第三代合作夥伴計畫(3GPP)第十版標準已於2010年12月將先進長程演進計畫(LTE-Advanced)納入其中，該技術新增的一些特性，例如載波聚合(Carrier Aggregation)、增強型上行鏈路多重存取和增強型多重輸入多重輸出(MIMO)天線，得以改善最高資料速率和上行鏈路的頻譜效率(Spectral Efficiency)。
這些特性會增加現有第八、九版長程演進計畫(LTE)的複雜度，因為它原本就已採用多個通道頻寬、不同的下行/上行鏈路傳輸方式、分頻雙工(FDD)/分時雙工(TDD)兩種傳輸模式與MIMO技術。LTE和LTE-Advanced裝置必須與2G/3G蜂巢式系統共存多年，故應考慮彼此的交互運作問題。
3GPP第十版標準添功能 載波聚合/SC-FDMA/MIMO受矚目
首先看到LTE、LTE-Advanced和IMT-Advanced的最高資料速率與頻譜效率目標的比較(表1)。特別需要注意的是，LTE-Advanced使用4×4 MIMO和大於70MHz的傳輸頻寬，達到國際電信聯盟(ITU)要求的1Gbit/s最高資料速率。就頻譜效率來說，第八、九版LTE可滿足ITU對4G下行鏈路的要求，但在上行鏈路方面就不行。LTE-Advanced的最高頻譜效率則遠高於ITU的要求，突顯出LTE提升最高效能的必要性，平均效能目標比較接近ITU的要求。然而，第十版新增的特性改善效能，但也為無線網路和裝置的開發者帶來新的挑戰。
元件載波聚合建立較大頻寬
要讓下行鏈路達到1Gbit/s的資料速率，所需的通道頻寬會超出目前指定的規格。LTE現支援最高20MHz的通道頻寬，頻譜效率可能無法超越目前的效能目標太多。為大幅提升資料速率，有必要增加通道頻寬，IMT-Advanced將上限設為100MHz，預期的下限為40MHz。
大多數電信業者都無法使用100MHz的連續頻譜，而ITU允許他們透過連續與非連續元件載波聚合的方式，來建立較大的頻寬，因此在支援多個收發器的使用者設備(智慧型手機和其他的無線裝置)中，某一頻帶的頻譜可與另一頻帶的頻譜加在一起。有關連續與非連續載波聚合的例子如圖1所示。
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| 圖1 載波聚合實例 |
載波聚合無疑會對用戶端設備(UE)造成許多困難，因其必須處理多個同步收發器。同時使用多個非連續的發射器，會形成一個在雜波管理與自動阻塞(Self-blocking)方面皆極具挑戰的無線環境。
叢集式SC-FDMA提升頻譜效率
今日的LTE上行鏈路係採用強大的單載波分頻多重存取(SC-FDMA)技術，其結合正交分頻多工(OFDM)技術的許多彈性部分，以及單載波系統的低峰值平均功率比(PAPR)。SC-FDMA會在連續的頻譜區塊中分配載波，因而限制排程(Scheduling)的彈性，LTE-Advanced則在上行鏈路中使用叢集式SC-FDMA，透過可選擇頻率的元件載波排程方式，以達成增強型上行鏈路多重存取，改善鏈路效能。同時，將物理上行共享頻道(PUSCH)、物理上行控制頻道(PUCCH)排定在一起，亦可縮短延遲時間(Latency)。
除此之外，叢集式SC-FDMA有助於達到上行鏈路的頻譜效率要求，並可向下相容於現今的LTE，然該技術會提高PAPR而造成發射器的線性度(Linearity)問題，多載波訊號則會增加在通道內和相鄰通道產生雜波的機會。
落實進階版MIMO運作為一大挑戰
為改善單一用戶的最高資料速率並達到頻譜效率要求，LTE-Advanced在下行鏈路指定多達八個發射器(UE中必須有八個接收器)，以使用8×8空間多工。UE最多可支援四個發射器，結合基地台的四個接收器，可在上行鏈路進行4×4傳輸。
另一方面，MIMO會增加系統中的天線，故須進行去關聯(De-correlated)處理。故設計具良好去關聯的多頻帶MIMO天線，使其能在LTE-Advanced設備的狹小空間內運作已成為一大挑戰。若要預測先進的MIMO終端設備在營運網路中的實際輻射效能，則須憑藉新方法，因此3GPP正在考慮可對LTE-Advanced進行MIMO空中下載(OTA)測試方案。
考量LTE-Advanced不足 CoMP MIMO演進版成形
目前3GPP正考量新增一些特性，以彌補LTE-Advanced的不足，但並非完全達到ITU要求的必要條件，包括協調式多點(CoMP)MIMO演進版或其他計畫。關於此MIMO演進版旨在提高資料速率、小區邊緣速度與系統處理速度，CoMP發射器雖以某種形式的高速資料連接結合在一起，並可共用負載資料，但卻不必位於相同的位置。
通道內中繼(In-channel Relays)可接收、增強及重新發射下行與上行鏈路的訊號，以改善覆蓋範圍。較先進的中繼技術會在通道內使用一些子訊框，以承載回程線路的流量。中繼主要用來提升都市或室內的傳輸速率，及增加盲區(Dead Zone)範圍和擴大鄉村地區的覆蓋範圍。未來的技術將支援結合巨型、小型、微型和超微型基地台，以及中繼器(Repeater)和中繼節點的高異質性網路，目前已著手開發先進的無線電資源管理方法，包括新的自行最佳化網路(SON)功能等。LTE-Advanced規格持續以超微型基地台和家用基地台(eNB)，作為改善網路效率及節省基礎建設成本的方法。
LTE-Advanced大幅增加系統和裝置的複雜性，產業需要一段時間因應，而無線通訊業者非常渴望改善頻譜效率，加上市場對資料傳輸速率的需求，將驅使業者朝更高的傳輸速率努力。如今，LTE-Advanced的規格公布後，開發者須研究新的效能特性，以刺激測試廠商加強其產品的量測能力。
針對上述需求，安捷倫(Agilent)的LTE-Advanced程式庫可讓開發人員探索可行的8×8 MIMO LTE-Advanced參考設計。該設計由包含一百七十多種基頻模型和測試法則的完整程式庫建立而成，系統和演算法開發人員可對照標準以測試其新設計，亦可直接下載測試向量到儀器，進行初期和後續的硬體驗證。
另一方面，安捷倫Signal Studio和向量訊號分析(VSA)軟體，可支援產生及分析符合LTE-Advanced標準的訊號。工程師最多可同時對五個聚合元件載波進行完整的特性描述，並且設定參數及查看量測結果(圖2)。在增強型上行鏈路方面，工程師可以產生及分析叢集式SC-FDMA與PUCCH/PUSCH同步傳輸，擁有上述功能，工程師即可在裝置上進行LTE-Advanced的實體層實作測試。
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| 圖2 使用VSA軟體，設計工程師最多可同時對五個元件載波進行特性描述。 |
(本文作者為安捷倫專案經理)