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確實選擇最佳終端的「中繼端Pass-Throughput推定方式」透過終端間通信而能傳送收訊範圍外的現場影像

遭逢大規模災害或恐攻時的因應措施,美國及世界各國皆加速引進「PS-LTE」

在地震或火災等大規模災害或恐怖攻擊等緊急狀況時,被派遣到現場的警察、消防、急救等負責公共安全的隊員們,來自他們的業務聯繫極為重要。除了聲音之外,若能一併透過影像進行聯繫,更有助於指揮總部的判斷,以及有效實施傷患急救措施。因此,從美國開始,世界各國都已加快腳步,提升公共安全領域的無線通信。

既有的業務用無線網路,主流是以聲音通話為目的的低速通信,不過目前已有導入「PS-LTE(公共安全通訊網)」(Public Safety Long Term Evolution),藉由先進的高速通信以傳送影像的趨勢。雖然運用既有商用LTE的方式也曾被研議過,但遇到大規模災害時,商用網路有可能無法使用,因而開始導入已分配到專用頻帶的PS-LTE。

導入PS-LTE時的課題在於,容易在基地台涵蓋範圍(可從基地台送達電波的範圍)的邊界附近或大樓室內等處,形成收訊死角(coverage hole;收不到訊號的範圍)。早已廣泛普及的商用LTE,是以500m~1km左右的間隔,密集架設通信業者所設置的基地台,以防形成收訊死角。另一方面,由於PS-LTE難以直接向使用者收費,基地台位置又必須具備抗災性,導致基地台的數量極少。由於設置地點間隔5~20km,用大區域方式建構服務範圍,因而容易發生影像無法傳送的收訊死角。

 

以新推定方式,優化D2D中繼終端的選擇

如上所述,NEC的系統平台研究所,便從2014年10月起運用終端間通信(Device to Device Communication,D2D通信)技術,致力於解決收訊死角的研究。LTE的通信技術是由名為3GPP(第三代合作夥伴計畫)的國際標準化機構,依照其設立專案的標準化,D2D通信就是標準化技術之一,其中一項功能就是所謂的UE-to- Network Relay(D2D中繼)技術。只要使用這項技術,便可透過覆蓋範圍內的其他終端(中繼終端),讓位於收訊死角的終端(遠程終端)與基地台相互通信。

但課題在於,如何選擇最佳的中繼終端。3GPP的標準方式是基於D2D通信的接收功率,規定對象終端的選擇方式。以此方式而言,在D2D通信與中繼終端到基地台的上行鏈路通信中,由於調製和編碼方式不同,而難以直接作比較。如下方左圖所示,遠程(傳送)終端是以接收功率比較中繼終端後,再選擇功率最強的中繼終端。此時,不考量從中繼終端到基地台的上行鏈路通信。倘若上行鏈路通信的品質不佳,那麼便無法對基地台傳送影像。

NEC為了解決此課題,於是便著手開發「中繼端Pass-Throughput推定方式」的全新技術,並於2016年5月正式發表。如下方右圖所示,這種方式是將D2D通信和來自中繼終端的上行鏈路通信變換成傳輸量(Throughput),便可用路徑單位作比較。若將兩者形成瓶頸的傳輸量作比較,上行路徑是以上行鏈路通信的0.9Mbps為瓶頸;下行路徑則以D2D通信的1.2Mbps為瓶頸。如此一來,下行中繼終端是正確選擇。若用以往的方式選擇上行中繼終端時,便無法達到傳送影像所需最低限度標準的1Mbps。

 

以2020年為目標,邁向NEC提案方式的PS-LTE實用化

NEC已著手建構用於評估此「中繼端Pass-Throughput推定方式」的模擬器。雖然是將既有的商用LTE模擬器客製化提供PS-LTE運用,但這項作業卻是超乎想像的耗費時間。為了讓D2D通信與上行鏈路通信共存與相互融合,獲得預想達到的傳輸量,需要細緻的討論,約半年後終於做出了模擬器。

用這台模擬器評估中繼端Pass-Throughput推定方式的結果得知,遠程終端能夠以遠遠高於標準方式的機率,達到傳送影像的所需1Mbps(參照後文說明)。今後將以2020年為目標,藉由這種方式讓PS-LTE邁向實用化階段。此外,也將一併探詢將這種方式應用於商用LTE的可能性。

即便涵蓋範圍半徑20km,仍有8成終端可達到1Mbps

NEC系統平台研究所從2016年3月起到4月這段期間,已模擬評估了中繼端Pass-Throughput推定方式。這是假設消防隊員為了進入發生火災的大規模商業設施拯救生命,而將現場影像傳送到位於遠程位置指揮總部,再評估基地台涵蓋半徑20km左右的情況。

將基地台涵蓋範圍半徑設為1km、3km、5km、7km、10km、15km、20km共7個階段,並在各基地台內隨機各配置2棟預設為大規模商業設施的寬120m、內深50m之建築物。此外,在各建築物內隨機配置1台天線高度1.5m的遠程終端,並在各建物中心起算半徑100m內的室外部分,隨機配置各5台的中繼終端。此時,中繼終端將設為搭載雲梯消防車的車載終端,天線高度為10m。並將載波頻率假設為700MHz頻帶。

此項模擬結果,彙總如以下圖表的數値。橫軸表示涵蓋範圍半徑、縱軸表示達到傳送影像所需標準傳輸量1Mbps的終端比率。在導入「D2D中繼」後的標準方式中,只要涵蓋半徑超過7km,達到1Mbps的比率就會驟降。在NEC的提案方式中,在涵蓋半徑10km以內幾乎呈現95%左右的達成比率。即便是10km以上,達成比率也遠高於標準方式,縱使在涵蓋半徑20km,也有8成的終端可達到1Mbps。

研究者簡介

網中洋明 NEC系統平台研究所 資深研究員

在大學專攻物理學,進行等離子體核裂變的研究。進入NEC後,負責開發第3代行動電話基地台,其後也參與3GPP標準化計畫專案。目前參與研發終端間通信技術,也致力於PS-LTE相關業務。個人興趣是騎公路自行車(競技自行車),除了自行車場地賽的耐力賽,也曾參加以高難度聞名的越野登山賽「日本富士山挑戰賽 (Mt. Fuji Hill Climb)」。最近較少參加比賽,而比較常在假日陪6歲與4歲的兒子。未來夢想就是教他們騎公路自行車後一起參加比賽。

大辻太一 NEC 系統平台研究所

在大學專攻電子資訊系統,投入研發LED面發光面板用之可見光無線通信系統。進入NEC後,先後參與研發LTE基地台用基頻處理器 (Baseband processor) 與軟體無線平台,以及公共基礎設施用無線網路技術,目前參與研發PS-LTE用終端間通信技術。大學時代開始的夢想就是,讓自己所開發的技術產品廣受世間所採用,進入公司後正朝向實現這個夢想而邁進。從學生時期到進入公司後,已取得多項包括無線電在內的通信相關資格。

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