慎選最適部署技術　LTE室內訊號涵蓋品質加分

從2007年開始，3G/高速封包存取(HSPA)的推出就讓智慧型手機與行動寬頻裝置的使用逐漸增加，無線資料傳輸正呈現指數成長，LTE及其較高的傳輸速度與較廣的應用範圍將驅動行動網路上的資料傳輸繼續成長。

提供給使用者的室內涵蓋服務是行動業者現今面對的最大挑戰之一。行動通訊營運商沃達豐(Vodafone)最近提出的報告指出，該公司有90～95%的行動資料傳輸是在室內進行，這顯示若要最大化行動資料傳輸收益，提供無所不在的室內涵蓋是十分重要的因素。然而，傳統的手機蜂巢網路設計主要是使用「由外而內」的大範圍涵蓋，讓行動業者使用室外的大型蜂巢來穿透建築物。隨著傳送來源愈來愈偏向室內，同時新型的建築設計使用阻擋高頻無線訊號的節能建材，這種方法也漸漸變得無效。為了提供高品質的服務，行動業者、建築廠商與企業需要在建築物內布建室內的涵蓋系統，而不是單純依賴來自建築物外基地台的微弱訊號。

室內訊號涵蓋技術提升各有千秋

在室內系統技術應用上，主要分為轉發器(Repeater)、完全主動分散式天線系統(DAS)、超微型基地台(Picocell)與毫微微型蜂巢式基地台(Femtocell)。然而要增進建築物內的訊號涵蓋，有許多不同的技術選擇，每種技術都有其相關的應用、優點與限制。

利用轉發器放大訊號

轉發器這類裝置藉由放大來自附近所屬蜂巢基地台的訊號，透過被動網路將訊號延伸至建築物內，來提供室內的涵蓋。雖然轉發器的功率可能很高，其主要的使用是被動網路衰減較低的場合，如中小型的建築物或是隧道中。此外，該技術應用的缺點是只能延伸涵蓋範圍，無法提供任何其他的容量。轉發器只運作在特定頻率，因此支援的頻帶是受限的。

被動DAS適用小型建物

DAS是一個放置在建築物四處的天線所構成的網路。現行的DAS有兩種，分別為主動式跟被動式。被動式的DAS是由同軸電纜、對偶器與功率分散器所構成的網路，用來分散無線訊號。訊號的來源直接由蜂巢的基地台或轉發器來提供。被動式DAS的使用受限於被動裝置的訊號衰減，在高頻的訊號損失限制了纜線的範圍，而同軸電纜施工成本也比在建築物中布建光纖更高。由於HSPA與LTE對於訊噪比(SNR)的要求較高，每個基地台一般都只使用十來個被動式DAS，因此只適合使用在較小的建築物中。被動DAS的容量上限與涵蓋範圍都與被動網路上的訊號衰減息息相關。

主動DAS適用中大型建物

一個主動式的DAS超過建築物內，連往遠端天線單元的光纖或射頻(RF)纜線來傳送自基地台的訊號。光纖沒有同軸電纜中存在的傳輸衰減問題，因此對中大型的建築物是更好的解決方案。大多數主動系統都針對特定頻率運作，因此可傳送的頻段跟技術是受限的。對中大型的建築物來說，業者或用戶一般都會使用專門的(連往主動系統的)蜂巢基地台，可以提供比單純轉發器更大的容量。而主動系統同時可以分為「完全主動」跟「混合」兩類解決方案。

‧	完全主動DAS
	如圖1所示，完全主動DAS解決方案是使用一條直接連到遠端單元的光纖，一般位於天線附近，可以讓傳送訊號的功率最大，同時讓任何被動元件上的衰減最小。一個完全主動的方案含有安裝在建物天花板的小型遠端單元，可能只用一條短短的同軸電路連往天線。如Zinwave之類的寬頻系統可以支援所有的蜂巢頻率與技術，而其他的系統也有提供頻道限定的元件，只要將放大器儘可能的靠近天線，就可以得到最高品質的訊號。

圖1　完全主動分散式天線系統(DAS)

