長程演進計畫(Long Term Evolution, LTE)在第三代合作夥伴計畫(Third Generation Partnership Project, 3GPP)中已經達到成熟的階段，目前規格上的變動目的都僅限於部分技術內容更正。在2009年底，LTE行動通訊系統已經開始部署，如同全球行動通訊系統(GSM)和通用行動通訊系統(UMTS)的演進。國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)創立一個新的名詞IMT-Advanced，用來規範新的行動通訊系統，其能力超過目前現有符合IMT-2000的行動通訊系統，特別在資料傳輸速度方面有大幅的增加。
為了支援先進的服務及應用，資料傳輸率在高速移動時要求達到100Mbit/s，低速移動時要能達到1Gbit/s。在2009一整年，3GPP一直在研究如何針對LTE標準改善，以符合IMT-Advanced的需求。在2009年9月，3GPP向國際電信聯盟提出一個正式提案LTE Release 10，也就是LTE-Advanced應該被評估為IMT-Advanced候選標準。在2010年10月，LTE-Advanced在國際電信聯盟無線電通訊部門(ITU-R)成功地完成評估程序符合甚至超過IMT-Advanced要求，成為被承認的4G技術。
LTE-Advanced中主要技術元件包含載波聚合(Carrier Aggregation, CA)，強化單載波多重存取技術(Enhanced SC-FDMA)，強化細胞間干擾協調技術(Enhanced ICIC)，強化多重輸入多重輸出架構(Enhanced MIMO Schemes)以及轉發機制(Relaying)(圖1)。其中，轉發機制並沒有在Release 10被定義完成，故被移到Release 11中再進行討論。
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| 圖1 LTE-Advanced主要技術元件 |
載波聚合為五個主要技術元件中，最受到矚目，故本文將針對載波聚合做深入的討論。
利用頻段聚合 彈性配置頻譜
要達到高速資料傳輸速率的需求，一個非常直接的想法利用聚合多個LTE的載波即可達成(圖2)。為了讓傳輸頻寬達到100MHz，可將兩個或多個元件載波(Component Carrier, CC)聚合在一起，每個元件載波最多有一百一十個資源方塊(Resource Block, RB)。
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| 圖2 在連續載波部署下LTE-Advanced的最大頻寬 |
然而，起初的LTE-Advanced R10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，因為頻段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段配置經常是由不同頻段的零碎頻譜組成。因此提供一個可能性去聚合某一個頻段的5MHz和另外一個頻段的10MHz，以達到最高傳輸速率是同等重要的。
元件載波組是由手機端指定的，而向網路註冊總是由主元件載波(Primary Component Carrier, PCC)發起。額外的頻寬是由次元件載波(Secondary Component Carrier, SCC)提供，最多可以提供四組次元件載波。在下行方向，於次元件載波實體上傳控制通道(PUCCH)配置是可選擇的，而上行方向只有主元件載波會有PUCCH通道(圖3)。
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| 圖3 在PCC和SCC上的頻道分派 |
在無線鏈路控制層(RLC Layer)，每個手機被分配的個別數目元件載波僅有一個連結，多重元件載波是由媒體存取控制層(Medium Access Control Layer)來處理，也就是在eNodeB的排程器處理。對每一個元件載波有不同的混合式自動重送請求(HARQ)傳送和反饋接收的機制。對於所有上行元件載波使用相同的時間控制，而每一個下行元件載波則採用個別的功率控制。訊息交遞(Handover)只適用於主元件載波，隨機存取通道(RACH)程序也自然在主元件載波被執行。而手機針對每個個別的元件載波提供個別的通道狀態資訊(Channel State Information, CSI)回報。
在LTE分頻多工(FDD)中，為了針對不對稱上/下行流量需求，下行元件載波或許會比上行元件載波有更多的數目被配置。而在分時-長程演進計畫(TD-LTE)，所有的元件載波擁有相同的上/下行的時槽分配，因為不對稱上/下行流量需求是靠適當的上/下行時槽數目來做調整。獨立起始非對稱的載波聚合，加強上行回饋機制有一個需求去回饋所有傳輸及通道品質參數相關資訊。
