【 科技　　　　　專刊 】

第三期2015

獨家發行

什麼是Femtocell

壹　前言一、背景

隨著使用智慧型手機與平板電腦上網的應用日漸普及與頻繁，許多人在使用行動電話

時，常有訊號不良的困擾，肇因基地台覆蓋率不足、建築物或電磁波干擾影響，產生了通訊

死角。此外，若太多用戶同時使用同一基地台時，頻寬不足常讓傳輸速率降低。為了改善此

狀況，電信公司唯有增建基地台。不過，對電信公司而言，建設新基地台成本相當高，從安

裝地點的取得或租用、基地站安裝工程及維護、訊號的回傳及線路的運作等，無一不是在花

費電信公司高額的成本。再加上現今社會環保意識抬頭，很多人都希望行動電話通訊品質提

升，但不希望自己家中樓上或隔壁多蓋了一座基地台，在此相互矛盾的狀況下，要改善訊號

可說是一項高難度的工作。

華江高中　劉士華　老師

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為了解決這個棘手問題，電信公司推出了 Femtocell（微型基地台或毫微微蜂巢式

基地台）的解決方案（圖 1）。所謂的 Femtocell，功能類似各大電信公司安裝在許多大

樓頂端的基地台，特性是可做為高用量傳輸，但可作用的範圍很小，通常只在十公尺

以內，而且藉由 ADSL、Cable或是光纖與電信公司機房傳遞資料，所以被用來當成解

決室內通訊不良的問題；不同於傳統行動電話基地台是直接透過專線連線回電信公司

的機房。Femtocell主要是用來彌補電信基地台無法涵蓋的區域及提升數據傳輸速率，

大幅減少建築物遮蔽或離基地台太遠等使無線訊號強度降低的因素，非常適合安裝在

辦公室與家庭，解決室內手機收訊不良問題。Femtocell是透過寬頻網路傳輸訊號，使

用者不需要與一般使用傳統基地台的用戶搶用頻寬，可以享受更高等級的資料傳輸服

務。

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Femtocell

Femtocell

Data Center

App Server電信公司

核心網路Femtocell

圖 1　行動私有雲與 Femtocell。☉

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二、行動網路的基地台類型

行動通訊網路是由許多小型無線單元（Cell）組成，即基地台，針對其位置或應

用，各個基地台可能有著不同的涵蓋範圍、系統容量、與輸出功率。我們依其涵蓋範

圍（或稱輸出功率），將其分類成大型基地台（Macrocell）、微型基地台（Microcell）、特

微型基地台（Picocell）與 Femtocell，如圖 2所示。Macrocell大型基地台（通常覆蓋範

圍 25公里以內）、Microcell微型基地台（通常覆蓋範圍 5公里以內）、Picocell特微型

基地台（通常覆蓋範圍 500米以內），Femtocell的覆蓋範圍約 50公尺，15分貝（dBm）

以內。

Femtocel<15 dBm

<1650 m

Picocell<20 dBmXX

500 m

Microcell<15 dBm

XXX5 km

Macrocell<15 dBm

XXXX50 m

圖 2　各類型基地台涵蓋範圍。☉

01　 分貝 dBm這個單位，表示相對於 1毫瓦的分貝數，以 1mW為基準的 dB算法，即 0dBm=1mW，dBm=10*log（Power/1mW）。發射功率 dBm－路徑損失 dB＝接收信號強度 dBm。對於無線信號的

衰減來說，不是線性的，而是成對數關係衰減的，用分貝更能體現這種關係。

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微型、特微型基地台主要是針對稠密的行動電話使用區域，用以增加網路容量，

