縮短通訊距離 擴大布建區域5G與C頻段衛星數位廣播電視系統共存機制研究

一、前言

新興第五代行動通訊網路(5th Generation mobile network, 5G)技術透過增強型行動寬頻(enhanced MobileBroadband, eMBB)、高可靠低延遲通訊(Ultra Reliable Low Latency Communications, URLLC)、大規模機器型通信(massive Machine Type Communications, mMTC)等三大發展指標，作為以「物」為連結中心的概念，解決日前行動通訊發展困境，各國政府並藉此以推動相關政策，促使通訊產業升級與擴展通訊應用。5G頻譜規劃中定義了FR1(頻率範圍0.41GHz – 7.125GHz)與FR2(頻率範圍24.25GMHz – 52.6GMHz)兩大區塊，其中FR1由於操作頻率較低，電路設計上相較於成熟與電波傳播上的優勢，乃是各國政府與製造商投入發展的首要目標。考量行動通訊發展至今，6GHz以下可用的頻譜相當有限，在衡量頻譜完整性與最大效益，紛紛思索朝向3.5GHz頻段上頻譜資源釋出的可能性。既有的3.5GHz頻段多為固定衛星服務(Fixed Satellite Service, FSS)，如圖1所示，為常見於頂樓上碟盤狀朝天的接收天線便是接收此類衛星服務之一，其通訊服務內容主要為提供衛星視訊廣播為主。

民國107年10月3日於「行政院數位國家創新經濟推動小組第3次會議」，決議了我國5G發展戰略，並以西元2020年為第一階段5G頻譜釋出作業。為協助政府完善頻譜資源整備與首波5G釋照，國家通訊傳播委員會(以下簡稱通傳會)補助財團法人電信技術中心進行「現行FSS地面接收站之同、鄰頻干擾評估」、「實驗室內5G對於升級之衛星接收設備之模擬量測」、「實際場域5G對於升級之衛星接收設備之模擬量測」及「3.5GHz中頻段改善措施建置與潛在干擾評估及處理作業計畫」等四階段之研究計畫。

二、射頻通訊技術

（一）5G基地臺

有鑑於波束成形(Beamforming)技術應用的成熟，分時雙工5G基地臺在空間上的訊號傳遞提供了更多的效益，提升電波傳播距離與減少通訊覆蓋區域干擾。為更自由控制波束成形，以多組射頻收發模組、射頻分配網路與天線陣列集合成主動式天線系統(Active Antenna Systems, AAS)，實現動態場型調整，且由於集成式架構需由工廠端完成組裝以及小功率發射模組，減少了被動式互調源(Passive Intermodulation, PIM)造成相鄰通訊業者間的干擾問題。依用途可以將波束區分為廣播波束(Broadcast beams)與訊務波束(Traffic beams)，廣播波束非仰賴終端，主要為布署通訊涵蓋範圍； 訊務波束僅在終端被授予訊務頻道時才被啟用，常見的兩種訊務波束情境為網格波束(Grid ofbeams)，於受限的波束成形方向中選擇最佳通訊傳遞方式；特徵波束(Eigen-based beamforming)，因應訊務通道變化即時計算調整其陣列權重以自適傳遞方式。

5G彈性的子載波設置，提供不同布署情境。不同於4G僅以15kHz為子載波間隔(sub carrier spacing,SCS)的設置，5G定義了15、30、60、120與240kHz等五種SCS格式，而傳輸中的正交分頻多工符號時間長度(OFDM symbol duration)與SCS為反比關係。SCS使用取決因素包含分頻或分時雙工系統、操作頻段、傳輸速度、延遲、可靠度和移動性等需求，較小SCS適用於較低操作頻率、高覆蓋率；較大SCS適用於低延遲、高速傳輸。窄SCS頻譜效率高，且其較長的循環前綴(cyclicprefix)，於多重路徑上減少傳輸過程中符號間干擾(Inter-symbol interference, ISI)並有助於子載波間的正交性，但於高速移動上容易受都卜勒效應影響，長時間符號傳輸提增加延遲時間，易提高系統相位雜訊(Phase noise)造成較差誤差向量幅度(EVM)而影響通訊品質；寬SCS則反之。

