拓展網路覆蓋率/容量　LTE-A邁向未授權頻譜發展

拜智慧型手機大舉攻占市場之賜，加上行動數據日益盛行，全球各地3G/4G電信營運商已準備迎接行動數據大幅成長的榮景。面對行動數據熱潮所帶來的挑戰，一連串突破性的創新技術逐漸崛起，其中最新的做法是將先進長程演進計畫(LTE-Advanced, LTE-A)拓展至未授權頻譜(Unlicensed Spectrum)。

拓展LTE-A到未授權頻譜是個簡單的概念，且伴隨許多優點；做法是利用電信營運商目前正規畫部署的大量小型基地台，並聚合未授權頻譜與授權頻譜供LTE-A使用，而既有的核心網路(Core Network)仍可繼續使用。就本質來說，整個系統運作有如整合式長程演進計畫(LTE)網路，能同時有效利用授權與未授權頻譜。

相較於網路服務商所部署的無線區域網路(Wi-Fi)，又稱電信級Wi-Fi(Carrier Wi-Fi)，利用未授權頻帶的LTE-A，能夠提供更高的覆蓋率與網路容量，同時還能透過單一核心網路，讓數據在授權與未授權頻譜之間無縫傳輸。以上所述，意味著服務商能更有效率地使用未授權頻譜，藉此擴大網路容量；同時授權與未授權頻帶之間，也能緊密交互作用。

從使用者的角度來看，這種做法則代表寬頻使用者體驗的提升：數據傳輸速度更快，還可無縫使用授權與未授權頻帶，而且可靠性更高、行動化也更為提升。透過精心設計，將LTE-A拓展到未授權頻帶，並與Wi-Fi和諧並存，除可避免並降低干擾外，也能在與Wi-Fi使用相同頻道時按比例公平分享資源。

讓LTE-A利用未授權頻譜，最主要的使用案例就是讓LTE營運商擴大網路容量，主要鎖定具有大量頻寬、可用頻譜最高可達500MHz的5GHz頻譜。在美國、南韓與中國大陸，只須利用既有標準(3GPP Rel. 10)支援載波聚合，就能快速完成商用部署；其他國家則仍須修訂各項標準(Rel. 13候選)，才能符合各個區域的相關規範。

將LTE優勢導入未授權頻譜

行動數據用量呈現爆炸性成長，已經成為全球性現象。由趨勢可明顯看出，媒體用量正大規模移往智慧型手機、平板等行動運算裝置。此外，網際網路內容日益豐富，品質也越來越高，推動業界持續尋找解決方案，來滿足市場不斷成長的數據需求，同時又要為客戶提供高水準的使用者體驗。這種現象可稱之為「千倍行動數據挑戰」(1000x Mobile Data Challenge)，也就是業者必須努力因應未來10年內，行動網路數據容量將增加一千倍。營運商必須採用全方位策略來因應此一趨勢。其中最重要的兩項工作包括：增加小型基地台部署密度，以及有效率地利用既有頻譜並取得更多頻譜。讓LTE-A採用未授權頻譜的做法正符合這兩項主旨，因為它就是透過部署小型基地台，將適時使用未授權頻譜的效能發揮至極，同時又能降低干擾並加以管理。

授權頻譜對電信營運商來說十分重要。專利使用權讓他們得以部署一個完全協調的網路，並可有效率的管理。協調的網路能確保服務品質(QoS)、無縫行動聯網而且效能可以預期，並以此為基礎推出各項產品與服務，因此對他們來說，第一要務就是取得更多的授權頻譜。正當業界致力於這方面以因應數據需求巨幅成長，利用既有未授權頻譜對電信營運商而言，也是相當值得一試的做法。其實很多營運商已有類似做法，開始部署Wi-Fi網路。而將LTE-A拓展到未授權頻譜，將提供服務商更有效率且可無縫連結的選項，藉以達成上述目標。

同時利用授權/未授權頻譜整合式網路

圖1　同時利用授權與未授權頻譜的整合式LTE網路

電信服務商已開始利用未授權頻譜，適時從3G/4G卸載盡力服務(Best Effort)等級數據(圖1)。許多電信營運商有自己的電信級Wi-Fi。過去幾年無線產業已開始努力，讓電信級Wi-Fi能與3G/4G網路(尤其是LTE)無縫互連，將LTE-A拓展至未授權頻譜，便是將這方面的努力發揮至極，將相同的技術與網路用在所有類型的頻譜上。這不只能加強整合，也將提供無縫程度最高的使用者體驗。

利用上述方式，透過授權頻譜提供LTE-A的小型基地台，同時也將支援5GHz未授權頻譜。由於相同系統使用兩種不同頻譜，因此擁有很多優點。

從電信營運商的角度來看，最大的優點就是同一網路可同時使用授權與未授權頻譜，利用相同的核心網路、小型基地台、頻譜頻帶、驗證系統、營運與管理系統，以及擷取、存取、註冊、傳呼與行動流程等。