如車站、購物商場等。而 Femtocell涵蓋範圍更小，主要是用來彌補其它基地台無法涵

蓋的區域及提升數據傳輸速率，通常用於住宅或小型商業環境（圖 3）。這些不同類型

的基地台必須使用功率控制來限制其發送範圍。

femtocells

femtocells

femtocells

圖 3　更大的 Femtocell範圍。☉

貳、Femtocell介紹「Femto」本意是指 10的負 15次方，又稱為毫微微。我們為了增強無線網路的訊號

強度，通常會在室內設置一台無線存取點（Access Point，AP），可大幅減少建築物遮蔽

或離基地台太遠等使無線訊號強度降低的因素。Femtocell在歐美家庭使用已很普遍，

可以整合 2G、3G、4G、WiFi於一機，優勢在於它是行動通訊網路的延伸，仿佛一個

專屬的行動電話基地台。Femtocell最初叫接入點基站（Access Point Base Station），是

一種用戶住宅蜂巢式接取點，作用在需授權的頻譜。另外，針對稠密的車站或商場等

行動電話使用區域，使用 Femtocell可以增加網路容量，並可提供接近峰值（Peak）的

數據傳輸速率，同時兼具高容載量，讓使用者可自由運用最大容量空間，因此它在固

網與行動網路融合中扮演了相當重要的角色。

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Femtocell外觀尺寸接近於一般家用無線 IP分享器（圖 4），且相較於一般大型基

地台，Femtocell基地台耗電低而且更易於部署。雖然傳統大型基地台的訊號涵蓋範圍

大，但需要由專業工程技師進行安裝，而微型基地台可以由使用者自行安裝，如此將

為電信公司節省大量成本。不過為了避免造成用戶恐慌，電信公司因此不願以基地台

稱呼，改稱毫微微熱點。使用者由電信公司手中取得 Femtocell後，只需插上電源，連

接上現有的寬頻網路，設定好 IP後，透過網際網路接入行動通訊的核心網路，便可主

動進行遠端軟韌體更新升級，並且自動完成最小干擾頻點的選定、CDMA碼的分配以

及發射功率的自我調整等。

圖 4　不同外型的 Femtocell。☉

　　2011年日本三一一地震發生時，Femtocell就發揮了很大的效用。由於日本電信公

司的基地台全部被震毀，於是緊急向臺灣訂了上千台的訂單，並且立即空運到日本，

第一時間解決了災區通訊的問題。

02　 分碼多重存取式（CDMA，Code Division Multiple Access），亦稱為展頻系統。CDMA將傳輸資訊（通常是語音）所需的頻寬展開至非常寬的無線電波，並由空中介面傳輸，可讓同頻或是鄰頻使用者所造

成的干擾減至最低。藉由不同的手機使用不同代碼，允許多個使用者在同一時間使用同一個頻道。

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參、Femtocell優點簡單來說，Femtocell是為了要克服通訊品質不良的室內環境而誕生的產品。從產

