實現1Gbit/s高速傳輸 LTE-Advanced大顯身手

2011/9  吳建樺

LTE-Advanced是3GPP發展的LTE演進版本，旨在符合甚或超越國際電信聯盟的IMT-Advanced規範，建立真正的4G通訊標準。為加速LTE-Advanced系統開發，除須熟稔相關標準與技術特性外，亦可透過軟硬體測試工具洞悉設計問題，從而找到最佳解決方法。 1990年代初期，歐洲、亞洲盛行全球行動通訊系統(GSM)，日本流行的個人蜂巢式系統(PDC)，以及美國流行的IS-95，都是被稱為第二代行動通訊，當時的二代行動通訊相對於一代行動通訊最大的特點就是在於數位化的語音傳輸及安全性的增強。  邁入第三代行動通訊(3G)之後，其主要訴求在於更快速數據傳輸。然而數據傳輸須要達到什麼條件才可稱為3G？因此，國際電信聯盟(ITU)定下了3G的標準--IMT-2000，該標準規定移動終端以車速移動時，數據傳輸速率為144kbit/s，室外靜止或步行時，速率為384kbit/s，在室內則為2Mbit/s。當時各國的組織皆提出各自的架構，並交由國際電信聯盟審核認可，才可被稱為3G系統。此外，3G系統還包括寬頻分碼多重存取(WCDMA)、CDMA2000、分時-同步分碼多重存取(TD-SCDMA)，以上這些是目前用戶最多的3G系統類型(圖1)。 圖1 行動通訊系統的演進 3G傳輸速率不足　4G伺機取而代之 目前主流技術WCDMA是由第三代合作夥伴計畫(3GPP)組織所制定，而3GPP為增強數據傳輸的表現，制定各種3G的演化版版本(表1)，例如在其第五版制定高速下鏈封包存取(HSDPA)；第六版制定高速上鏈封包存取(HSUPA)；第七、八版制定增強版高速封包存取(HSPA+)、增強數據速率GSM演進(EDGE Evolution)以及長程演進計畫(LTE)。然而不管是HSPA+、EDGE Evolution以及LTE都只能算是3G的演進版，並不能稱為4G，因為它們並不符合4G的標準。 IMT-Advanced是國際電信聯盟為4G所制定的技術標準。其關鍵技術要求對包括固定式或是低移動性的用戶提供高達1Gbit/s的資料傳輸速率(Data Rate)；對於高速移動的用戶則能提供高達100Mbit/s的傳輸速率；支援最高使用頻寬為100MHz；具有高度的網路互通性，可以跟其他通訊系統合作(Inter Working)的功能；廣泛支援全球漫遊各項服務及應用等部分。 3GPP將先進長程演進計畫(LTE-Advanced)納入其第十版規格，LTE-Advanced是LTE的演進版，藉由增強效能(更多的天線傳輸、更高傳輸速度)，以達到國際電信聯盟對IMT-Advanced 4G無線通訊標準的要求。2008年3月，制定4G標準的國際電信聯盟發出通函開始徵集IMT-Advanced候選技術提案；於2010年6月前提交評估報告，交由聯盟審核。2010年10月，該聯盟宣布3GPP LTE-Advanced以及IEEE的802.16m為符合4G的標準規格。然而在2010年12月22日，ITU也將全球微波存取互通介面(WiMAX)、HSPA+、LTE納為4G標準技術(即使它們沒有符合IMT-Advanced的標準)，故截至目前為止，國際電信聯盟所確認的4G標準技術包括了HSPA+、LTE、LTE-Advanced、WiMAX、WiMAX 2等五種。 