圖2　在SDL模式下，未授權頻譜僅與下行鏈路結合。

聚合未授權頻譜的部署方式主要分為兩大類：輔助型下鏈(SDL)與分時多工(TDD)模式。 在SDL模式下，未授權頻譜僅供下行鏈使用，因此只有下行鏈路的資料速率與容量大幅增加，上行鏈則維持不變(圖2)。這種做法尤其利於用來解決下行鏈路流量過大的問題。

至於TDD模式，未授權頻譜就像一般LTE TDD系統同時擁有下行與上行鏈，運作方式也跟一般的LTE TDD載波聚合相同。它的好處是可彈性調整上行與下行鏈之間的資源分配。在兩種狀況下，未授權頻譜都只用於資料層(Data Plane)，而所有的控制層(Control Plane)都透過授權頻譜處理。不論選擇哪種模式，對電信服務商和使用者都有好處。

提升使用者體驗

雖然結合授權與未授權頻譜供LTE使用，用戶並不會感覺到差異，但它在使用者體驗方面有很多明顯且相當吸引人的好處。

‧	透過載波聚合擴大資料通道並提高資料速率
	結合授權與未授權頻帶能創造出更寬廣的資料通道，進而提供使用者更高速的資料傳輸速率。更高速的資料傳輸速率，代表下載速度更快，應用程式與服務的反應速度也更快。
‧	錨點定於授權頻譜　效能可靠且可預期
	之前所說的，可以藉由聚合，讓未授權頻譜聯網時可以同時透過授權頻譜聯網。控制訊號一定會出現在授權頻帶，藉此確保服務品質，而這也代表無論未授權頻帶的管道狀況如何，關鍵的訊號資訊一定會在網路與裝置之間正確傳遞，而且因為兩種頻帶都使用同一個整合式小型基地台來提供服務，因此狀況永遠在掌控下，聯網狀況也一清二楚，這確保未授權頻帶可隨時加入，將效能發揮到最大。
‧	無縫式使用者體驗
	當LTE-A網路同時利用授權與未授權頻帶，網路與裝置之間相互協力運作，不斷尋找可用的未授權頻譜並加以聚合。由於聚合能提升資料速率，使用者也能享受到更棒的行動體驗。

提高覆蓋率與容量

圖3　使用未授權頻譜的LTE-A能提供更高的覆蓋率與容量

對電信營運商而言，整合式網路以及經過強化的無縫式使用者體驗，都比現有的電信級Wi-Fi更具優勢。就跟任何一種經過協調與管理的架構一樣，使用未授權頻譜的LTE，在相同傳輸功率下效能超過Wi-Fi。效能之所以提升，是因為LTE具有多種面向。

舉例來說，LTE的空中連結(Air Link)結構較佳且更為穩固，是專門為行動聯網所設計。LTE的架構經過協調與同步化，能藉由管理並降低干擾來充分利用資源。授權頻譜的強制定錨，則能確保控制訊號持續以高效率進行傳送，更重要的是還能達成無縫式行動聯網。此外，因為授權與未授權頻譜共用一套訊號，也能減少整體負載。

高通(Qualcomm)初步研究顯示，與Wi-Fi相比，上述做法能提升傳輸效能兩倍以上。以相同數量的LTE-A節點使用未授權頻譜，網路容量更達到Wi-Fi的兩倍。也就是說，可用更少的節點提供同等網路容量(圖3)。而在常見的「由內而外式」(Inside-out)部署模式下，即在室內部署小型基地台，不只能在室內提供覆蓋率與網路容量，也能支援室外流量。

既然讓LTE-A利用未授權頻譜可以代替電信級Wi-Fi，首先要問的是：「這將對既有的Wi-Fi網路帶來何種影響？」為解決此一問題，這種技術原本就是為了與Wi-Fi和諧並存而設計，在許多案例中甚至比Wi-Fi本身的節點更友善。

圖4　使用未授權頻譜的LTE-A有許多安全措施以保護Wi-Fi網路。

透過嚴謹的研發過程，確保Wi-Fi網路受到保護(圖4)，讓LTE在未授權頻譜中也能成為「好鄰居」；而兩種技術確實能夠和諧共存，也符合不同頻譜頻帶的規範需求。

與Wi-Fi和諧並存

使用未授權頻譜的LTE鎖定5GHz頻帶，最高可達500MHz。此頻帶通常分為二十多個頻寬20MHz的頻道。LTE-A的小型基地台搜尋未授權頻譜時，會選出干擾最少的頻道並動態調整以持續規避干擾。如閒置頻道足夠，該做法就能確保兩種系統互不影響；在必須使用相同頻道時，干擾也能減至最低。

