訊號衰減最為常見
隨著網路的快速發展，各式寬頻資料的服務要求日漸增多，愈來愈多元的網路內容需要更大的頻寬進行傳輸。由於生活型態的改變，大多數人日漸習慣無所不在的寬頻存取，而不只限於家中或辦公室使用，行動寬頻正逐漸實現。為了能達成行動寬頻的服務，電信服務業者近年來不斷積極地布建系統，如3G與無線區域網路(WiFi)等。
然而，行動寬頻的無線訊號在傳輸過程中，最常遇到的問題就是訊號的衰減(Loss)，特別是當通訊系統運作於高頻時，衰減情形更加嚴重。衰減發生的原因是當訊號於空中介面進行傳輸時，訊號受到多徑傳輸、大氣衰減與遮擋或散射等效應的影響，使得訊號波形發生改變。因此，利用700MHz頻譜進行布建，將有助於降低訊號衰減所產生的相關問題。
700MHz訊號穿透力較強且較不易產生大區域的衰落現象，因此可以傳輸得更遠。從圖1中顯示出700MHz與2.5GHz的資料子載波(Data Subcarrier)運作於同樣距離時，700MHz的資料子載波訊號與干擾訊號比(Carrier to Interference-plus-Noise Ratio, CINR)強度都比2.5GHz來得高，也就是說，隨著距離的增加，700MHz衰減幅度較2.5GHz小、抗衰落能力也較2.5GHz佳。
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
圖1 下行資料子載波CINR強度和距離關係 |
從圖2的CINR累積機率分布圖來看，可以看出在2.5GHz的下行資料子載波CINR約有72%強度大於0dB，而700MHz的下行資料子載波CINR約有90%強度大於0dB。此結果表示，當每個連線最低CINR強度至少需要0dB時，有90%的使用者可被700MHz基地台覆蓋，同樣條件下高頻系統只有72%的使用者可被基地台覆蓋，因此700MHz的基地台可以有更寬廣的覆蓋範圍。
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
圖2 下行資料子載波CINR值累積分布函數 |
700MHz干擾強度高
由於路徑衰減較2.5GHz小，所以700MHz頻譜的訊號也使干擾訊號(Inteference)相對較2.5GHz衰減少，如圖3所示，當700MHz與2.5GHz頻譜的干擾於同樣距離時，700MHz頻譜的干擾強度都比2.5GHz頻譜高，尤其是當距離3公里(已超過基地台半徑2公里)時，干擾訊號仍有6dB的強度，此時干擾訊號將有可能會干擾到鄰近基地台的使用者。由此特性來看，假設電信業者考慮布建通訊網路於一個範圍有限或干擾有限的環境時，此時採用2.5GHz頻譜布建會比使用700MHz頻譜更好。
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
圖3 下行干擾餘量 |
高速移動服務具優勢
使用者進行移動時，有可能產生都卜勒效應(Doppler Effect)，當接收端處於持續移動狀態時，會不停經過訊號高強度區域或低強度區域，因此可能導致相對頻率偏移，會產生常見的兩個現象，其一為若接收端面向傳送端方向運動，頻率會升高；其二為遠離傳送端方向，頻率會降低。圖4結果顯示當使用者於高速移動時，700MHz頻譜的訊號對干擾/雜訊比(Signal to Interference and Noise Ratio, SINR)強度平均皆比2.5GHz頻譜較好約11dB。
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
圖4 都卜勒效應影響下，700MHz頻率表現較佳。 |
由此可知，當一個使用者以每小時250公里的速度於可加性白高斯雜訊(Additive White Gaussian Noise, AWGN)通道中移動時，2.5GHz頻譜的使用者其SINR強度無法達到64QAM 3/4調變與10-6的位元錯誤率(Bit to Error Rate, BER)所需的條件，所以700MHz頻譜對高速移動服務較具優勢。
700MHz容量可提升系統容量
電信業者布建系統時，除考量基地台覆蓋範圍外，也須將系統所能提供的容量進行考量。圖5為700MHz系統與2.5GHz系統使用者的調變分布，圖中實線範圍內代表該區域的使用者調變較佳，因此網路吞吐量較高；反之，實線範圍外表示該區域使用者調變較差，所以網路吞吐量較低。從圖中可以觀察出，700MHz系統的實線範圍比2.5GHz大，顯示使用700MHz頻譜布建不僅系統的覆蓋範圍較大，同時也可以提升系統容量。
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
圖5 使用者調變分布 |
上述環境使用者之下行調變與編碼方式(Modulation and Coding Scheme, MCS) 的統計結果如圖6所示，調變最佳與最差分別為64QAM 3/4(實線範圍內)與QPSK 1/2(實線範圍外)，圖中顯示700MHz系統的調變編碼普遍較2.5GHz系統好，因此當系統使用700MHz頻譜時，能有較高的頻譜效率(Spectrum Efficiency)。從圖中的比較結果可了解，使用700MHz頻譜不僅可以增加系統容量與基地台覆蓋範圍，同時也能提升頻譜效率。
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
圖6 調變分布比例 |
成本依不同選擇而有不同考量
成本可分為纜線成本與傳播成本。基地台天線所需的功率放大器(Power Amplifier)分成地面(Base-mounted)功率放大器與塔頂(Tower-mounted)功率放大器兩類，不論使用哪一種，功率放大器的傳送功率最基本為須能克服同軸纜線的衰減。
