基地台範圍擴展技術助力　小型基地台達成高密度布建

以往無線通訊系統行動數據流量的提升，主要是透過三個技術方向的發展：提升頻譜效率(Spectral Efficiency)、增加使用的頻寬(Spectrum Extension/Utilization)、提高網路布建密度(Network Density)。其中，提高網路布建密度可提升的效果是三者中最大(約略七~十四倍)，因此發展高密度的小型基地台相關技術，是發展B4G與通往5G通訊的關鍵。

高密度的小型基地台布建環境下，當主基地台訊號強度高過鄰近的次基地台時，會對使用者造成干擾，造成使用者裝置(UE)無法正確獲得系統訊息；基於異質網路(Heterogeneous Network)所提出來的基地台範圍擴展(Cell Range Expansion)技術，其涵意是多種類、多製造生產商與不同傳送功率之基地台，此時次基地台範圍擴展利用改變較低功率基地台細胞選擇(Cell Reselection)的門檻值，因此減少主基地台邊界之使用者干擾和細胞選擇成本。

探討小型基地台布建可能性　三大場景優先納入3GPP考量

3GPP標準組織希望討論的高密度小型基地台場景，泛指所有宏基地台(Marco Cell)覆蓋小基地台(Small Cell)的可能性，如圖1，小基地台被一個或一個以上的宏基地台涵蓋或小基地台單獨存在於場景內，並探討小基地台布建於室內或室外，以及基地台之間該採用非理想骨幹網路(Non-ideal Backhaul)或理想骨幹網路(Ideal Backhaul)的連接方式。

資料來源：3GPP 圖1 增強型小基地台布建場景

綜觀上述，高密度小型基地台場景整體討論範圍之大，圖2顯示目前3GPP標準制定會決議優先以下三種場景先論述。

場景一，宏基地台和小基地台使用同頻率(Intra-frequency)並透過非理想骨幹網路方式連接；場景二，宏基地台和小基地台使用不同頻率(Inter-frequency)並透過非理想骨幹網路方式連接；場景三，只探討小基地台在一個或多個頻率，並使用非理想骨幹網路方式連接。

資料來源：3GPP 圖2 高密度小型基地台場景

3GPP R12(Release 12)增強型小基地台討論的高密度小型基地台參數設定，延續異質網路分析的移動性(Mobility Robustness)的數據為基礎，並對較密集小型基地台布建提出建議，點出目前宏基地台和密集小型基地台如何讓使用者裝置感受較高可靠的移動性仍然是一大挑戰。

由於異質網路架構下宏基地台和小基地台輸出功率(Output Power)不同，上行與下載傳輸對於不同的基地台存在不對等的現象，使用者裝置的最佳上行所屬的基地台與最佳下載的基地台生存在於不同的位置。

但目前參考訊號接收功率(Reference Signal Receiving Power, RSRP)為長程演進計畫(LTE)系統用來當做使用者裝置選擇基地台的主要依據。

故當上述使用者裝置因為基地台存在不對等的現象，即使小基地台對於使用者裝置有較低的路徑損失(Path Loss)，使用者裝置可能還是會選擇宏基地台來建立連線，因此會存在小基地台對於使用者裝置使用率不佳與分攤較少的資料流量等問題。

圖3顯示為了增加小基地台的資料流量和使用者裝置上行傳輸使用效率，可使用支援基地台範圍擴展的概念達成之示意圖，縱使使用者裝置對於宏基地台加上特定的偏移量(Cell Specific Offset, CSO)低於小基地台，還是讓使用者裝置先行讓小基地台所服務。

資料來源：高通 圖3 基地台範圍擴展示意圖

若宏基地台和小基地台使用相同頻率，基地台間產生相互干擾，承上環境架構與依據RAN1 Rel-12 Small Cell模擬設定下，宏基地台和小基地台的傳送功率分別為46dBm和30dBm，距離理想的特定的偏移量邊界設定9~14dB的位移量。

評估換手所產生的總訊號負荷須考慮到各種訊號種類，以不活動定時器(Inactivity Timer)為例，當使用者裝置沒有資料時，基地台可根據不活動定時器來釋放無線資源協議(Radio Resource Control, RRC)連線；釋放無線資源協議連線可減少換手所需的訊號量(Connection Maintenance)，但同時會增加連線設定的訊號量(Connection Setup Signalling)。