‧	混合式DAS
	混合式系統是由主動與被動元件混合構成，一般含有一個主動的集線器，連接少數的高功率遠端單元。這件遠端單元都比完全主動系統的遠端單元來得更大更貴。遠端單元一般都設置在數據中心，然後透過同軸電纜與被動元件所構成的被動網路來連往天線。由於遠端單元的傳輸功率可能比完全主動系統大，被動網路上的衰減也可能仍然顯著，因此在天線傳遞的實際功率可能仍會受纜線長度、類型與被動元件間的衰減所影響。

利用獨立基地台加強特定範圍訊號涵蓋

分散式射頻系統或稱超微型/家用型基地台，是一種整合了射頻與天線的獨立基地台單元。這些設備需要後端的連線，可以提供網路額外的傳輸容量。超微型與家用型基地台一般都視業者與頻帶/技術而有所不同。若與巨型或微型基地台相比，其容量與涵蓋範圍也較為受限，因此超微型/家用型基地台一般都使用在涵蓋特定熱點(Hotspot)、SOHO使用或是小型建築物。然而，超微型與家用型基地台的布建與分散式天線系統可以互補，而非競爭的關係。因此，超微型與家用型基地台可以安插在DAS中，提供較大範圍內的特定範圍涵蓋，例如可能是大型的遊艇或船隻。在這些地方，衛星網路連線可以透過超微型與家用型基地台來布建，而行動訊號可以透過DAS來傳送。

室內射頻訊號耗損考量

建築物室內設計的一個主要因素與考量，就是室內不同頻率射頻訊號的傳播狀況。在考慮整體網路預算時，路徑損耗(Path Loss)是一個重要的效應，同時也對所需的天線數量與系統的整體成本有重要影響。開放空間中的路徑損耗，與傳送者及接收者之間的距離平方成正比，同時也與射頻訊號的頻率平方成正比。路徑損耗公式可以計算開放空間的訊號衰減，但並沒有把室內環境額外的遮蔽損耗考慮進去。為了考慮室內環境的額外衰減，在考量連線損耗時，損耗的係數可能要提高。這些室內的係數也視狀況而有不同的值，例如從公眾區域的開放空間建築物，到含有隔間辦公室的緊密建築。因此路徑損耗的程度與天線的涵蓋範圍都視頻率與環境而有極大不同。

使用開放空間的標準路徑損耗公式如公式1，以分貝(dB)為單元的路徑損耗可以由頻寬(MHz)與距離(KM)來表示。

........................................................................(1)

然而，路徑損耗係數往往都會提高，以描述室內環境的額外減損。其係數視頻率以及從開放空間到緊密隔間的不同環境而有所不同。如果使用改變後的公式，室內環境路徑損耗可以由公式2來計算。

........................................................................(2)

在一個50%隔間環境的手機頻段中路徑損耗與距離的關係如圖2所示。

圖2　手機頻段的訊號路徑損耗與距離的關係。

被動元件中的訊號衰減

圖2顯示了在開放空間與室內環境中的不同，以及在典型手機各頻段中路徑衰減的不同。舉例來說，在2.6GHz的頻段，50公尺的傳送距離上，開放空間與室內環境的衰減差距高達23分貝。這個程度的差距在室內環境最終的連線預算與涵蓋範圍上有顯著的影響，如表1所示。

同軸纜線與如果使用在被動或混合DAS網路中的其他被動元件，在不同的頻寬下也會造成不同的訊號衰減。在DAS網路中使用被動元件時，這些參數也須要仔細考慮。例如，一個0.5吋寬100公尺長的同軸纜線在900MHz有7.1分貝的衰減，但在2.6GHz則有12.6分貝。相較於900MHz，在同樣100公尺長的2.6GHz較高頻段傳送會讓到達天線的功率減少到近四分之一。因此，被動系統需要較高的輸入功率來克服額外的訊號減損，要不然現有的系統可能就要重新設計，或進行可能的改變與昂貴的升級，因此其對較高頻的LTE系統來說較不適合。在集線器與遠端單元間使用光纖作為傳輸媒介的完全主動DAS系統則不會受到上述限制，因此對較大規模的部署與較高頻率的網路來說較為適合。

