先讀讀下面的故事，看你是不是感同身受。小劉是一位高階的商務人士，經常需要到各地開會。由於業務上的需求，他經常需要使用網路服務，像是收送電子郵件、視訊會議，或是VoIP服務。為了滿足他在通勤過程間也可以隨時隨地的使用這些網路服務，小劉採用了WiMAX的解決方案。位高如小劉，即使回到了家裡，還是常常需要準備隔天的簡報而上網尋找資料。由於建築物遮蔽的關係，小劉的家裡無法使用WiMAX服務，因此在家裡小劉採用了有線的ADSL作為替代方案。於是小劉經常必須在兩種網路系統間作切換而感到非常不方便。是否有什麼辦法可以解決擾人的系統轉換，讓小劉可以專心的進行公務呢？如果你跟小劉有一樣的問題，那本篇文章所提到的技術就是你所期待的解決方案。

長時間以來，在室內使用無線行動通訊網路很容易遇到收訊不良、傳輸速度過慢等問題，以至於使用者不得不要因應所在區域的不同而使用不同的網路介面，如Wi-Fi、HSPA，因此市面上才會開始出現多模的通信設備，而成本也隨之越高。為了解決相關的問題，一些廠商在2007年成立了一個商業聯盟Femto Forum，開始推廣家用的微型基地台（Femtocell）來提供完整的解決方案。Femtocell是屬於低功率的基地台，前端使用有執照的無線頻段，不僅讓使用者的設備不用進行任何的變更，並且對營運商來說也能夠在室內環境提供更好的無線網路覆蓋率；後端則是透過現有的有線網路技術，如DSL、Cable Modem，來連接到營運商的網路，以方便營運商提供更好的網路管理服務。

有鑑於Femto技術的持續發燒，立志成為4G標準的WiMAX系統當然也會針對這個議題進行討論設計。2008年開始，WiMAX Forum中的SPWG（Service Provider Working Group）也開始針對這個議題，成立了一個Work Item並進行討論。目前WiMAX Forum上最新的相關文件為『Requirements for WiMAX Femtocell Systems version 0.9.9』，再進行細部的修訂後就會交付表決成為正式文件，之後在交由NWG（Network Working Group）來進行細部的實作設計。

Femtocell網路架構

首先，來看看WiMAX Femtocell的網路系統。圖一正中間的基地台稱之為Macro-cell或是Micro-cell（根據服務範圍以及設備的效能而有差異），而在左下角家裡面的那台WFAP就是這篇文章的主角Femto-cell Access Point。為了方便之後文章的描述，先針對上圖的物件進行基本的介紹。

《圖一　WiMAX Femtocell的網路系統》 資料來源：WiMAX Forum SPWG

關於Macro-cell或是Micro-cell的WiMAX網路架構，由於之前已經有文章詳細描述（請參閱零組件雜誌第201期：WiMAX連線服務網路中行動管理機制），所以這裡不再贅述。我們來看看Femtocell的網路架構。首先我們可以發現，WiMAX Forum所提出的架構基本上跟之前的架構是很類似的，都是由ASN和CSN兩種網路所組成。這意味著Femtocell的相關管理控制仍然會交由後端的系統處理，正如之前的架構一樣。主要的差異如下：

CSG（Closed Subscriber Group）閉合用戶群組

除了上述的網路架構以外，SPWG也制定了一些將來可能的服務機制，閉合用戶群組（closed subscriber group；CSG）。在此機制下服務提供者可以提供私密或半私密的WiMAX服務給經過識別的小型使用者群組，就類似於目前現行的WiFi熱點一般。Femtocell 架構下可以為經過識別的使用者保留部分網路的頻寬，像是家庭的成員，或是某個小型企業中的雇員。

導入閉合用戶群組的概念可以提供兩種有別於開放模式（Open Model）的新型態服務模式，亦即閉合用戶閉鎖模式（CSG Closed Model）與閉合用戶開放模式（CSG Open Model）。下面就這三種模式分別加以介紹：

開放模式（Open Model）

Femtocell架構下最簡單的服務模式。在此模式下，允入存取控制和QoS策略都與WiMAX Macrocell網路一樣。在開放模式下Femtocell的允入控制與方針就如同傳統的WiMAX Macrocell中的基地台一般。

閉合用戶閉鎖模式（CSG Closed Model）

在閉合用戶閉鎖模式下，服務提供者僅提供私人服務給特定Femtocell用戶以及該用戶所指定的裝置和使用者。從系統服務的角度來看，此模式類似於透過私網路金鑰保護的WiFi熱點：該熱點的擁有者和其指定的使用者共同享有網路金鑰，因而可以存取網路服務。在這個模式下，服務提供者將某一特定WFAP設定為CSG Closed Femtocell，並將主要使用者視為為CSG帳號的擁有者。CSG帳號擁有者可以透過MAC ID等方法，指定有限數量的其他裝置或是使用者加入CSG。在CSG中的成員皆可存取網路服務，而其他不屬於CSG的使用者將無法透過CSG Closed Femtocell存取網路服務。

閉合用戶開放模式（CSG Open Model）

與閉合用戶閉鎖模式一樣，服務提供者將Femtocell用戶的主要使用者視為CSG帳號擁有者，可以指定CSG的成員。然而，與閉合用戶閉鎖模式不一樣的是，在此模式下CSG中的成員並不獨佔地使用Femtocell提供的網路服務。當Femtocell還有足夠的額外資源時，經過認證的WiMAX使用者將可以透過此Femtocell存取網路服務。對於CSG中的成員來說，此服務模式與閉合用戶閉鎖模式並沒有不同，因為Femtocell會優先將網路資源分配給CSG中的成員，而不受非CSG成員的影響。閉合用戶開放模式與閉合用戶閉鎖模式的主要差異在於：當Femtocell有額外的網路資源時，服務提供者的其他客戶可以經由正常的允入存取控制和QoS控管機制來取得該Femtocell的服務。