對於正面回覆/負面回覆(Acknowledgement/Nonacknowledgements)，PUCCH格式1b已經被加強，現在具有頻道選擇的功能。另外一個新格式PUCCH格式3被導入，對照現存的LTE Release 8 PUCCH格式，已經不在是Zadoff-Chu序列。新的PUCCH格式是使用QPSK調變的PUSCH傳輸形式，正交覆蓋碼被用在傳輸大量數目的ACK/NACK位元，LTE TDD占20位元；LTE FDD則占10位元。假設每個載波都是2×2 MIMO，最多有五個載波允許ACK/NACK傳送，以每個載波兩個位元碼導出有10 ACK/NACK位元。這個資源明顯被用來傳遞PUCCH格式3給用戶端裝置。
為了支援既有的LTE Release 8終端裝置，每一個元件載波均要能夠被設置成LTE Release 8載波。然而，不是所有的元件載波都須要與LTE Release 8相容。連續與非連續元件載波聚合和頻段內與頻段外載波聚合都會支援。針對個別網路營運商的需要允許高度彈性的配置，包含異質網路的部署(圖4)。
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| 圖4 LTE-Advanced的頻譜部署 |
頻率部署各唱各的調
在世界上不同區域的現存技術有不同的頻率部署。頻段聚合也在寬頻分碼多重存取(WCDMA)/高速封包存取(HSPA)網路被使用。因此從現存技術轉變成LTE/LTE-Advanced，存在著高度多樣化的演進情形。
在數量眾多的不同頻段排列組合中令人感興趣的組合，結果是有限數目的載波頻率情境，在3GPP R10的時間範圍內被列在RAN4中。頻段是否支援，一般與3GPP標準的版本不相關。頻段被加入3GPP標準中，無論何時都可以被確認。用戶設備(UE)仍然可以支援被列在較晚版本的3GPP標準(如Release 9)的某個頻段，即使其被定義為支援較早版本的3GPP標準的功能組(如Release 8)。3GPP RAN4這個組織一開始的工作是專注在接下來的頻段內，頻段外的情境如表1所示。
明顯地，在LTE使用FDD模式時，有高度興趣在聚合低頻段約800MHz與高頻段約2GHz的頻率，以及同樣地有興趣聚合2GHz與2.6GHz的頻段。有兩個載波聚合工作項目在LTE TDD模式，這兩個工作項目只與頻段內的載波聚合相關。只有一個工作項目針對兩個上行載波頻率，換句話說，其他工作項目並不會在上行方向做載波聚合。
LTE Release 8規定在網路營運商自己的頻寬內兩個通道須間隔100kHz。15kHz次載波間隔與連續聚合元件載波結合，需要一個300kHz的間隔，這是為了維持下行傳輸架構的正交性。
用戶裝置頻寬分類廣
新的用戶使用裝置頻寬分類，適用於載波聚合被規定在3GPP TS 36.101 V10.6.0中。3GPP RAN4定義傳輸頻寬的資源區塊數目是根據表2的頻道頻寬。以20MHz頻道頻寬為例，資源區塊最大數目包含保護頻段為一百個，相對於在3GPP RAN1規定每個載波最多有一百一十個資源區塊。
頻段內載波聚合相關參數被規定在圖5中，六個用戶使用裝置頻寬分類可被預見，而直到現在只有三個被完全規定。頻寬分類定義是根據被聚合的傳輸頻寬和最大數目被支持的元件載波的資源區塊數目(表3)。
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| 圖5 聚合頻道頻寬的定義及聚合頻道頻寬的邊際 |
支援頻寬分類指出網路在每一個頻段個別上行/下行的方向，包含頻段內(連續或非連續)載波聚合或是頻段外載波聚合。圖6提供了一個例子，其中的術語用來指出該裝置對某個特別的頻段或頻段組合的載波聚合支援。
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| 圖6 支援載波聚合的相關註記(型式、頻段及頻寬) |
以頻段內非連續CA_25A_25A為例，其說明該裝置在這個網路在頻段25能夠接收(或傳送)兩個分別的載波，每一個載波具有最大頻寬100RB(20MHz)。假如這個裝置能夠在這個頻段聚合這兩個載波但是連續，這個縮寫將被改成CA_25C。頻寬Class C定義一個被聚合傳輸頻寬在100RB和200RB之間，被分配到兩個元件載波上。
載波聚合這個特色允許高度彈性地採用在不同的頻譜配置上。然而，不是所有的組合都和現實相關。對初期的LTE Release 10的載波聚合情景如表4～5所列，接下來的載波聚合組合是被考慮的。
交互載波排程被納入
如同LTE Release 8，每一個元件載波可以使用PDCCH，對每個用戶使用裝置安排資源時間於下行方向接收多個載波，這個排程方法可以相容於LTE Release 8。額外的選項交互載波排程是在LTE Release 10所提出，用以安排在SCC上的資源，這個方法使用在PCC上的PDCCH及新的載波指示欄位(CFI)(圖7)。