導入載波聚合/MIMO技術加持　LTE-Advanced傳輸頻寬大增  4G的其中一項要求就是要達到1Gbit/s的最大傳輸速度，其實現的條件為4×4多重輸入多重輸出(MIMO)配置以及70MHz的訊號頻寬。而LTE的最大傳輸速度為300Mbit/s，其實現條件為4×4 MIMO以及20MHz的頻寬。LTE最大傳輸速度雖然無法達到4G的標準，但應該不難發現，就頻譜的使用效率而言，LTE確實有符合4G的標準(表2)。 IMT-Advanced要求的頻寬上限為100MHz、下限為40MHz，所以要達到4G要求的最大傳輸速度，最直接的方法就是增大傳輸頻寬，只要把傳輸頻寬增大到70MHz以上就可以達到IMT-Advanced最大傳輸速度的標準；或者是把傳輸頻寬增加至4G標準規定的最小頻寬40MHz，再利用其他的方式增加頻譜使用效率(例如更高階MIMO配置)，來達到IMT-Advanced最大傳輸速度標準。但目前已定義的LTE頻段，最大頻寬只有20MHz，所以LTE-Advanced應該要定一個可支援到40～100MHz頻寬的頻段，但要在一個國家裡找到一段連續完整的40MHz以上頻譜的頻段相當困難，因此國際電信聯盟允許透過載波聚合(Carrier Aggregation)的方式，來達到40MHz以上的頻寬。 載波聚合簡單說就是由數個成分載波(Carrier Component)聚合成一個大的載波。IMT-Advanced規定成分載波最多為三個，組合方式有三種(圖2)，分別為同頻段連續載波聚合、同頻段不連續載波聚合，以及不同頻段不連續載波聚合。此外，成分載波間的頻率差距須為300kHz的倍數，差距須為副載波(Subcarrier)頻寬(15kHz)以及信道柵(Channel Raster)100kHz的倍數。如果是不相鄰的頻段的成分載波，則多個收發機是必要的。同時成分載波必須符合3GPP R7、R8的頻段規定，因為LTE-Advanced的手機必須向下相容於LTE系統，也就是說在LTE系統裡，LTE-Advanced的手機只支援一個成分載波。而最多五個成分載波，每個成分載波最多一百一十個無線區塊(Radio Block)。最後，上行及下行的成分載波可以不用相對，上行的成分載波數目不能大於下行的成分載波數目。 圖2 (a)連續元件載波聚合，(b)非連續元件載波聚合。 目前定義的LTE-Advanced手機種類(Category)，都是支持兩個成分截波(表3)。然而聚合載波技術並不是什麼新概念，在3GPP第八版的HSPA+就有提出雙載波的想法；在3GPP2的1xEV-DO其B版本就有三個載波的傳輸模式，但不一樣的是，HSPA+以及1xEV-DO載波聚合都僅限於同一頻段，而LTE-Advanced的載波聚合則是跨頻段；另外LTE-Advanced的載波聚合上下行是不對稱的，同時上行頻段以及下行頻段的頻率差也不固定，這對於手機接收器的敏感度(Receiver Sensitivity)、接收器的阻塞干擾(Receiver Blocking)等都會造成影響，LTE-Advanced的手機在設計上挑戰較大。 頻段之間的載波聚合效益較佳、干擾較小是值得討論的課題；3GPP有討論幾個載波聚合的方案(表4)，其中Band 3以及Band 7是非常適合歐洲的，因為目前歐洲的LTE是Band 7，而Band 3就是目前GSM 1,800的頻段，未來是很有可能開放LTE-Advanced使用。