（二）FSS

FSS通訊衛星主要分布於地球同步軌道(geostationary orbit, GEO)上，運行高度距赤道地表約36,000公里，其與地球自轉週期同步，讓地面站接收站無須追蹤衛星，降低了建置成本和難度。此外，每個GEO衛星發射波束地表覆蓋率約42%，因此只需少量GEO衛星通訊網便可構成全球通訊網路，FSS通訊應用主要以傳輸數位廣播電視與數據資料為主，其中，利用FSS傳輸數位廣播電視的系統標準為數位視訊廣播-衛星系統(Digital Video Broadcasting-Satellite, DVB-S)，DVB-S標準由歐洲電信標準化組織(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)、歐洲電子標準化組織(European Committee for Electrotechnical Standardization, CENELEC)和歐洲廣播聯盟(European Broadcasting Union, EBU)聯合組成的「聯合專家組」(Joint Technical Committee, JTC)於西元1994年制定，以QPSK調變與串接式迴旋(concatenated convolutional)和Reed-Solomon通道編碼作為視訊或資料廣播服務。隨著資料傳輸容量的增加與抵抗傳輸中通道雜訊，於西元2004年演進出DVB-S2標準，採以低密度同位檢查碼(Low-density parity-check code, LDPC)、前向誤差更正(Forward Error Correction, FEC)編碼減少受干擾造成的傳輸錯誤；開迴路下可變編碼模式(Variable Code Modulation, VCM)，可依不同鏈路提供不同的調變、FEC編碼、符元率(symbol rate)方式傳輸；更高編碼8PSK、16APSK 與32APSK方式提高頻譜效率；增加MPEG-2串流基礎系統與MPEG-4影音串流的支援，整體而言DVB-S2技術相較於DVB-S增加了30%頻譜使用效率，亦是當前最常用的衛星視訊廣播傳送技術。DVB-S2X標準於西元2015年發布，為DVB-S2系統功能的擴展，效益更進而提升達51%，技術上採以更高的調變與編碼； 較小的滾邊因子(roll-off factor)；達3個載波的通道綑束(channel bonding)等相關技術。

我國FSS地面接收站中C頻段與延伸C頻段上衛星視訊廣播頻道約50個，主要收視戶包含有線電視業者、部分飯店業者和少許個體戶，下鏈頻譜涵蓋了3.4GHz至4.2GHz。以我國擁有自主權之中新二號人造衛星為例，傳輸至地表的頻道功率約-119dBm，地面接收站須以高增碟盤天線來接收訊號，並於天線前端透過號角形饋電器(FeedHorn)與低雜訊集波器(Low-Noise Block downconverter, LNB)將訊號降頻，以利於電纜傳輸至後端的整合接收解碼器(Integrated Receiver Decoder, IRD)。

三、通訊干擾問題

頻譜護衛頻帶(guard band)是普遍作為異質通訊系統常見的方法，但仍有不足之處。由於FSS傳輸至地表的功率不高，環境中的些許的同頻干擾訊號便會造成收視困擾。緊鄰的5G基地臺通訊系統之無用發射(unwantedemission)功率，限制雖符合國內、外法規要求，對於接收微弱衛星訊號的FSS地面接收站，仍可能造成訊號干擾，如圖2所示。

我國FSS地面接收站於C頻段與延伸C頻段接收需求上，多裝置可操作於3.4GHz至4.2GHz頻段LNB，其內部射頻主動電路主要功能為放大微弱訊衛星號並進行降頻。於第一階段預釋出的5G 3.5GHz頻段即使將衛星頻道移頻避免頻譜重疊，基地臺發射功率亦依我國政府「行動寬頻基地臺審驗技術規範」，LNB仍會因接收到過大的鄰頻基地臺功率干擾，而造成電路崩潰以至於接收到的衛星訊號失真而影響收視品質。

