網路整合/射頻管理議題熱　Femtocell帶動架構革命

毫微微型蜂巢網路(Femtocell)是一個很單純的概念：設法將基地台的成本壓低到可以被大量部署到各戶住宅內，並以該用戶原本就已安裝好的寬頻網路連接到核心網路。這樣的做法可以讓用戶享受到與行動固網匯流(Fixed Mobile Convergence, FMC)一樣的服務與好處，例如利用無線區域網路撥打網路電話(Voice-over-WiFi)，但不須額外購買特殊的手機。  

除此之外，使用毫微微型蜂巢網架構可以協助電信業者在部署3G網路時所遭遇的技術挑戰，而且，當電信業者要部署3G長期演進計畫(Long Term Evolution, LTE)與全球微波存取互通介面(WiMAX)時，同樣的挑戰將再度出現，且變得更為艱鉅。對許多行動網路營運商而言，當下是一個充滿挑戰的時代：市場都已經接近飽和、資費競爭趨向白熱化、新競爭者不斷進入此一市場，例如虛擬行動網路營運業者(Mobile Virtual Network Operators, MVNOs)。這些新進競爭者的成本結構通常競爭力十足，而且擁有強大的品牌。對既有的營運商而言，毫微微型蜂巢網可以解決上述許多問題，但在實際部署時， 網路營運商仍然得面對許多挑戰，例如網路整合、通訊安全、監管、射頻干擾等等。然而，這些挑戰都是可以被克服的。  

FMC一路走來跌跌撞撞  

目前，家用無線通訊技術可以分為三大主流：符合數位無線強化電話(Digital Enhanced Cordless Telephone, DECT)標準的普通家用無線電話、行動(蜂巢)電話、以及最近這幾年才崛起的無線區域網路(WiFi)。前兩種技術是很典型的語音通話技術，而無線區域網路則是寬頻網路連接到家中之後的無線延伸。對消費者而言，採用無線技術最大的好處在於不再受到纜線束縛，能夠更自由地自家中移動。但現階段的無線技術仍有兩個缺點，一是家用電話與行動電話的號碼無法整合為一，而且家中電話與手機上的通訊錄是分開的；二是行動電話網路在家裡的覆蓋率通常不好，通話品質不佳。

圖1　英國電信的Onephone服務提供GSM/DECT雙模手機，可說是行動固網匯流的始祖。

讓手機變成雙模手機可以解決上述的問題：在戶外通訊時使用蜂巢網路，回到家中之後再切換回區域無線網路。但這只是個理論上可行的做法，要實作並不容易。以英國電信(British Telecom)命運乖舛的Onephone服務為例，從1999年推出整合了全球行動通訊系統(GSM)/DECT雙模通訊的手機(圖1)，並吸引其他電信業者如Swisscom、Mannesmann、與Airtel也投入類似的服務測試以來，到目前為止，並沒有哪一家電信業者真的成功過。  

所謂前事不忘，後事之師。Onephone與類似服務的失敗，對於日後開發類似裝置時提供了許多寶貴的借鏡。探究當時失敗的原因，這類最原始的雙模手機不僅成本昂貴，也有一些設計上的問題，例如使用者必須手動選擇網路，無法自動換手(Handover)，以及複雜的資費結構等。也有些消費者抱怨廣告不實，以為從家庭網路切換到蜂巢網路不會造成通話中斷。  

雖然上述問題可以透過更好的整合機制與服務定義予以解決(如計費機制與換手)，但有些問題卻是雙模技術的本質所造成的。為了將兩種技術整合到單一裝置中，手機製造商勢必要花費更多時間在設計與測試上，因此使得這類手機的上市時程勢必較為緩慢。這對於講求快速上市與時髦導向的手機產業而言是非常嚴重的問題；由於必須與電信業者的服務搭售，因此這類手機的市場規模不大，也使得手機的款式選擇相當有限。以英國電信的Onephone為例，當時只搭配易利信(Ericsson)的手機，因此對於諾基亞(Nokia)與摩托羅拉(Motorola)的用戶而言，這樣的服務吸引力不大。最後，由於手機增加了額外的功能，市場規模又小，因此手機的單價難以降低。  

