Artemis Network提出pCell期望解決蜂巢式系統技術瓶頸

一、前言

Amdocs是世界客戶體驗系統市場的領導者，為通信和網際網路服務業提供顧客服務與帳目系統。Amdocs 發表2014最新研究白皮書[註1]，主要針對無線網路流量趨勢進行研究。根據白皮書的結果表示無線網路系統處理的訊息以數據(Data)資料占了大多數(98%)，遠遠多於語音(Voice)資料。同時它也表示現今的網絡系統仍有很大的改進空間以滿足使用者的需求，雖然4G系統已開始建置仍然無法根本解決未來網路雍塞問題。Amdocs的白皮書針對過去12個月歐洲，拉丁美洲，北美以及亞洲各大繁忙城市，收集來自10萬支行動裝置發送的訊息，分析其包含的4百萬多筆語音與數據資料。行動裝置包含智慧型手機以及平板電腦。無線網路系統(RAN)包括3G，4G(LTE)和Wi-Fi (for data)。

Amdocs的白皮書提到下面幾點結論：

(1) 數據資料成長90%。大多數使用者利用平板電腦跟智慧型手機分享訊息

(2) 大量的資料傳輸造成服務品質的降低，主要是因為基地台有限能力無法處理大量資料，因此造成不良的通話品質例如斷訊(dropped calls)

(3) 4G系統的建置以期待能改進舊有技術瓶頸，但是受限於各電信業者的頻寬限制，導致4G帶來效益並沒有顯著與3G不同

(4) 覆蓋率不足，每月使用量限制與下載服務的費率都無法滿足使用者需求

(5) 從戶外到室內。室內使用量增加33%，但是室內通訊會降低50%的資料流通量。如圖一所示，在不久的將來頻寬(Bandwidth)以及容量(Capacity)不足(Deficit)將會越來越嚴重。

圖一、無線網路數據資料持續快速成長造成頻譜的不足
資料來源：FCC[註2]

二、蜂巢式系統限制

在蜂巢式系統中，基地台監控與調配資源，主要是希望在cell裡的使用者共享珍貴有限資源(頻寬跟容量)同時避免互相的干擾。所以當使用者變多時例如棒球場或是跨年晚會，每一個手機可用的資源將非常有限，甚至因此而造成網路雍塞以至手機無法使用。蜂巢式系統為解決這問題，提出許多解決方案比如通道重利用(Cell Reuse)，多重輸入多個輸出(MIMO)和天線成束(Antenna Beamforming)。MIMO技術可以達成3X~4X倍資料速率(Data Rate)，主要原因是利用多重路徑(Multipath)反射的無線電聲波現象與多天線增空間多樣性(Spatial Diversity)，以有效地增加接收者訊號擷取[註3]。但隨著使用天線數目的增加，MIMO技術的複雜度大幅度增高，因而將低MIMO的優勢。

三、突破性技術

分散式輸入、分散式輸出(Distributed Input and Distributed Output (DIDO)) 4技術最早是由Rearden Companies執行長Steve Perlman同時也是發明人之一於2011年所提出的專利US7418053[註4]。DIDO技術是一種技術能讓每個用戶一樣能得到100%的頻譜數據傳輸率，達到頻譜利用率比蜂巢式系統高出十倍的無線技術[註5]。

圖二是一個簡單的DIDO系統，取自於Pearlman的白皮書[註6]。在DIDO系統裡，DIDO資料中心（Data Center）主要負責雲端訊號處理，DIDO存取點 (Access Point，AP)是負責收集通道訊息以及接發送訊息。在圖二，DIDO資料中心根據APs所提供的通道資訊產生三個AP1到AP3獨立（Unique）調變訊號（Modulated Waveform），最重要的是DIDO資料中心藉由三個APs同時(Simultaneously)發送調變訊號使得每一使用者端會接收到唯一並且清楚的強信號，此信號是由三組調變訊號疊加而成。此概念類似建設性干涉 (Constructive Interference)。DIDO AP可放置在室內也可以放置室外，大量放置AP可以達到高多樣性，每一AP可視為一個獨立信道，以增加信道容量。DIDO資料中心實現雲端計算，可以降低延遲。如果這技術可行，蜂巢式系統將可能成為過去式。

圖二、DIDO系統包含不同使用者，DIDO 存取點跟DIDO 資料中心[註6]

四、突破性應用(pCell)

