為了有效提升通訊系統中之傳輸容量，利用多波束天線(Multi-Beam Antenna)應用於基地台上是有效的解決方法；多波束天線應用中，單一波束天線增益(Antenna Gain)將會大幅提高，因此可有效提升波束服務範圍內的使用者訊號強度，進而提高整體傳輸效能；除此之外，多波束天線之建置成本與巨量天線相比，具有低成本之優勢。
本文中藉由系統層級模擬器(System Level Simulator)來評估多波束基地台天線於通訊系統效能之影響，主要是輸入系統模擬參數、通道環境參數與相關天線參數後，即可產生相對應之系統效能；此外透過設定不同使用者分布情境，包含均勻使用者分布(Uniform User Distribution)與非均勻使用者分布(Non-Uniform User Distribution)，亦可評估多波束基地台天線之優勢。
多波束天線
近年來大量的使用者藉由手機、平板等行動裝置來上網，且使用者使用高傳輸率需求的應用的機會也大幅成長，因此無線傳輸的資料量需求也隨之提高。為了要提供如此龐大的無線資料量需求，系統營運商(如中華電信、遠傳電信、台灣大哥大)勢必要讓自家布建基地台提供相對應的系統容量(System Capacity)，如此才能夠負擔大量的無線傳輸需求，且維持單一使用者的傳輸需求。
傳統上最直接增加系統容量的方法就是布建大量的基地台來覆蓋使用者活動區域，但隨之而來的問題將是營運或維護成本將會大幅提高，且侵蝕整體公司的獲利；此外，由於目前民眾意識高漲，大部分皆不希望基地台布建於住家週遭，因此取得新站址非常不容易。基於上述兩因素，傳統布建方法必須要有所修正，而具有多波束天線(Multi-Beam Antenna)[1][2]的基地台正是可解決上述問題的解決方案之一。
多波束天線的基本概念主要是把傳統天線之寬波束(圖1(a))切割成許多較窄波束(Narrow Beam)且具有高天線增益(High Antenna Gain)之波束(圖1(b))來服務相同區域的使用者；另一方面，多波束天線中的每個波束各自獨立，且不會受到耦合(Coupling)干擾，因此實現多波束的應用，將可大幅提高大型基地台天線之價值。
圖1 基地台天線場型覆蓋示意圖：(a)傳統寬波束天線場型、(b)多波束天線場型
無線通道模擬器
為了快速驗證多基地台多使用者之無線通訊系統中之效能，通道模擬器是經常用來驗證系統效能之方法。無線通道模擬器主要可分成有連接層級模擬器(Link-Level Simulator, LLS)與系統層級模擬器(System Level Simulator, SLS)兩大類，且各自有不同的目的。連接層級模擬器，其主要用途是評估點對點傳輸(Point-to-Point Transmission)之效能，即單一傳送端與單一接收端之資料傳送狀況，此模擬器主要用於設計與驗證傳送器與接收器內部各模組之演算法效能，如調變/解調變(Modulation/Demodulation)、通道估測/等化(Channel Estimation/Equalization)、時間/頻率同步(Time/Frequency Synchronization)、通道編碼(Channel Coding)等無線通訊系統模組。在系統層級模擬器部份，其主要驗證多點對多點傳輸(Multi-Point to Multi-Point Transmission)之效能，即多傳送端與多接收端之系統資料傳送情形；系統層級模擬器主要可應用於評估多點對多點傳輸之效能，可達到快速驗證(Fast Validation)系統效能與高修改彈性(High Flexibility)之優勢，目前已經被世界各家通訊大廠廣泛使用。
天線效能模擬器
為了有效評估天線所對應之系統效能，本文討論以天線角度出發之天線系統效能模擬軟體，讓天線研發人員在設計階段就能提早得知天線設計參數對系統效能之影響。此天線效能模擬軟體，可有效解決傳統上必須把天線雛型(Antenna Prototype)用於場域測試(Field Trial)後才能得知系統效能之問題，因此可達到Time-to-Market，縮短天線開發時程。
此外，透過天線系統效能模擬軟體之使用者圖形化介面(Graphic User Interface, GUI)輸入系統模擬參數(Bandwidth、Operating Frequency、BS/UE Parameters)、通道環境參數(Channel Parameters)、與天線參數(Antenna Number、Antenna Field Pattern)後，即可模擬出相對之系統效能，適合天線設計研發人員使用。
通道模型
WINNER II通道模型主要可產生多點對多點的通道資訊，並且可根據不同基地台與使用者位置來產生相對應之通道，其中單一路徑(單點對單點)之產生方式主要是藉由傳送端傳送訊號後，經由環境中之反射物之影響，最後被接收端接收後所產生多重路徑(Multipath)之效果，因此綜合來說會包含路徑衰減(Pathloss)、遮蔽效應(Shadowing)、多重路徑等效應。WINNER II通道模型亦可提供不同環境型態的通道，如室內環境(Indoor)、都會區環境(Urban)、郊區環境(Sub-urban)等；除此之外，WINNER II通道模型亦根據使用者輸入不同的參數，如中心頻率(Central Frequency)、系統頻寬(System Bandwidth)、資料傳輸率(Data Rate)、直射路徑/非直射路徑等參數來產生不同之通道響應，並提供給使用者做後續之系統層級模擬所需之通道資訊。