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備受各國重視 700MHz促進無線通訊/廣電整合

2009/6  丁吉隆/連韋荏

上一期討論到700MHz由於具備覆蓋面積大、少死角等優勢，使該頻段廣受全球電信營運商與無線通訊技術聯盟的矚目。目前針對700MHz技術議題進行討論的國際組織以全球微波存取互通介面論壇(WiMAX Forum)最具代表，本期將針對WiMAX論壇在700MHz的頻譜特性及網路布建所討論的技術議題進行介紹。以下將根據無線通訊的各種特性進一步探討使用700MHz具有哪些優勢，同時也將分析700MHz可能會帶來的問題。 訊號衰減最為常見   隨著網路的快速發展，各式寬頻資料的服務要求日漸增多，愈來愈多元的網路內容需要更大的頻寬進行傳輸。由於生活型態的改變，大多數人日漸習慣無所不在的寬頻存取，而不只限於家中或辦公室使用，行動寬頻正逐漸實現。為了能達成行動寬頻的服務，電信服務業者近年來不斷積極地布建系統，如3G與無線區域網路(WiFi)等。   然而，行動寬頻的無線訊號在傳輸過程中，最常遇到的問題就是訊號的衰減(Loss)，特別是當通訊系統運作於高頻時，衰減情形更加嚴重。衰減發生的原因是當訊號於空中介面進行傳輸時，訊號受到多徑傳輸、大氣衰減與遮擋或散射等效應的影響，使得訊號波形發生改變。因此，利用700MHz頻譜進行布建，將有助於降低訊號衰減所產生的相關問題。   700MHz訊號穿透力較強且較不易產生大區域的衰落現象，因此可以傳輸得更遠。從圖1中顯示出700MHz與2.5GHz的資料子載波(Data Subcarrier)運作於同樣距離時，700MHz的資料子載波訊號與干擾訊號比(Carrier to Interference-plus-Noise Ratio, CINR)強度都比2.5GHz來得高，也就是說，隨著距離的增加，700MHz衰減幅度較2.5GHz小、抗衰落能力也較2.5GHz佳。 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 圖1　下行資料子載波CINR強度和距離關係 從圖2的CINR累積機率分布圖來看，可以看出在2.5GHz的下行資料子載波CINR約有72%強度大於0dB，而700MHz的下行資料子載波CINR約有90%強度大於0dB。此結果表示，當每個連線最低CINR強度至少需要0dB時，有90%的使用者可被700MHz基地台覆蓋，同樣條件下高頻系統只有72%的使用者可被基地台覆蓋，因此700MHz的基地台可以有更寬廣的覆蓋範圍。 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 圖2　下行資料子載波CINR值累積分布函數 700MHz干擾強度高 由於路徑衰減較2.5GHz小，所以700MHz頻譜的訊號也使干擾訊號(Inteference)相對較2.5GHz衰減少，如圖3所示，當700MHz與2.5GHz頻譜的干擾於同樣距離時，700MHz頻譜的干擾強度都比2.5GHz頻譜高，尤其是當距離3公里(已超過基地台半徑2公里)時，干擾訊號仍有6dB的強度，此時干擾訊號將有可能會干擾到鄰近基地台的使用者。由此特性來看，假設電信業者考慮布建通訊網路於一個範圍有限或干擾有限的環境時，此時採用2.5GHz頻譜布建會比使用700MHz頻譜更好。 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 圖3　下行干擾餘量 高速移動服務具優勢 使用者進行移動時，有可能產生都卜勒效應(Doppler Effect)，當接收端處於持續移動狀態時，會不停經過訊號高強度區域或低強度區域，因此可能導致相對頻率偏移，會產生常見的兩個現象，其一為若接收端面向傳送端方向運動，頻率會升高；其二為遠離傳送端方向，頻率會降低。圖4結果顯示當使用者於高速移動時，700MHz頻譜的訊號對干擾/雜訊比(Signal to Interference and Noise Ratio, SINR)強度平均皆比2.5GHz頻譜較好約11dB。 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 圖4　都卜勒效應影響下，700MHz頻率表現較佳。 