4G開台以來，各家電信營運商無不為了這塊廣大市場，推出各式各樣的優惠方案來搶占4G用戶及市場占有率。然而，在媒體強力播送4G傳輸速度最高、涵蓋範圍最廣的眾多宣傳內容背後，是否存在一個公正客觀衡量之標準？本文試圖從通訊技術角度切入，剖析4G網路優化之關鍵因素，供讀者了解選擇4G網路時的評判之資訊與能力。
確保消費者權益 4G網路品質監測不可或缺
國家通訊傳播委員會(National Communications Commission, NCC)是我國有關電信通訊、網際網路和廣播電視等訊息流通事業的最高主管機構。其主要職責在有效辦理通訊傳播管理事項，以確保通訊傳播市場公平有效競爭、保障消費者與尊重弱勢權益等。故NCC負責監管電信業者行動寬頻網路相關業務，包括4G頻譜釋照、4G基地台架設許可、4G資費審議與電信業者所提行動寬頻業務經營計畫書變更審議等事宜。
然而，隨著國內現行動寬頻市場競爭激烈，各家電信業者也都加速建設4G基地台，消費者該如何針對各家電信業者所推出4G方案做選擇呢？目前NCC除了會公布各家4G業者布建北、中、南部4G基地台數目進度外，也會針對架設基地台過於緩慢之電信業者予以開罰，畢竟無線頻譜屬於國家稀有的電信資源，雖電信業者用昂貴的標金標到無線頻譜使用權，但仍須積極開拓4G通訊基礎建設，以確保消費者權益並提升國家競爭力。
然而，4G電信基礎建設是否只跟基地台架設之數目、所標得無線頻寬多寡有關？4G基地台蓋得越多是否代表電信業者的4G基礎建設做得越好？目前各家電信業者無不以4G連網速度快慢、行動寬頻品質良窳、無線涵蓋範圍深廣等作為促銷手段，各家電信營運商也透過公布一些評比的資訊來訴求自家的4G網路是最佳的選擇，但消費者該如何針對這些商業訊息進行判斷呢？
事實上，NCC也以標案的方式，委託由像財團法人電信技術中心(Telecom Technology Center, TTC)或其他第三方公正單位進行許多實地的測量與測試，包括熱點區域、大眾運輸工具、都會區等區域，測試指標除了傳輸速度、涵蓋率外，亦對各家電信業者的頻率使用效率、網路訊號品質指標，如網路延遲、發收話成功率、訊號交遞成功率等進行量測與調查，除作為電信營運商改善的依據外，也提供予主管機關參考，進而保障消費者的權益。
近年來，4G無線訊號之測量與測試方案除了派員在熱點區域、大眾運輸工具、人口密集區域使用路測軟體(Drive Tests Tools)進行靜態與動態的量測外，亦可提供APP供4G網路用戶下載安裝，以獎勵補助或抽獎提高參與量測、資訊回報之誘因，除記錄上下行的速度、訊號品質指標外，並可取得用戶的同意後，蒐集使用網路服務的習慣與服務品質的滿意度(Quality of Experience, QoE)，真實的反應4G網路的實際傳輸效能，並以多元的樣貌呈現用戶的服務感受。
4G網路布建勝出關鍵 SON網管技術扮演要角
4G用戶對於4G網路的傳輸速度、訊號品質與網路服務滿意度等效能指標比3G有更高的要求與期待。第三代合作夥伴計畫(3GPP)組織為了提高消費者的使用感受與降低整體網路的營運成本，協助電信營運商除了取得更多的頻譜資源來應付大量資料流量的成長需求外，在通訊技術上提出了自我組態(Self-Configuration)、自我優化(Self-Optimization)、自我修復(Self-Healing)等的自組織網路(Self-Organization Networks, SON)網路管理技術等概念。
SON的網管技術被視為是4G時代有效的行動寬頻管理之解決方案與勝出的關鍵，其核心精神是在有限的頻譜資源下，發揮更高的傳輸效益。SON應用架構圖如圖1所示，自我組態就是使基地台設備能夠具備有隨插即用的功能，在工程人員完成基地台硬體設備的安裝後，可自動與後端的核心網路以及營運、管理和維護(Operation, Administration and Maintenance, OAM)、SON Server等完成連線的建立，自動載入所需的軟韌體、設定檔，並能視安裝地點與其需求，自動設定傳輸頻段、初始功率等初始參數。這使得原先費時費工的作業工作成本轉變成較具效率的自動化程序，並大大地降低電信營運商初始安裝與網路部署的成本。
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| 圖1 SON應用架構圖 |
