導入LTE-A載波聚合技術　行動聯網頻寬與速率躍升

由於影音等大量資料傳輸皆有著短時間內傳輸大量資料量的特性，故共享通道(Shared Channel)的技術概念相當適合用來滿足使用者短時間需要大量資料量的需求。例如現行的高速封包存取(HSPA)、長程演進計畫(LTE)及先進長程演進計畫(LTE-Advanced, LTE-A)等技術皆使用共享通道的技術。

由於高畫質影音等需要更大資料量的新應用崛起，電信業者須在現有的技術中提供更多的頻寬來提升資料傳輸量，因此載波聚合(Carrier Aggregation)技術成為目前最佳的解決方案。

載波聚合技術可讓電信業者整合其擁有兩個或兩個以上的相同或不同頻段，來對同一個使用者提供服務，當短時間有大量數據資料需求時，電信業者可動態分配更大的頻寬來滿足應用程式的需求；在3GPP Release-8中定義此功能為雙載波高速下行資料存取(Dual-Cell HSDPA)，而在先進長程演進計畫載波聚合技術則在3GPP Release-10中被定義。

整合不同頻段　LTE載波聚合技術受矚目

載波聚合技術希望透過四種方式來提供更佳且穩定的使用者環境。首先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；其次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；第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；最後則是使用更佳的頻率及頻寬分配方式來降低干擾。

換句話說，載波聚合技術提供電信業者一個只須透過軟體更新，即可使用現有的數個不同頻率來增加網路傳輸速率及資料量的低成本高效益解決方案。

在3GPP Release-10的標準中，定義了LTE射頻介面可採用至多五個載波，可分別使用不同的頻寬及頻率，載波聚合技術可應用在分頻及分時多工上。上行及下行的載波聚合技術可以獨立設置，其中唯一的限制就是在於上行載波的數量不能超過下行的載波數量，個別的載波稱之為組成載波(Component Carrier, CC)，其頻寬可為1.4、3、5、10、15或20MHz，當在使用最多五個組成載波時，其最大頻寬可達到100MHz。在3GPP文件中定義三種不同的載波使用方法來滿足電信業者的頻譜及布建特性，其分別為同頻連續(Intra-Band Continuous)、同頻非連續(Intra-Band Non-Continuous)以及跨頻非連續(Inter-Band Non-Continuous)這三種模式(圖1)。

圖1　3GPP文件中所定義的三種不同載波使用方法

圖2　E-UTRA頻段上載波聚合的頻率及表示方法

在3GPP Release-10中，聚合的頻段有特定的組合規定，其組成的分類分法最主要是基於電信業者在其擁有頻段上的特定需求；圖2所示為載波聚合的頻率及表示方法。如表1所示，在3GPP TS36.101 Release-10裡對於同頻連續載波聚合只定義了Band 1以及Band 40這兩個頻段，在Release-11則多定義了Band 38、Band 7以及Band 41這三個頻段。

在跨頻非連續載波聚合的部分，在Release-10只能夠使用Band 1以及Band 5，但由於全球電信業者的需求日增，故在Release-11裡面又針對許多不同的電信業者制定適合在其擁有的不同頻段上運行的載波聚合組合(表2)。

由於LTE系統可提供1.4M～20MHz頻寬，故3GPP亦定義特定的術語及符號來對載波聚合中無線接取介面的設定做明確的表達，在使用者裝置上定義裝置頻寬等級(UE Bandwidth Class)，表示不同裝置特性，表3說明各種頻寬等級及對應可使用的最大的組成載波及頻寬大小。頻寬等級D到F目前可使用的最大組成載波及頻寬尚在制定中。

深入了解裝置反饋資訊　LTE載波聚合輕鬆掌握

在隨機接取程序中，裝置會回報其支援的LTE-Advanced載波聚合的能力，此資訊包含上行以及下行的速率，而基地台即可藉由此資訊，進一步了解裝置可以支援的載波聚合設定。

載波聚合設定包含載波聚合頻段和裝置頻寬等級，其決定裝置可以使用的頻段，以及在此頻段可使用的通道頻寬。

當設定參數為CA_5A-5A則代表裝置可接受或傳輸兩個分開的Band 5載波，而裝置頻寬等級A則表示裝置可在分別的頻段上使用20MHz的頻寬。裝置回報以聚合設定可採用回報組合子集的方式來告知基地台，而基地台就可按照回報的子集來進行RB(Resource Block)數量的設置。

舉例來說，若裝置回報CA_1C，參考表4可發現1C指的是裝置支援Band 1，最多支援兩個載波，而這兩個載波可以使用的RB數量最大值為200，故在子集裡面可使用兩個75RB或100RB的載波。在同頻組合子集裡面，頻寬的組合子集則是由不同的連續RB搭配不同的組成載波所定義，而此一組合則包含了50RB(10MHz)、75RB(15MHz)以及100RB(20MHz)等載波頻率。