由此可知，當一個使用者以每小時250公里的速度於可加性白高斯雜訊(Additive White Gaussian Noise, AWGN)通道中移動時，2.5GHz頻譜的使用者其SINR強度無法達到64QAM 3/4調變與10-6的位元錯誤率(Bit to Error Rate, BER)所需的條件，所以700MHz頻譜對高速移動服務較具優勢。 700MHz容量可提升系統容量 電信業者布建系統時，除考量基地台覆蓋範圍外，也須將系統所能提供的容量進行考量。圖5為700MHz系統與2.5GHz系統使用者的調變分布，圖中實線範圍內代表該區域的使用者調變較佳，因此網路吞吐量較高；反之，實線範圍外表示該區域使用者調變較差，所以網路吞吐量較低。從圖中可以觀察出，700MHz系統的實線範圍比2.5GHz大，顯示使用700MHz頻譜布建不僅系統的覆蓋範圍較大，同時也可以提升系統容量。 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 圖5　使用者調變分布 上述環境使用者之下行調變與編碼方式(Modulation and Coding Scheme, MCS) 的統計結果如圖6所示，調變最佳與最差分別為64QAM 3/4(實線範圍內)與QPSK 1/2(實線範圍外)，圖中顯示700MHz系統的調變編碼普遍較2.5GHz系統好，因此當系統使用700MHz頻譜時，能有較高的頻譜效率(Spectrum Efficiency)。從圖中的比較結果可了解，使用700MHz頻譜不僅可以增加系統容量與基地台覆蓋範圍，同時也能提升頻譜效率。 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 圖6　調變分布比例 成本依不同選擇而有不同考量 成本可分為纜線成本與傳播成本。基地台天線所需的功率放大器(Power Amplifier)分成地面(Base-mounted)功率放大器與塔頂(Tower-mounted)功率放大器兩類，不論使用哪一種，功率放大器的傳送功率最基本為須能克服同軸纜線的衰減。 一般而言，為考量維護的便利性，電信服務業者會選擇地面功率放大器，然而，選擇地面功率放大器時，還須考量纜線的額外成本。當基地台天線與地面高約32公尺時，最少須使用長度為32公尺的纜線，以地面功率放大器為例，假設布建時以低成本的纜線傳送高頻訊號，纜線會造成大約6dB的訊號衰減，若改以高成本的纜線會也會造成2dB的衰減。假設以相同長度的纜線傳送700MHz的訊號，低成本的纜線只會造成3dB的衰減，高成本的纜線更只會造成1dB的衰減。 因此為達到與高頻系統相同的傳輸功率，700MHz系統的可使用地面功率放大器搭配低成本纜線即可，而2.5GHz高頻系統卻必須選擇塔頂功率放大器或地面功率放大器搭配高成本纜線，以降低成本，所以採用700MHz頻譜將有助於電信業者減少布建的成本。 在傳播成本的部分，目前大部分的固定式寬頻無線通訊系統均使用直視路線(Line of Sight, LOS)訊號傳播，訊號須不受阻擋直接傳送至接收端，訊號傳送的淨空範圍須符合0.6倍的第一菲涅耳區域(1st Fresnel Zone)。實際應用上，儘管在第一菲涅耳區域仍可容納30～40%的遮蔽物，但於700MHz頻譜的第一菲涅耳區域較大，所以需要高度更高的基地台，才能達成與2.5GHz頻譜相同的訊號傳送淨空範圍。 WMAN於700MHz　不同布建情況將有不同結果 以下將根據各種不同布建的情境進一步探討無線都會網路(WMAN)在不同頻帶的各種現象。 ‧ 布建考量 傳統高頻系統排除波束成形(Beamforming) 增益狀況下，主要以下行鏈路預算(Link Budget)為布建的考量因素，這是因為高頻訊號的穿透力差，且路徑衰減也非常的快，因此基地台布建時必須考量下行同步訊號能否被使用者接收。700MHz系統由於穿透力與路徑衰減都較高頻系統佳，所以基地台的布建不須考量下行鏈路預算，然而，由於使用者傳輸功率較基地台低，訊號無法傳輸太長的距離，所以700MHz系統布建的主要以上行鏈路預算為布建的考量因素。一般電信業者布建基地台時，大多會採用波束形成增益方式，使用波束形成增益系統無法顯著增加系統的覆蓋範圍，但可以提升下行通道容量(Channel Capacity)使鏈路餘量(Link Margin)增加，並可改善控制干擾的能力。 