雙連線技術提升運行效率　小型基地台布建腳步加快

以往為了解決系統頻寬不足及收訊死角的問題，常以擴增大型基地台的方式來因應。然而，對使用者而言，電磁波對健康影響的疑慮，往往讓使用者強力反對在住家附近布建大型基地台；對營運商而言，除了必須面對難以找尋合適的布建地點外，擴建大型基地台，也意味著必須增加額外的營運成本，壓縮其收入利潤，這便造成了行動通訊供給與需求之間的矛盾。小型基地台(Small Cell)便是在此進退兩難的情況下，應運而生的新一代通訊接取技術。

小型基地台的特色就像家裡的無線區域網路(Wi-Fi)接取點(AP)一樣輕巧，低功率、小範圍、成本低、彈性布建等都是小型基地台相對於大型基地台的優勢。所以廣泛布建小型基地台也能降低其附近居民的憂慮，並能大幅增進行動網路服務的涵蓋範圍，補強訊號死角，提升使用者的服務品質。因此，小型基地台自然地也就成為電信營運業者所急切關注的新技術，也是目前公認最具潛力發展的通訊技術方向之一。無線通訊技術發展標準的主流--長程演進計畫(Long Term Evolution, LTE)廠商觀察到此一急遽升溫的需求，正積極發展小型基地台的通訊接取技術。

布建場景需求考量多

在3GPP RAN Plenary #58會議中，新一代小型基地台的加強機制(Small Cell Enhancement, SCE)已被3GPP LTE Release-12列為主要研究項目之一。其討論的布建場景如圖1所示，包含：涵蓋與未涵蓋於大型基地台、室內及室外的布建環境，以及透過理想或非理想的骨幹網路連結、稀疏與密集的布建方式、同步或非同步。其中，各布建場景的需求分別說明如下：

‧	涵蓋與未涵蓋於大型基地台
	圖1　新一代小型基地台的布建場景 如圖1所示，新一代小型基地台可能布建於一個或多個大型基地台內，這意味著小型基地台與大型基地台的涵蓋範圍可能會有所重疊。為了降低基地台之間的干擾，不同類型的基地台使用不同的頻譜(例如F1、F2)，將是簡易避免訊號干擾的方法之一。另一方面，此一場景也包含在訊號死角中直接布建新一代小型基地台，這意味著小型基地台的涵蓋範圍可能不會與大型基地台重疊，在這樣的場景下，發展小型基地台特有的接取技術將能開創更多的商機。
‧	室內及室外的布建環境
	新一代小型基地台可設置於室內或室外環境，對於室內低移動性(意指每小時移動0～3公里)的使用者，或是室外中度移動性(意指每小時30公里以上)的使用者而言，提供良好的通訊服務品質，並兼顧使用者的移動性與系統的吞吐量(Throughput)，將是此一場景最需考量的目標。另一方面，小型基地台的省電效率將是此場景未來另一個討論方向。
‧	透過理想或非理想的骨幹網路連結
	新一代小型基地台透過理想的骨幹網路連結，指的是利用光纖點對點直接連結，在這樣的架構下，基地台與骨幹網路之間的傳送延遲將能降到最低，並能達到較高的系統吞吐量；非理想的骨幹連結指的是使用市面上典型的xDSL、微波、或中繼傳輸(Relaying)等。而小型基地台與大型基地台之間，或是小型基地台之間的通訊介面應以現有的X2介面作為討論的起頭，以確認基地台間實際所需傳送的資訊。
‧	稀疏與密集的布建方式
	新一代小型基地台也可能因應不同的環境需求，而有稀疏或密集布建的方式。例如在一些熱點、室內或室外已有大型基地台涵蓋的環境中，小型基地台通常只須要稀疏的布建即可；同時，在人口密集的都會區或大型購物商場中，密集的布建小型基地台才能有效支援巨量的流量需求，並補強大型基地台的訊號死角。
‧	同步或非同步
	新一代小型基地台與大型基地台之間，或是小型基地台之間的同步與非同步布建場景皆是目前LTE Release-12討論的範圍。對於一些特定的運作方式，例如干擾協調、載波聚合、基地台間的協同傳輸等等，皆來自於基地台同步後的干擾與資源管理。因此，以時間同步為基礎所布建的小型基地台將是未來優先考慮的場景。