對於無線資源協議連線建立和換手的流量分析中，當小型基地台數量增加，換手的訊號量也會跟著增加，加上不活動定時器的長短也會影響總共的訊號負荷量，在高密度小型基地台場景下，使用者裝置是不建議大量支援非連續接收模式(Discontinuous Reception, DRX)。

最後，使用者裝置針對不同的服務和乘載(Bearer)會有不同的QoS特性，以現行異質網路架構基地台間是透過非理想骨幹網路方式連接，要透過利用無線資源分配方式來達到QoS要求將是一個挑戰。

小基地台範圍擴展　宏基地台資料卸載

由於邊緣的使用者裝置將面臨同時接收到兩個小型基地台甚至數個小型基地台的訊號，而且都是相同的頻率，所以在小型基地台邊緣的手機有很高的機會被其他小型基地台訊號干擾。

若是在異質網路的環境架構下，而以街道或以辦公室為單位小型基地台，又會與大型基地台操作同一頻率，則小型基地台會整個被大型基地台干擾，較大的宏基地台會整個覆蓋大區域至十公里以上，縱使覆蓋區域下其他的小型基地台運作頻率重複使用(Frequency Reuse)仍成效不彰。

基地台間干擾協調

3GPP R8(Release 8)標準提出基地台間干擾協調解決方案，目的在解決上述的基地台邊緣干擾問題，基地台間干擾協調使用功率大小與頻率動態分配的方式去降低基地台間干擾，鄰近的基地台同樣的時間使用不同的資源區塊(Resource Block, RB)，鄰近的基地台不會指派相同資源區塊，但是會降低基地台的傳輸效率。

所以在小型基地台邊緣的手機考慮會分配不同的資源區塊，而離基地台近的使用者裝置還是使用整個完整頻寬，考量功率控制技術，當基地台會特別增強在邊緣使用者裝置使用的資源區塊之功率。

所有使用者裝置接收鄰近小型基地台的訊號，靠近小型基地台但無使用權的使用者裝置，可能遭受特別嚴重的干擾，該小型基地台很難建立穩定的下行傳輸通訊至使用者裝置，因此基地台干擾協調是異質網路部署的關鍵。

基地台干擾協調技術包括在會產生干擾的基地台間重整資源分配，其技術特徵為場景底下產生干擾的基地台將放棄使用部分資源，讓受影響的使用者裝置能夠控制及使用資料傳輸能力，為發揮異質部署的最大效益。此外，資源協調分配的進階干擾管理技術是必要的，資料分配可於時域、頻域及空間域執行，時域分配可加強適應使用者分布及流量負載的變化。

增強型基地台間干擾協調

先前基地台間干擾協調原理是透過頻率劃分的方式，將相鄰小型基地台重疊的部分分成不同的頻段，從而降低小型基地台間的干擾，這種方式在異質網路中顯然已經不再適用，增強型基地台間干擾協調加入了對時間維度的重新定義，使得不同小型基地台的訊號時域上針對某些用戶是正交的形式。

與基地台間干擾協調技術相比，增強型基地台間干擾協調不再只是針對資料通道，也能降低不同小型基地台控制通道間的干擾。換句話說，基地台間干擾協調是在頻域和功率控制的方式對資料通道的小型基地台間干擾進行協調，而增強型基地台間干擾協調透過時域和頻域以及功率控制的方式，對資料和控制通道的小型基地台間干擾進行協調。

3GPP R10(Release 10)和R11(Release 11)標準討論增強型基地台間干擾協調來解決異質網路的干擾。為了要有效率同時降低資料通道及控制通道的干擾，增強型基地台間干擾協調除了使用功率大小、頻率分配，另外也使用時間分配的方式去降低干擾。

如圖4，增強型基地台間干擾協調在時間分配上，利用基地台在執行訊框分配時，加上幾乎空白副訊框(Almost Blank Sub-frame, ABS)，於資料副訊框不傳輸資料與通道功率分配，就是在解決異質網路之間的干擾問題，但控制通道中使用幾乎空白副訊框，則必須送及低功率的控制訊號。

資料來源：3GPP 圖4 小基地台幾乎空白副訊框示意圖

增強型基地台之雙連線技術

3GPP R12(Release 12)討論增強型基地台間如何使用者裝置運作進行雙連線，執行方式為使用者裝置會與一個主要基地台(MeNB)和至少一個次要基地台(SeNB)進行連線。圖5根據3GPP R12討論共有三種下行資料平面(Data Plane)的承載分離(Bearer Spliting)選項，基於以上三種承載分離的場景資料平面可歸納出獨立型與主從型。

