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作者 標題 [Comm] 頻寬永遠不夠用 異質網路整合助飆速
時間 2016-10-16 Sun. 12:00:30
頻寬永遠不夠用 異質網路整合助飆速
新通訊 2016 年 10 月號 188 期《 封面故事 》
文．廖專崇
行動網路流量需求的成長到目前為止都還看不到終點，所以對於行動通訊產業來說，頻寬與傳輸速率的提升也是永遠的追求與挑戰，異質網路整合除了在4G LTE的應用底下找到更多可利用的頻譜資源，以提升傳輸速率之外，未來的5G架構就是一個異質網路，不同性質網路的合作與溝通，會變得越來越重要。
網路大廠Cisco於2015年發表一份報告指出，自從具有拍照功能的手機在2000年開始銷售後，透過行動網路傳輸的數據流量已經成長約五倍，預期在2020年之前包含行動裝置、行動視訊服務與4G網路等將使行動聯網數據傳輸量成長高達八倍。估計2020年全球行動聯網數據流量約達366.8 Exabytes。
行動網路流量需求的成長到目前為止都還看不到終點，所以對於行動通訊產業來說，頻寬與傳輸速率的提升也是永遠的追求與挑戰。以LTE現在的應用來看，已經逐漸面臨資源(頻譜)與技術的瓶頸了，所以異質網路整合就成為接下來行動通訊領域的發展重點，除了在4G LTE的應用底下找到更多可利用的頻譜資源，以提升傳輸速率之外，未來的5G架構就是一個異質網路，不同性質網路的合作與溝通，會變得越來越重要。以下將從三個層面來探討異質網路整合：一、非授權頻段的利用，二、小型基地台的發展，三、無線與有線通訊的協同合作。
非授權頻帶助飆速
近年來無線通訊的需求幾乎已經占盡6GHz以下可用的授權頻帶，所以2013年高通(Qualcomm)提出應用非授權(Unlicense)頻段的概念，基於載波聚合(Carrier Aggregation, CA)及補充下行鏈路(Supplemental Downlink, SDL)技術衍生出的應用模式。目前非授權頻帶技術有從LTE-U概念進化的授權輔助接取(Licensed Assisted Access, LAA)與LTE/Wi-Fi聚合(LTE/Wi-Fi Aggregation, LWA)，另外許可共享接取(Licensed Shared Access, LSA)最近也被廣泛討論。
Nokia台灣暨香港澳門、大中國區客戶營運部技術總監陳銘邦說明，簡單地說LAA是在非授權頻段上跑LTE訊號，LWA是在非授權頻段上跑Wi-Fi訊號，至於LSA則是將目前較少用到的頻段清出給LTE使用，雖然不是採用非授權頻段，但概念與目的也是共享與擴大頻寬，因此一併討論。
LAA
在Qualcomm提出LTE-U概念之後，3GPP於2014年9月Release 13的討論中，將LTE-U技術結合LBT(Listen Before Talk)機制後，納入Release 13的研究項目(Study Item)，正式定名為授權輔助接取，並在2016年3月寫入Release 13第一版規範。授權頻譜提供最佳效能，並為營運商的首選，而未授權頻譜的角色也日益重要，能提供適時的流量卸載(Data Offloading)。
目前LAA的應用主要是在5GHz頻段，在LBT的機制下，希望使用該頻段的任何設備必須先偵聽，看此頻段是否被占用。如果此頻段不繁忙，設備就可以占用並開始傳輸。此頻段最長只能保持10微秒(μs)，之後將被釋放並重複進行LBT。這可確保對介質的公平訪問，同時也是一個非常有效的共享未授權頻譜的方法。
由於現行規範對5GHz頻段具有功率限制，故須以小型基地台(Small Cell)設備協助。且LAA單獨存在的情境並不被允許(Non-Standalone)，而須以LTE執照頻段作為主要載波，免執照頻段則作為補充頻段使用，預計2017年支援LAA技術的晶片會正式發表並導入商用化。
LWA
LWA技術(圖1)可在既有的硬體及網路設備下，將手機可以使用的傳輸速率大幅提升。此技術方案可讓手機不增加額外的成本，電信運營商也可利用既有的LTE行動網路及在Hotspot大量布建的Wi-Fi AP，就可改善使用者的高頻寬使用體驗。
圖1 LTE/Wi-Fi聚合(LWA)技術運作示意圖
3GPP Release 13 LWA技術是沿用R12雙連線(Dual Connectivity)的架構，在規範基地台(eNB)及終端裝置(UE)的無線Uu介面的封包資料匯聚通訊協定(PDCP)中，建立一個Split DRB(Data Radio Bearer)，由eNB將下行(Downlink)資料在PDCP做一分流，而由UE端再將分流的資料依序重新組合(Reordering)回來，不僅可以達到流量卸載的效果，更可以提升使用者對高頻寬的實際感受。
LWA只需簡單的軟體升級就能啟用，智慧型手機採用LWA就能為這兩種無線網路供電並拆分數據平面流量，而使一部分LTE流量通過Wi-Fi進行隧道傳輸，剩餘流量通過LTE自身運行。LTE+Wi-Fi鏈路聚合要求在一個固定場所內部署LTE小型基地台，場所的任何Wi-Fi接入點都要進行軟體升級以支持LWA。使用2.4GHz的頻段，國內的聯發科與法人合作，積極投入開發，據悉今年第四季支援LWA的晶片就會正式上市。