一般而言，為考量維護的便利性，電信服務業者會選擇地面功率放大器，然而，選擇地面功率放大器時，還須考量纜線的額外成本。當基地台天線與地面高約32公尺時，最少須使用長度為32公尺的纜線，以地面功率放大器為例，假設布建時以低成本的纜線傳送高頻訊號，纜線會造成大約6dB的訊號衰減，若改以高成本的纜線會也會造成2dB的衰減。假設以相同長度的纜線傳送700MHz的訊號，低成本的纜線只會造成3dB的衰減，高成本的纜線更只會造成1dB的衰減。
因此為達到與高頻系統相同的傳輸功率，700MHz系統的可使用地面功率放大器搭配低成本纜線即可，而2.5GHz高頻系統卻必須選擇塔頂功率放大器或地面功率放大器搭配高成本纜線，以降低成本，所以採用700MHz頻譜將有助於電信業者減少布建的成本。
在傳播成本的部分，目前大部分的固定式寬頻無線通訊系統均使用直視路線(Line of Sight, LOS)訊號傳播，訊號須不受阻擋直接傳送至接收端，訊號傳送的淨空範圍須符合0.6倍的第一菲涅耳區域(1st Fresnel Zone)。實際應用上，儘管在第一菲涅耳區域仍可容納30～40%的遮蔽物，但於700MHz頻譜的第一菲涅耳區域較大，所以需要高度更高的基地台，才能達成與2.5GHz頻譜相同的訊號傳送淨空範圍。
WMAN於700MHz 不同布建情況將有不同結果
以下將根據各種不同布建的情境進一步探討無線都會網路(WMAN)在不同頻帶的各種現象。
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| 傳統高頻系統排除波束成形(Beamforming) 增益狀況下，主要以下行鏈路預算(Link Budget)為布建的考量因素，這是因為高頻訊號的穿透力差，且路徑衰減也非常的快，因此基地台布建時必須考量下行同步訊號能否被使用者接收。700MHz系統由於穿透力與路徑衰減都較高頻系統佳，所以基地台的布建不須考量下行鏈路預算，然而，由於使用者傳輸功率較基地台低，訊號無法傳輸太長的距離，所以700MHz系統布建的主要以上行鏈路預算為布建的考量因素。一般電信業者布建基地台時，大多會採用波束形成增益方式，使用波束形成增益系統無法顯著增加系統的覆蓋範圍，但可以提升下行通道容量(Channel Capacity)使鏈路餘量(Link Margin)增加，並可改善控制干擾的能力。
以下將以一個實際的例子了解布建時所因考量的各個因素。假設有一個總人口約為一百七十五萬人的中型都市，該市人口分布於面積1,500平方公里的範圍，都市各區域根據人口密度的不同分成都會密集區(Dense Urban)、都會區(Urban)、郊區(Suburban)與鄉村(Rural)四個區域。從各區域的性質，如商業區、住宅區或人口成長率等，可以得知布建的市場與網路的需求頻寬(表1)。對於無線寬頻網路的布建而言，網路能否符合工作尖峰時刻(Peak Busy Hour, PBH)是一項非常重要的根據，PBH是一個考量網路處於最高負載時，依據各區域人口密度、市場類型與網路需求品質等因素的綜合性指標。此外，人口密度的不同可能會使得建築物的個數、高度不同，而地形或地勢的差異也會造成不同的訊號傳播特性。
| 表1 各區域頻寬需求估計 |
| 特性\區域 | 都會密集區 | 都會區 | 郊區 | 鄉村 |
| 範圍 | 100km2 | 200km2 | 500km2 | 700km2 |
| 人口 | 800,000 | 500,000 | 400,000 | 50,000 |
| 目標市場 | 70% | 70% | 75% | 75% |
| 人口成長率 | 1%/yr | 1%/yr | 2%/yr | 2.5%/yr |
| 10年內的網路用戶數 | 7,6000 | 4,8000 | 3,9000 | 5,000 |
| 尖峰時刻活動估計 | 1 out of 5 | 1 out of 6 | 1 out of 7 | 1 out of 7 |
| 下載工作週期 |
25%
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| 尖峰時刻理想的數據傳輸速率 | 隨意的用戶每秒每用戶為30k位元組，專業/高端的用戶為每秒75k位元組。 |
| 10年內單位面積可提供的頻寬 | ～20Mbit/s/km2 | ～5.5Mbit/s/km2 | ～1.5Mbit/s/km2 | ～0.1Mbit/s/km2 |
資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
以傳輸距離來看，如圖7所示，於同樣區域下，700MHz頻譜的訊號傳輸距離皆比2.5GHz遠。
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
圖7 各區域傳輸範圍 |
以單位面積所能提供的頻寬(Mbits/km2)來看，如圖8所示，700MHz系統提供的頻寬於各區域皆無法符合需求。由此現象可得知人口愈密集的區域其需求是系統容量而非傳輸距離，所以700MHz並不適合高密度人口地區，會發生此情況是由於網路系統的總頻寬不變，但700MHz相較於高頻系統能覆蓋更多的範圍，所以使得每一個單位面積所得的頻寬下降，因此造成頻寬無法符合區域要求。以鄉村地區為例，該區需要0.1Mbit/s/km2的頻寬，而使用700MHz系統僅能提供0.01Mbit/s/km2的頻寬。
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| 圖8 各區域頻寬需求比較 |