跨頻組合子集和同頻類似的點就是其頻寬組合子集亦是由各種的載波聚合設定組成，但是與同頻不同的地方是跨頻使用頻寬來取代RB的數量；在跨頻載波聚合的部分，10MHz的頻寬是所有組合都可以支援的，5MHz、15MHz以及20MHz則在一些特定的頻率使用，而1.4MHz以及3MHz則只有在Release-11裡面只有CA_4A-12A可使用。

強化載波聚合效能　信令測試至關重要

3GPP Release-10裡定義Primary Cell(PCell)以及Secondary Cell(SCell)來分辨數個不同的載波；PCell是裝置最主要連線的Cell，所有的信令即是透過此Cell與系統進行溝通，所以在PCell除須一條進行下行資料控制的PDCCH(Physical Downlink Control Channel)通道外，尚須維持PUCCH(Physical Uplink Control Channel)來接受裝置上傳的相關信令，而在SCell部分，其只要維持一條進行下行資料控制的PDCCH即可。

在信令部分，載波聚合技術只有影響一小部分的通訊協定子層，如圖3所示，在RRC子層，須支援增加、移除及重新設定Secondary組成載波的功能，PDCP以及RLC子層則不受影響，在MAC子層則須支援多個不同組成載波的排程(Scheduling)，而在PHY子層則要能處理不同組成載波傳來的PDCCH以及支援新的傳輸模式9(TM9)。

圖3　信令測試中RRC子層的組成載波示意圖

在裝置的類別等級(UE Categories)部分，Release-10增加了新的類別6、7以及8，此三個類別代表裝置支援載波聚合技術，不過在Release-8裡面類別二到五亦也是有能力支援載波聚合技術。

在載波聚合射頻開發的部分，對於裝置同頻以及跨頻載波聚合訊號接收以及發送，有不同的參考設計。在不同的設計架構中，基於寬頻以及窄頻對於載波聚合技術會有不同的收發器選擇：使用寬頻的收發器及高效能的類比數位及數位類比轉換器(ADC/DAC)可適用大部分的頻率狀況以及處理大於20MHz的頻寬，但對於不同頻率間相互干擾等問題會成為設計的一大挑戰。在對應不同的頻率使用窄頻的收發器可以避開頻率干擾問題，但設計的複雜度及成本的增加又成了另一個問題。

為因應此一問題，通訊系統測試人員可採用MG3710A向量訊號產生器，藉此產生LTE-A上行以及下行的訊號，並支援最多五個組成載波，160MHz的頻寬，進行同頻或跨頻的多組射頻測試。在載波聚合射頻訊號分析部分，MS269x/MS2830A向量訊號分析儀則可對載波聚合訊號進行EVM、Frequency Error、Band Power/CC Power及OSTP等量測。

此外，在載波聚合技術信令開發以及測試方面，由於裝置在支援載波聚合須能向下相容到Release-8以及Release-9的基地台，因此大多數Release-10的功能和以往相同，不過對於載波聚合的部分，須能支援透過Radio Resource Control(RRC)Reconfiguration增加及移除SCells、同時在不同載波上處理PDCCH控制訊令、支援在PUCCH訊令上處理多個載波的上行控制信令、處理在同時不同載波中PDSCH上的資料，以及在PUSCH上同時對多個載波進行資源要求等功能。

測試人員可整理出一些將會進行的測試項目，如表5與表6所示。在基本功能部分，有裝置載波聚合能力回報、SCell增加、更動與釋放、SCell啟用與停用、量測報告(Measurement Report)以及事件(Event)處理。在行動功能方面則有在PCell不更動的情況下進行SCell換手(Handover)與在PCell換手時一併進行SCell設定。在錯誤處理方面的載波聚合設定，則有耗電流測試、裝置傳輸效能測試與一致性測試(Conformance Testing)。

隨著行動數據使用量的持續成長，使用者對於網路的傳輸速率以及短時間內傳輸大量資料量的需求也與日俱增，但由於現有的頻譜飽和以及已存在的限制造成單一載波已無法滿足使用者的需求，這也使得載波聚技術所提供對現有頻譜的整合與再利用的特性成為電信業者一項重要的布建焦點。因此，儀器業者對於在裝置上載波聚合技術從產品開發到測試將提供完整且領先的測試解決方案，希冀能從測試的角度推升載波聚合技術的普及，讓設備商推出更便捷的產品。

(本文作者為安立知業務暨產品技術支援部門產品技術副理)