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和諧共存 智慧升級 n79( 4.8-4.9GHz )5G專網建置:
室外潛在干擾評估與處理機制
文|周逸昇陳譽明鄭爲珊

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一、 緒論

無線電干擾係指無線電波進行通信時,受大氣環境與地形地貌影響,產生繞射(Diffraction)、散射(Scatter)、反射和折射(Reflection and Refraction)等多重路徑波(multipath wave),造成通信之信號接收品質下降、通信延遲、資料遺失與通信中斷之影響現象。一般而言,通信系統彼此之間若無足夠地理或物理空間進行區隔,將產生同頻干擾、鄰頻干擾、帶外干擾、互調干擾與阻塞干擾等現象。近年來國內通信事業發展迅速,無線電臺數量隨著新無線電技術不斷地創新與研發而遽增,然而部分頻段存在各類業務既有使用者1,新設電臺與既設電臺間之無線電干擾問題,影響層面可以小至國民生命財產安全,亦可大至社會經濟,甚至國家安全,例如機場塔臺無線電干擾致航班大亂、船舶遇險時無法在海上及時獲救、人造衛星通信斷線與軍警消公部門通信指揮調度不穩定等,顯見無線電干擾影響層面不容小覷。

近年來隨著5G行動通信技術逐漸成熟,各國皆釋出具備良好電波特性之中頻段(如n77、n78與n79等)頻譜,提供5G發展符合超頻寬(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、低時延(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)與廣連結(Massive Machine Type Communications, mMTC)等特性之應用服務。惟中頻段已存在固定衛星服務(Fixed-Satellite Service, FSS)和微波通信等運用,釋出中頻段給與5G網路使用,將面臨5G網路造成既有同頻或鄰頻干擾問題。我國已決定n79之4.8–4.9GHz供5G專網(以下簡稱5G專網)使用,其與FSS和微波和諧共用之處理干擾成為近年來建置5G專網所需評估及處理的必要過程。

進一步細究5G專網與既有微波點對點通信使用相同頻段時,微波點對點通信透過高增益拋物面天線焦聚電波於孔徑狹小的主波瓣,進行直線波方式傳輸,傳輸路徑上不得有妨礙電波傳輸之障礙物;換言之,5G專網訊號將不易由微波點對點通信主波瓣路徑產生干擾。另外,具有高指向性的微波天線增益前後比(Front-to-Back Ratio, FB)至少為30dB以上,5G專網訊號將不易由微波點對點通信反向波瓣路徑產生干擾。但若5G專網訊號經由微波點對點通信旁波瓣路徑進入微波點對點接收機,將可能造成干擾現象,5G專網可能造成微波點對點通信干擾路徑如圖1所示。5G專網若為室外測試時,在我國目前需進一步做跨機關()協調,主要係因我國5G專網所涉既有使用者為公部門使用微波點對點通信,即場域主在建置5G專網時,需考量其與既有微波點對點通信之干擾問題。

5G專網可能造成微波點對點通信干擾路徑示意
圖15G專網可能造成微波點對點通信干擾路徑示意
資料來源:本文彙整編製( 2022 )。

另外,重覆指配相同頻段給予室內與室外不同5G專網使用時,若未規劃足夠地理或物理空間進行區隔,將可能產生相互干擾影響通信之三種同頻干擾樣態,分別為站臺對站臺、站臺對終端設備(User Equipment, UE)與終端設備對終端設備,如5G專網同頻干擾樣態圖2所示。由於終端設備對終端設備的干擾並不常見,故本文暫不探討,站臺對終端設備之干擾問題除分時雙工(Time Division Duplex, TDD)干擾外,在終端設備位處站臺訊號邊緣(Cell Edge)情境,干擾影響最為劇烈。

5G專網同頻干擾樣態
圖25G專網同頻干擾樣態
資料來源:本文彙整編製( 2022 )。

欲避免上述5G專網干擾微波點對點通信系統,以及5G專網間可能產生之相互干擾現象,可藉由公式(1)同頻保護功率比(PR)評估同頻條件下共存訊號功率比值,並透過國際電信標準組織ITU估算5G基地臺訊號涵蓋通道模型Uma/RMa,推估視距(Line of Sight, LOS)/非視距(Non Line of Sight, NLOS)共存環境干擾保護距離。