在第一次嘗試失敗之後，電信業者並沒有真正學到教訓。後來電信業者透過改進服務機制的方法，試圖提供給使用者一樣的好處並解決某些挑戰。例如電信業者從DECT轉向藍牙，乃至今日的WiFi，而在服務部分，像是英國電信的Fusion除了提供無縫式的換手之外，同時也將計費機制整合成行動與寬頻封包接取服務的一部分。然而，許多老問題依然存在。例如必須搭配特殊設計的手機，使得電信業者的成本提升，同時也讓消費者的手機款式選擇受到限制，並降低服務的吸引力等。從技術的角度來看，將WiFi、藍牙與蜂巢網路整合到單一手機不是件簡單的事，而且在不同技術之間交替也很難做到完全無縫。  

藍牙與WiFi使用免授權頻段，這對於沒有頻譜使用權的服務提供者而言非常具有吸引力。非授權行動接取協會(Unlicensed Mobile Access Consortium)在成立不久之後，就迅速改名成為通用行動接取(Universal Mobile Access)協會，並成功地結合了許多領先的電信業者與手機製造商，一同倡導以免授權頻段技術來提供GSM與GPRS服務。目前非授權行動接取(UMA)已經變成3GPP專案的一個標準，被稱為3GPP普遍接取網路(Generic Access Network, GAN)標準，讓雙模支援變成一個有標準化的功能。

WiFi雙模手機經常宣稱，跟GSM/DECT手機相比，使用WiFi的最大好處在於可以透過任何接取點(Access Point)來使用WiFi語音通訊，不必受限於家中。這對電信業者而言這是一把雙面刃，同時也讓電信業者產生疑問，為何自己要補貼這種允許使用者在家用環境之外使用，進而會侵蝕自己營收獲利來源的昂貴雙模手機。就這點而論，WiFi對消費者而言確實是一個很有吸引力的選擇，但事實上並不是如此。首先，WiFi的網路涵蓋範圍不夠普及，若在行動狀態下使用，終端裝置還是必須透過蜂巢網路來連接上網。因此，WiFi充其量只能說是一個有用的附加連接能力，而且還受到嚴苛的環境限制。  

此外，雖然透過WiFi熱點來使用網路語音通訊協定(VoIP)進行通話不會受到通話時間的限制，但這項服務卻很少是免費的。以咖啡廳所提供的一次性(以小時或天為單位)WiFi上網服務為例，如果要漫遊的話，其費用換算下來其實是相當高昂的。事實上，電信業者所提供的WiFi熱點上網是固網寬頻服務中的額外高價服務項目，而非低價服務項目。

FMC將第四個元素帶進家庭通訊領域：全球通用的行動通訊服務。固網業者可以扮演虛擬行動網路營運商的角色，利用其延伸資源來與既有的行動營運商競爭。其他MVNOs則可將家庭通訊的無線元素與多網合一(Multi-play)整合成一個套裝服務，提供更有競爭力的方案。  

在理想的情況下，FMC服務應該能提供給目前市面上所有的手機，但實際情況是有些家庭的網路涵蓋狀態並不理想。要解決網路涵蓋問題，必須依靠行動網路業者布建更多基地台才能有所改善，但從經濟的觀點，增加基地台是不合理的，特別是在都會區邊緣與郊區地帶。當地居民的抗爭也使得基地台布建的問題變得更棘手。為了解決網路涵蓋的問題，為何不把基地台放到需要服務的用戶家裡，甚至讓消費者自己買個基地台並自行安裝？順著這樣的思路，比機上盒還小的家用基地台遂被開發出來。  

網路架構選擇多　何者勝出仍未明朗  

從成本與方便性來考量，毫微微型基地台(Femtocell Basestation)必須跟無線網路接取點設備一樣隨插即用。這意味著毫微微型基地台必須使用現成的網路連接技術，也就是以網際網路作為回程線路。目前的射頻接取網路(Radio Access Network, RAN)是由數以百計的基地台連接到單一射頻網路控制器(Radio Network Controller, RNC)或基地台控制器(Basestation Controller, BSC)所構成。基地台與後端控制器之間的介面採用3GPP的Iub標準(TS 25.434)，就其本質而言，是一種在專線上傳輸的非同步傳輸模組(ATM)協定。  

要將成百上千個毫微微型基地台以網際網路串聯起來會造成以下幾個問題：首先，這樣的系統架構是可延展(Scalable)的嗎？這樣的連接方式安全嗎？這樣的連接方式有標準可循嗎？為了回答這些問題，業界已經從W-CDMA網路的發展脈絡中提出幾種不同的架構構想，而且也可以套用到CDMA2000與中國的TD-SCDMA系統上。而在標準化方面，3GPP與3GPP2也正在積極完成標準制定的工作。  