降低噪訊提升品質

3G手機網路中所有蜂巢都使用單一的頻率，因此對3G的射頻規畫者來說，噪訊與功率就是最重要的參數。雖然全球行動通訊系統(GSM)之類的舊式語音系統中，可以使用較高的最大下載功率來克服被動與混合系統的訊號損耗，但在LTE之類高速資料系統規畫連線時，上行雜訊卻衰減得十分嚴重。接收訊號的強度不會影響HSPA或LTE服務的傳輸率，然而射頻網路的品質，即訊噪比則是關鍵。資料傳輸率愈高，就需要愈高的訊噪比。為達成室內系統中最大的可能速度，下行的訊噪比應受限於有效等向輻射功率(EIRP)與其他的外部噪訊，理想上DAS的噪訊與衰減應儘可能最小化，這在通道對噪訊更敏感的上行線路來說尤為重要。

在被動DAS系統中的任何損耗都會直接影響雜訊的大小與特性。因此，在被動同軸纜線與元件上的每個分貝損耗，都增加了等量的雜訊。Friis公式可以用來計算含有被動元件與主動放大器的級聯式室內DAS的雜訊。Friis公式可以簡化為如公式3所示。

........................................................................(3)

在公式中NFS代表系統的整體雜訊；NF1代表放大器與鏈路的第一級雜訊；G1代表放大器與鏈路的第一級增益。

在一個簡單的被動系統中，同軸電纜、分接器、結合器等元件將在網路中造成負增益，舉例來說，如圖3所示，如果被動網路的衰減是30分貝，增益就會是-30分貝。因此系統的雜訊就等同於被動系統的衰減。在本例中上述的雜訊是30分貝(所有損耗的總和)。

圖3　簡單的被動系統

在兩級系統(又稱混合系統)中，Friis公式可以用來計算級聯式系統的總雜訊。如圖4所示，使用上述公式，系統的雜訊指數(NF)為26分貝(被動與主動雜訊的總和)。在混合式系統中(第一級為被動，第二級為放大器)，系統的NF往往是被動部分與主動部分的和，而與主動部分的增益無關。在級聯系統中，被動損耗(及其造成的雜訊)是主要的因素。因此要達到最佳的效能，就需要在第一級網路中達到低噪訊。

圖4　在級聯系統中，第一級網路的訊噪比要愈低愈好。

如圖5所示，如果放大器被移到第一級，而被動元件變成第二級，則整體的雜訊則只有6.01分貝，比圖4低了約20分貝。將放大器接近天線雖可以大幅降低系統的整體雜訊，然而，在每個被動網路後都安裝天線是不實際也不划算的作法。因此，在低損耗的光纖網路上安裝較小且便宜的損耗放大器，可提供最好的價格/效能平衡。

圖5　將放大器置於被動線路之前的級聯式混合系統。

如圖6所示，完全主動系統在天線附近有低噪訊的天線，可以改善訊噪比。在放大器的第一級之前其被動損耗可被忽略，因此系統整體的雜訊等同於完全主動DAS的雜訊，在此例中為15分貝。藉由降低第一級的損耗，同時將低雜訊放大器靠近鏈路，上傳訊號的品質，及其造成的使用者裝置資料傳輸率都可以獲得顯著改善。此一在訊噪比上的改善，對HSPA或LTE之類的高速資料傳輸尤其重要，5分貝的訊噪比改善在LTE裝置中，可能造成從四分之三16正交振幅調變(QAM)到六分之五64正交振幅調變的編碼差異。

圖6　完全主動系統

寬頻LTE滿足多元頻段

LTE可以在現有的2G與3G頻譜上，也可以在2.6GHz、700MHz與800MHz之類的新頻帶上部署。在許多國家中，頻寬分配的進行上都會面對許多爭執。無可避免地最終全球LTE的頻寬分配可能會各地不同，每個頻帶都有相對的優點跟限制，在設計室內涵蓋時都須要好好全盤考量。對室內方案的購買者來說，最重要的因素就是支援LTE各種可能分配頻帶的彈性，以及對現有手機頻段，如900MHz、1,800MHz與2,100MHz的支援。由於LTE的頻帶有許多可能的選擇，也讓使用特定頻率的室內方案面臨挑戰。一些室內方案的設備商可能別無選擇，只能安裝多重硬體，也讓LTE頻帶的支援成本變高，寬頻的作法則可以解決這些窄頻帶方案面臨的問題。