PR=Tmx+FM-Iall……………(1)

Tmx為接收機維持良好通信品質所需功率門檻值(單位dBm)

FM為通道衰落餘裕量(單位dB)

Iall為可容忍最大干擾功率(單位dBm)

爰此,本文主要聚焦於5G專網同頻干擾之議題,TDD干擾與微波點對點通信干擾,先蒐集國際間主要國家對於5G專網之干擾情形與處理措施,再盤點國內5G專網之干擾情形與處理機制,以期提供全國在室外建置5G專網潛在干擾評估與改善處理措施之建議。

二、 國際5G專網干擾情形與處理機制

行動通信技術自4G演進至5G,採用多項創新技術如新無線電(New Radio, NR)、網路功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV)、軟體定義網路(Software-Defined Network, SDN)、網路切片(Network Slicing)和行動邊緣運算(Multi-Access Edge Computing, MEC)等,並以TDD作為上行(Uplink, UL)傳輸(用戶裝置至站臺)與下行(Downlink, DL)傳輸(站臺至用戶裝置)之間的通信雙工,以提升頻譜使用效率。

在TDD網路中,相鄰站臺之間的同步,會嚴重影響傳輸效能。為避免相鄰網路同時發生上行及下行的傳輸,在TDD系統中達成同步的運作相當重要。在行動通信系統中「 同步 」的運作方式如圖3所示,行動通信中的「 同步 」通常指的是在同一站臺內,站臺和行動裝置之間進行載波層次的頻率同步、頻率及相位同步、頻率相位和時間的同步,頻率同步對於分頻雙工系統亦相當重要,上述這些載波層次的同步通常是為了訊號解調所需。

頻率、相位及時間同步的示意圖
圖3頻率、相位及時間同步的示意圖
資料來源:ECC Report 296(2019)

國際上為確保5G專網和諧共用並提升頻譜使用效率,採取不同干擾處理技術與相關管理措施,藉以避免彼此干擾。德國劃分給5G專網使用的3,700 MHz–3,800 MHz頻段是在技術中立(technology-neutral)基礎上配置,規範該頻段只能採TDD模式運作,並以10MHz為單位配置,不另外設置護衛頻段。德國聯邦網路局為確保3,700MHz–3,800MHz頻率範圍和相鄰頻率範圍內不同應用的共用,要求本地指配持有人,必須遵守歐盟決定中的頻譜或頻譜遮罩要求以確保共用。

日本為擴展頻段與其他系統的共享,針對Local 5G(同我國5G專網)使用頻段(4.7GHz、28GHz)與其他系統共享進行全國範圍調查,總務省運用Local 5G頻段使用之無線設備於各種不同應用情境,例如:同系統/非同系統、同頻/非同頻、同步/非同步/準同步、LOS/NLOS、室內/室外等,在全日本都道府縣町村里進行Local 5G頻段干擾研究分析,藉由瞭解Local 5G對於既有電臺服務的影響,掌握相互干擾的具體數值,並導引出切合Local 5G頻段使用技術條件及各區域特定限制要求等,達到頻段擴展使用的目的,同時預防干擾的發生。

韓國為了讓各使用者在4.7、28GHz能和諧共用,申請者可透過韓國放送通信電波振興院(Korea Communications Agency, KCA)特化網支援中心來確認特化網鄰近地區使用之情形,以計算可使用頻寬及護衛頻帶比例。例如調整時槽的上下行比例,或是若兩相鄰地區皆有特化網使用時,彼此間需要透過KCA特化網支援中心來做協調等,另該國有關電波涵蓋範圍之規範,則分為申請者四周是否存在既有使用者,若無既有使用者,則其申請區域邊界之無線電波功率強度應小於-105dBm;若有既有使用者,則彼此區域邊界之無線電波功率強度應小於-115dBm。德國、日本、韓國5G專網規範與干擾處理措施,請參見表1。