品開發觀點來看，Femtocell能成功發展的優勢包括低成本、低功率、隨插即用、強化

移動寬頻網路的室內覆蓋率以及與營運商共用現有的頻譜等。以下為 Femtocell之特

點：

一、使用標準的移動技術

Femtocell可與電信公司的大型基地台（Macrocell）、微型基地台（Microcell）以及社

區的特微型基地台（Picocell）作無縫切換，只要可以連接到 IP技術的網際網路，用戶

即可依需要任意建置，靈活性強（圖 5）。Femtocell在空中介面使用標準的無線協議與

手機或其他的移動終端進行通訊，當用戶離開 Femtocell範圍，立即自動、無縫切換到

室外基地台。

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0

Femto

IP

ParlayJAIN

Femtocell

圖 5　Femtocell服務參考架構。☉

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二、工作在授權的頻段上

Wifi 工作於未授權的頻段，易產生噪音與延遲。相對地，電信公司透過抗干擾技

術保證服務品質，同時使高價購買的授權頻段可以充分被使用。對於用戶而言，工作

在授權上的頻段可以保證用戶的安全性；用戶在無線數據傳輸上，可獲得嚴格的加密

保護和完整性驗證。

三、提升室內訊號覆蓋率

在現今網路中，建築內部的覆蓋範圍通常被視為現有蜂巢網路的延伸，其傳播模

式與覆蓋方案的設計旨在確保建築內部實現統計意義上的成功無線連接率。然而，傳

統式蜂巢網路技術並不能實現 100%的建築覆蓋率，因為 3G頻譜大多被分配在高頻率

上，建築物遮蔽的效果十分明顯，而且建築內部覆蓋的成本非常高昂。Femtocell可以

減少此類因素，不僅改善手機的訊號功能，其在室內影像聲音等多媒體的傳輸，也可

有較高品質的效果。

四、營運商成本降低

目前，人們對室內覆蓋解決方案的興趣不斷增長。對電信公司而言，Femtocell為

他們省去了過去昂貴的基地台採購、建置及維護費用，改由使用者購買設備並自行裝

設，也由使用者負擔所消耗的電費。過去最棘手的架設地點取得與租用也省下了，改

由使用者提供裝設地點。這種低成本連接解決方案極具經濟效益的配置優勢，減少營

運商保障室內無線訊號覆蓋率的投入資本，也讓營運商原本的網路工作效能得到有效

改善，進而提高利潤。

五、電源消耗減少

Wi-Fi是個很好的無線系統，WiFi AP的功率：10mW∼ 100mW，可有效地取代

乙太實體網路，但該技術是針對可以外接電源或具有大容量電池的設備，以至於電源

消耗將是一大考量。FemtoCell的蜂巢式設計比較靈敏，功率：10mW∼ 100mW。若

是靠近基地台，設備的輸出功率會降低一些以減少電源消耗，提昇手機電池的使用時

間。

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肆、可能的疑慮一、干擾

隨著 Femtocell布建密度增高，面對大型基地台（Macrocell）下鏈傳輸（Downlink）

時，與 Femtocell間相互干擾的問題也日益突顯，運用適當的載波配置策略或功率調

節演算法，可降低下鏈干擾對系統吞吐量（Throughput）造成的減損，改善雙方的執行

效能。目前的解決方法，一是將所有 Femtocell設置於同一載波；此方法最大好處是

可避免Macrocell和 Femtocell間相互干擾，但若同一建築物內布建大量 Femtocell，

Femtocell間仍有可能會互相干擾。二是依頻段功率強度設置載波；在 Femtocell開機

前，先掃瞄周遭基地台參考訊號（Reference Signal）的功率，分析找出對此 Femtocell

干擾最大的頻段，利用量測結果將此頻段從候選的頻譜中移除。如此一來，可提高頻

譜的使用效率。

二、功率安全值

以消費者而言，因為是在自家環境所安裝的設備，最關心的莫過於電磁波強度對

人體會不會造成傷害。訂定 FemtoCell標準的組織在 Femto Forum 2010的報告中提

出了對於人體健康的安全考量：對於 FemtoCell釋出電磁波的強度小於 100毫瓦，大

致與Wi-Fi無線接入點的功率相同，絕對小於安全值，而且這標準是由國際非游離幅

射防護委員會（ICNIRP，www.icnirp.de）、世界衛生組織（WHO，www.who.int/peh-

emf）、GSM協會（www.gsmworld.com/health）、手機製造商論壇（Mobile Manufacturers

Forum，www.mmfai.org）、Femto論壇（Femto Forum，www.femtoforum.org）所制定出

來的，並在全世界的行政組織中所採用。雖然誰也不能 100％完全確定沒有健康問題，

這是相當安全的假設。

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伍、發展現況　　隨著行動寬頻用戶數量繼續成長，電信公司提供的加值服務如線上音樂、線上閱

