4G潮流銳不可當　LTE-Advanced箭在弦上

LTE已正式被第三代合作夥伴計畫(3GPP)列為全新的無線標準技術。LTE除了能夠針對無線寬頻數據設計出最佳化的性能，其另一項特色是能與全球行動通訊系統(GSM)服務供應商的網路相容，無論這些服務供應商是否已經部署通用行動電信系統(UMTS)技術，都可進行添增LTE的營運規畫。

LTE是由3GPP第八版所規範，獲得全球系統營運商所承諾的新世代寬頻行動通訊科技，也是GSM及寬頻分碼多重存取/高速封包存取(WCDMA/HSPA)的革命性改進。從CDMA2000 1xRTT和CDMA2000 1xEV-DO到LTE的規畫也已經被定義。國際電信聯盟(ITU)已經為增強型國際行動通訊(IMT-Advanced)技術訂下挑戰性的效能目標。3GPP採用這些標準來研究先進長程演進計畫(LTE-Advanced)所須增加的新規範，並在2009年10月呈交給ITU。

在3GPP第十版中實現的LTE-Advanced技術並不是全新的科技，而將是根據3GPP第八版中制定的LTE再添加重要的技術來符合IMT-Advanced中對於第四代行動通訊技術(4G)標準的要求。

次世代標準看好LTE-Advanced

2009年12月，LTE的商用網路在北歐的兩個城市已經開始運作。大量使用先進服務應用的客戶將使得網路系統業者和終端設備廠商提供更多符合使用者需求的服務，預期可透過優化現今的LTE而在下一版本的規範中實現。

在新版本中並不只有優化的部分。除了優化外，先前能讓LTE成為市場的先驅但因故延遲的一些技術已包含在3GPP第九版中。除了與法規有關的技術如透過進化封包系統(EPS)處理IP多媒體子系統(IMS)緊急事件以及透過EPS的手機警示系統外，另外透過EPS的定位服務項目和EPS的電路交換服務，LTE中的多媒體廣播服務(MBMS)、自我組織網路(SON)、增強型的下載波束成形(Downlink Beamforming)技術以及LTE中自調整聲音編碼器速率都已制定。

除了LTE，3GPP第九版同時也包含增強版高速封包存取(HSPA+)中更進一步地加強。在下載的部分，以64QAM及多重輸入多重輸出(MIMO)的雙載波操作模式也被制定。而針對不支援MIMO的手機提供傳送分集(Transmit Diversity)的延伸功能也同時被制定。另外在上傳中提供雙載波的操作模式也是可能的。

除了強調有哪些增強的功能，制定標準的單位也同時看到未來的需求。在2008年，ITU創造了一個新名詞IMT-Advanced來命名IMT-2000以上新技術的系統。在IMT-Advanced中資料速率的要求是在高速移動下100Mbit/s，而在低速移動下1Gbit/s，這也就是為何3GPP第八版中所制定的LTE(表1)並非真正4G系統的源由。現在LTE之所以被稱做為4G，是因為它採用了新的存取方式--正交分頻多工(OFDM)。一般來說，新一代的行動通訊標準通常伴隨著新的存取技術如第二代行動通訊技術(2G)使用分時多重存取/分頻多重存取(TDMA/FDMA)、3G使用分碼多重存取(CDMA)，LTE並不能被稱做正式的4G，LTE被稱為3.9G，被視為通往4G的最後一步。

資料傳輸率/最大頻譜效率大幅提升

就如同所有新的技術，LTE-Advanced在三個層面上進行改進，包括最大及平均資料傳輸率、頻譜效率，以及控制平面與使用者平面間的延遲時間。為了要達到或超過IMT-Advanced的要求，LTE-Advanced針對LTE某些技術做了改進並且制定。