表1德國、日本、韓國5G專網規範與干擾處理措施
5G專網性質
德國 兼顧地方型5G園區網路(Local 5G–Campus Netz)涵蓋需求與商業模式發展情形。
日本 導入區域型5G網路(Local 5G),以彌補無法客製化之商用5G網路。
韓國 限特定場域(如建築物或工廠)區域型5G網路(5G特化網)業者之資格。
釋出頻段(GHz)
德國 3.7–3.8 GHz
24.25–27.5 GHz
日本 4.6–4.9 GHz
28.2–29.1 GHz
韓國 4.72–4.82 GHz
28.9–29.5 GHz
技術要求
德國
  1. 本地頻段只能採TDD運作
  2. 分室內/外
  3. 功率限制
  4. 訊框
日本
  1. Local 5G TDD、非同步TDD與準同步TDD
  2. 分室內/外
  3. 功率限制
韓國
  1. 不分室內/外
  2. 功率限制
  3. 訊框
干擾處理機制
德國
  1. 制定頻塊邊際遮罩(BEM)限值
  2. 要求頻率技術安全距離
  3. 若相鄰業者無法達成協議,將施以場強限值。
日本
  1. 不同Local 5G申請者之間的和諧共用措施
  2. Local 5G對全國MNO 5G系統的和諧共用措施
  3. Local 5G對公共廣播電臺和衛星地面站的和諧共用措施
韓國
  1. 要求合作與技術協調
  2. 有權修改限制及關閉無線設備的使用
  3. 保留紀錄並向Ofcom提供資訊
  4. 評估運用DSA機制和諧頻譜共用
資料來源:Bundesnetzagentur(2019, 2020)、總務省(2020)、MIC(2020, 2021),本文彙整編製。

德國、日本與韓國對於5G專網之技術要求主要是依TDD干擾情形來處理,如評估結果將有干擾之虞時,可透過保持安全距離或是調整功率等方式,確保該場域在使用5G專網頻段進行測試時,能與既有使用者和諧共用。

三、 我國5G專網干擾情形與處理機制

我國5G專網面臨之無線電同頻干擾情形,除TDD干擾問題外,室外使用5G專網測試時,以微波點對點通信干擾問題最為嚴重。109年2月19日交通部公告修正「 中華民國無線電頻率分配表 」,明訂「4.8–4.9GHz供行動寬頻專網於不得干擾合法通信且須忍受合法通信干擾之條件下使用」;另依行政院108年12月5日第3679次院會決議,自即日起供各界申請進行場域實驗,並於110年至111年間擇期開放執照申請。惟國內n79 5G專網使用頻段為4.8–4.9GHz頻段,與警政署、消防署微波系統使用之4.4GHz–5.0GHz部分重疊,如警消移頻規劃架構圖所示(圖4),目前微波站既有使用者為警政署與消防署,依據「 警消微波網路系統移頻計畫 」,為克服目前共站、共構造成頻段不敷警、消分用之窘境,「消防署防救災固定微波通信系統」與「警政署環島數位微波系統」規劃於110年至113年間完成移頻建置作業,以維持警消治安及防救災之遂行。

受5G專網影響之警消微波網路系統頻段
圖4受5G專網影響之警消微波網路系統頻段
資料來源:內政部警政署(110年),「警消微波網路系統移頻計畫」(核定本)

現行警消微波通信系統須辦理移頻作業之站臺如圖5所示,中央災害應變中心、直轄市及縣()災害應變中心新建微波站臺,建置幹線共站20站、支線共站29站、終端站臺69站,共計118站。由此可見,在警消微波網路系統移頻計畫全案完成前,5G專網在進行室外測試時,無論是申請短期測試、實驗研發專用電信網路或是未來的行動寬頻專用電信網路,勢必在113年前將面臨5G專網室外測試、既有微波點對點通信干擾與協調作業。