資料來源：3GPP 圖5 小基地台承載分離選項

主要基地台與服務閘道(S-GW)連接時，由於主要與次要基地台間以非理想骨幹網路相互連接，而且傳輸資料的重組(Re-segmentation)工作是與傳輸協定底層(物理層)介面緊密相連，故次要基地台內的協定架構將考量支援資料重組功能。

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，然而這將需要主要與次要基地台間進行協調以達成合作，每個基地台皆應該自主地處理/掌握使用者裝置，並且假設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。

高密度小基地台之宏基地台資料卸載

基地台範圍擴展解決方案為目前主流技術，但仍然需要小型基地台間支援「協同式(Cooperative)無線資源排程(Resource Scheduling)」或「聯合傳輸訊號處理(Joint Signal Processing)」等技術相互配合。

要支援多基地台間的合作在實作上是非常具有挑戰性的，因為這代表系統的後端網路必須要能達到更嚴謹的延遲(Latency)要求，以確保基地台間合作能確實地反應動態的網路使用狀況，進而達到預期的系統增益。

基地台之間需要有互相通訊的介面以用作資源排程、通道品質、訊號編碼格式等重要控制資訊的交換，故目前主流的系統如3GPP LTE/LTE-A而言，基地台之間資訊的互換主要還是以交換控制訊息為主，並藉由基地台之間建立X2 Interface來達成。

然而，採用X2 Interface來實作使用者平面(User Plane)資料傳輸，尚未提及與討論，故高密度小型基地台之間的合作與資料卸載可能會面臨以下的問題。

·受限的擴展性(Scalability)

X2 Interface是以點對點(P2P)為基礎的邏輯介面。一般而言，基地台一旦要加入系統並與其他基地台進行合作，其至少要與每個與其鄰近的基地台建立不同的X2 Interface，故可以預見，若在系統中加入新的基地台，須要花費相當的成本重新設定與更新連接介面及基地台間通訊的實體線路上。

·受限制的延遲限制(Latency Constraint)

在高密度的小基地台環境中，由於基地台數量預期將會更高甚至是以數倍成長，這將會使得擴展性的問題所須付出的成本與複雜度更為嚴重。(粗略地估計，小型基地台所須建立的X2 Interface大約隨著小型基地台叢聚(Cluster)內基地台數量的平方成長。)

·受限的頻寬(Throughput)

增強型小基地台之間主要為非理想骨幹網路，較不易控制的小基地台間通訊頻寬，若要支援小基地台間合作，考量頻寬保證是非常不被認可的。

當傳遞X2 Interface的訊息時，存在小基地台多拓撲之路由(大多都為2-hop以上)，實體網路架構中的小基地台數目較多情況下，要動態計算出能適當地分流並有效利用線路頻寬的路由，將會變成很複雜的工作，這會使得實作的難度更高。

未來無線網路移動數據流量需要爆炸性成長的需求，高密度小基地台布建大量的小型基地台，與這些小型基地台與大型基地台交互覆蓋是一個未來無線網路需求中常見最新的解法。

然而，不理想的基地台規畫會使得小型基地台間的干擾嚴重影響傳輸效能，若是在大型基地台與小型基地台於同頻帶並存的異質網路環境下，大型基地台的高功率會進一步使得小型基地台訊號的干擾更加嚴重。 密集異質網路的布建增加了許多移動使用者在基地台連線選擇上的挑戰，尤其是如何針對使用者裝置的資料流量去選擇一個適當涵蓋範圍的基地台來進行連線。小基地台需要較大量、較密集的布建，才能達到所需的涵蓋率，同時讓使用者裝置資料流量可以合適的量分流到小基地台。

未來小型基地台可能布建於室內環境，但上述特性都大幅增加了基地台規畫(Cell Planning)的困難度，因而難以如布建宏基地台一般，並克服基地台間的干擾狀況。

藉由幾乎空白副訊框與基地台範圍擴展技術兩者之優勢，可望解決一部分宏基地台所帶來干擾的問題，但是如何降低大型基地台使用者裝置的封包延遲時間，仍然是目前要解決的議題。

(本文作者任職於資策會智通所)