借力二次跳躍存取技術　LTE提升高鐵行動通訊效能

為了能夠應付這些通訊問題的挑戰，並考量高鐵列車具備可預期的移動特性，也就是列車上所有的使用者都具有相同的移動行為，規劃以雙連結(Two Link)的通訊方式做為高鐵車廂內對外的通訊，其涵意是車廂內的終端設備必須先利用車廂內的轉接器來與外界進行通訊。

高速移動網路頻寬不足　LTE有解

目前台灣高鐵所提供的寬頻無線上網服務，除了在車站所提供的WiFLY服務外，列車上也透過沿線WiMAX基地台傳輸做為無線骨幹網路提供給車廂內WiFi寬頻無線上網服務，一般民眾目前能夠以手持式WiFi裝置進行無線上網，語音通訊方面則可以使用電信服務商所提供的GSM(2G)或WCDMA(3G)服務，但由於行動電話的服務在北部區域容易受地形影響，導致沿線2G/3G的語音通訊品質並不穩定。WiMAX無線骨幹網路雖可提供在車速300公里下，每10MHz頻寬可傳輸之平均傳輸率(Average Throughpu)大於7Mbps。但是對於高鐵列車上近千名乘客的手持式智慧型裝置所需的更大頻寬來提供行動寬頻服務而言，以這樣的傳輸率當然無法滿足。

因此，如何利用地面通訊系統提供高鐵乘客穩定而高流量的網路接取服務仍是一待突破的議題。除了技術上的突破，高鐵通訊技術的另一門檻是實驗環境的建置，必須有高速載具與路面基地台建設才能進行實際的場域測試，而台灣在這方面具有完備的先天條件。過去台灣在WiMAX/WiFi高鐵寬頻上網技術與實地驗證上已經突破關鍵技術研發，為未來在研發高流量與超高速移動網路的後置網路能量上建立良好的技術研發基礎。

LTE(Long Term Evolution)為3GPP所制定的新一代4G無線行動寬頻通訊系統，其主要定義在2008年公布的3GPP Release 8以及之後的版本。現今高傳輸性的網路應用已經延伸至各種行動通訊產品上，LTE的規格目標上是希望在20MHz頻段的上、下行傳輸分別可達到100Mbps與50Mbps的高速傳輸速率並且保有良好連線品質，即使基地台的服務邊緣(Cell Edge)亦須如此，隨著高速鐵路的興起，在高速下亦能保持一定的通訊傳輸品質是目前的發展趨勢。LTE可支援到最高時速350公里的無線寬頻通訊系統。因此，LTE在4G標準中相當被看好能夠成為新一代高速移動無線通訊系統主流。基於上述這些理由，我們以LTE系統做為高速移動網路系統架構來建構高鐵LTE行動通訊技術整合測試平台，同時結合產業能量與需求來與國際同步接軌全球次世代高鐵寬頻通訊的發展。

高鐵LTE行動通訊技術測試平台建置

圖1顯示為規劃的高鐵LTE網路系統架構，提出創新的二次跳躍存取連結(2-Hop Access Link)技術，主要將使用者與網路端之間的連接方式劃分為地面對列車(Ground-to-Train)的LTE無線骨幹網路(Wireless Backhaul)與列車車廂內LTE/WiFi網路(In-Cabin LTE/WiFi)系統兩個部分，高鐵地面對列車通訊網路使用行動LTE系統(Mobile LTE System)，而列車車廂內網路則是透過LTE小型基地台(Small Cell)或WiFi通訊網路(WiFi LAN)，可直接傳送訊號給車廂中的行動裝置來減少傳輸耗損。

圖1 高鐵LTE網路系統架構

為了達到實地驗證4G LTE技術在高速移動環境下能夠維持穩定的通訊傳輸品質，本次測試以台灣高鐵做為高速載具，使用LTE分時多工(Time Division Duplexing, TDD)技術來建置高鐵LTE行動通訊技術的測試平台，該技術實測的成果將揭示行動通訊技術在高速移動載具上流暢運作的可能性。

通訊系統的使用頻段(Frequency Band)在網路佈建規畫中是一個相當重要的因素，它會直接影響網路佈建規模與方式、主設備與天線型態、終端設備等多項關鍵環節。

由於空間傳輸的衰減程度及穿透損耗等方面的差異容易導致不同無線訊號頻段的覆蓋差異，在TD-LTE系統的頻段選擇上共有兩個頻段可供戶外使用，分別為1800MHz∼1900MHz與2570MHz∼2620MHz，但在台灣1.8GHz的頻段目前規劃給LTE分頻多工(Frequency Division Duplexing, FDD)系統來使用，因此我們選擇使用2.6GHz的頻段來做為佈建戶外LTE基站以提供無線訊號的覆蓋。

