第15卷第2期
中華民國110年6月出刊

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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

文|劉鴻鈞
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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。

3.5GHz頻譜內衛星與5G頻譜分配狀況
圖13.5GHz頻譜內衛星與5G頻譜分配狀況

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。

射頻發射頻譜現象
圖2射頻發射頻譜現象

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。

我國5G與C頻段衛星通訊系統保護策略
圖3我國5G與C頻段衛星通訊系統保護策略
表1各國5G 3.5GHz頻段採用之干擾改善措施比較表
措施 我國 美國 英國
帶通濾波器裝設
頻譜護衛頻帶 40MHz 20MHz
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
措施 中國 日本 新加坡
帶通濾波器裝設 未揭露
頻譜護衛頻帶 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
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)

參考資料

  1. 1108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
  2. 2NGMN, Recommendation on Base Station Active Antenna System Standards V1.0
  3. 35G Americas White Paper: Advanced Antenna Systems for 5G – 2019
  4. 4DVB Project Office, https://dvb.org/
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