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| 圖7 交互載波排程示意圖 |
交互載波排程定義背後的動機是分出信令能力以及讓異質網路對不同細胞層具有支援負載平衡。藉著專屬的無線資源控制層(RRC)信令在時間領域PDCCH開始能夠被配置，也就是在不同細胞層的PDCCH部分重疊的情況能被避免。假設一個元件載波經由某一個元件載波已經被排程，它將不能被其他元件給安排。
為允許交互載波排程，現存的LTE Release 8 DCI格式架構被擴充。從LTE Release 10之後，下行控制資訊包含一個3位元(Bit)長的載波指示欄位，載波指示欄位提供該載波的索引資訊，其載有PDCCH是為了資源分配。
新增PUCCH格式3
在LTE Release 8中，PUCCH格式1a/1b/2/2a/2b在下行方向回應(ACK)或者不回應(NACK)正確接收傳輸區塊。這個ACK/NACK的反饋能夠結合排程需求(Scheduling Request, SR)及通道狀態資訊(CSI)。此架構為載波聚合的情境加強了允許ACK/NACK回報，然後在單一用戶使用設備可以接收多個細胞的訊號。表6總結所有在3GPP Release 10規定的PUCCH格式，而對照於3GPP Release 8有修改的部分用較深色的部分來顯示。
有兩個主要解決方法去加強這個架構。一種是利用ACK/NACK回饋的方式，這是與LTE Release 8相同方式，再增加選擇回應(不回應)傳遞區塊的通道(也就是載波)。或者，另一個新的反饋機制被採用，它允許單一個延伸訊息在多個載波多重區塊上去做ACK/NACK的動作。兩種解決方法都在3GPP Release 10規範中被採用。
PUCCH格式1b增加允許個別的ACK/NACK具有通道選擇性，以及新增一個PUCCH格式3。PUCCH格式1b必須被使用在支援至多兩個主細胞聚合的FDD用戶使用裝置。對於用戶使用裝置(支援FDD或TDD)能夠支援聚合超過兩個載波，通訊協定的上層允許設置為PUCCH格式1b或PUCCH格式3來被使用。
用戶裝置允許多路傳輸
假若載波聚合時以圖8、圖9的情況來說明下行和上行鏈路在通訊協定第二層的結構，明顯地在封包資料控制層(Packet Data Control Protocol, PDCP)和無線鏈結控制層(Radio Link Control, RLC)是根據LTE Release 8再利用。
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| 圖8 下行方向通訊協定第二層的架構 |
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| 圖9 上行方向通訊協定第二層的架構 |
然而，與LTE Release 8相比，一個用戶使用裝置可以被多路傳輸到幾個不同的元件載波，而每一個被排成的元件載波有一個傳輸區塊和一個獨立混合式自動重送請求主體。
控制平面變化不大
與LTE Release 8相比，在控制平面上的架構並沒有甚麼不同。在RRC連接建立後，參數設定及額外的元件載波在專屬的信令上執行。在頻段內LTE信令交遞(Handover)情境上，在目標細胞上多個元件載波能夠被包含在交遞命令上被處理。靜態模式下，移動性相關程序也如同LTE Release 8相等地用在布建載波聚合的網路中。對網路來說，設置只有一組子集合的元件載波來做靜態模式聯網。
LTE Release 8/LTE-Advanced未來看好
LTE-Advanced加強部分在3GPP相關的工作項目及研究展開評估與規範。不同特色傳遞不同的表現增益與在系統複雜性、成本上的某些程度衝擊。
以較高階的MIMO架構(如8×8)為例，明顯地提升瞬間資料傳輸率與頻譜使用效率。在相同時間內，這個特色將衝擊到網路端及使用者設備的複雜度。
在比較上，頻段聚合不會對頻譜效率、細胞邊緣表現、覆蓋率或網路成本造成衝擊。然而，瞬間資料傳輸率的改善是要根據聚合載波的數目和手機複雜度的相關衝擊，分析在上行傳輸架構上期望的加強，將有限度的影響手機複雜度來適度改善頻譜使用效率和細胞邊緣表現。
以圖10說明LTE-Advanced不同特色的成本/利益評估。這應該當作品質上的指標，而不是量化的評估。LTE-Advanced是LTE的演進，完成規範的時間大約是LTE Release 8在3GPP標準化後3年。而在規範期間也做一些修改和新增測試的需求和方法。
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| 圖10 LTE-Advanced成本/利益評估 |
回應國際電信聯盟IMT-Advanced的需求，包含在低速移動時要有1Gbit/s的傳輸率將被達成，LTE Release 8/LTE-Advanced為行動通訊系統實現高速的資料傳輸，將成為在下一個10年手機產業的創新平台。
(本文作者任職於羅德史瓦茲)