在此必須強調的是，這跟自動換頻與傳輸功率控制(DFS/TPC)為保護5GHz頻譜雷達而設立強制規定，是完全不同的做法。此外，未授權頻譜的使用為「隨選(On Demand)」性質，表示只有那些擁有活躍使用者的小型基地台能利用未授權頻譜，其他時間則完全不進行傳輸，這是因為強制「定錨」於授權頻帶才得以實現。即使在傳輸過程中，傳輸功率也不斷調整以將干擾減至最低。

這種技術的設計還利用了協調與管理架構的所有優點。舉例來說，既然小型基地台知道它們的「鄰居」使用什麼頻道，就能避免選到相同或鄰近的頻道，進而讓覆蓋範圍邊界(Cell Edge)的干擾降至最低，為區域內的使用者大幅改善資料速率，同時提升整體網路效能。

除了上面所提到的安全措施外，還有許多強化功能正在規畫當中，尤其是Rel. 13，能讓未授權傳送器動態分享頻譜與資源。相關實例包括共用子通道(Co-channel)或網路共存(Co-existence)，也就是使用未授權節點的LTE-A能監測頻道中活動量，再依活動狀態按比例與同頻道中其他使用者(例如Wi-Fi)分享該頻道。

圖5 　使用未授權頻譜的LTE-A與Wi-Fi共存，對使用者有諸多好處。

除此之外，有些國家設有載波偵聽(Listen Before Talk, LBT)此類的強制規定，要求共用特定子通道(有時對分享時間也有所規定，以毫秒為單位)，LTE的實體(PHY)層與媒體存取控制(MAC)層結構就會有所調整，這些調整都是針對Rel. 13。藉由上述所有技巧，利用未授權頻譜的LTE-A網路便能與Wi-Fi和諧並存，提供優異的整體效能(圖5)。

現有標準商品化腳步未歇

圖6　現有標準與核心網路商品化的初期進度

將LTE-A導入未授權頻譜的概念，很快就能實現商用，尤其是在美國、南韓與中國大陸等地。在這些國家，電信營運商可同時透過授權頻帶與未授權的5GHz頻帶提供LTE-A(Rel. 10/11)，所使用的小型基地台能支援精心設計的網路共存機制，使用者設備(UE)也支援使用5GHz頻帶的LTE網路(圖6)。

相關技術在其他國家商品化的進度，則取決於強制要求共用子通道(LBT功能)以支援「特定波型」的標準修訂進度。提出這些規定，是為了在Rel.13時間框架內完成標準化。

以高通為例，其致力於為各種頻譜提供最佳解決方案，不論是傳統的授權頻譜、未授權頻譜或授權分享接入(ASA)皆然。ASA是一種存取未充分利用頻譜的新方法，可於現任所有權人(例如軍方)與3G/4G電信營運商之間，以獨占方式進行分享。

至目前為止，蜂巢式3G/4G技術除已應用於授權頻譜，也計畫部署在授權的ASA頻譜上。同時，Wi-Fi也已廣泛用於私人、住家與企業用無線寬頻聯網的未授權頻譜。近來行動營運商也開始利用此類頻譜，以動態方式從3G/4G網路(電信級Wi-Fi)卸載流量。利用未授權頻譜的LTE-A，讓LTE行動營運商多出5GHz頻帶這個選項。

事實上，根據規畫，未來小型基地台將把3G/4G、使用授權與未授權頻譜的LTE-A、Wi-Fi等所有技術，整合至一個小盒子裡，如此一來營運商就更有彈性，可以選擇最適合自己的技術。

廠商絞盡腦汁　提升網路容量

目前各家行動營運商都致力提升網路容量，以解決流量巨幅成長的問題，頻譜也因此成為關鍵因素。取得更多的授權頻譜是業界優先選擇的做法，因為這比較可靠且效能可以預期。當業界努力透過傳統標售，還有授權分享接入/許可分享接入等創新模式來取得更多授權頻譜，將LTE-A拓展至未授權頻譜便成為一種非常有效率的工具，讓營運商利用既有的未授權頻譜。透過能同時使用授權頻帶與5GHz未授權頻帶的小型基地台提供LTE-A聯網，然後將這些頻帶加以聚合，就能為使用者提升寬頻體驗。此外，因為定錨於授權頻譜，這種做法的效能可靠而且可預期，同時還能提供無縫式寬頻體驗。

使用未授權頻譜的LTE-A能與Wi-Fi和諧並存。其設計能減少干擾並將干擾降至最低，也能按比例公平分享頻道。使用未授權頻譜的LTE-A將成為Wi-Fi的好鄰居，實際案例顯示甚至優於Wi-Fi本身。不像許多新技術太過複雜，LTE-A因利用既有核心網路而能輕易導入未授權頻譜，像美國、南韓、中國大陸等地，便可利用既有標準(Rel. 10/11)。

(本文作者為高通技術行銷團隊資深總監)