滿足B4G網路發展需求　通訊產業競逐三大LTE-A技術

此外，據思科(Cisco)統計，2018年全球行動通訊使用量較2014年將成長十一倍；其中，影音行動通訊資料量更將攀升十三倍(圖1)，而2018年全球智慧行動裝置可望上看一百億支，形成網路數據流量成長的最大來源。隨著大量數據資料湧現，良好的使用者體驗更順勢成為電信業者首打賣點，而B4G技術能優化室內外用戶體驗速率和峰值速度遂成為研發重點。

資料來源：Cisco VNI Mobile(2014) 圖1 全球行動網路數據未來將呈爆炸性成長。

依照國際電信聯盟(ITU)定義，4G技術的靜態傳輸速率須達到1Gbit/s，用戶在高速移動狀態下可以達到100Mbit/s，而5G則是希望能將靜態傳輸速率提升至10Gbit/s；高速移動可達1Gbit/s。

使用者體驗日形重要　各國加速投入B4G研發

降低使用者低延遲(Latency)與提供可靠的服務同樣是提升使用者體驗的方法之一。在控制平台(Control Plane)的延遲表現，B4G較4G技術提升一倍的速度；在用戶平面(User Plane)，更有十倍之差的表現，也就是說，若4G在用戶平面需10毫秒，B4G將只有1毫秒的延遲。

據了解，基地台邊緣(Cell Edge)容易產生網路訊號收發不良的情況，因此提升基地台邊緣的使用者體驗同樣是B4G技術發展的著力點。第三代合作夥伴計畫(3GPP)在先進長程演進計畫(LTE-A)規範中規定該技術必須達到上傳速率500Mbit/s和上傳速率1Gbit/s(圖2)。

資料來源：Samsung, Ericsson, NTT DOCOMO 圖2 提升使用者體驗影響著行動通訊系統發展趨勢。

由於行動通訊資料量爆增，延伸LTE-A規格的B4G無線通訊系統發展正備受矚目。行動通訊技術日新月異，而智慧型手機出貨量也與日俱增，促使通訊產業快速邁開步伐進入4G時代。為追求上述優良的網路表現，以及滿足行動裝置爆炸性的成長速度，業界正著手開發LTE-A、B4G和5G技術，希望透過新技術的特性更有彈性和效率的使用頻譜資源、提高網路密度，以及達成相容較佳的網路系統。

圖3 國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心研究員鄭凱仁表示，行動通訊系統未來發展將以應用服務為導向。

國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心研究員鄭凱仁(圖3)表示，無線通訊系統發展速度加快，所提供的服務也越來越多元，一路從簡易的SMS簡訊和圖片傳遞的全球行動通訊系統(GSM)系統，邁向提供多媒體影音服務和即時視訊的寬頻分碼多重接取(WCDMA)和CDMA2000技術。LTE、LTE-A網路技術更開創行動網路新局，衍生出行動辦公室、視訊會議、行動電視和保全監控等應用情境，以應用服務為導向。

鄭凱仁指出，各國政府目前正積極展開5G技術布局，以奪得日後專利技術主導權。南韓科學與資訊科技未來規畫部(MSIP)即在2013年底宣布進行「5G行動通訊促進戰略」，表示未來7年將投入約新台幣150億進行相關技術研發和基礎設施建構，並期望能在2020年控制全球20%行動通訊設備市場，力爭國際標準專利首位。

密集布建小型基地台　有助快速達成5G規格

目前業界多以提升頻譜效率(Spectrum Efficiency)、增加使用的頻寬(Spectrum Extension/Utilization)、提高網路布建密度(Network Density)來滿足B4G無線通訊系統的要求，期望能較過去行動網路提升一千倍的容量(圖4)。其中，提高網路布建密度所帶來的成效最大(約五十六倍)，進而躍居B4G技術的明日之星。

資料來源：NTT DOCOMO 圖4 提升頻譜效率、增加使用的頻寬和提高網路布建密度，是目前業界邁向B4G無線通訊系統的主要發展方向。

資策會智通所先進通訊系統中心楊豐銘博士表示，對電信商而言，布建一個大型基地台要耗費的人力和成本相當高，此外，大型基地台對室內使用者而言，訊號穿透力較弱，容易產生訊號不穩的情況；而布建小型基地台不僅相對省時，也能強化大型基地台的覆蓋範圍。目前業界大多希望能增加小型基地台布建密集度，因而讓小型基地台市場越來越有利可圖。