另外，LTE的標準允許FDD與TDD，這表示除了可能用於LTE的FDD頻帶的範圍之外，也可能使用過去常見UMTS FDD裝置無法使用的非成對頻帶。在中國等亞洲國家可能主要使用TDD頻譜，而歐美地區也考慮使用。華為日前宣布，將在波蘭部署全球第一個商用的LTE TDD網路Aero2。另外在很多國家的室內環境中也非常有可能出現混合FDD與TDD的系統，這樣的方案須要同時支援FDD與TDD，對於內含在傳送與接送路徑間維持隔離特定頻率多工器的DAS裝備來說，這是一個挑戰。這個問題主要與LTE頻帶有關，除非系統可支援寬頻，不然廠商別無選擇，只能對FDD與TDD系統分別架設裝備，來分別支援這兩種技術。

使用MIMO有利有弊

從3GPP第七版就使用加強的天線陣列技術增加資料的傳輸率。多重輸入多重輸出(MIMO)或多重天線是在傳送端與接收端使用多個天線來增進射頻的效能。多重天線初為設計在戶外使用，在室內使用的好處仍有爭議。由於射頻電波在室內各種環境間傳播，因此MIMO的效用視應用區域與場合而不同。容量上的增加，可從開放空間的25%到高度分散多路徑環境中的75%。相較於單輸入單輸出(SISO)系統，對相同的容量，MIMO只需較低的CINR(大致與SNR相關)，也就是在同樣的CINR下，MIMO可以有較高的容量。

MIMO的一個爭議點就是效益與成本的平衡，射頻的設計者不禁會問「我可以負擔多少的MIMO？」雖然在室內環境下MIMO有顯著好處，但最關鍵的考量在於室內方案非常彈性，可以支援SISO、MISO與MIMO。因為需要序列式的布線，因此在被動或混合網路中不太可能使用MIMO，因為會讓被動方式的成本加倍。一些主動式DAS系統支援MIMO，然而其他頻帶的成本可能會導致DAS只適合在單一頻帶上使用。

圖7～10顯示了在不同DAS方式的多服務MIMO布建的結構差異。如圖7所示，是一個雙重星狀架構完全主動寬頻DAS的例子。由於系統的寬頻能力，單層的硬體可以用來支援單一平台上的所有服務。為了在單一位置支援LTE MIMO，可以部署兩個遠端單元，提供2×2 MIMO的支援以及其他額外服務。

圖7　單層的完全主動寬頻DAS

圖8是一個更為傳統的窄頻完全主動DAS。由於多重服務，以及對MIMO的需求(有來自LTE eNodeB的A與B Feed)，可能需要多重集線器來支援不同的服務輸入。另外可能也需要多重特定頻帶的遠端單元來支援2G、3G與LTE。如果遠端單元有多頻帶的功能，單一遠端單元就可以為2G與3G提供支援，但需要多工器(也會造成約3分貝的損耗)來將訊號結合到單一天線上。市面上也有給LTE使用的雙重射頻單元，但仍需要分開的天線來維持MIMO的功能。在此種架構中，多重集線器與多重遠端單元顯然會增加系統的整體成本，也讓整體解決方案更為複雜且低彈性。另外，窄頻系統只能支援FDD服務，因此任何需要的TDD服務都須要含有TDD功能的特製遠端單元。在多重業者的環境下，包含900、1,800、UMTS與LTE(含FDD與TDD)的多重服務環境中，在每個地方可能會有多到四組的遠端單元，也需要較多的集線與前端設備。