以下將以一個實際的例子了解布建時所因考量的各個因素。假設有一個總人口約為一百七十五萬人的中型都市，該市人口分布於面積1,500平方公里的範圍，都市各區域根據人口密度的不同分成都會密集區(Dense Urban)、都會區(Urban)、郊區(Suburban)與鄉村(Rural)四個區域。從各區域的性質，如商業區、住宅區或人口成長率等，可以得知布建的市場與網路的需求頻寬(表1)。對於無線寬頻網路的布建而言，網路能否符合工作尖峰時刻(Peak Busy Hour, PBH)是一項非常重要的根據，PBH是一個考量網路處於最高負載時，依據各區域人口密度、市場類型與網路需求品質等因素的綜合性指標。此外，人口密度的不同可能會使得建築物的個數、高度不同，而地形或地勢的差異也會造成不同的訊號傳播特性。 表1　各區域頻寬需求估計 特性\區域 都會密集區 都會區 郊區 鄉村 範圍 100km2 200km2 500km2 700km2 人口 800,000 500,000 400,000 50,000 目標市場 70% 70% 75% 75% 人口成長率 1%/yr 1%/yr 2%/yr 2.5%/yr 10年內的網路用戶數 7,6000 4,8000 3,9000 5,000 尖峰時刻活動估計 1 out of 5 1 out of 6 1 out of 7 1 out of 7 下載工作週期 25% 尖峰時刻理想的數據傳輸速率 隨意的用戶每秒每用戶為30k位元組，專業/高端的用戶為每秒75k位元組。 10年內單位面積可提供的頻寬 ～20Mbit/s/km2 ～5.5Mbit/s/km2 ～1.5Mbit/s/km2 ～0.1Mbit/s/km2 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 以傳輸距離來看，如圖7所示，於同樣區域下，700MHz頻譜的訊號傳輸距離皆比2.5GHz遠。 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 圖7　各區域傳輸範圍 以單位面積所能提供的頻寬(Mbits/km2)來看，如圖8所示，700MHz系統提供的頻寬於各區域皆無法符合需求。由此現象可得知人口愈密集的區域其需求是系統容量而非傳輸距離，所以700MHz並不適合高密度人口地區，會發生此情況是由於網路系統的總頻寬不變，但700MHz相較於高頻系統能覆蓋更多的範圍，所以使得每一個單位面積所得的頻寬下降，因此造成頻寬無法符合區域要求。以鄉村地區為例，該區需要0.1Mbit/s/km2的頻寬，而使用700MHz系統僅能提供0.01Mbit/s/km2的頻寬。 圖8　各區域頻寬需求比較 ‧ 布建成本 不同的頻譜規畫也會產生不同的布建結果。以下將探討以5MHz或10MHz頻寬基地台布建於美國聯邦通訊委員會(FCC)所規畫700MHz的頻譜執照(Case)A(12MHz)、執照B(12MHz)、執照C(10MHz或22MHz)、執照D(10MHz)與E(6MHz)下所產生的結果。 如表2所示，案例1、2與3分別對應到700MHz頻譜中採用6MHz、10MHz與22MHz的執照；案例4的2.5GHz系統使用與案例3大小相同的頻寬；而案例5使用30MHz頻寬。針對上述的每一個案例，系統皆採用分時雙工(TDD)的多工方式運作，並以重用率(Reuse Factor)為1的方式進行布建，此外，基地台的通道頻寬與其通道個數，皆以頻譜效率最高的方式進行分配。根據這些條件，從表2可以得到各種不同案例布建時所需的基地台數，以案例3與案例4的例子來看，700MHz頻譜相對於2.5GHz頻譜可以使用較少的基地台完成布建，因此700MHz頻譜有較好的基地台使用效益。然而，以案例1、案例2與案例5來看，當2.5GHz頻譜使用30MHz頻寬進行布建時，其使用的基地台使用個數仍可小於700MHz使用6MHz或10MHz頻寬時。 