對於上傳及下載的最高資料速率可藉由兩個步驟達成。首先，加強下載MIMO的能力如最多到8×8單一使用者MIMO，同時也提供上傳的MIMO能力如最多到4×4單一使用者MIMO。第二，使用載波或是頻段集成(Band Aggregation)。LTE-Advanced最多讓五個20MHz的載波集成為100MHz的發送頻段。為了確認向下相容性，每一個載波都必須與3GPP第八版相容。以現實狀況而言，並沒有一家系統業者擁有100MHz連續的頻譜。大部分的服務供應商都擁有不同頻段的頻率區塊。為了要根據可用的頻寬來支援最高的彈性，鄰近的(Contiguous)及非鄰近(Non-Contiguous)的成分載波都同時在LTE-Advanced中支援(圖1)。

圖1　在LTE-Advanced中鄰近的及非鄰近的載波集成

在IMT-Advanced中，新的頻譜分配會在2015年中的世界無線電會議(World Radio Conference, WRC)中制定。根據初步3GPP第十版的LTE-Advanced部署，將會限制只能用兩個成分載波。也就是說，在分頻雙工(FDD)模式下，最多下載/上傳的頻寬是40MHz。而在分時雙工LTE(TD-LTE)中，50MHz是利用三個載波整合而成。表2中展示出無線存取網路工作群組4(Radio Access Network Working Group 4, RAN WG4)中討論關於3GPP第十版中實際可能實現的的頻率集成方式。

消失的非鄰近頻譜並不是唯一要關注的重要參數。在收發器的開發當中，支援100MHz頻寬的商用射頻(RF)濾波器能用與否是個關鍵的問題。雖然每一個組成載波的最大頻寬為20MHz(與3GPP第八版比較，取樣速率並沒有增加)，但是集成的載波中有更多須要做的平行處理。除此之外，由於通道解碼和軟緩衝大小(Soft Buffer Size)隨著平行混合式自動重送請求(HARQ)處理增加，解碼程序將更為複雜。

以測試要求而言，值得一提的是，支援載波集成的連線及通訊協定規範是以一般的方式設計，而同時會在後續的版本如第十一版及之後的版本中支援載波集成規範。另外，基地台和終端使用設備仍然將遵守第八版的量測定義，而且將會測量每一個組成載波(Component Carrier)。

增加頻譜效率是另一個LTE-Advanced的主要目標。8×8 MIMO在下載的部分，可到達理論峰值頻譜效率至30bit/s/Hz。與第八版相比，在LTE-Advanced中，最多支援八個空間層(Spatial Layer)，與目前的版本一樣，只有兩個代碼(Codeword)。每一個Codeword用自己的調變編碼機制(MCS)，可以在每一個副幀(Sub-frame)和組成載波中被傳送到排定的手機上。

為了在下載路徑中使用先進的MIMO傳送技術，與第八版比較，使用更多的監控訊息(Overhead Information)。在第十版中，參考訊號被分成實體下行共用頻道(PDSCH)解調的序列和用來估算頻道狀況資訊如通道品質指示(CQI)、預先編碼矩陣指示(PMI)、等級指示(RI)的序列。第一種的參考訊號是特定使用者設備(UE-specific)並且使用同樣的預先編碼操作(Pre-coding Operation)。這些在基地台的每一層中都是互相正交的特定UE參考訊號(UE-specific Reference Signal)，可以被用來做更好的使用者設備的傳輸。因此，可以提供比在第八版中更好的與PDSCH解調相關的共同參考訊號(Common Reference Signal)。

另一種參考訊號是特別被用來估算無線電頻道的參考訊號。當然，它們是以特定細胞(Cell-specific)為主，都內嵌在正常副幀的資料區中。

為了要維持合理的終端設備費用，第八版中只保有一個發射器/放大器電路，但卻指定兩個接受器電路。為了能夠得到兩個發射天線的好處，第八版中引進所謂的「天線選擇」作為UE的選擇性能力之一。在LTE-Advanced中，使用4×4 MIMO工作時，在上傳路徑中最高的頻譜效率可以增加到15bit/s/Hz。採用與LTE第八版中下載的空間多工處理(Spatial Multiplexing)相同的原理，表示最多兩個傳送區塊(Transport Block)可以透過自己的MCS Level傳送。

