的延遲或頻寬限制，因此僅依據特定節點子集的頻道資訊制定資源使用決策的分配演算法，可能是比較令人滿意的選擇。

協調作業可透過後端網路即LTE中的X2介面)及/或空中無線傳輸(Over-the-air, OTA)訊息執行，例如超微型基地台可傳送負載資訊及資源分配要求至使用X2訊息的大型基地台，同時大型基地台則可傳送資源分配回應及更新至超微型基地台。在某些情況中，不同類型的基地台間並不一定擁有後端網路，或是後端網路可能無法符合相應的延遲及頻寬需求，因此OTA訊息可用於適應式資源分配。

異質網路有效管理、控制網路干擾可大幅提升未來無線系統的容量與效能。如基地台邊緣及中央使用者增益所展示，在大型與超微型基地台的網路環境中，藉由控制基地台間的公平性，使每單位面積可達每Hz/s的最高位元數，使基地台範圍內各處用戶擁有更為一致的使用體驗。異質網路可提供更為彈性的部署策略，使用不同功率的基地台，包括毫微微型、超微型、中繼及大型基地台，針對最需要的地點提供涵蓋範圍與容量。上述技術提供最務實、最具擴充能力且符合成本效益的方式，在現今的大型行動網路中，以不須事先規畫的漸增方式加入更小型、更便宜，並可自行配置的基地台與中繼基地台，達到大幅提升目前行動無線網路容量的目標。

(本文作者任職於高通)