電信商/認證組織力挺　LTE穩居4G通訊主流

其關鍵技術特徵在於可支援最高使用頻寬為100MHz，而且對於固定式或行動性的用戶提供高達1Gbit/s的資料傳輸速率(Data Rate)，對於高速的行動用戶則能提供高達100Mbit/s的傳輸速率。其他關鍵特性包括具有高度網路通用性，能夠與世界上其他網路，特別是國際行動通訊(IMT)與固網系統互通，還具有高成本效率，可廣泛支援各項服務、應用，以及用戶端設備易於使用等。

長程演進計畫(LTE)是邁向LTE-Advanced的前期技術，起始於3GPP的第八版本。其空中介面的下行連接使用正交分頻多工(OFDM)，上行連接則使用單載波多重存取(SC-FDMA)。另外，LTE分為LTE-分頻雙工(FDD)與分時雙工長程演進計畫(TD-LTE)兩種系統，前者為上下行使用不同頻段，後者為上下行連接使用同頻段而依靠不同時間來分割上下行。

LTE能使用不同的頻寬收發，不像寬頻分碼多重存取(WCDMA)/高速封包存取(HSPA)只用固定的5MHz頻帶。LTE頻寬的變化可由1.25MHz到20MHz，因此系統營運商可彈性規畫與有效地處理頻段。

LTE進入全IP網路時代

另外，LTE與之前第二代、第三代的全球行動通訊系統不同的是，它是一個全IP(All IP)的網路系統，所有的資料都是封包交換(Packet Switching)。電路交換(Circuit Switching)相當於須要將所需要的通道全程保留直到使用完畢為止，而封包交換則可以讓使用者與其他人輪流地使用通道資源。電路交換有點像重要的政府官員在通行時利用交管讓整個行程通暢，不過過程中會占據整個行車通道，封包交換則像是大眾運輸系統，所有的人都是被包裹運送的，只要有空位就可以多塞旅客。此一All IP的設計也大大地提升無線資源的使用率。

LTE進入3GPP第九版，算是一個比較小的演進，主要強化了Home eNode B、Self-Organizing Networks、Evolved-Multimedia Broadcast Multicast Service的功能，以及加入定位服務(Location Service)。定位服務包含利用衛星定位技術的A-GNSS、OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)及E-CID三大類的技術，此三類技術應用上相輔相成，在戶外衛星收訊良好時使用精度最高的A-GNSS技術，若位於室內或衛星訊號不良之處但可以收到3～4個基地台訊號，可使用OTDOA技術，若只能收到1～2個基地台訊號，則只能使用精度最差的E-CID定位技術。

3GPP第十版開始，才算是真正進入LTE-A的領域。其特性為有更大的頻寬，以及更高階的多重輸入多重輸出(Multiple-Input-Multiple-Output Antenna Systems, MIMO)技術。其中最重要的技術為載波聚合(Carrier Aggression, CA)，其他另外有強化單載波多重存取(Enhanced SC-FDMA)技術、強化細胞間干擾協調(Enhanced ICIC)技術、強化MIMO架構(Enhanced MIMO Schemes)以及轉發機制(Relaying)。其中，轉發機制並沒有在Release 10被定義完成，因此被移到Release 11中再討論。

總結來說，LTE-A最重要技術若以筆者的角度來說有三項：載波聚合、MIMO技術與IP多媒體子系統(IP Multimedia Subsystem, IMS)，前兩者能夠真正達到足夠的傳輸速率，後者能夠充分利用傳輸速率而整合各類通訊服務。

載波聚合提高頻譜配置彈性

圖1 載波聚合技術依照使用單一或多個頻帶以及連續性分為三種型態：同頻帶連續性(Intra-band, contiguous)、同頻帶非連續性(Intra-band, non-contiguous)以及不同頻帶非連續性(Inter-band, non-contiguous)。

要達到高速資料傳輸速率的需求，一個非常直接的想法是利用聚合多個LTE的載波即可達成。為了支持較寬的傳輸頻寬達到100MHz，便將兩個或多個元件載波(Component Carrier, CC)被聚合一起，每個元件載波最多有110個資源方塊(Resource Block, RB)。然而，起初的LTE-Advanced Release 10將被限制最多有兩個元件載波，亦即最初下行/上行頻寬將會是40MHz。