值得注意的是，為了要更快達成一千倍的網路容量提升，現在有一個折衷方案也受到矚目，就是Travel Off-loading讓Wi-Fi和LTE技術相互切換，使用者在進入有Wi-Fi網路的時候，可以迅速切換至Wi-Fi來減輕LTE網路負荷。楊豐銘認為，藉由綜合密集地布建小型基地台和Travel Off-loading技術的效果會是通往5G的最快路徑。

楊豐銘進一步透露，小型基地台維護成本低，可望取代未來無線接取點(AP)，不過目前最大瓶頸在於其之間產生的干擾問題，因此從Release8到Release12都有針對干擾問題提出不同解決方案。舉例來說，Release8規範中初次談到小型基地台的概念，並主張以頻域(Frequency-domain)，也就是錯開頻率的方式來防止小型基地台間相互干擾，不過隨著基地台布點越來越密集，頻域的方式還是無法避免其他基地台的訊號干擾。因此到了Release10才提出分時(Time-domain)概念(圖5)。

資料來源：Alcatel-Lucent 圖5 小型基地台從Release8∼12的技術演進過程

事實上，過去Release10、11中都有針對使用共同頻率的大小基地台共存的場景，相繼提出增強型小區間干擾協調(eICIC)和feICIC技術來因應。

目前3GPP在剛出爐的Release12中主要針對三個小型基地台的場景做討論，分別為，大小基地台共存且使用相同頻率；大小基地台共存但使用不同頻率；只存在小型基地台；除此之外，密集小型基地台布建同樣是Release12討論焦點，會中也提到目前宏基地台和密集小型基地台如何讓使用者裝置感受較高可靠的移動性仍然是一大挑戰。

據了解，小型基地台布建會遇到幾個問題：干擾問題、同步化、使用者的移動性和複雜的布建環境。 楊豐銘表示，目前業界採用協調(Coordination)和避免(Avoidance)兩種方式來降低高干擾問題，並分別在干擾問題發生前後採取措施；也就是說，避免的中心概念是先發制人，在問題發生之前發動，比如設定一套小型基地台開關(On/Off)機制，讓小型基地台隨裝置數量多寡關閉或開啟，如此一來還能達到省電效果，但目前開關決定權在誰手上還在討論之中。

基地台干擾協調技術包括在會產生干擾的基地台間重整資源分配。其概念很簡單，就是讓產生干擾的基地台捨棄使用部分的資源，來換取其他使用者裝置能夠控制及使用資料傳輸能力，讓異質網路架構發揮最大效益。另外，資源協調分配的進階干擾管理技術也是必要的，資料分配可於時域、頻域及空間域執行。其中時域分配可加強適應使用者分布及流量負載的變化。

另一方面，3GPP在Release10提出eICIC以解決異質網路的干擾(Heterogeneous Networks Interference)。該技術除了使用功率大小、頻率分配，也使用時間分配的方式去降低干擾，其中時間分配上的ABS(Almost Blank Subframe)就是在解決HetNet的干擾問題。諾基亞通信(NSN)實驗發現，eICIC需要大小基地台間準確的時間同步，否則換手失敗(Handover Failure, HOF)機率將會大幅提升。

楊豐銘指出，要如何提供使用者裝置(UE)可靠的移動性(Mobility)是目前大小基地台布建的一大難題，因為小型基地台密度高，基台之間的訊號切換要非常快速，如此一來就會增加後台的訊號負擔。由於大小基地台輸出功率差距過大(約為46dB、30dB)，小型基地台在訊號切換過程中容易受到大型基地台的功率干擾，恐會造成使用者在上行鏈路(Up Link)和下行鏈路(Down Link)發生不平衡狀況。目前3GPP內的廠商大多希望能提高小型基地台9dB的功率，來滿足大小基地台間功率干擾的問題。