四、測試研究與共存解決方式

針對5G與FSS共存之研究，通傳會補助財團法人電信技術中心進行多項研究計畫。衡量頻譜效益與可行的通訊系統保護策略，計畫建議頻譜護衛頻帶至少40MHz，5G 3.5GHz頻段基地臺與FSS地面接收站干擾保護協調區建議為150公尺，如圖3所示。為深入研究共存問題，剖析了各國政府執行策略，彙整如表1所示，其中以加裝帶通濾波器(Band Pass Filter, BPF)來解決鄰頻基地臺功率干擾為主要方式，計畫中委託國內微波業者研發承製，經實驗結果顯示保護距離由未安裝BPF保護距離2.27公里，安裝後縮減至129.62公尺。研究中亦發現市售低階LNB電磁耐受性(Electromagnetic Susceptibility, EMS)不佳，以至於基地臺訊號穿透LNB外罩保護而導致已加裝BPF仍有嚴重的鄰頻干擾現象存在。為進一步改善EMS與根據衛星頻道移頻後實際使用頻段，研究計畫中客製化一窄頻LNB款操作於3.6GHz至4.2GHz，供計畫中受補助業的衛星收視戶替換不佳的LNB。於有限的頻譜護衛頻帶下，基地臺無用發射功率可能造成與衛星訊號之同頻干擾現象，其並無法透過BPF來解決，僅能採以屏蔽或強化FSS地面衛星接收站接收強度來抵禦干擾來源，經研究計畫結果顯示於天線旁安裝金屬材料可屏蔽達4.5dB，更換較大衛星接收天線可增強訊號接收強度至少5.7dB。

為落實5G釋照後電信業者基地臺布建，對FSS地面接收站干擾保護協調區的畫分，結合內政部TGOS建立一FSS地面接收站地理圖資系統供電信業者查詢，並著手成立干擾處理辦公室，受理因5G訊號干擾的事件，以及協助通傳會判別業者5G基地臺架設於干擾保護協調區之虞文件。

措施	我國	美國	英國	中國	日本	新加坡
帶通濾波器裝設	有	有	有	有	未揭露	有
頻譜護衛頻帶	40MHz	20MHz	無	無	無	100MHz
干擾保護協調區	150公尺	依功率與設備種類設定40至150公里不等	依不同地點距離20至50公里不等	依功率大小、同頻與否、室外或室內等，設定42.5公里至50公尺	推估與基地臺之間隔距離，但並未設定保護區	對追蹤遙測及控制站設置禁制區
降低5G基地臺傳輸功率	戶外大型基地臺最大有效等向輻射功率應在57dBm以下	部分情況下	無	部分情況下	訂定5G基地臺相關發射條件	無

措施	我國	美國	英國
帶通濾波器裝設	有	有	有
頻譜護衛頻帶	40MHz	20MHz	無
干擾保護協調區	150公尺	依功率與設備種類設定40至150公里不等	依不同地點距離20至50公里不等
降低5G基地臺傳輸功率	戶外大型基地臺最大有效等向輻射功率應在57dBm以下	部分情況下	無
措施	中國	日本	新加坡
帶通濾波器裝設	有	未揭露	有
頻譜護衛頻帶	無	無	100MHz
干擾保護協調區	依功率大小、同頻與否、室外或室內等，設定42.5公里至50公尺	推估與基地臺之間隔距離，但並未設定保護區	對追蹤遙測及控制站設置禁制區
降低5G基地臺傳輸功率	部分情況下	訂定5G基地臺相關發射條件	無

資料來源: 108年度3.5GHz 中頻段改善措施建置與潛在干擾評估及處理作業計畫

五、結語

透過研究計畫的產出效益，協助我國政府完善頻譜資源整備與釋出首波5G 3.3GHz至3.57GHz頻段； 縮短兩異質通訊系統共存距離於150公尺之規範，藉以擴大未來5G基地臺布建區域，滿足通訊產業發展需求； 避免因導入新技術而損害既有衛星業者收視戶合法使用之權益；建構視覺化衛星地面接收站管理系統與電波感知系統，有效掌握5G基地臺與FSS地面接收站共存環境下之週遭電波變化情況；訂定FSS地面接收站改善措施作業程序，確保受補助站戶設施之完整性及訊號接收可用性。

(本文作者為財團法人電信技術中心工程師)