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| 不同的頻譜規畫也會產生不同的布建結果。以下將探討以5MHz或10MHz頻寬基地台布建於美國聯邦通訊委員會(FCC)所規畫700MHz的頻譜執照(Case)A(12MHz)、執照B(12MHz)、執照C(10MHz或22MHz)、執照D(10MHz)與E(6MHz)下所產生的結果。 |
如表2所示，案例1、2與3分別對應到700MHz頻譜中採用6MHz、10MHz與22MHz的執照；案例4的2.5GHz系統使用與案例3大小相同的頻寬；而案例5使用30MHz頻寬。針對上述的每一個案例，系統皆採用分時雙工(TDD)的多工方式運作，並以重用率(Reuse Factor)為1的方式進行布建，此外，基地台的通道頻寬與其通道個數，皆以頻譜效率最高的方式進行分配。根據這些條件，從表2可以得到各種不同案例布建時所需的基地台數，以案例3與案例4的例子來看，700MHz頻譜相對於2.5GHz頻譜可以使用較少的基地台完成布建，因此700MHz頻譜有較好的基地台使用效益。然而，以案例1、案例2與案例5來看，當2.5GHz頻譜使用30MHz頻寬進行布建時，其使用的基地台使用個數仍可小於700MHz使用6MHz或10MHz頻寬時。
| 表2 各執照布建所需基地台 |
| 需求\案例 | 案例1 | 案例2 | 案例3 | 案例4 | 案例5 |
| 頻寬 |
700MHz
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2.5GHz
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| 基地台 |
3-Sector, 1 Tx Antennas(1×2 SIMO)
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| 現有頻譜 |
6MHz
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10或12 MHz
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22MHz
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20MHz
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30MHz
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| 頻道頻寬 |
5MHz
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10MHz
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30MHz
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| 全雙工 |
TDD
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| 下鏈與上鏈比 |
3:1
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| 重用率 |
(c, 1, 3)
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| 1×2 SIMO所需總基地台數 |
1,191
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596
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299
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404
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350
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| 2.5GHz頻寬採用波束形成所需的總基地台數 |
n/a
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n/a
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n/a
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314
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285
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
2.5GHz系統可以採用波束成形增益方式達到更有效率的布建。一般而言，採用波束成形進行布建可以增加下行通道40～50%的容量，因此可以減少布建時2.5GHz基地台的數量需求。
以基地台的成本來看，系統的頻寬愈大，可用愈少的基地台達成布建。然而，考慮成本的同時，還必須納入不同頻譜的成本，因為愈大的頻寬需要更大的頻譜，而每一段頻譜都必須經由競標才能使用。以不同區域布建所需基地台來看，如圖9所示，700MHz頻譜對於人口較少的區域有優勢，即使於有限的頻譜之下，仍然可以使用較少基地台完成布建，儘管700MHz的系統容量較少，但涵蓋區域大的優勢仍可減少布建的成本。
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
圖9 各區域布建所需基地台 |