讀與線上購物等，無一不是倚賴高速的無線通訊技術，電信公司一定要導入新一代有

線網路技術來因應。FemtoCell從 2005年提出，到 2007年漸漸的被重視，但也一直到

2009年才由第三代合作夥伴計畫（3GPP， 3rd Generation Partnership Project）訂出正式的

標準（Release 8）；對於 Femto網路規定了一套壓縮的網路架構，稱作摺疊棧（collapsed

stack）或者基站路由（Base Station Router）。Release 8也首次提出 LTE，並在 Release 9

版本中進行少許改良，自然而然地，FemtoCell也就和 LTE連結在一起。

一、甚麼是 LTE

LTE是長期演進技術（Long Term Evolution）的簡稱，它可以讓電信公司透過較

為經濟的方式提供無線寬頻服務，是 GSM超越 3G與 HSDPA階段邁向 4G的過渡版

本，被俗稱為 3.9G。

LTE技術是基於一種 3GPP標準，會為網路帶來一個性能改善和更好的頻譜效率，

提供的下行速度高達 300 Mbps、上行速度高達 75 Mbps，固定無線和有線標準已達到

100 Mbps或更快。LTE另一項特色是能與 2G和 3G蜂窩基礎設施相容，無論這些電信

公司是否已經部署 UMTS技術，都可進行添增 LTE的營運規劃，無縫切換和完整的連

接。

03　 第三代合作夥伴計畫（3GPP）是一個成立於 1998年 12月的標準化機構。目前其成員包括歐洲的ETSI、日本的 ARIB和 TTC、中國的 CCSA、韓國的 TTA、北美洲的 ATIS和印度的電信標準開發協會 TSDSI。主要是制訂以 GSM核心網為基礎，UTRA（FDD為W-CDMA技術，TDD為 TD-CDMA技術）為無線介面的第三代技術規範。

04　 LTE網路適用於相當多的頻段，而不同地區選擇的頻段互不相同。北美：700、1700、1900與 2100 MHz為主；歐洲：800、1800、2600 MHz為主；亞洲：1800、2600 MHz為主；澳洲：1800 MHz；台灣：700、900、1800 MHz。所以在某國家使用正常的終端，在另一國家的網路中將很可能無法使用，因此需要使用支持多頻段的

終端來進行國際漫遊。雖然 LTE被電信公司誇大宣傳為「4G LTE」，實際上它不是真正的 4G，因為它沒有符合國際電信聯盟無線電通訊部門要求的 4G標準；LTE Advanced才符合國際電信聯盟無線電通訊部門要求的 4G標準。

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二、Femtocell與 LTE

LTE已被視為行動寬頻服務市場上的主流所趨，但是電信公司尚未完全導入

LTE。LTE佈建成本昂貴，設計 LTE無線寬頻傳輸的初期，無法達到如同地毯般的覆

蓋率，只能針對特定專屬區域進行高速資料傳輸的應用而設。即便 LTE建設不足，至

少可以向下提供 3G與 2G的服務、不至於服務中斷。這些主要電信公司會挑選對他們

有利的規範，在 3G、3.5G後問世的 HSPA+，正好符合低成本、高品質的寬頻技術；

符合網路的投資報酬。

由於 3GPP發展路徑中的 HSPA+，本身就是一個極具延展性的技術，因此隨著

3GPP所推出規格版本不斷升級，HSPA+技術不斷加入如多重載波（Multi-carrier）、多

重輸入多重輸出等先進射頻技術，目前 HSPA+的射頻性能已與號稱 3.9G的 LTE難分

軒輊。LTE的無線射頻電波傳輸進入室內時，往往受限於室內格局或磚牆建築，當訊

號涵蓋範圍的傳輸能力不佳時，為了讓傳輸穩定，LTE網路傳輸速度會降到與 HSPA+

無異的等級，這時 LTE傳輸速度的優勢就無法被彰顯出來。

一個 Femtocell基地台設計，透過多樣化天線接收技術（receive diversity），可讓

400支智慧型手機同時傳輸資料而不會導致塞車。室內如果配備 Femtocell，LTE的傳

輸效能便可不受打折，Femtocell這項技術，對手機及上網有很大的變革。從經營成本

來看，藉由 Femtocell高速傳輸資料，每單位容量的成本遠低於 LTE的傳輸成本。此

時要讓 HSPA+與 LTE兄弟不會鬩牆，Femtocell扮演好協調的角色（圖 6）。在技術和

經濟效益上，LTE會需要 Femtocell的輔佐，方能有效發揮 LTE的特性與優勢，並且

快速進入商業化階段。

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S1/X2 to/fromother eHNBs

Uu(LTE)

S1

S1lu-h

X2

Uu(HSPA+)

Uu(LTE)

Femtocell(HNB and eHNB)

Femto(eHNB)Gateway(LTE)

Femto(HNB)Gateway(3G) SGSN GGSNMSC

MME

lu-CS lu-PS Gn

lu-h to/fromother HNBs

Home：DSL connection, ISP networkEnterprise：Ethernet LAN connection & through gateway to internet

圖 6　HSPA+ / LTE Femto雙模式網路。☉

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