基地台設備完成初始的自我組態後，便開始提供使用者通訊與網路服務，而無線訊號傳輸品質與系統容量，將會隨著時間地點、使用者數量分布與傳輸流量有所改變。加上因為無線干擾、基地台架設地多變性，而讓使用者聯網速度與品質受到影響，而自我優化即是透過網路參數自動化回饋機制，收集相關的網路參數與使用者網路傳輸行為，進行傳輸效能的偵測與異常事件分析，並經由優化演算法自動化調整網路優化參數、網路傳輸效能，提高使用者服務品質與用戶感受。
當基地台設備因某些硬體元件故障或軟體執行發生問題，使原本提供的語音或網路服務造成中斷，將嚴重影響系統的正常運作與用戶的使用感受，而自我修復功能就是透過網路參數自動化回饋機制，收集問題發生的參數與事件資料，將事件與指標進行觀測、統計，分析故障的原因、類型與判斷提供可行的修復方案，例如啟動硬體備援機制或軟體回復、協同調整鄰近基地台的訊號涵蓋參數並參與緊急救援。
訊號涵蓋/傳輸容量具權衡關係
4G網路營運初期，用戶最關注的不外乎為4G涵蓋範圍是否有在自己居住生活的區域、涵蓋率高低與傳輸容量大小，亦是電信營運商最看重的指標之一。要實現無線訊號涵蓋與容量優化(Coverage and Capacity Optimization, CCO)，除了增加與部署更多的基地台外，實務上也可透過調整基地台天線相關參數，如天線方位角(Antenna Azimuth)、半功率波束寬(Half-Power Beam Width)、天線傾角(Antenna Tilt)或下行傳輸功率的動態調校，來達到涵蓋範圍與容量的優化。
基地台的天線方位角、傾角調整目前大多以人工方式預先設置與事後調校，而有些較先進的基地台則有配備可自動調整的天線模組並可遠端控制，其中又分為機械式與電子式調整。機械式調整者，天線本身要動，透過機械裝置調整天線支架，改變天線的傾角；而電子式調整，天線本身不動，透過訊號調整天線振子的相位，改變合成分量場強度，使天線輻射能量偏離原來的零度方向。
4G無線訊號涵蓋範圍越大是否就一定代表通訊傳輸容量增加？根據3GPP Release 11 SON技術規格書中指出，無線訊號涵蓋與系統傳輸容量根本上是權衡(Trade-Off)的關係。當無線訊號涵蓋範圍擴大時，可能會與鄰近的基地台產生干擾，非但使傳輸容量沒有增加外，還可因干擾而使傳輸容量減少。因此，一般進行無線訊號涵蓋與容量優化參數調整前，還須考量鄰近基地台涵蓋範圍、其他營運商的基地台涵蓋範圍以及使用者的位置分布等。
另外，使用者若處於訊號涵蓋範圍邊緣區域(Edge Area)、訊號盲區(Dead Zone)或因為建築物遮蔽(Shadow Effect)效應，使訊號覆蓋強度不足，就容易造成如圖2中所示的訊號覆蓋空洞(Coverage Holes)，導致使用者網路連線無法建立與網路服務中斷。
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| 圖2 Coverage Hole示意圖 |
傳統上，電信業者的解決方式是派出工程人員去做訊號品質的路測，收集大量資料後回去維運中心做事後的統計與分析，再以人工的方式調整天線或功率參數，費工也費時。
現今3GPP技術中，已有無線連結失敗(Radio Link Failure, RLF)回報資訊、無線資源控制(Radio Resource Control, RRC)連線建立與重連狀態，以及位置資訊回報至後端網管中心的機制，經由回報的參數與用戶裝置行為的比對分析，並過濾因時間因素、地理因素的誤差，來估算覆蓋空洞之範圍與類型，並立即採取合適的訊號覆蓋補償方案。如透過SON技術，由中控端遠端下達自動調校基地台天線與功率參數指令、派遣行動基地台或部署新基地台，來降低訊號覆蓋空洞所造成的影響。
4G基地台無線干擾調控技術 提升網路傳輸效率