針對上傳速率進一步加強

在上傳部分，除了MIMO的操作外，Rel-10中也加強其他部分。在LTE中，資料的傳送與控制資訊是分開的(Decoupled)。在第八版中，只有在毋須透過實體上傳共享頻道(Physical Uplink Shared Channel, PUSCH)來傳送資料時才會使用實體上傳控制頻道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH)來傳送上傳控制資訊如認可/ 否定認可(ACK/NACK)、CQI、PMI、RI。而在LTE-Advanced中，這樣的機制未被使用，取而代之的是同時傳送PUCCH和PUSCH(圖2)。透過這樣的方式可以很明顯地增加平均吞吐量(Average Throughput)。

圖2　同時傳送PUCCH和PUSCH，選擇性頻率配置的PUSCH。

在第八版中，選擇局部(Localized)的單載波分頻多重存取(SC-FDMA)方式。局部模式(Localized Mode)表示調變的符號會被分配到鄰近的子載波中。這種連續的對應提供了在頻域中多使用者排程增益(Multi-user Scheduling Gain)。第十版中，提供個別的資源區塊(Resource Block)中支援子載波的叢集分配(Clustered Allocation)延伸支援上傳的能力(圖3)。這使得原本只有在下載時使用的頻率選擇性排程(Frequency Selective Scheduling)可以用來改進連結效能。但與第八版比較，這項好處是透過增加使用局部SC-FDMA的終端設備的峰值與平均功率比(PAPR)所達成。

圖3　叢集SC-FDMA的原理

遇訊號邊緣狀況　仰賴CoMP/中繼傳輸

圖4　SNR與64QAM、MIMO、16QAM及QPSK的需求比較

頻譜效率峰值只有當使用最多的MIMO傳送和調變方式時達到。在下鏈(Downlink)中，這表示使用64QAM及8×8 MIMO，兩者都需要適當的訊噪比(SNR)。很明顯的是在細胞邊緣中使用的終端設備不會被安排使用MIMO或64QAM(圖4)。

但是如何增加細胞邊緣的效能呢？LTE-Advanced指出有兩個概念可以在細胞邊緣增加頻譜效率甚至延伸訊號覆蓋度。第一個是協調多點傳輸收送(CoMP)，CoMP增加高資料傳輸率的覆蓋度、細胞邊緣吞吐量(Celledge Throughput)及系統吞吐量(System Throughput)。

在細胞部署時，特別是在3G，頻率的重複使用因子為1的狀況下，從鄰近細胞來的干擾減低系統容量，CoMP的概念便是特別去減少細胞邊緣的干擾。實現CoMP的複雜性是在網路系統端使用一個被稱為「協調基地台」的技術，排程與傳送資訊是動態地被協調。這包含不只是處理接收的訊號。很明顯地，CoMP需要大量的交換資訊，亦即UE的回饋。由於光纖中×2介面的使用，大量的資料交換可以被完成。

這只是其中一個減少網路中鄰近細胞干擾的方法。另一個可能性是無線寬頻頭端設備(RRH)的概念。系統包含一個中央單元，無線設備控制器(基本上是基地台的基頻部分)接收所有的資訊，並且計算所有透過無線設備(Radio Equipment, RE=RRH)發射出去的波形。這兩種概念都有著時間上的要求，包含在空中介面中頻域以及時域上相當嚴格的同步性。而這兩個概念都是依賴無論從使用者設備(FDD)的快速頻道回饋(Fast Channel Feedback)或分時雙工(TDD)中藉由使用頻道互惠(Channel Reciprocity)的方式所達成。然而，如同在圖5中所展示的CoMP原理，需要許多第八版中的調整，包括特定細胞領導(Cell-specific Pilot)、預先編碼領導(Pre-coded Pilot)、頻道回饋/頻道狀態資訊、同步資料交換、演進型基地台(eNodeB)間的時間同步。

