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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