Iub over IP大量沿用現有架構  

圖2所示為以IP為基礎的Iub架構。這種架構以現存的3G網路架構為基礎。雖然這種架構廣受毫微微型基地台開發者關注，但事實上今天很多微微型基地台(Picocell Basestation)都是以這種方式部署的。這個情況也顯示業界已經開始思考如何將毫微微型基地台整合到既有的網路架構中。

圖2　以IP化的Iub介面來部署毫微微型基地台網路

每個毫微微型基地台都跟其他較大型的基地台一樣透過Iub介面連接到RNC。但其Iub協定堆疊被重新打包成符合IP信令(Signaling)的模式，因此又被稱為穿隧式(Tunneling)Iub。至於在安全的部分，則沿用現成的IPsec協定。相關的軟體協定堆疊情況如圖3所示。

圖3　Iub over IP之相關協定堆疊

然而，這樣的架構尚有些問題待解。首先，RNC難以同時支援成千上萬個節點B(Node B)設備(每一部毫微微型基地台在此皆被視為是一個Node B節點設備)。更進一步來說，雖然Iub號稱是一個標準化的介面，但事實上每家大型基地台設備商在設計產品時，都會在標準之外再加入某些獨門的功能與規格，因此這樣的架構只適合已經具備RNC基礎的設備製造商。  

以集中器與Iuh介面克服傳統架構缺陷  

為了解決採用Iub介面所造成的標準不一致問題，並讓現有的RNC能夠同時支援數千個節點B設備，如圖4所示的另類架構遂被提出。這是一種使用了集中器/RNC來支援上千個節點B的架構。

圖4　以集中器/RNC與Iuh介面架構部署毫微微型基地台網路

這個架構現已被3GPP所接納，並且被當作毫微微型基地台網路架構演進的參考範本，同時也是W-CDMA社群最可能廣泛接納的架構。這個架構定義了被稱為家用B節點(Home Node B, HNB)，亦即毫微微型基地台本身，以及扮演集中器角色的HNB閘道器這兩個新的網路元素，同時在毫微微型基地台與HNB閘道器之間溝通的介面部分，亦改用Iuh標準。  

這個新的架構與傳統B節點/RNC架構的功能切割不同。HNB閘道器可以處理多個B節點，同時也可以無縫地與電信業者的RAN網路設備整合，甚至是透過其集中器的功能來取代現有的RNC，支援數千台毫微微型基地台。HNB本身也可以負責分配管理無線電資源，就如同之前的RNC，亦可將網路流量集中到現有的核心網路中。Iuh介面則提供更重要的安全功能、控制信令系統、以及HNB應用通訊協定(HNB Application Protocal, HNBAP)來簡化毫微微型基地台的部署工作。  

UMA架構亦可協助毫微微型基地台網路部署  

UMA已經是許多現存的FMC方案的基礎。要將UMA技術納入現存網路的方法是將UMA存取網路(UMA Access Network, UMAN)放到現存的RAN網路中。整個網路與核心網路之間的介面是UMA網路控制器(UMA Network Controller, UNC)，它同時也是3G RNC的一種。目前具備UMA功能的手機要進行通訊，必須從WiFi接取點跨越整個寬頻網路到UNC，而IP穿隧技術則在這中間扮演透明地延伸所有電路交換與封包服務的角色。

圖5顯示這種架構如何延伸應用到毫微微型基地台網路中。UMA用戶端的功能被移到毫微微型基地台中，允許所有的2G/3G手機透過UMAN在網路中傳遞訊息。採用此一架構的優勢在於這項技術已經完成標準化，而且這個架構的設計目標就是要將數以百萬的終端裝置整合到行動網路中。值得注意的是，由於本架構中沒有RNC，因此RNC的功能必須要由基地台來擔綱執行，例如用來支援射頻頻道設定的RLC/RRC任務等。因此基地台本身必須更智慧化或自動化，也因而使得這類基地台往往被稱作「接取點」。在這個架構中，原本由RNC所執行的任務改由基地台執行後，這些任務變得非常單純，例如在毫微微型蜂巢網這麼小的網路涵蓋範圍內，要支援行動性就遠比以往簡單，也不需要軟體交接(Handoff)。這個架構也經常被稱為平坦式(Flattened)、壓縮式堆疊(Collapsed Stack)、或基地台路由器(Basestation Router)。