小型基地台布建面臨諸多挑戰

另一方面，雖然新一代小型基地台因3GPP標準制定會議熱烈的討論而擁有非常看好的前景，但伴隨著上述不同場景需求，新一代小型基地台仍然有許多必須面對的挑戰：

‧	移動的穩固性
	當新一代小型基地台與大型基地台共同密集地分布於一區域時，使用者裝置在這些基地台間移動將面臨換手失敗率提升的挑戰。如何達到移動的穩固性，讓使用者穩定地接收訊號比較好的來源基地台或目標基地台的換手指令，來增加換手的成功率，甚至避免乒乓效應的發生，是此一議題最須克服的問題。
‧	上下行功率不對稱
	圖2　異質網路的上下行功率不對稱 由於新一代小型基地台與大型基地台的下行輸出功率不同，而使用者裝置會選擇距離較近的基地台作為上傳時的基準，這可能造成當使用者裝置位於異質網路(HetNet)的訊號交疊處時，上下行功率不對稱的狀況發生(圖2)，對使用者裝置而言，訊號較好的上行與下行連結分屬不同的基地台，因此3GPP標準制定會議目前的討論是，希望允許使用者裝置同時連結到兩個基地台，建立雙連線(Dual Connectivity)，以分別選擇合適的基地台來進行上傳與下載。
‧	頻繁換手增加訊號傳送負擔
	新一代小型基地台的傳送範圍較小，將造成使用者裝置在此區域內頻繁的換手，進而導致核心網路大量的訊號交換負擔，如何利用雙連線的優勢，來降低核心網路在處理換手時的負荷，將有效提升系統運行效率。
‧	跨基地台的資源來提升使用者的傳輸量
	不同的服務通常有不同的服務品質(QoS)需求，例如網路語音通訊協定(VoIP)要求延遲時間較短、可容忍較高的封包遺失率；但盡力服務(Best Effort)則要求封包傳送的正確性、可接受較長的延遲時間。所以如何根據不同的服務品質需求，整合跨基地台間的頻寬資源來提升使用者的資料傳輸率，則是小型基地台未來另一項艱鉅的挑戰。
‧	網路規劃與配置成本
	此挑戰源自營運商的布建策略，當布建大量的小型基地台時，基地台自組網路(SON)功能變得非常重要，合適的自我組態調整(Self-configuration)將大幅降低營運商的維護與檢修成本。

雙連線技術受矚目

雙連線是目前3GPP優先推崇研擬發展之技術。透過該技術，使用者裝置可同時間被至少兩個基地台服務。目前討論的主流係兩個基地台經由非理想骨幹網路連結，也就是說，此兩個基地台的訊息交換無法保證頻寬及訊息延遲時間。然而，雙連線的基地台可分別扮演不同角色，並提供不一樣的服務內容。這些角色無關基地台功率等級，對於不同裝置而言角色也會不同。

對於如何實現雙連線技術，目前3GPP標準制定會議已提出幾個發展方向。以下先從技術發展方面說起，包括不同基地台間的無線資源聚合、多元無線資源控制(RRC Diversity)、上行/下行分離(UL/DL Split)、載波聚合與增強型基地台間干擾協調技術(CA and eICIC)、移動錨等。

不同基地台間的無線資源聚合

不同基地台間的無線資源聚合(Inter-node Radio Resource Aggregation)，可以細分為適用於大型基地台與新一代小型基地台不同頻(Inter-frequency)的解決方案、適用於大基地台與小基地台同頻(Intra-frequency)的解決方案兩種。