3GPP組織中定義了未來5G系統所應用之通道模型，包含了TDL(Tap Delay Line)模型與CDL(Cluster Delay Line)模型。以下介紹5G通道模型中所定義之CDL通道模型與TDL通道模型。在5G通道模型中，主要有包含3種NLOS通道模型(CDL-A、CDL-B、CDL-C)與2種LOS通道模型(CDL-D、CDL-E)，不同CDL模型所使用的Cluster數目皆有所不同，例如在NLOS環境下，CDL-A、CDL-B、CDL-C模型中Cluster數目分別使用了23、23與24；在LOS環境下，CDL-D與CDL-E模型中Cluster數目則分別使用了13、14。與WINNER II通道模型比較後，其不同環境下所設定的Cluster數目皆為20。
除此之外，5G通道模型中亦定義了單一環境下不同延遲擴展(Delay Spread)的狀況，如表1，其中包含了Very short delay spread、Short delay spread、Nominal delay spread、Long delay spread與Very long delay spread等五種Delay Spread狀態，因此使用者可更容易依照實際應用環境選擇更適合之Delay Spread長度來模擬。除了上述應用於NLOS與LOS環境之CDL模型，3GPP組織亦定義了簡化版本的TDL通道模型，如此可減少大量的模擬時間。
表1 CDL模型之Delay Spread Scaling參數
多波束天線效能分析
為了有效評估多波束天線之系統效能，以下我們設計了兩種使用者分布情境來評估，分別為均勻使用者分布(Uniform UE Distribution)與非均勻使用者分布(Non-Uniform UE Distribution)，詳細之模擬環境參數與相對應之系統效能將會在以下說明。
均勻使用者分布
此部分將會模擬在Suburban環境下之單一寬波束天線(2個天線埠)與5-Beam多波束天線(10個天線埠)之模擬結果，其中圖2與圖3中顯示了利用Single Wide Beam與Multi-Beam時基地台與使用者之位置，且模擬環境之參數設定如表2所示。在圖2的設定中，主要是利用單一寬波束天線來覆蓋所有使用者；而在圖3的設定中，使用者的數量與圖2相同，但是利用了5個高增益之窄波束來覆蓋所有50個使用者，且每個波束(2個天線埠)平均覆蓋10個使用者。因此若單純從訊號強度的角度來看，圖3中利用多波束天線的情況，使用者的訊號強度是會比圖2中的使用者更好。
圖2 使用者在Single Beam環境下之分布圖User Number=50
圖3 使用者在Multi-Beam環境下之分布圖User Number=50
根據表2的參數設定，圖4列出了利用天線效能模擬器模擬後所產生之Capacity CDF分布圖。從模擬結果可得知，多波束天線「Multi-Beam(10 Ports)」所得到的系統效能會比單波束天線「Single Beam(2 Ports)」來得佳；即使利用了五套的單波束天線(即圖中「Single Beam(10 Ports)」)來服務使用者，多波束天線效能還是較佳，主要原因是多波束天線其天線增益比單波束天線較高的因素。
圖4 均勻分布環境下之效能模擬圖比較圖
非均勻使用者分布
此部分將會模擬在Suburban環境且非均勻使用者分布下之單一寬波束天線與5-Beam多波束天線之模擬結果，且模擬環境之參數設定如表2所示。圖5中顯示了基地台與使用者之位置(Scenario 1)，其主要是利用單一寬波束來覆蓋所有非均勻分布之使用者；圖6中則利用了5-Beam多波束天線(均勻多波束)來覆蓋所有使用者，其中每個所覆蓋的使用者數量分別為2(Beam 1)、2(Beam 2)、16(Beam 3)、20(Beam 4)、10(Beam 5)；圖7一樣利用了5-Beam多波束天線來覆蓋所有使用者，但其波束並非均勻分布(Beam 2與Beam 3服務相同區域)，主要是把使用者數量較少的波束轉向覆蓋使用者較多的區域。
表2 模擬環境之參數設定
圖5 Scenario 1：使用者在Single Beam環境下之非均勻使用者分布圖(User Number=50)
圖6 Scenario 2：使用者在Uniform Multi-Beam環境下之非均勻使用者分布圖(User Number=50)
圖7 Scenario 3：使用者在Non-Uniform Multi-Beam環境下之非均勻使用者分布圖(User Number=50)
圖8中顯示了圖5、圖6、圖7相關使用者環境設定，且利用天線效能模擬器模擬後所產生之Capacity CDF分布圖。從模擬圖上可清楚看到，均勻多波束天線(「Uniform Multi-Beam(10 Ports)」)所得到的系統效能會比單波束天線(「Scenario 1-1, Single Beam(2 Ports)」)來得佳，但若與五套單波束天線(「Scenario 1-2, Single Beam(10 Ports)」)的狀況相比，反而是利用五套單波束天線效果會較佳，主要原因是因為Beam 3與Beam 4中，其範圍內的使用者數量較多，導致整體的平均效能降低。若將非均勻多波束天線(「Scenario 3, Non-Uniform Multi-Beam(10 Ports)」)加入比較，從模擬結果可看到，整體的效能趨勢會比利用五套單波束天線還好，這主要是Beam 2轉向覆蓋其他使用者較多的區域所帶來的好處。
圖8 非均勻分布環境下之效能模擬圖比較圖
結論
多波束天線應用中，由於單一波束天線增益大幅提高，因此預期可有效提升波束服務範圍內的使用者訊號強度與系統效能。本文中利用天線效能模擬器來模擬多波束天線分別於均勻使用者分布與非均勻使用者分布環境下的系統效能；從模擬結果可看到多波束天線之優勢，特別是非均勻使用者環境下若搭配非均勻多波束天線來覆蓋使用者，可提供多使用者區域更好的資料傳輸率，整體的系統效能也隨之提高。
(本文作者方士豪、許仁源任職於工研院資訊與通訊研究所；許毓佳、楊昌霖任職於譁裕實業股份有限公司)
首圖來源：Gazprom