圖5　以UMA架構部署毫微微型基地台網路

IMS與SIP徹底顛覆基地台網路布建傳統  

圖6則是另一種全IP化的毫微微型基地台部署架構。這種架構打破了所有現存的網路架構，採用3GPP IP多媒體次系統(IP Multimedia Subsystem, IMS)協定，包含VoIP所使用的議程初始協定(Session Initiated Protocol, SIP)，而RNC所執行的功能則被移到毫微微型基地台端。

圖6　以IMS/SIP架構部署毫微微型基地台網路

由於採用全IP的方式來進行網路部署，因此這個架構很接近WiMAX基地台的部署方式。這個架構同時也越來越受到3GPP2所主導的CDMA2000 Evolution陣營所青睞。  

不論何種架構，支援室內室外基地台無縫換手是最基本的要求。UMA陣營經開始著手處理這個問題，畢竟UMA架構所面對的技術差異性最大，同時也使得換手問題處理起來更形複雜。3GPP也已將行動VoIP在WiFi跟行動網路之間換手納入IMS標準中。  

射頻管理議題廣受各方矚目  

管理射頻干擾是行動網路不可或缺的一部分，因為頻道數量與獨一編碼永遠是不夠用的。頻道與編碼再利用是整體網路計畫中的一環，在有限的頻道數與可被容忍的干擾情況下，如何平衡訊號覆蓋範圍內的負載，則是網路計畫的重點。不論如何，頻道擁有者都希望能將可用頻段的效益發揮到最大。  

相較之下，WiFi網路則是一個不受控管的網路，因此干擾的情況也變得非常嚴重。包含其他WiFi網路或是其他利用同一或相鄰頻段的無線通訊技術，例如藍牙，都會彼此干擾。事實上，共頻干擾的挑戰將隨著越來越多WiFi網路部署而更形惡化。  

有些觀察家認為，當毫微微型基地台大量部署之後，也會對射頻管理帶來挑戰。但隨著設備與半導體供應商所開發出來的產品日益智慧化發展，部署毫微微型基地台不僅不會對射頻管理帶來挑戰，反而有助於改善射頻管理。  

首先必須要了解的是，毫微微型基地台對射頻環境的衝擊其實是正面的。以CDMA網路所面臨的遠近(Near-far)挑戰為例，一旦終端裝置與基地台的距離增加，終端裝置就必須增加其發射功率以便能成功進行通訊。對其他在同一個蜂巢網路涵蓋範圍內的終端裝置而言，這個發射功率提升的終端裝置本身就是一個干擾源，而為了反制這個干擾源，其他終端裝置也必須提升自身的訊號發射功率。當網路涵蓋範圍越大，越多終端裝置可能處於與基地台距離遙遠的狀態，因而使得干擾的問題更形惡化。  

毫微微型基地台直接解決了這個難題。因為在毫微微型基地台的涵蓋範圍內，所有的終端裝置與基地台之間的距離都非常短，因此終端裝置的發射功率可以降到非常低的程度。這不僅有助於解決終端裝置所造成的干擾問題，更可提升終端裝置的電池壽命。更進一步來看，由於自我同一的結構衰退(Self-same Structural Attenuation)使得毫微微型基地台的涵蓋範圍僅限於室內，更使得大型基地台的系統容量得以提升。建築物的牆壁是非常有效率的隔離體，不僅降低了終端裝置訊號干擾的情況，更降低了不同蜂巢網之間的干擾。  

此外，所有在大型基地台所採用的射頻管理技術也被移植到毫微微型基地台上，並沒有因為毫微微型基地台的訊號涵蓋範圍較低就採取相對放任的態度。舉例來說，所有家用基地台都必須具備使終端裝置進入網路聆聽模式(Network Listen Mode)的功能。當使用者的設備要進行通訊時，該裝備會與訊號最強的基地台進行同步並決定主要亂數碼(Primary Scrambling Code)，以允許廣播跟控制頻道的訊息在終端裝置試圖存取基地台前先被解碼。同樣的，毫微微型基地台也可以與網路同步以決定該採用哪些亂數碼來降低干擾。  

另一個替代方案是主要的大型基地台網路與其重複涵蓋的毫微微型網路使用不同的通訊頻率。這種方法需要在大型基地台與毫微微型基地台之間進行硬式換手(Hard Handover)以及其他智慧型的方式來降低不同家庭的接取點之間的干擾。 除了技術上的挑戰之外，法規的挑戰也是必須正視的問題。例如，由於毫微微型基地台的通訊頻段使用權屬於電信業者，因此毫微微型基地台設備的所有權應該屬於電信公司，而非一般消費者。這樣的客戶關係比較接近有線電視或是以有線電視提供語音通訊服務的模式。就像有線電視數據機或機上盒那樣，毫微微型基地台應該要由電信公司提供，而不像非對稱數位用戶迴路(ADSL)數據機由用戶自行購置。  

