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IEEE 802.16m系統下Femto ABS干擾消除技術簡介
   
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  作者:資通訊產業聯盟 發表於2011/5/11 下午 04:17:13
 
IEEE 802.16m系統下Femto ABS干擾消除技術簡介
資通訊產業聯盟

摘要:

 無線通訊技術的迅速發展,帶動大眾對於通訊產業的需求。為了提供使用者更安定與快速的無線通訊服務,針對使用者生活與行動模式提供相對應的服務是必須的。毫微微基地台(Femto ABS)即是為了解決此一要求,因應而出的一項通訊技術。IEEE 802.16標準工作群組(WG; Working Group)於發展相容於現有WiMAX標準之第四代行動通訊系統標準中之系統需求文件(SRD; System Requirements Document)[1],將毫微微基地台(Femto ABS)技術列為其發展的重點項目。本篇報告乃是針對Femto ABS做初步的相關背景介紹,且著重於發展Femto ABS技術中所必須面臨的挑戰-訊號干擾消除技術,進行相關情境簡介與技術說明。

一、Femto ABS背景簡介:

 根據Femtocell Forum 的定義,Femto ABS 為一低功率的無線存取基地台,運行於需執照之頻譜,標準手機可透過Femto ABS並經由自家的數位用戶迴路或寬頻纜線的方式連線至行動業者的網路,圖1 所示為WIMAX Femtocell System概念圖。而WiMAX Femtocell存取基地台(WiMAX Femtocell access point, WFAP)在系統設計上主要還是透過WiMAX 的通訊系統業者進行管理。

 由Femtocell Forum 的定義可以得知,Femto ABS主要佈建於室內環境,如:家中,辦公室...等。這是根據於行動用戶使用者的生活與活動模式分析而來,由於行動用戶使用者大多活動於封閉環境,透過室內安裝Femto ABS做為無線通訊接取點,可近距離提供行動用戶無線通訊服務,此一方式可以避免因遠距離傳輸訊號而產生的複雜訊號衰減與干擾影響,進而提供安定無線通訊使用環境。

 而Femto ABS的後端網路則是利用寬頻的有線網路與系統業者的巨細胞(macro cell)或核心網路連接。可不需要過於複雜的後端網路管理,而此Femto ABS的設計相較於一般基地台簡單且易於實現。再者,Femto ABS易於安裝的特性,更是有助於大量佈建,就像Wi-Fi 的佈建模式一樣。而與Wi-Fi 相比,Femto ABS 的優勢在於它是行動通訊網路的延伸,因此可以使用干擾小的專屬執照頻段。

 Femto ABS與一般傳統基地台的佈建模式亦有所不同,Femto ABS除可以由網路營運者佈建外,亦可由行動用戶使用者自行佈建,這特性使Femto ABS可依行動用戶使用者的需求進行運作,大大提升Femto ABS佈建的適應性。但也由於此特性,使Femto ABS佈建的地點,難以被網路營運商所掌握。

 Femto ABS在開始運作後,可能會處於各種狀態,依WiMAX標準中的描述, Femto ABS一旦開機後,即進入初始狀態(Initialization State)。進入初始狀態的Femto ABS會開始進行組態關於無線介面(radio interface)的運作參數與時間與頻率的同步程序。在完成服務提供網路(service provider's core network)與涵蓋範圍重疊的巨細胞的同步後,Femto ABS即進入運作狀態(Operational State)。當處於運作狀態的Femto ABS失去與服務提供網路的連接或是同步時,即會回到初始狀態進行重新組態與同步。

 運作狀態中的Femto ABS,支援兩種運作模式Normal Operation mode與Low-Duty mode (LDM)。在LDM中的Femto ABS會減少無線介面(radio interface)上的運作,以減少對鄰近基地台的干擾。LDM中Femto ABS會在可用區間(Available interval, AI)與非可用區間(Unavailable interval, UAI)之間交替。圖3為Femto ABS狀態與運作模式圖。

二、Femto ABS所面臨的訊號干擾挑戰:

 由於Femto ABS不同傳統基地台的佈建方式 (Ex : 可由行動用戶使用者自行佈建)與有限制的存取限制 (Ex : CSG-closed femto ABS)。使得Femto ABS在運作機制上與傳統基地台有著不同的技術挑戰,在這章節中將介紹WiMAX標準中Femto ABS的訊號干擾情境與干擾消除技術。

 由於Femto ABS可由行動用戶使用者自行佈建使用,網路營運商無法事先對Femto ABS的佈建進行規劃與安排。再者Femto ABS對於存取權也有所限制,這些因素皆會造成Femto ABS的對於整個網路環境不可預期的干擾。Femto ABS可能造成的干擾情境,Local-cell即為CSG-closed Femto ABS。

A.為巨細胞使用者對於CSG-closed Femto ABS所造成的干擾:

 此一情境是描述巨細胞使用者在巨細胞邊緣運作時,其因為距離巨細胞基地台過遠,依照上行鏈路功率調整(Uplink power control)的結果,此一巨細胞使用者需要以較大功率傳輸上行鏈路資料,若此時鄰近於此一巨細胞使用者有一CSG-closed Femto ABS,且巨細胞使用者並不能對這一CSG-closed Femto ABS進行存取,在這情況下,巨細胞使用者使用較大傳輸功率將干擾鄰近CSG-closed Femto ABS的運作。

B.為Femto ABS使用者對於巨細胞所造成的干擾:

 在一般情形下,鄰近於巨細胞基地台的Femto ABS因較小的傳輸功率而導致較小的涵蓋範圍,在此涵蓋範圍下的Femto ABS使用者則因為距離Femto ABS較近將使用較小的上行鏈路傳輸功率。在這情境下的Femto ABS使用者並不會對巨細胞基地台造成干擾。但一旦Femto ABS增加其傳輸功率進而擴大其涵蓋範圍,在此一涵蓋範圍下的Femto ABS使用者可能會因離Femto ABS較遠而使用較高的傳輸功率,進而對鄰近的巨細胞基地台造成干擾。

C.與D.為巨細胞對於Femto ABS使用者所造成的干擾:

 C. 當Femto ABS的佈建地點過於接近巨細胞基地台,由於巨細胞基地台使用較大的傳輸功率,將對Femto ABS造成干擾。

 D. 一旦Femto ABS擴大其涵蓋範圍,在Femto ABS涵蓋範圍邊緣的Femto ABS使用者將因距Femto ABS較遠而使得接收的傳輸功率降低,這時鄰近巨細胞基地台的干擾程度將因接收功率的降低而更將嚴重,進而影響其接收品質。

E. 為CSG-closed Femto ABS對於巨細胞使用者所造成的干擾:

 當Femto ABS佈建於巨細胞涵蓋範圍邊緣時,雖可增加巨細胞的涵蓋範圍,但若此Femto ABS為CSG-closed Femto ABS時,對於鄰近非CSG-closed Femto ABS使用者的巨細胞使用者將造成干擾。這是由於當巨細胞使用者於巨細胞涵蓋邊緣運作時,因為相較於鄰近不可存取的CSG-closed Femto ABS的距離,巨細胞使用者與巨細胞基地台的距離相對地遠,此時巨細胞使用者接收來自CSG-closed Femto ABS的傳輸功率將高於來自巨細胞基地台,而因為巨細胞使用者無法存取CSG-closed Femto ABS,此時巨細胞使用者即受到CSG-closed Femto ABS的干擾。

F. 快速移動的使用者所造成的干擾:

 當快速的使用者為巨細胞的使用者時,快速接近Femto ABS的涵蓋範圍時,將對Femto ABS造成干擾。這是因為快速接近的巨細胞使用者僅是經過Femto ABS並不會啟動換手程序(Handover),但快速移動的巨細胞使用者依舊與巨細胞基地台進行連線,其上傳與下載的傳輸功率將對Femto ABS造成一定影響。

 根據上述,由於Femto ABS的佈建,將對原本的巨細胞系統環境造成各類的干擾情境。這些干擾若不加以處理除了難以達到佈建Femto ABS的目標外,甚至會降低整體網路效能。是以降低干擾是Femto ABS技術中相當重要的一項,以下將介紹於WiMAX標準中,Femto ABS用以降低/解決干擾的技術。

三、Femto ABS訊號干擾降低/解決技術:

 在WiMAX的標準中所描述Femto ABS干擾消除(Interference mitigation)技術,主要是針對情境F的干擾。這是由於當情境F發生時,巨細胞使用者將因Femto ABS的干擾而無法正常運作,此類型干擾是相對嚴重的,因此針對這一類型的Interference mitigation是必須被解決的。

 LDM:

 LDM技術是當Femto ABS的涵蓋範圍內僅有處於閒置模式(Idle mode)的使用者且無服務需求的使用者時,Femto ABS可以選擇的一個狀態。此狀態的目的是在減少Femto ABS所產生的干擾,作法是利用減少Femto ABS於空氣介面(Air interface)的動作達成。LDM的模式下,Femto ABS會於Available interval與Unavailable interval之間交替。在Available interval時,Femto ABS會照一般運作的狀態,於Air interface傳遞必要的訊息像是前置碼(Preamble)或是同步訊號(synchronization signaling)…等,但在Unavailable interval時,Femto ABS則完全不在Air interface上傳遞訊號,藉以減少於Air interface上所造成的干擾。此一技術所面臨的挑戰在於,處在Unavailable interval中的Femto ABS不會傳遞任何Air interface signaling這種作法將會影響使用者執行細胞搜尋(cell search)程序,使用者無法偵測處於Unavailable interval中的Femto ABS。為解決這一問題,Available interval與Unavailable interval的區間必須讓鄰近使用者得知進而調整cell search procedure,要如何讓鄰近使用者得知Available interval與Unavailable interval的區間即是此一技術所面臨的挑戰。

 傳統FFR技術也可因應Femto ABS所引起的干擾問題。這類技術所解決的情境在於巨細胞與Femto ABS運作於相同Carrier frequency上時,因為Femto ABS無法運作於其他Carrier frequency上,則透過FFR技術達到與載波頻率選擇一樣的效果。不論是載波頻率選擇或是FFR技術,都將面臨資源有限的問題,在有限的資源下要如何有效的劃分Carrier frequency且兼顧干擾問題,是一項技術挑戰。

 在WiMAX標準中所提到的各類Interference mitigation技術,都有各自適合解決的干擾問題,所以僅靠單一Interference mitigation技術是無法因應整體網路因Femto ABS的佈建與特殊的存取限制所產生的干擾問題,是故要如何整合各種Interference mitigation技術,因應不同的干擾情境進而採取不同的Interference mitigation技術是未來Femto ABS通訊技術所需思考的方向。

四、總結:

 本文簡介目前IEEE 802.16m系統在Femto ABS所面臨的技術挑戰,首先介紹簡單Femto ABS的背景與架構,藉由WiMAX標準對於Femto ABS架構與處理程序的介紹,了解WiMAX網路中對於Femto ABS系統的描述。再透過著重於Femto ABS運作環境中各類Interference情境的介紹,了解IEEE 802.16m系統在Femto ABS的技術挑戰。最後透過簡介各類Interference mitigation技術,了解各類技術的挑戰與應解決的問題。

 

 
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