圖5　基本CoMP原理

第二個在細胞邊緣增加效能的方式是基於中繼傳輸。使用者設備透過與eNodeB間的無線中繼傳輸。eNodeB與中繼器間的連結可以是在同一頻段，而eNodeB是工作在另一個頻段。但是頻段間工作可能並不一定可行，因為中繼發射器如果沒有做好出入訊號間充分的隔離，會造成本身接收器的干擾。另外，中繼器可能也沒辦法同時接受UE的發射訊號並發射到基地台。傳送的機制是基於時間上的分配。根據定義這有一定的容量(圖6)。

圖6　中繼器的MBSFN傳輸

中繼器根據其聰明的程度亦即通訊協定支援程度，而分為不同的種類。第一層的中繼站--增益器(Repeater)只放大從eNodeB接收到的訊號。第二層的中繼站包含媒體存取控制(MAC)的功能，也就是在中繼器內解碼與再次編碼訊號到更高通訊層的能力。另外，第三層的中繼站可以包含行動管理的能力。

在3GPP中則使用一個不同的分類方式。首先，形式一的中繼站擁有其自己的細胞身分(Cell Identity)、參考及同步訊號。形式二的中繼站並不會有自己的細胞身分，而且使用者設備並不能分辨接收到的訊號是來自eNodeB或中繼器。在這樣的情況下，控制資訊也許仍然是從eNodeB中發射，而資料是從中繼站中接收。這裡討論的議題在3GPP中後續會有更多的研究與討論。在還沒有成為規範的一部分前，這些議題都還沒完全確定。

用對工具　水到渠成

新的挑戰不一定需要新的儀器。羅德史瓦茲(R&S)的訊號產生器及分析儀解決方案可以讓廠商直接跨進LTE-Advanced。在SMU200A向量訊號產生器及羅德史瓦茲AMU200A基頻訊號產生器和衰減模擬器中實現的雙路徑概念，對設計的工程師而言相當有幫助。對於LTE-Advanced的訊號產生，由於結合兩個訊號產生器在單一台設備中，這樣的彈性使產生多重分量載波(Component Carriers)得以實現。

使用單一台包含兩組基頻單位的SMU200A，兩個高達20MHz的分量載波可以被產生並且即時衰減；無論是在相鄰或是非相鄰的位置。產生或集成更多的分量載波可以透過外加的訊號產生器來完成。

如果不需要及時衰減和個別調整功率大小的功能，則可以選擇多重載波的任意波型產生器，而且也簡化系統的架設。以此種方式來做的話，羅德史瓦茲中階向量訊號產生器SMBV100A包含120MHz頻寬，大的任意波形記憶體與高速時鐘速度(Clock Rate)，足夠產生在LTE-Advanced中提出的相鄰100MHz頻寬的複雜多重載波調變波形。

因此，應用在羅德史瓦茲FSQ、FSG或FSV訊號及頻譜分析儀上分析演進統一陸地無線存取網路(EUTRA)/LTE的軟體可以用來分析每一個個別分量載波的調變品質，功率和頻譜量測。那該如何量測鄰近通道洩漏功率比(ACLR)，例如四個鄰近位置的分量載波？羅德史瓦茲的FSx系列包含所謂的多重載波ACLR量測功能，可以用來做通道功率量測的應用。只要三個步驟，就可以在功率放大器上做臨界ACLR的測試(圖7)。除此之外，操作頻段中不要的散射成分也可以透過調整LTE第八版中頻譜發散屏蔽(Spectrum Emission Mask, SEM)的限制檔中量測到。

圖7　利用羅德史瓦茲FSV訊號及頻譜分析儀所做的四個分量載波的多重載波ACLR量測。

審慎權衡LTE-Advanced利弊

在LTE-Advanced技術中所賦予的特色在峰值資料傳送率、細胞邊緣效能及覆蓋度上都有變化性的效能增益。根據這些特色，終端設備及網路設備會隨著系統的複雜性而增加費用。舉例來說，頻率集成可以大幅增加峰值傳送速率而同時增加發射與接受天線的數量。但與MIMO不同的是，頻率集成並不會對頻譜的效率產生影響。表3提供上述所討論到成分中可能的費用與利益。

(本文作者任職於羅德史瓦茲)