事實上，一開始只有較少頻寬將被使用，因為頻帶聚合這個特色允許網路營運商獲得的分散頻譜配置可以較彈性地使用。個別的網路營運商現存的頻帶配置，常常是由不同頻帶的零碎頻譜組成。因此，提供一個可能性去聚合某一個頻帶的5MHz和另外一個頻帶的10MHz以及達到最高傳輸速率是同等重要的。

載波聚合技術依照使用單一或多個頻帶以及連續性分為三種型態，分別為同頻帶連續性(Intra-band, contiguous)、同頻帶非連續性(Intra-band, non-contiguous)以及不同頻帶非連續性(Inter-band, non-contiguous)三種(圖1)。

如前所述，網路營運商現存的頻帶配置常常是由不同頻帶的零碎頻譜組成，以及網路布建的彈性化，目前以不同頻帶非連續性最被系統營運商所採用。

MIMO有助改善訊號品質

圖2 2×2 MIMO示意圖

MIMO技術為利用多根發射天線與多根接收天線所提供之空間自由度來有效提升無線通訊系統的頻譜效率，以提升傳輸速率並改善通訊品質，目前已成為無線通訊技術發展的一種趨勢。由於MIMO可以在無須增加頻寬或總發送功率耗損(Transmit Power Expenditure)的情況下大幅地增加系統的資料吞吐量(Throughput)及傳送距離，使得此技術於近幾年受到許多矚目。

MIMO通訊技術包含了空間多工(Spatial Multiplexing)、空間多樣(Spatial Diversity)與波束成型(Beamforming)三個領域。其中，空間多工能夠在不增加頻寬的條件下，成倍地提升訊息傳輸速率。在發射端，高速率的資料流被分割為多個較低速率的子資料流，不同的子資料流在不同的發射天線上、在相同頻段上發射出去。如果發射端與接收端的天線陣列之間構成的空域子通道有足夠的差異性，即能夠在時域和頻域之外額外提供空域的維度，使得在不同發射天線上傳送的訊號間能夠相互區別，因此接收機能夠區分出這些並列的子資料流，而毋須付出額外的頻率或時間資源。

圖2是一個2×2 MIMO的示意圖，在空間通道差異性充足時，原始的資料流被分為兩路資料串且同時被發射天線傳送出去，接收天線能夠將兩路的資料流個別辨識接收，因此增加了資料吞吐量。

IMS加速服務創新與品質提升

IMS最初是在3GPP第五版中推出的，其中將網際網路工程任務小組(Internet Engineering Task Force, IETF)定義的「會話發起協議」(Session Initiated Protocol, SIP)做為IMS的主要協議。3GPP致力於確保IMS應用程式將跨不同的網路基礎設施一致地工作。IMS具有以下幾項優點：

LTE商用網路快速激增

截至2014年2月19日，根據全球行動設備供應商協會(Global mobile Suppliers Association, GSA)的統計，已有遍布101個國家、274個系統營運商布建商業化的LTE網路，且預估2014年底前會超過350個系統營運商布建商業化的LTE網路。

LTE認證組織--GCF及PTCRB

GCF(Global Certification Forum)主要是由全球的系統營運商、行動終端製造商、認證實驗室、測試設備製造商、晶片製造商所組成的自願參加開放性論壇。開始成立時為歐洲大廠為主，目前已經推廣全球各地，會員數目已經超過270個來自全球的相關公司。

其認證的通訊領域，從一開始的第二代行動通訊GSM(早期GCF名稱為GSM Certification Forum的縮寫)、整體封包無線電服務(GPRS)、EGPRS，第三代的WCDMA、高速下行封包存取(HSDPA)、高速上行封包存取(HSUPA)、增強版高速封包存取(HSPA+)，到進入第四代的LTE、LTE-A，都是其認證範圍。

因應全球快速成長的行動通訊系統，新的功能不斷的演進，GCF成立的目的即是為了提供使用者確保行動終端設備與行動通訊網路的全球相容性。確保經過GCF認證通過的行動終端設備能夠在全球的行動通訊網路有良好的通訊品質與無接縫的服務。

為了達此目的，GCF主要制定了四大測試項目，分別為符合性測試(包含射頻、通訊協定、SIM卡的符合性測試)、天線Over-The-Air測試、實網試驗(Field Trial)、應用程式相容性測試，來達成行動通訊的相容性需求。