根據上述，可以清楚了解700MHz頻譜較適合布建於人口較少的區域，尤其是郊區與鄉村，以基地台的通道使用率來看，同樣是700MHz的系統，布建在人口少的區域之通道使用率，會高於布建在人口多的區域，表3為郊區與鄉村地區的比較，從表中可了解700MHz系統布建於人口稀少地區的優勢。
| 表3 郊區與鄉村布建所需基地台 |
| 需求\案例 | 案例1 | 案例2 | 案例3 | 案例4 | 案例5 |
| 頻寬 |
700MHz
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2.5GHz
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| 現有頻譜 |
6MHz
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10或12 MHz
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20MHz
|
20MHz
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30MHz
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| 頻道頻寬 |
5MHz
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10MHz
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10MHz
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| 基地台提供下載的區域大小DD=1.5Mbits/km2 |
240
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120
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60
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122
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122
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| 基地台提供下載的區域大小DD=0.1Mbits/km2 |
26
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13
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7
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50
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50
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
在郊區與鄉村等廣闊的平坦地形，經常使用LOS方式增加每個使用者的傳輸距離。700MHz頻譜由於受第一菲涅耳區域的影響，所以難以達成LOS的傳輸方式，以下將詳述700MHz採用LOS傳輸的問題。
圖10為傳輸路徑10公里、基地台高度32公尺與用戶端高8公尺的系統，其中高度8公尺的用戶端採用塔頂固定式天線。為了能成功進行LOS傳輸，700MHz系統即使在路徑端無任何障礙物，其基地台與使用者天線的高度還是必須增加，以避開第一菲涅耳區域中訊號被障礙物遮蔽或被表面反射。當第一菲涅耳區域內有障礙物遮蔽時，接收端收到的訊號衰減會非常嚴重，這是由於訊號被衍射或被反射而使得接收端收到的訊號相位不正確，因此700MHz頻譜並不適用於LOS傳輸。
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資料來源：WiMAX論壇(06/2008)
圖10 第一菲涅耳區域範圍訊號衰減情況。 |
雖然700MHz頻譜無法使用LOS進行傳輸，但700MHz系統若使用符合地形特性的天線塔台進行非直視路線(Non-LOS)與近似直視路線(Near-LOS)方式傳輸，仍可達到室內傳輸10公里或室外傳輸30公里的距離。利用Non-LOS與Near-LOS方式傳輸，可提供的頻寬可能較低，但仍可滿足零散人口地區的最基本的網路服務。
由於2GHz以上的微波通訊礙於物理特性的影響，導致穿透力不足，造成覆蓋範圍小、行動性受限等問題，而在面對頻譜資源有限的情況下，如何妥善規畫頻譜的使用，已廣為各國所重視，也因此特別針對使用率較低的超高頻(UHF)電視頻段700MHz，進行全面檢討並著手規畫，如美國FCC已於2008年釋出700MHZ頻段進行拍賣，中國大陸亦已於部分城市進行700MHz的網路布建。
而因電視數位化後所釋出的部分700MHz頻段，具較佳電波傳輸特性，傳輸距離長、穿透性能佳，可減少基地台布建、降低營運成本，具發展無線網路技術之優勢，預期將會引起無線通訊網路及廣電整合的新革命。
(本文作者丁吉隆為資策會網路多媒體研究所無線通訊技術中心經理、連韋荏任職於資策會網路多媒體研究所無線通訊技術中心)
文章出處:http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=0906300006 | 
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