圖8　多重、完全多工的特定頻帶DAS

圖9的多重服務混合系統與窄頻系統類似，在集線器位置的多重系統可能需要有GSM、UMTS、LTE連接DAS的介面。此外，較高功率、較大且較貴的窄頻遠端單元部署在更中央的地方，在被動網路的最後一階則用來將服務分配到建築物，就像傳統的被動DAS一樣。雖然遠端單元的輸出功率可能較高，而天線的EIRP或功率則取決於纜線長度與被動損耗。為了在被動線路上支援MIMO，需要序列系統來維持兩個訊號間的分散性，由於需要額外的裝備，因此在被動網路中部署MIMO被認為是不經濟不實際的作法。

圖9　多層的混合式特定頻帶DAS(需要MIMO的多重設定)

圖10為一個簡單的被動網路，其訊號源直接連接到被動網路，因此天線的EIRP、功率與基地台的輸出功率及被動網路的損耗直接相關。被動網路因此較適合使用在較小的建物中，在要達到HSPA與LTE提供服務所需的SNR等級時更是如此，其與混合式的情況類似，一個使用MIMO的完全被動網路須要比SISO部署多兩倍的裝備，也因如此在被動系統上部署MIMO成本高昂不切實際。

圖10　被動式DAS(需要多重的MIMO建置)

室內無線通訊的願景

現今網路業者更常一同合作，同時分享室內網路基礎設施，以儘可能降低成本增加獲益。不同業者多服務共享的室內方案數目，已是單一業者特定室內服務的四分之一。

老式技術往往長命百歲，雖然須要支援LTE之類的全新標準，向後相容2G與3G之類的現有技術也一樣重要。在一百九十六個國家中有超過四十億的GSM/3G用戶，同時有超過五百個GSM/EDGE網路。因此，在未來，還須要支援這些現有技術，值得注意的是，室內解決方案必須在同樣的室內網路下支援現有與過去的技術，而一個業者可能要同時支援2G、3G與LTE等等三至四個不同的服務。

如本文所討論，在為LTE之類的新型服務部署室內解決方案時，有許多須要考慮之處。LTE不只提供現有2G、3G之外的新服務，同時其高速與MIMO之類的功能也為建置帶來許多挑戰。HSPA跟LTE與傳統的GSM網路不同，其不需要較高的通道功率，因此工程人員要做的就是想辦法降低雜訊，增加SNR以提高資料傳輸率。較小的主動蜂巢可以提供最高的訊號品質，也可以降低實體天線的建置數量，而混合式或被動式的方案則有較低的設備購置與安裝成本。

若要增加涵蓋有很多種不同的方法，而每個方法都有其優點與限制。在有後端連線方案，同時只須要支援單一業者時，毫微蜂巢為SOHO提供了一個良好的方法。在建物的特定區域須要涵蓋時，轉發器就十分有用，但它無法提供額外容量，同時也有本文前述的一切問題，由於混合式被動元件的特性，使其使用受限於特定窄頻與特定SNR值。DAS的作法提供了小、中、大型建物中的特定涵蓋，對多業者多服務的環境也更為適合，如本文前述，DAS中的任何被動混合式元件都會影響SNR，因此要維持訊號品質就要減少被動元件與纜線的使用，同時將低噪放大器儘可能的靠近天線。被動與混合式網路都使用高功率訊號來克服被動網路的衰減，但由於HSPA與LTE的上行都需要高感度，因此服務會受限於上行線路與訊噪比，也讓功率被浪費掉。另外，LTE的2.6GHz高頻訊號在室內傳送也有困難，會造成在被動元件上較高的衰減。

業者想要找尋更有彈性的作法，支援2G、3G之類的現有技術，以及LTE之類的未來技術。LTE跟HSPA一樣，將來勢必會成為室內的必備服務之一。此外，由於室內產生的服務有九成是資料傳訊，業者將須要為室內的涵蓋提供更為針對性的解決方案，因為過去「從外而內」的巨蜂巢作法顯然對於未來已經不適用了。而如何在一共通平台支援多服務、多業者與未來技術的彈性架構，是一個非常關鍵的考量，也影響了須要支援下一代服務的行動業者、建商和企業的商業與技術決策。

(本文作者為Zinwave亞洲副總裁)