電信營運商自家的鄰近基地台間以及其他營運商的基地台之間訊號的干擾是影響4G網路傳輸效能的重要因素，在3GPP Releases 8/9 SON技術規格書中，蜂巢間干擾協調技術(Inter-Cell Interference Coordination, ICIC)就已列為SON中的重要技術與議題，ICIC又分為靜態與動態調整機制，靜態是在基地台提供服務前就已經決定頻譜重用率(Frequency Reuse Factor)與頻段等參數，動態ICIC則透過相對窄頻傳輸功率(Relative Narrowband Transmit Power, RNTP)、高干擾指示(High Interference Indicator, HII)、超載指示(Overload Indicator, OI)等參數指標的回饋、統計與分析，視實際的網路運作情形，對頻譜重用率、頻段與無線資源分配等參數進行動態的調整與優化。
3GPP Releases 10則針對傳統大型基地台(Macrocell)與小型蜂巢(Small Cell)並存環境中，提出加強版蜂巢間干擾協調技術(Enhanced Inter-Cell Interference Coordination, eICIC)，導入近乎空白子訊框(Almost Blank Sub-frame, ABS)的機制，來降低大型基地台與小型基地台間的干擾。ABS機制中有干擾攻擊者(Aggressor)與干擾受害者(Victim)兩種角色，兩者將透過LTE X2介面或經由營運、管理與維護(OAM)系統，溝通與協調彼此的角色為何、ABS分配數量與傳送時間，以降低干擾對於干擾受害者的傳輸影響。
行動負載平衡管控技術 提升頻譜資源利用率/傳輸效能
4G用戶分布在網路中的地理位置與數量、使用網路服務時間與類型都是較難預測、隨時隨地在改變的。一個常見的現象是傳輸流量與連線過度集中在某些區域與基地台，如跨年晚會或其他集會遊行等，常造成傳輸量與通訊請求過度集中，基地台會發生超載(Overloaded)以致於出現網路傳輸品質不穩定情事。情節嚴重者，甚至造成既有網路連線中斷，亦即無線資源有限，單一基地台所能提供之資源為該區域的用戶共享，越多使用者使用，則速率會越慢。如圖3所示，某些基地台因較少使用者，擁有較多的無線資源可以提供服務但卻空閒著，整體網路的頻譜資源利用率與傳輸效能將嚴重的低落。
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| 圖3 超載基地台與SON實現負載轉移示意圖 |
因此，在3GPP對SON行動負載平衡(Mobility Load Balancing, MLB)也提出Load Reporting機制，包括了下行/上行(DL/UL)實體層無線資源區塊(Physical Resource Block, PRB)使用率、細胞容量類別指數(Cell Capacity Class Indicator, CCCI)、細胞容量類別值(Cell Capacity Class Value, CCCV)與傳輸網路層負載指示(Transport Network Layer Load Indicator, TNLLI)等參數的回饋，提供MLB方法有關基地台負載情況的相關指示，並結合訊號品質與Mobility相關之參數，以決策超載基地台欲卸載的用戶裝置(User Equipment, UE)與目標基地台，並視基地台實際支援的功能，以調校Cell Reselection/Handover參數、傳輸功率或機械/電子式天線傾角，來實現用戶與網路負載之卸載與轉移。
4G基地台架設數目非唯一考量 應建立客觀評比方法
SON除了上述介紹網管技術外，也包括了行動穩定性優化(Mobility Robustness Optimization, MRO)、隨機存取頻道(Random Access Channel, RACH)優化、網路服務中斷偵測與復原(Cell Outage Detection and Recovery, CODR)等技術，而彼此間優化也會有所連動、互相影響，因此電信業者布建一個4G網路時，也必須進行全盤的考量與整全規劃。
4G開台後，目前國內電信業者仍在全力衝刺擴充4G用戶數與競標更多的無線頻譜資源，來應付日益急增的傳輸業務流量需求。
衷心期盼不久未來，在NCC悉心監管行動寬頻電信業者的過程中，能從通訊技術角度提出引導電信業者能往提升無線頻譜使用效率、優化4G網路效能之各樣公正客觀之測試評比方法，衡量各家電信業者布建4G網路的表現，而非僅以基地台架設的數目與速度來評比電信業者的積極度。倘若能建立此種評比制度，相信對建立電信市場公平競爭機制、保障消費者權益甚至提升國家競爭力，都能發揮莫大的效用。
(本文作者任職於資策會智通所)