表2　各執照布建所需基地台 需求\案例 案例1 案例2 案例3 案例4 案例5 頻寬 700MHz 2.5GHz 基地台 3-Sector, 1 Tx Antennas(1×2 SIMO) 現有頻譜 6MHz 10或12 MHz 22MHz 20MHz 30MHz 頻道頻寬 5MHz 10MHz 30MHz 全雙工 TDD 下鏈與上鏈比 3:1 重用率 (c, 1, 3) 1×2 SIMO所需總基地台數 1,191 596 299 404 350 2.5GHz頻寬採用波束形成所需的總基地台數 n/a n/a n/a 314 285 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 2.5GHz系統可以採用波束成形增益方式達到更有效率的布建。一般而言，採用波束成形進行布建可以增加下行通道40～50%的容量，因此可以減少布建時2.5GHz基地台的數量需求。 以基地台的成本來看，系統的頻寬愈大，可用愈少的基地台達成布建。然而，考慮成本的同時，還必須納入不同頻譜的成本，因為愈大的頻寬需要更大的頻譜，而每一段頻譜都必須經由競標才能使用。以不同區域布建所需基地台來看，如圖9所示，700MHz頻譜對於人口較少的區域有優勢，即使於有限的頻譜之下，仍然可以使用較少基地台完成布建，儘管700MHz的系統容量較少，但涵蓋區域大的優勢仍可減少布建的成本。 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 圖9　各區域布建所需基地台 根據上述，可以清楚了解700MHz頻譜較適合布建於人口較少的區域，尤其是郊區與鄉村，以基地台的通道使用率來看，同樣是700MHz的系統，布建在人口少的區域之通道使用率，會高於布建在人口多的區域，表3為郊區與鄉村地區的比較，從表中可了解700MHz系統布建於人口稀少地區的優勢。 表3　郊區與鄉村布建所需基地台 需求\案例 案例1 案例2 案例3 案例4 案例5 頻寬 700MHz 2.5GHz 現有頻譜 6MHz 10或12 MHz 20MHz 20MHz 30MHz 頻道頻寬 5MHz 10MHz 10MHz 基地台提供下載的區域大小DD=1.5Mbits/km2 240 120 60 122 122 基地台提供下載的區域大小DD=0.1Mbits/km2 26 13 7 50 50 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 在郊區與鄉村等廣闊的平坦地形，經常使用LOS方式增加每個使用者的傳輸距離。700MHz頻譜由於受第一菲涅耳區域的影響，所以難以達成LOS的傳輸方式，以下將詳述700MHz採用LOS傳輸的問題。 圖10為傳輸路徑10公里、基地台高度32公尺與用戶端高8公尺的系統，其中高度8公尺的用戶端採用塔頂固定式天線。為了能成功進行LOS傳輸，700MHz系統即使在路徑端無任何障礙物，其基地台與使用者天線的高度還是必須增加，以避開第一菲涅耳區域中訊號被障礙物遮蔽或被表面反射。當第一菲涅耳區域內有障礙物遮蔽時，接收端收到的訊號衰減會非常嚴重，這是由於訊號被衍射或被反射而使得接收端收到的訊號相位不正確，因此700MHz頻譜並不適用於LOS傳輸。 資料來源：WiMAX論壇(06/2008) 圖10　第一菲涅耳區域範圍訊號衰減情況。 雖然700MHz頻譜無法使用LOS進行傳輸，但700MHz系統若使用符合地形特性的天線塔台進行非直視路線(Non-LOS)與近似直視路線(Near-LOS)方式傳輸，仍可達到室內傳輸10公里或室外傳輸30公里的距離。利用Non-LOS與Near-LOS方式傳輸，可提供的頻寬可能較低，但仍可滿足零散人口地區的最基本的網路服務。 由於2GHz以上的微波通訊礙於物理特性的影響，導致穿透力不足，造成覆蓋範圍小、行動性受限等問題，而在面對頻譜資源有限的情況下，如何妥善規畫頻譜的使用，已廣為各國所重視，也因此特別針對使用率較低的超高頻(UHF)電視頻段700MHz，進行全面檢討並著手規畫，如美國FCC已於2008年釋出700MHZ頻段進行拍賣，中國大陸亦已於部分城市進行700MHz的網路布建。 而因電視數位化後所釋出的部分700MHz頻段，具較佳電波傳輸特性，傳輸距離長、穿透性能佳，可減少基地台布建、降低營運成本，具發展無線網路技術之優勢，預期將會引起無線通訊網路及廣電整合的新革命。 (本文作者丁吉隆為資策會網路多媒體研究所無線通訊技術中心經理、連韋荏任職於資策會網路多媒體研究所無線通訊技術中心) 文章出處:http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=0906300006