另一個組織PTCRB(PCS Type Certification Review Board)同樣是針對GSM到LTE-A技術的認證組織，不過主要的成員是北美的系統營運商，其他的行動終端製造商、認證實驗室、測試設備製造商只能派代表出席會議而不算正式會員。但由於系統營運商強力要求販售至北美的GSM、WCDMA、LTE通訊產品一定要通過PTCRB的認證，因此對於認證的推行也是相當重要的組織。

由於GCF及PTCRB兩個組織的成功，相對於其他行動通訊技術，可以看出他們讓GSM、WCDMA、LTE這些技術非常成功地在國際推動。在這些系統營運大廠的大力推動下，行動終端設備的相容性大幅提高，同時也讓終端使用者的滿意度提高，測試設備製造商也有極高的意願去做此認證，並藉此縮短上市時間(Time to Market)的時程。此建立了非常良好的生態系統(Ecosystem)，使得GSM、WCDMA、LTE技術在全球市場上欣欣向榮。

LTE成4G市場主流

筆者在2008年LTE剛發展之初曾經被問到LTE與全球微波存取互通介面(WiMAX)兩大陣營會是哪一方勝出，在當時就很肯定地認為LTE將會占據主要的市場，WiMAX只能在原有的網通領域(資料傳輸為主)保有一些空間。

很多人會認為兩個系統都是利用正交分頻多路存取(OFDMA)調變，最大的傳輸速率也差不多，而且WiMAX又起步比較快，應該是很有機會與LTE一較長短。但是這兩套系統只有無線連接底層是一樣，其上層的通訊協定(或許比底層更重要)、服務內容、核心網路都是完全不同的。LTE優勢有哪些，下列做一簡單說明：

堅實的技術組織

LTE的技術主要是由3GPP內四大TSG (Technical Specification Groups)中的RAN (Radio Access Networks)所制定的法規。

每一季的RAN會議都召集約800位來自全球各地的代表，包含來自系統營運商、行動終端製造商、晶片製造商、基地台(BS)設備製造商、測試設備製造商中的代表，這些所謂專家中的專家持續推動法規的進展並使其更成熟。

另外，LTE挾著原有GSM、WCDMA經過20多年來規格的修改、驗證、強化，在語音功能及行動管理的通訊協定非常的成熟。

針對各種新功能(Feature)的推動以及確認各功能的相容性方面，各大網路營運商更是不遺餘力，由全球各大網路營運商成立的GSMA(GSM Association)組織，更是透過他們的影響力來支持3GPP法規發展，並推動GCF、PTCRB認證組織運作。

網路營運商支持及認證組織推動

不論是3GPP的法規組織，或是GCF、PTCRB的認證組織，都是非常開放的組織，每個會員只要有能力都能提出自己的方案並且被接受。

另外，以歐美為主的網路營運商會強力要求所配合的行動終端製造商去通過GCF、PTCRB認證，確保行動終端設備與行動通訊網路相容性(Interoperability)，在認證的過程如果發現法規的缺失或不完備性，這些大廠也會在3GPP、GCF、PTCRB組織中提出修正方案，使得LTE在功能性方面進展得非常快，也發展得非常成熟，整個產業呈現一個非常良好的生態系統。

相對地，WiMAX當初在定義時，雖然有雄心要從資料傳輸為主的網通領域擴展到行動通訊領域，但是並沒有如LTE行動通訊的背景。WiMAX Forum認證組織由少數幾家公司如英特爾(Intel)、AT4所主導，結果造成認證系統的不足，多數的產品製造商並不願意做WiMAX認證(當然沒有大的系統營運商支持也是關鍵)，此造成產品相容性較差的結果。另外，產品不做認證也造成法規進度較慢，無法發現法規的瑕疵並加以改進。

多樣化的服務與收費機制

LTE以IMS為主的各項服務以及服務品質是讓LTE服務更多樣化的關鍵，收費機制是讓各大網路營運商願意支持LTE的關鍵。

對於政府當初推動的M-Taiwan計畫，希望政府有魄力的尋求解套，尤其WiMAX頻譜，應該考慮修改法令使其可以用於TD-LTE頻譜為方向。

(本文作者蔡書孔為耕興行動通訊事業部資深協理，何適宇、楊富舜皆為協理)