LSA
LSA使不同類型的無線通訊系統之間，能有更廣泛的頻譜共享使用機會。
在傳統特許規管機制下的專用執照與免執照運作模式之外，LSA能提供一種有利於各方的互補方式－其允許既有使用者與行動業者之間進行頻譜共享使用，在頻譜主管機關與頻譜使用雙方共同商討出的共享協議下，以類似專用執照的方式滿足雙方利益。
目前LSA的發展以歐盟較為積極，義大利政府甫於2015年7月宣布啟動一項頻譜共享試驗計畫(Pilot Project)，將於羅馬地區使用2.3∼2.4GHz頻段，在室內布建LTE小型基地台的應用場景下，進行LSA頻譜共享管理模式與制度設計的相關測試。
LSA頻譜共享作法將實現多贏與價值共存，包括：大幅降低行動基礎建設成本，並且在商業模式、網路及競爭等方面促進創新；既有使用者利用空閒的頻譜資源實現社會與經濟價值，且不影響頻譜權利歸屬；行動業者以較低代價獲得使用權，向用戶提供高品質的服務。LSA頻譜共享機制不僅是保障頻譜有效供給的中、短期補充方案，亦能作為促進頻譜創新使用的長期解決方案。
小型基地台發展空間大
前面討論到的LAA、LWA、LSA都須要透過小型基地台的協助達成訊號的整合，工研院資通所副所長周勝鄰(圖2)表示，小型基地台與大型基地台的溝通也可視為一種異質網路的整合。另外，未來5G在高頻帶的應用須要透過小型基地台的協助維持訊號的強度。
圖2 工研院資通所副所長周勝鄰認為，小型基地台與大型基地台的溝通也可視為一種異質網路的整合。
由於5G將大量運用30GHz以上頻段的毫米波(mmWave)技術，高頻訊號具有波長短、易衰減等特性，因此5G與過去4G、3G強調訊號的覆蓋率，需要透過大型基地台的建設來達成訊號的完整性不同。周勝鄰說明，未來5G訊號可能每平方公里需要布建1,000個基地台，每個基地台發射功率只需要1W，不像過去一個大基地台就涵蓋一百公尺到一公里的距離，發射功率都要200∼300W。
未來5G的小型基地台還是需要與4G的大基地台進行許多溝通與訊息交換，以產業發展的角度來說，周勝鄰認為，這是台灣的機會，過去台灣並沒有基地台或機房設備的建置能力，所以在前幾代行動通訊標準只能扮演跟隨者的角色，未來台灣若是能藉由發展小型基地台與國內終端晶片、手機業者合作，就可以發展完整的系統，有助於台灣在5G產業取得更重要的地位。
核心網路規格迎升級潮
而終端頻寬的擴展亦須要骨幹網路的支援與配合，因此近來有線的骨幹網路亦興起一波擴充的需求，其中與終端無線訊號搭配的問題也是討論的重點。針對已被討論多時的雲端網路管理架構Cloud RAN網路技術，可用來管理底層的異質架構問題，藉由網路節點中的嵌入式智慧功能實現高效率網路運作，並因此建置更高價值的服務平台。
Cloud RAN採用可高度彈性地重組計算頻段利用、多頻段無線電(Multi-Band Radios)、分布式寬頻天線以支持不同的空中介面技術，優化行動無線端的網路架構，雖然這幾年還沒有實際被大規模部署，但預計5G時代Cloud RAN就會成為主流。
終端網路的資料不斷成長，也同時影響著核心網路的處理能力，安立知(Anritsu)業務暨技術支援部門專案副理王榆淙(圖3)說明，如何提升核心網路資料處理量也是刻不容緩的議題，資料傳輸處理介面規格大革新，將進入超高速傳輸時代，進展到OTU4等級單路28Gbit/s、四路112Gbit/s的傳輸架構。
圖3 安立知業務暨技術支援部門專案副理王榆淙說明，提升核心網路資料處理量也很重要，資料傳輸處理介面規格將進入超高速傳輸時代。
另外，光纖乙太網路(Ethernet)發展雖然不如無線通訊般迅速，但根據400G乙太網標準工作組(802.3bs)工作計畫，2015年初發布400GbE初稿，2017年正式發布400GbE標準，會再將核心網路的頻寬進一步擴大，以因應5G不斷成長的高畫質影音傳輸與新興的AR/VR虛擬應用的大幅資料承載需求。
大量的資料處理需求也帶動高速介面發展，王榆淙指出，資料中心內部訊息互連如100G/400G Ethernet、InfiniBand EDR、128G FC發展得相當迅速，踏上100GbE朝400GbE邁進。伺服器內匯流排也急起直追，PCI-e Gen4要挑戰16Gbit/s訊號傳輸處理極限;Type C Family Thunderbolt Gen3/USB 3.1等高速I/O也跨過10Gbit/s門檻，直達20Gbit/s資料傳輸量。
網路的應用已經在各個層面與人們的生活緊密結合，不同性質的網路滿足用戶不同的需求，在資料量越見提升的趨勢下，改善傳輸速率、擴增網路頻寬的同時，異質網路整合有時候才是更重要的，只有不同性質網路整合順暢，才不會在某些網路的交界點形成瓶頸，讓頻寬擴增的努力白費。
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※ 作者: uefangsmith 時間: 2016-10-16 12:00:30
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