台灣4G LTE小常識: 頻段篇(700/900/1800Mhz)

中華電信、台灣大及遠傳日前取得國家通訊傳播委員會（NCC）4G行動寬頻特許執照, 台灣之星最快下周就可取得執照. 亞太電信因傳出將被國碁或其他財團(日本軟銀或台灣之星入主), 須等本月底定後, 才能確定亞太與國碁是否於年底加入戰局. 根據各業者開台規劃, 台灣的4G高速上網服務最慢將於七月開跑. 為了讓大家能夠了解4G行動寬頻服務的內涵, 版主將陸續將相關資訊整理成台灣4G LTE小常識,供大家參考. 

雖然台灣4G招標最後由六家業者標得135Mhz無線頻寬, 不過有不少頻段要等到106年6月以後才會釋出, 今年七月份的4G開台, 除中華是以1800Mhz(Band3)及台灣之星是以900Mhz(Band8)開台外, 其餘業者都是以700MHz(Band 28) 開台.  4G開台後, 各電信業者在收訊上會有那些優缺點呢? 這個議題要先由認識不同頻段1800Mhz(Band3)、900Mhz(Band8)、700MHz(Band 28)的無線電波特性談起. 以下針對各電信業者採用的頻段的優缺點與影響做解析:

  

 

1. 無線電波的特性影響基地台的架設數量與室內的涵蓋狀況:

900Mhz 與700MHz都是屬於低頻訊號(<1 GHZ),無線波長長無方向性 功率傳送增益大, 繞射能力強, 所以基地台的架設數量可以降低且室內的收訊會比較好, 最大的缺點是基地站的承載量較小; 1800MHz則屬於高頻訊號(>1 GHZ),無線波長短有方向性 電波穿透力強但衰減大, 繞射能力差, 室內的死角會比較多, 最大的優點是基地台的承載量較大, 可以容納較多的使用者. 

 

目前台灣的3G大都使用2100Ghz的頻段, 收訊最大的問題是室內死角多. 4G開台後, 除了中華電信以外, 其他採用低頻頻段的業者將可大幅改善室內死角的問題. 

 

由於無線電波特性的不同, 在相同覆蓋率下, 使用不同頻段的業者必須架設的基地台數量是不一樣的. 民營電信業者目前都是使用低頻率頻段, 必須架設基地台較少, 如果業者快馬加鞭, 搶在六月開台並非難事. 不過為了美化Q2財報不必攤提4G資本支出, 7月1日統一開台的機會最大.

使用700 mHZ與900Mhz頻段的業者因無線電波特性的優勢, 在訊號涵蓋範圍與收訊死角獲得較好的表現. 但較少的基地站就像上高速公路的交流道較少, 代表更大範圍的用戶會同時使用一個基地台(交流道)大增, 加上低頻訊號本身基地台承載量較小的特性 ,當4G用戶大量增加時, 就容易發生車流塞在有限的交流道閘道的狀況一樣造成上網大塞車的問題.   

為何不同頻段的基地台有最少與最適數量兩個數字呢? 由於民眾抗爭架設基地站難覓, 沒辦法將基地站都蓋在最適點. 以使用700 mHZ的電信業者為例, 雖然基地台的架設只要2800座以上就可以讓全台有80%以上的涵覆蓋率, 但因無法都在最適點架設基地台加上部分地區因為地形地貌的限制或是用戶較多,所以4000座才會是最合適的基地台數量. 再者, 為補足低頻訊號基地台承載量較小的問題, 不少民營業者都規劃6000個基地站, 來補強低頻基地台用戶容量不足的問題. 