整合分散頻譜資源　CA實現更大傳輸頻寬

圖6 安立知業務暨產品技術支援部門副理薛伊良指出，CA技術有助網路營運商有效利用原本分散的頻譜資源。

要達到B4G技術對行動網路效率的需求，載波聚合(CA)則是目前被廣為使用的技術之一，更是LTE-A系統中的重要元素，藉以達到較大的傳輸頻寬。

安立知(Anritsu)業務暨產品技術支援部門副理薛伊良(圖6)指出，網路營運商擁有的頻段大多分散，而載波聚合藉由結合同一頻段或不同頻段的頻譜資源，則為營運商打破頻段分散的限制，擴大頻譜資源的使用格局，讓使用者能輕鬆下載大資料量的網路內容。其最多可聚和五個20MHz的載波(CC)，滿足100MHz載波的應用。

3GPP定義了以下三種載波聚合的應用情景，頻段內連續載波聚合、頻段內非連續載波聚合和頻段間非連續載波聚合。薛伊良表示，很多歐美營運商都苦於破碎的頻譜資源，而3GPP推出的非連續載波聚合應用情境則解決此一困境。

是德科技(Keysight Technology)資深專案經理蘇千翔(圖7)也表示，載波聚合有助大幅提升網路吞吐量，而多重輸入多重輸出(MIMO)則能讓數據傳送效率更好，兩者相互搭配則可加速實現LTE-A訂定的傳輸速率目標。不過，光是基地台支援載波聚合還不夠，終端裝置也要同步支援才能真正發揮載波聚合的功效。

圖7 是德資深專案經理蘇千翔認為，載波聚合和MIMO技術相互配合可高度提升網路使用體驗。

蘇千翔進一步提到，對網路設備供應商而言，Release10允許頻段間載波聚合可最多有1.3微秒的誤差；頻段內則是130奈秒，因此多個元件載波到收發端時間一致性的問題成為最常遇到的測試挑戰，也就是時間對齊誤差(Time Alignment Error, TAE)測量，而這需要多個元件載波同步解調(Simultaneous Demodulation)，因此目前測試儀器商利用軟硬體互相配合的方式，並在同時間內取的元件載波，同步調解訊號，再進行同步分析以解決上述情況。

擴張頻譜資源　業界轉向LTE-U技術

除想方設法利用手上現有的頻譜資源，許多網路營運商也積極擴大採用未授權頻譜(LTE-U)，再加上日前出現一項新興技術--LTE輔助授權頻譜接取(License Assisted Access, LAA)，可望加快B4G技術走向未授權頻譜，以增加使用的網路頻寬。就目前觀察，該技術現大多使用於資料需求量較大的下行鏈路。

諾基亞通信(Nokia Networks)行動寬頻資深技術專家陳銘邦(圖8)表示，LTE技術市場進入商轉、智慧型手機裝置數量成長，和大量的行動影音數據增加，都是行動數據流量成長的主要驅動因素，且此波成長趨勢將會持續到2020年，而LTE-U/LAA技術無疑是有限頻譜資源環境下的最好出路。

圖8 諾基亞通信行動寬頻資深技術專家陳銘邦指出，LTE-U是網路營運商欲擴大頻譜資源的理想技術。

陳銘邦進一步表示，終端使用者在上行鏈路和下行鏈路的使用比例是一比十，只有在特別活動舉行，像是跨年或是國際運動賽事轉播，才會出現一比一的情況，因此目前大多數營運商主要還是將該技術用於下行鏈路。

陳銘邦指出，LTE-U/LAA兩項技術的使用情況有幾項條件。首先，不管在室內或室外，LTE-U/LAA一定要和小型基地台搭配使用；其主要應用頻段為5GHz；此外，目前LTE-U/LAA主打企業應用，並沒有計畫要應用於一般家庭，也不考慮使用擁擠的2.4GHz頻段。另外，因為有訊號切換的問題，所以LTE-U也一定要和授權頻譜一起使用。

據了解，LTE-U是3GPP在2014年Release13標準制定會議中提出，預計整個標準制定將在2016年結束，相關裝置則會在標準制定結束後18個月開始大量湧現並進入商轉階段。