現行警消微波通信系統須辦理移頻作業之站臺架構圖
圖5現行警消微波通信系統須辦理移頻作業之站臺架構圖
資料來源:內政部警政署(110年),「 警消微波網路系統移頻計畫 」(核定本)

目前國內既有微波點對點通信共有三種類型站臺,依據既有使用者提供站臺設備特性與通信參數,既有微波點對點通信系統依其傳輸話務量不同,使用不同發射頻寬,搭配不同調變技術,以符合傳輸話務解碼品質位元錯誤率(Bit Error Rate, BER)並低於訊雜接收比(Signal-to-noise ratio, SNR),如表2所示。

表2既有合法使用者微波點對點通信站臺類型與通信參數
類型參數項目
站臺
幹線臺 支線臺
(局級)
支線臺
(分局級)
發射功率 1W 0.5W 0.5W
發射頻率 多組發射頻率 單組發射頻率 單組發射頻率
工作頻寬 40 MHz 40 MHz 20、6、4 MHz
調變類型 1024 QAM
2048 QAMz
64 QAM
128 QAM
256 QAM
64 QAM
128 QAM
256 QAM
接收訊號品質要求(解碼前) 1024 QAM SNR≧37.5 dB
2048 QAM SNR≧40.5 dB
64 QAM SNR≧25.5 dB
128 QAM SNR≧28.1 dB
256 QAM SNR≧31.2 dB
64 QAM SNR≧25.8dB
128 QAM SNR≧28 dB
256 QAM SNR≧31.4 dB
資料來源:本文彙整編製(2022)

實務上我國在進行5G專網室外干擾評估時,場域主須先自提測試計畫,以及受影響點對點微波通信鏈路備援或強固方案,頻率核配主管機關依測試計畫內容與受影響點對點微波通信鏈路備援或強固方案,邀集利害關係人研商、會勘,最後形成該場域之「 頻率和諧共用方案 」,並進行實際量測評估,測試場域開放使用5G專網對警政與消防各微波站之干擾情形,5G專網室外測試潛在干擾評估及測試流程如圖6。

測試內容將規劃5G專網基地臺發射不同最大有效等向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power, EIRP),不同路徑損失條件如建築物遮擋的LOS與無建築物遮擋的NLOS,5G基地臺發射方位角與接收天線對應偏軸角等情境變數組合;透過每一個測試情境變數組合,搭配警政與消防各微波站人員配合觀察點對點微波通信品質(如RSL、MSE或CNR等),評估干擾情形,以確保其無受5G專網干擾之虞。

綜上所述,5G專網站臺進行室外測試時,原則上在113年警政署、消防署完成移頻工作前,5G專網在「 可持續提供鏈路備援或強固方案」運作前提下,始得進行室外測試,且以經干擾測試確認之範疇為限,並應與警政署、消防署所用既設微波系統和諧共用。而室內5G專網站臺測試,現階段依據實驗研發專用電信網路設置使用管理辦法第十條第二項第五款第二目之規範,即各實驗區域使用各無線電頻率之電波涵蓋範圍與實驗測試作業範圍外之功率應小於-125dBm。

5G專網室外潛在干擾評估及測試流程
圖65G專網室外潛在干擾評估及測試流程
資料來源:本文彙整編製(2022)

四、 結論與建議

無線電干擾的樣態包含同頻干擾、鄰頻干擾、帶外干擾、互調干擾與阻塞干擾等現象,近年來隨著通信技術日新月異,新設電臺與既設電臺間之無線電干擾問題,逐漸形成顯學。時至今日,國際上如德國、日本與韓國等國家,雖然5G專網之使用頻段不同,仍以避免干擾為首要之務,為確保5G專網在測試或正式使用時,能與既有使用者和諧共用,可透過保持安全距離或是調整功率等方式,確保該5G專網無干擾既有使用者之虞。

國內5G專網與警政署、消防署微波系統使用之4.4GHz–5.0GHz部分重疊,在113年警消微波網路系統移頻計畫全案完成前,5G專網在進行室外測試時,無論是申請短期測試、實驗研發專用電信網路,或是未來的行動寬頻專用電信網路之前,勢必需要先形成光纜強固方案,以作為頻率核配主管機關之審查基準。