高鐵無線試驗網路基地台規畫(Cell Planning)的主要考量是無線訊號的覆蓋率(Coverage)，目標為無線訊號範圍內的訊號強度指標都能夠達到基本的連線要求，而在LTE網路中一般是以參考訊號的接收功率(Reference Signal Receiving Power, RSRP)來做為無線訊號強度的指標。在列車內用戶端設備(Customer Premise Equipment, CPE)對於基地台的通訊網路採用LTE系統技術，戶外移動環境內則使用LTE eNB基地台，另外規劃使用光載無線電(Radio over Fiber, RoF)技術來強化戶外區域訊號覆蓋與保持隧道環境內的通訊連續性。建置範圍為高鐵新竹站至桃園楊梅之間距離約12公里，其中建置包含3座LTE eNB基地台之數位單元(Digital Unit, DU)於高鐵新竹站、湖口、楊梅與多組的RoF設備。每一戶外LTEeNB基地台細胞(Cell)半徑以1.5公里的覆蓋範圍為考量來規劃建置遠端射頻單元(Remote Radio Unit, RRU)，而隧道環境內同樣以建置基地台RRU的方式或建置多組RoF設備來確保訊號強度不至於過低而造成斷訊的情形發生並且考量於戶外區建置額外的RoF設備來強化戶外區訊號覆蓋。

光載無線電傳輸技術

隧道環境內的通訊問題是高鐵通訊上的一大課題，為了達到隧道環境內通訊不中斷的目標，除了可以使用基地台RRU來進行傳輸之外，我們也開發以RoF傳輸技術為基礎的傳輸設備，最主要考量的目的為可以大幅降低建置成本。每組RoF設備主要分為頭端設備單元(Head End Unit, HEU)與遠端天線單元(Remote Antenna Unit, RAU)，圖2為RoF系統的基本架構。每一組RoF設備皆必須通過與高鐵LTE eNB基地台的連線測試與效能驗證。在使用頻率2.5∼2.7GHz的情況下，RoF設備的目標規格必須滿足最大下傳發射功率為26dBm，動態範圍(Dynamic Range)需大於50dB，誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)需小於2.5%以及RAU傳送端與接收端之間的隔離度(Isolation)需大於70dB等條件限制。

圖2 RoF系統基本架構

此外，針對RoF與LTE eNB系統下行與上行傳輸的TCP傳輸速度也必須進行驗證，其中LTE eNB與RoF的發射功率分別設定為46dBm與26dBm，LTE下行鏈結的傳輸模式(Transmission mode, TM)設定為2，TM2是採用傳送分集(Transmit Diversity)的傳輸模式，使用的UE(User Equipment)是使用Category 3(CAT 3)，理論上預期可提供下行與上行傳輸最高分別為100Mbps與50Mbps的傳輸速度。而實際量測驗證的結果，RoF的平均下行與上行傳輸結果分別可達到約54Mbps與9.6Mbps。

高鐵LTE無線鏈路效能估測

任何無線電接收網路(Radio Access Network)的初步規劃都是起始於無線鏈路預算(Link Budget)，透過鏈路預算可以估測出UE所接收到的RSRP與預期所能達到的傳輸速度。下表1為我們使用於高鐵LTE無線鏈路預算與LTE eNB基地台相關參數值的設定，其中LTE eNB基地台的最大傳輸功率為46dBm，戶外所使用的基地台天線增益為17dBi，基地台天線連接器(Connector)至天線的電纜損耗(Cable Loss)為0.5dB，該電纜損耗取決於電纜長度、厚度和頻帶等因素，目前許多裝置的射頻頭端設備(RF Head)的功率放大器與天線都可以相當靠近也使得電纜損耗影響傳輸品質的可能性降低許多。

在高鐵車廂內，將CPE安裝於列車之中的電纜線損耗量測結果約為10dB，其所使用的車頂天線的天線增益為2dBi，LTE eNB基地台的TDD配置設定為2(上下行分配比率為3:1)，特殊子訊框結構(Special Sub-Frame Configuration, SSFC)設定為7，該值可依不同的需求來進行調整。TD-LTE系統所使用的頻段為2.6GHz，使用頻寬(Bandwidth)為20MHz。傳輸模式(Transmission Mode, TM)設定為TM3，是採用空間多工傳送模式的天線技術，所使用的UE為Category3設備。

以戶外LTE eNB基地台的細胞半徑(Cell Radius)為1.5km為例，假設LTE eNB基地台的細胞式特有的參考信號(Cell Specific Reference Signal, CRS)的傳輸功率為15.2dBm，預測CPE UE所接收到的訊號強度RSRP約等於CRS的傳輸功率減去基地台與CPE間的傳輸損耗便可以得到，而基地台與CPE間的傳輸損耗則是約等同於空氣傳輸損耗(Air Loss)、基地台與CPE的配電饋線(Feeder Cable)的損耗的總和減去基地台與CPE所使用的天線增益。