‧	適用於大基地台與小基地台不同頻的解決方案
	圖3　不同頻基地台間的無線資源聚合 不同基地台間的無線資源聚合是一個適用於提升個別使用者流量的解決方案。此方案是藉由整合來自不只一個基地台的無線資源給資料平面(Data-plane)做資料傳輸之用(圖3)。可透過將移動錨(Mobility Anchor)保留在大型基地台的方式，實現此解決方案，進而大幅省下傳送給核心網路額外的訊號負擔(Signaling Overhead)。
‧	適用於大基地台與小基地台同頻的解決方案
	圖4　同頻基地台間的無線資源聚合 不同基地台間的無線資源聚合，亦適用於提升基地台邊界(Cell Edge)流量，其允許一個使用者裝置被多個基地台所排程(圖4)。如圖4所示，位於基地台邊界的使用者裝置1(UE1)可同時被大基地台在非空白子訊框(non-ABS)與小基地台在空白子訊框提供服務。所以，個別使用者的流量將因同時受到兩個不同基地台的無線資源所服務而有所提升。

多元無線資源控制

圖5　採用多元無線資源控制的換手區間

多元無線資源控制機制的運作，適用於使用者裝置自大型基地台轉換至小型基地台、大型基地台間轉換與小型基地台間的轉換。

上行/下行分離

為增加透過小基地台替大基地台分流(Off-loading)，與提升上傳資料的效能，上行/下行分離技術允許使用者裝置與可提供最高下載流量的基地台進行下行連線，並同時與可提供最高上傳流量的基地台進行上行連線。蜂巢的選擇典型會依據最低路徑衰減為準則。

載波聚合與增強型基地台間干擾協調技術

此適用於大基地台與小基地台使用不同頻率的情況下，提升個別使用者流量的解決方案。透過同時於大小型基地台的邊界使用不只一個頻率，以及於主要基地台和次要基地台採用增強型基地台間干擾協調技術的方式達成。

移動錨

移動錨是為降低/隱藏流向核心網路的訊號而被提出。此技術藉由隱藏包含次要基地台(Secondary eNB, SeNB)中與移動行為相關的訊號來達成。此移動錨並不相依於雙連線解決方案，且可以在容量受限的使用者裝置、基站/後端網路與高系統負載的情況下被採用。

介紹完雙連線技術發展之後，接著分別說明雙連線的資料平面架構(Data Plane Architecture for Dual Connectivity)及雙連線的控制平面架構(Control Plane Architecture for Dual Connectivity)。

雙連線的資料平面架構

圖6　下行資料平面的承載分離選項

目前共有三種下行資料平面的承載分離(Bearer Split)選項(圖6)：選項1，主要基地台與次要基地台同時直接與服務閘道(S-GW)連接(透過S1-U介面)；選項2，唯有主要基地台與服務閘道(S-GW)連接，基地台與使用者裝置間並無承載分離；選項3，唯有主要基地台與服務閘道(S-GW)連接，基地台與使用者裝置間存在承載分離。

在協定架構中，當只有主要基地台與服務閘道(S-GW)連接時，由於傳輸資料的重組(Re-segmentation)工作是與傳輸協定底層(物理層)介面緊密相連，且主要與次要基地台間並無理想後端網路相互連接，因此次要基地台內的協定架構就必須支援資料重組功能。附帶一提的是，重組功能中必須要支援於傳送無線連結層之封包(RLC PDUs)的節點，且基於以上的假設資料平面之上層，可分為獨立型與主從型。

雙連線的控制平面架構

從目前規格的角度來看，每個基地台皆應該自主地處理/掌握使用者裝置，並且假設每個使用者裝置只會與一個移動管理單元(MME)連接。在雙連線運作時，次要基地台擁有自己的無線資源，且在其基地台中負責主要的無線資源分配的工作。然而，這將須要主要與次要基地台間進行協調以達成合作。

有鑑於小型基地台的重要性日增，台灣行動通訊廠商應密切掌握該技術的發展方向，才能發揮我國網路設備產品與系統解決方案之價值。

(本文作者皆任職於資策會智通所)