來自SPWG的要求

如前文所述，目前在WiMAX Forum中對Femtocell系統討論最多的是SPWG，這個由服務營運商所組成的工作小組根據之前的網路架構以及營運模式，討論並且制定出一份Femtocell的需求文件，之後會將這份文件提供給TWG（Technical Working Group）以及NWG（Network Working Group）進行相關的技術細節制定。但由於目前NWG以及TWG才剛要開始排入討論議程，以至於目前沒有任何的相關資料。不過，我們可以先從SPWG所提出的要求中，先窺探之後Femtocell系統的廬山真面目。

在SPWG的文件當中，Femtocell所有的需求被分成系統層、無線介面層、服務層、管理層以及設備層來進行討論，下面我們也根據這個分類來加以介紹。

系統層

系統層面的需求主要是針對端對端的功能性加以討論，其中又針對功能性的不同加以分類，介紹如下：

無線介面層

這部份的需求主要著重在無線信號以及相關的技術細節。下面分別進行介紹：

服務層

在這部份所提出的要求主要是針對QoS（Quality of Service），下面是相關的需求：

管理層

在這部份所提出的要求主要是針對如何來管理前端的WFAP，其中包含了兩部份，FCAPS（Fault, Configuration, Accounting, Performance, Security）以及SON（Self Organizing Network）。FCAPS主要在探討後端NAP該如何來管理WFAP，特別是無線信號的管理；而SON則是在討論WFAP如何能夠對自己本身的設定進行調整，以達到最佳的服務品質。這兩者主要的目的都是一樣的，將WFAP對其他基地台的干擾減低到最小。

設備層

在這裡的要求主要是針對MS的設備進行修改，主要的理由在於前面所提出的CSG的概念。

Femtocell所遇到的困難

然而，一切故事會像SPWG的那群系統營運商想的這樣的美好嗎？其實倒也未必。WiMAX Femtocell在實際的佈建上會遇到一些麻煩的問題，包含了技術層面以及政策層面。

首先，先來探討技術層面的問題。Femtocell系統所會遇到最大的麻煩就是信號干擾的問題。一般營運商在進行基地台佈建的時候，都會針對基地台的佈建位置進行詳細的規劃，以求達到最大的使用者覆蓋率，提供最佳的服務品質。但Femtocell的佈建卻不是這麼一回事。在SPWG所提出的規劃裡面，WFAP應該要由使用者自行佈建，但一般使用者並不具備無線信號的知識，所以很有可能會對其他的基地台造成干擾。雖然在SPWG的要求裡面，希望後端NAP能對WFAP進行自動設定，不過一來現在並沒有合適的演算法來判定怎樣設定為最佳，其次，WFAP所擺放的位置也會造成很大的影響，放在窗邊的WFAP一般來說會比放在屋內正中央的更容易影響到外部網路，可是如果降低無線信號的發射功率，在屋內的使用者又不一定會滿意網路的品質。這是在營運時所要面對的重要課題。

接下來是同步的問題，如何在不同的基地台，包含Macro和Femto中進行同步是一個很傷腦筋的問題。一般目前的Macro系統中常見的解決方式為GPS，但是在SPWG的要求中並不建議如此（請見上一小節）。主要的理由是WFAP的價格問題，SPWG的成員們為了推廣這一項技術，希望能降低WFAP成本以吸引使用者，但是目前缺乏簡單、便宜而又準確的同步機制，這會讓一些干擾消除的技術無法很好的運作，這也是Femtocell系統一個很重要的挑戰。

然後我們來看看政策層面所會遇到的最大問題～收費。綜合上一節的眾多要求，我們可以將未來可能的營運模型畫在下面：

《圖二　Femtocell可能的營運模型》 資料來源：資策會專案自行繪製

上圖總共有三個網路服務營運商，分別是NSP（Fixed Broadband）、NSP（WFAP）和NSP（MS），這也意味著有三家公司要收錢，固網的電信業者收一次，使用者所屬的電信公司收一次，而架設WFAP所屬的電信公司也要再收一次，而且這種情況還沒討論到中間NAP的費用。在這種營運模型底下，對使用者是一種很複雜的事情，而這會造成營運商推廣上的困難。其次，該如何計費，是計時制、包月制、流量制，這也是值得考慮的課題。

未來展望

上述所有的資料，主要來自於SPWG的文件。但正如前面所述，SPWG只是負責制定相關的需求，真正的技術細節乃是交給NWG以及TWG來加以制定。其中NWG負責制定網路端的管理協定，而TWG則針對PHY/MAC進行細部的討論，必要的時候會將議題交由IEEE802.16大會中進行修訂。目前這兩個工作團體都已經開始針對Femto這個議題進行相關的討論，並且也都有了初步的時程表。首先，為了讓Femtocell的系統能盡快問世，WiMAX Forum決定將Femtocell的功能切成兩個步驟。第一部份為基礎的功能，MAC層使用IEEE802.16Rev2，而網路層則提供基本的功能，像是網路接取、換手機制等；第二部份則為進階版，MAC層使用IEEE802.16m，網路端則提供更多的功能（但實際的功能還待決定）。以目前Forum上的時程表來看，今年第四季會有第一份草稿出來。

WiMAX Femtocell系統是一個很有發展潛力的新世代網路技術，雖然它仍然面對許多技術以及政策面的問題，但隨著時間的演進，應該能逐漸的克服，進而提供一個理想的「無所不在」網路環境。

---本文作者均任職於資策會網路多媒體研究所---

參考資料：