因此，為了估算出訊號強度RSRP的分佈便必須先取得空氣傳輸損耗的分布，依據過去量測經驗的結果可以逕自取得空氣傳輸損耗的分布約介於74dB至118dB之間，而在估測出接收訊號強度RSRP分布之後便可以進一步估測出相對應的TCP傳輸速度的分布。圖3為估測之接收訊號強度RSRP對應於TCP傳輸資料吞吐量的分布圖，假設在傳輸模式為TM3的情況下，當收訊號強度RSRP約為-90dBm時，其下行與上行TCP資料吞吐量預估大約分別可以達到62Mbps與10Mbps。

圖3 估測之接收訊號強度RSRP對應於TCP傳輸資料吞吐量的分布圖

高鐵LTE行動通訊技術測試平台效能量測

為有效提升高鐵LTE行動通訊技術測試平台效能，透過量測與網路優化結果調整網路配置。在此針對測試平台的效能量測提出兩項實際量測例來進行介紹說明，包含高鐵新竹至楊梅段LTE eNB基地台結合RoF異質網路系統整合系統列車動態效能測試與2-HOP Access效能測試。

高鐵LTE行動通訊技術測試平台所佈建的實測環境是利用高鐵軌道沿線從新竹車站到桃園楊梅路段之間，途經犁頭山與湖口兩處隧道，LTE基地台分別建置於新竹車站(S1)、湖口(S2)及楊梅(S3)，並且在犁頭山隧道環境內與隧道間架設LTE專屬之RoF設備，湖口隧道內則是使用LTE RRU設備建構多個Cell。

此外，在高鐵列車上裝設一台LTE CPE來與高鐵新竹至楊梅間沿線LTE基地台進行高速移動效能量測，完成高鐵LTE無線骨幹網路效能測試與LTE eNB基地台與RoF整合系統的效能量測。圖4為高鐵新竹至楊梅段LTE eNB基地台結合RoF異質網路系統整合系統列車動態效能量測結果，在頻寬20MHz情況下，使用CAT3 UE且傳輸模式為TM2時，最高傳輸速度約可達到約54Mbps，平均效能約可達約30Mbps。

圖4 高鐵新竹至楊梅段eNB結合RoF異質網路系統整合系統列車動態效能量測

圖5為2-Hop Access效能量測結果，該量測例在高鐵沿線僅使用LTE RRU設備進行訊號覆蓋。在頻寬為20MHz與傳輸模式為TM3的情況下，新竹至楊梅段訊號強度指標RSRP 95%以上達到-90dBm以上，且在新竹站靜止狀態下可以達到最高傳輸速度大約64Mbps，平均傳輸速度則可以達到約30Mbps。

圖5 2-HOP Access效能測試結果

此外，對於高鐵LTE行動通訊技術測試平台佈建範圍內的訊號強度RSRP分布差異與可靠度(Ping Reliability)分佈的量測結果也是評估網路效能優劣的重要依據。

表2與表3分別為高鐵試驗網各地理區域在1-HOP Access不同座位情況下與2-HOP Access並使用列車車頂MIMO天線情況下之RSRP分布差異(目標高於-90dBm)與訊號強度RSRP高於-90dBm比率差異(該統計含弱訊區但不包含斷訊區域)。使用列車車頂MIMO天線，全區RSRP高於-90dBm的比率高達90%以上。表4與表5則分別為高鐵試驗網各地理區域在1-HOP Access不同座位情況下與2-HOP Access並使用列車車頂MIMO天線情況下之平均封包延遲時間分布差異(目標平均封包延遲時間小於300ms，可靠度96%)與全區可靠度比率差異(不包含斷訊區域)，使用列車車頂MIMO天線所接收之平均RTT為74.9ms，可靠度已經可以達到約96%。

技術到位　高鐵LTE蓄勢待發

高鐵LTE試驗網平台傳輸效能的量測實例成果會依據網路優化進度不斷進行調整與量測，本文僅能以有限的篇幅介紹說明幾個實際量測的例子。有鑒於更快更遠之旅運需求，全球高鐵市場在未來十年內將大幅地成長，而藉由此次高鐵LTE試驗網平台傳輸效能的量測，除了提出創新的存取連結架構方案為特色應用的系統整合方案奠定優良基礎之外，通訊系統優化技術也進一步改善了目前行動載具內的網路服務，並滿足行動網路用戶的使用者體驗，同時也使得台灣擁有紮實的資通訊基礎建設、技術與經驗等多方的優勢。

由於高速移動載具內的行動通訊已成為5G通訊標準的研究項目之一，此次高鐵行動通訊技術測試平台不僅對台灣LTE的發展具指標性，得以成功展現創新ICT技術為民眾帶來更美好的生活體驗，同時也對加速智慧生活發展將有具體貢獻，不僅為台灣LTE的發展立下里程碑，更為5G通訊奠定良好的基礎。未來要如何在高速移動網路進一步提升使用者的資料傳輸率並降低大型基地台與使用者裝置的封包延遲時間，仍是亟待解決的議題。

(本文作者任職於工研院資通所)