建議5G專網欲進行室外測試之申請者,需考量光纜強固方案之部分微波鏈路,若經干擾測試及完整評估潛在干擾風險後,確認無強固之必要,則該等微波鏈路之光纜強固應即於光纜強固方案中暫停租用,以撙節費用支出。

(本文作者為射頻與資源管理處科員、財團法人電信技術中心經理及副研究員)

  1. 參考中華民國無線電頻率分配表,各類業務既有使用者包含廣播電視業務、公眾通信中繼網路、公眾行動電話業務、公眾無線電叫人業務、公眾衛星通 信業務、公眾船舶通信業務、有線電話無線主副機、民用無線電對講機、鐵公路運輸、船舶通信、港口導航、港埠管制、航管、飛航業務、氣象測報、 森林、礦區通信、業餘無線、實驗研發、警察及維持治安、電力、石油、無線電遙控、監視、定位、測震、新聞接收、國內緊急醫療網、工業、科學及 醫療用途、計程車無線電通信、一般用途無線遙控及低功率射頻電能器具、山難救助、空中救災、救難救護等任務及連接公共通信系統等無線電業務用 途之既有使用單位。

參考資料

  1. Bundesnetzagentur(2019), Verwaltungsvorschrift für Frequenzzuteilungen für lokale Frequenznutzungen im Frequenzbereich 3700-3800 MHz. Retrieved from https://www.bkzsh.de/wp-content/uploads/2019/07/VV_Lokales_Breitband-Version-2019-07-02-finaler-Entwurf.pdf
  2. Bundesnetzagentur(2020), Verwaltungsvorschrift für Frequenzzuteilungen für lokale, breitbandige Frequenznutzungen im Frequenzbereich 24,25 - 27,5 GHz. Retrieved from https://www.key4biz.it/wp-content/uploads/2020/09/20200625_VV26GHz.pdf
  3. Bundesnetzagentur(2019), Grundlegende Rahmenbedingungen zum Antragsverfahren. Retrieved from https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Downloads/DE/Sachgebiete/Telekommunikation/Unternehmen_Institutionen/Frequenzen/OffentlicheNetze/Region aleNetze/20190311GrundlegendeRahmenbedingungen_pdf.pdf?__blob=publicationFile&v=1
  4. BNetzA(2019), Grundlegende Rahmenbedingungen zum Antragsverfahren.
  5. 総務省(2020),情報通信白書[令和2年],頁188,日経印刷。
  6. 總務省(2020),「 新世代モバイル通信システムに関する技術的条件 」のうち「地域ニーズや個別ニーズに応じて様々な主体が利用可能な第5世代移動通信システム(ローカル5G)の技術的条件等 」。取自https://www.soumu.go.jp/main_sosiki/joho_tsusin/policyreports/joho_tsusin/5th_generation/02kiban14_04000796.html
  7. MIC(2020),「 地域ニーズや個別ニーズに応じて様々な主体が利用可能な第5世代移動通信システム(ローカル5G)の技術的条件等 」に関する情報通信審議会からの一部答申。取自https://www.soumu.go.jp/menu_news/s-news/01kiban14_02000452.html
  8. MSIT(2021),5세대(5G)특화망 정책방안 수립。取自https://www.msit.go.kr/bbs/view.do?sCode=user&mId=113&mPid=112&bbsSeqNo=94&nttSeqNo=3179846
  9. MSIT(2021),5세대(5G)특화망 주파수 공급방안。取自https://www.msit.go.kr/bbs/view.dosCode=user&mId=113&mPid=112&pageIndex=1&bbsSeqNo=94&nttSeqNo=3180422&searchOpt=ALL&searchTxt=5G
  10. ECC Report 296, National synchronization regulatory framework options in 3400-3800 MHz: a toolbox for coexistence of MFCNs in synchronised, unsynchronised and semi-synchronised operation in 3400-3800 MHz.
  11. 內政部警政署(110年),「 警消微波網路系統移頻計畫 」(核定本)

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