同步要求嚴苛　系統設計挑戰艱鉅  

3GPP規範要求所有基地台的發射訊號頻率都必須非常精確且緊密地同步，因此基地台的參考時脈必須非常精準。例如大型基地台的頻率精密度必須到達百萬分之0.05(Parts Per Million, PPM)的水準。雖然在Release 6規範中，微微型基地台的精度要求被放寬到0.1，而且業界也已經提出更寬鬆的規範草案，甚至希望電信業者能做某種程度的讓步，來進一步放寬對頻率精度的要求。  

但不論如何，對低成本毫微微型基地台而言，要達到如此精準的同步，會對系統的材料成本帶來巨大的衝擊。事實上，為了持續降低系統成本與設備的尺寸，業界已經開始考慮採用一些新的低成本同步解決方案，IEEE 1588便是這類低成本解決方案中的一個例子。IEEE 1588設計給網路設備使用的精準時脈同步協定，透過在寬頻網際網路上散布一個可以經得起典型封包延遲值與抖動考驗的高精準度的時脈訊號，以低成本方式來實現高精度同步並非不可達成的目標。  

另一個替代方案是以全球衛星定位系統(GPS)時序參考的方式來實現同步化。由於毫微微型基地台系統不需要精確的地理定位資訊，因此只須從一顆定位衛星擷取訊號即可。此外，以GPS時序來同步也不像導航應用那般需要較短的訊號回復週期(Recovery Period)，因此採用這種方法來進行同步化唯一的考量在於GPS訊號的室內涵蓋效果通常較差。  

第三種替代方案是從大型基地台來取得精準的時脈訊號並以此調整自己的系統時脈。這種方式將增加射頻的經常成本(Overhead)，而且毫微微型基地台的所在地必須在大型基地台的訊號涵蓋範圍內。  

最後，目前市面上有一些非常創新，且能兼顧低成本與高穩定性的時脈產品可允許系統製造商設計出符合穩定度要求的產品。這些核心電子產業的技術發展帶動毫微微型基地台產品的生產製造往前邁進。  

套用現成技術　設備監管機制有解  

就像一般消費者可以自己購買並安裝家用WiFi接取點，理論上安裝毫微微型基地台也應該如此輕鬆簡單，甚至不須現場協助。但毫微微型基地台不像WiFi這種獨立網路設備，它必須被偵測並整合到整個後端行動網路中，而且必須要以用戶不須介入並且高度安全的方式安裝完成，以避免這類設備遭駭客入侵或被不當地使用。  

為了達成這個目標，電信業者可能會參考許多有線電視與ADSL網路營運商的做法，導入註冊與授權機制。例如在大多數的情況下，寬頻網路的使用者都必須輸入一組密碼來獲得網路接取權。目前已經有機制允許寬頻網路供應商遠端監管安裝在用戶端的DSL閘道器，亦即DSL論壇所提出的TR-069標準。這項標準也可以被應用來監管毫微微型基地台上。  

另一種監管方式則是透過用戶識別模組(SIM)。就像在手機上，SIM卡是一種儲存了可以用來識別使用者、訂購服務、以及偏好設定等密鑰資訊的智慧卡。當毫微微型基地台被啟動並連上網路之後，SIM卡可以用來對網路進行認證並建立起安全的連線。這項已廣經驗證的技術非常適合家用基地台使用，有些電信業者正在考慮使用這項安全功能來提供新的服務，例如啟動安全虛擬私人網路(VPN)等企業應用服務等。  

毫微微型基地台有助提升營運競爭力  

行動通訊產業的趨勢是難以捉摸的，但隨著營運商積極競逐新業務，朝向家庭市場發展應是一個必然的大方向。在語音通訊營收不斷下滑之際，電信營運商紛紛推出各種混合了多種技術的混合型的服務以求力挽狂瀾。在市場紛擾中，行動網路營運商由於擁有2G、3G、乃至WiMAX等核心無線技術，因此更有能力推出以此為基礎的整合型服務，來建立起獨特的競爭優勢。  

(本文作者任職於picoChip)