  

基地台站少, 還有一個罩門就是在收訊邊緣的用戶, 會因基地台擁擠或塞車, 而收不到訊號.行動通訊本身是一個蜂巢式的運作架構, 基地台本身與基地台本身會以蜂巢式方式連結. 當單一基地台用戶過多時,  該基地台會縮小涵蓋範圍以維持一定的運作品質, 此時在各基地台交接範圍的地區就類似高速公路的交流道閘道被管制關掉一樣,容易發生收不到訊號的狀況. 以目前3G為例,有些地區在上網巔峰時間(如晚上)就容易收不到訊號, 但離峰時間又收訊良好. 這不是基地台會像幽靈一樣到處飄移, 而是蜂巢式行動通訊系統的特性. 由於4G寬頻上網佔用頻道狀況遠高於語音通話,遠離基地台的用戶就必須忍受訊號強度飄移不定的困擾.   

 

 2. 不同頻段可以適用的手機不一樣:

目前全球的LTE頻段並不一致, 以全球已知的LTE 頻段而言，LTE/LTE FDD即有29個頻段，TD-LTE則有12個頻段, 扣除頻段重疊, 若要支援全頻必須有30個頻段.  台灣的700mHz頻段(Band 28)是全球首先開放的頻段, 美國雖也有類似頻段(Band14, 17),  但兩者並不一樣, 無法通用. 

目前可以支援700mhz的手機只有7款, 七月開台時大概會有20幾台, 不過還是有單價較貴且可選擇較少的問題. 尤其九月份亮相的iPhone6初期並不會支援, 比較麻煩. 

     

  

3. 多頻段有何好處?

頻段高低與無線電波的特性有關,會影響基地台的覆蓋率與用戶容量.低頻頻段有利增加涵蓋率, 高頻頻段有利增加用戶容量 ; 頻寬則會影響資料傳輸量, 就像高速公路的車道寬度一樣, 頻道越寬車道寬度就會越大, 可以容納的車越多, 可以跑的速度越快; 基地台多寡,就像高速公路的交流道. 基地台越多, 就可以同時讓更多的用戶登上高速公路. 在固定且有限的高速公路道路上, 若同一時間同一交流道想進入的車太多,就容易塞車, 甚至被擠下高速公路. 

目前電信三雄與國碁都標下兩個不同頻段,  針對年底即將開標的2600Mhz頻段也是磨刀霍霍!為何電信業者要汲汲營營花重金標下不同頻段呢?

由於高速上網非常耗用頻寬, 但是無線寬頻有限無法像有線寬頻透過多拉幾條光纖就可以擴大頻寬, 若要克服頻寬不足的問題, 首先就必須取得更多的無線頻段. 再者, 就是利用LTE載波聚合技術整合不同頻段的資源來增加網路傳輸速率及資料量的低成本高效益解決方案. LTE載波聚合技術主要透過四種方式, 一是在不同的頻率上透過整合最佳傳輸頻寬及吞吐量效能的方式達到傳輸資料量最大化；二是透過選擇對使用者較有傳輸效率的不同頻段及基地台來增進系統傳輸效能；三是藉由頻率和系統的負載平衡提供更好及穩定的品質，當某個頻率傳輸量壅塞時，系統可將使用者無縫轉向未使用的其他頻率或系統上進行傳輸；四是使用更佳的頻率及頻寬分配方式來降低干擾。

電信業者若擁有不同頻段, 利用LTE載波聚合技術,一則可以增加總無線頻寬, 容納更多用戶, 更可充分利用高頻與低頻兩種頻段的無線電波特性將4G LTE的效率發揮到最高, 這就是各電信業者布局高低階頻段的主因. 不過,台灣4G開台初期, 各業者都只有一個頻段可以使用, LTE載波聚合技術暫無用武之地.

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