即便DIDO技術已發表，不過在當時Perlman還不知如何將此技術商業化。同年，Perlman便成立Artemis Network公司致力於DIDO技術的研發與商業化[註7]。2014年2月份，Perlman在紐約哥倫比亞大學第一次公開示範Artemis Network的新產品。此產品的名稱是Personal Cell 或是pCell，如圖三。在這場示範中，10MHz頻寬，LTE無網路系統裡，pCell系統能順暢同時串流多個4K Ultra HD video streams (4,096 pixels by around 2,000 pixels)。Perlman 解釋道pCell是基於DIDO技術利用建設性干擾(Interference)原理加強訊號，不管有多少使用者，每一個使用者皆可使用100%的頻譜數據傳輸率。除了速度與訊號的進步，pCell也有其它優點:體積小可以設置任何需要訊號的地方，低耗能(1 milliwatt)相較於Wi-Fi(250 milliwatt)，pCell與LTE系統相容一般手機便可使用以及pCell是雲端技術可以更多彈性。雖然pCell仍然還在測試當中，但Perlman預計pCell能在2014年底上市，並希望2015擴展市場到美國，亞洲跟歐洲。但目前Artemis Network 極具野心的計畫是希望佈建免費50公里pCell網路從美國矽谷(Silicon Valley)到舊金山(San Francisco)。

圖三、Artemis 所開發的pCell安裝簡易，並宣稱能解決舊蜂巢式系統問題[註7]

五、pCell是言過其實還是明日之星

從Perlman展示的結果看來，似乎pCell技術具有解決現存無線通訊瓶頸的能力。即便如此，pCell技術在產業界與學術界還是造成相當大的爭議，因為Perlman目前沒有提供其它相關技術資料，讓許多專家對此技術提出質疑[註9]：

”It is another example of Silicone Valley’s too-good-to be true. Next Big thing!”

還有，堪薩斯大學Lingjia Liu教授說到”這是一個有前景的技術但是有些說法似乎無法實現”。Peter Jarich, Current Analysis公司副總裁懷疑地問到”這是改進舊有技術?或是完全全新的技術?Samsung資深工程師Zhouyue (Jerry) Pi也提到”Artemis 目前還沒證明此技術可以克服其它更困難的問題，例如”large-scale coordination of transmissions from many access points and the integration of pCell clusters into existing cellular networks. ”

即便Perlman的方法具爭議性，但是真理越辯越明。但在所有疑慮解決之前，此技術仍需要在真實的環境進行測試以及認證，包括[註10]：

• 雖然Perlman宣稱pCell可以支援100到1000的使用者，但真實環境中無線通訊可能需要處理百萬用戶甚至更多的流量。是否此技術可以支援?可能需要更多時間的測試和考驗。
• 根據目前Perlman提供的有限技術資料，DIDO仍然有許多技術問題並沒有克服，例如訊號的衰減，訊號反射干擾和個別訊號分別等等。
• 在目前的白皮書中，他並沒有測試移動傳輸的情況，例如於車輛行進間接收端放置，及如何處理訊號傳播大氣的反射、干擾與延遲。
• 也未提及有關pCell與蜂巢系統間的干擾測試報告。
• 至於每一個pCell互相連接以及連回中央網路，將會造成系統相當大的負擔及龐大經費，這將是此計畫最大的考驗。
• 最重要的是美國法規並沒有提供實驗性質的頻寬執照，所以美國當局目前並沒有通過任何相關的計畫案，所以如果Perlman完成他更具野心的計畫，這將是最大阻礙。

如此看來，這些問題將會花Perlman相當長的時間去實驗與測試，才能取得所有的專家認同。雖然5G已經開始被討論得沸沸揚揚，但是5G標準仍是未知之數。在決定之前，任何技術都可被討論與批評。(2213字；圖3)

註解：

[註1] Amdocs Research (2014/04/16)，98 Percent of Mobile Network Sessions Now Data

[註2]Dan Farber (02/18/2014)，Is pCell the Holy Grail of wireless networking?，CENT

[註3]Ian Poole (04/22/2014)，What is MIMO? Multiple Input Multiple Output Tutorial，Radio-Electronics.com

[註4]Stephen G. Perlman, Tim Cotter (08/26/2008)，System and method for distributed input-distributed output wireless communications，US Patent 7418053

[註5] 麥利(10/20/2011)，DIDO技術為無線領域帶來突破性應用，EET電子工程專輯

[註6]Steve Perlman, Antonio Forenza (07/27/2011)，Distributed-Input-Distributed-Output (DIDO) Wireless Technology A New Approach to Multiuser Wireless，white paper

[註7]Artemis (04/22/2014)，What is pCell?，Wireless Reinvented

[註 8] Kyle Russell (04/22/2014)，Dish Network Is Partnering With This Startup To Make Cellphone Internet 1,000 Times Faster Than 4G，Business Insider

[註9]Ariel Bleicher (03/18/2014)，Can Artemis Deliver 5G Service On Your 4G Phone?，IEEE Spectrum

[註10] NBN MYTHS (05/01/2014)，Why not wireless?