競逐IMT-Advanced接納　WiMAX/LTE各自努力

資料來源：ITU 圖1　1998～2009年全球電話與寬頻用戶數推移

IMT-Advanced擘劃　4G通訊藍圖

在3G網路陸續進入商用化階段後，國際電信聯盟無線電通信部門(ITU-R)自2002年起，已針對IMT-2000後續的通訊技術進行一系列頻譜、市場、使用規範、技術等議題的探討(圖2)。並於2005年10月將IMT-2000日後的發展規範訂名為IMT-Advanced。

資料來源：ITU 圖2　ITU IMT-Advanced 進程

2008年初，ITU-R於負責地表傳輸服務的Study Group 5旗下成立了Working Party 5D(WP 5D)，負責IMT-Advanced技術提案的收件與評估工作。WP5D於2008年3月向會員發出通知函(Circular Letter)，徵求IMT-Advanced無線介面技術(Radio Interface Technologies, RITs)的提案(圖3)。

資料來源：ITU 圖3　ITU Radio IMT-Advanced 進程

截至目前為止，WP 5D已完成前三個階段的工作，並完成了第一個里程碑，也就是IMT-Advanced無線介面技術提案的收件工作。目前共有3GPP陣營提出的第十版長程演進計畫(LTE Release 10，也被稱為LTE-Advanced)、TD-LTE-Advanced技術，以及IEEE陣營提出的802.16m技術。後續的評估工作將在2011年2月分完成，屆時會決定哪些技術可以成為IMT-Advanced的技術標準。

LTE-Advanced標準緊鑼密鼓

為了因應未來下一代行動通訊的需求，3GPP於2004年12月針對演進UMTS陸地無線存取(Evolved UTRA, E-UTRA)與演進UMTS陸地無線存取網路(E-UTRAN)等議題展開研究，揭開了LTE的標準制訂活動。此一技術製定的目的為提供高資料傳輸率、低延遲與針對封包傳輸最佳化的無線接取技術架構。  

LTE標準制訂的進程可分為研究項目階段(Study Item Phase)與實作項目階段(Work Item Phase)。前者至2006年9月已告一段落，並完成E-UTRA和E-URTAN的可行性評估，該文件編號TR 25.912。後者旋即在此一基礎上進行實際規格的細部制定動作，並已陸續完成服務描述(Service Description)、邏輯分析(Logical Analysis)與通訊協定實做等工作。LTE的初版標準已於2008年12月完成(Freeze)，ASN.1的部分亦於2009年3月完成，為3GPP Release 8的標準。而Release 8後續的Release 9改版預計於2009年12月完成。  

根據3GPP TR 25.913文件的定義，LTE下行峰值速率(Downlink Peak Data Rate)為100Mbit/s，上行峰值速率(Uplink Peak Data Rate)為50Mit/s，較WCDMA/HSPA有大幅的演進。由於LTE的技術規格無法完全滿足IMT-Advanced的需求，LTE被稱為是3.9G的通訊技術。  

針對IMT-Advanced的技術需求，3GPP於2008年3月的RAN#39會議中決議展開LTE-Advanced的研究(圖4)。按照原本的規畫，LTE-Advanced的研究應配合IMT-Advanced的送件時程，一併於2009年9月完成，但因中繼(Relay)與部分議題須進行更進一步的探討，目前已延後到2010年6月完成，但IMT-Advanced所需的文件已於送件前完成，不會對於IMT-Advanced送件造成影響。3GPP於2008年4月的LTE-Advanced Workshop針對技術需求進行討論，在2008年6月的RAN#40會議通過TR 36.913 LTE-Advanced技術需求文件。

資料來源：3GPP 圖4　LTE-Advanced與IMT-Advanced時程關係圖

因LTE-Advanced的技術須配合ITU-R所訂出的送件時程，為了這個目標，3GPP訂出「Early Proposal」、「Complete Technology」、「Final Submission」三階段的建議書，目前已分別於2008年9月的RAN#41會議完成「Early Proposal」並於2008年10月ITU-R WP 5D #3會議中提出；於2009年5月的RAN#44會議完成「Complete Technology」並於2009年6月ITU-R WP 5D #5會議中提出；於2009年9月的RAN#45會議完成「Final Submission」，並於2009年10月ITU-R WP 5D #6會議中提出，且已收到ITU-R的正式確認(Acknowledgement)。  

3GPP針對於ITU-R Submission，將以“3GPP Submission Package for IMT-Advanced”(RP-090939)搭配“TU-R Submission Cover Page”(RP-090736)進行送件，RP-090939由五個壓縮檔組成(圖5)。

資料來源：3GPP 圖5　3GPP ITU-R IMT-Advanced Submission文件組成

關於3GPP LTE-Advanced Release-10的時程規畫，為配合ITU-R WP 5D對IMT-Advanced標準的審查，預計於2010年底完成第三階段技術文件，ASN.1的部分則預計於2011年上半年完成。

IEEE 802.16m搶搭IMT-Advanced列車

IEEE 802.16 Working Group負責無線寬頻存取(Broadband Wireless Access)標準的制訂，旗下的Task Group m(TGm)則負責802.16m(WiMAX2)標準的制訂，也是IEEE 802.16為推動下一代WiMAX成為IMT-Advanced系統而成立的Task Group。自2006年12月IEEE-SA標準委員會批准TGm成立以來，已歷經了將近兩年的發展，目前已完成系統需求書(System Requirement Document, SRD、評估準則書(Evaluation Methodology Document, EMD)、系統描述書(System Description Document, SDD)等文件。其中SRD定義IEEE 802.16m系統之基本需求，日後標準之制定以此文件之內容為原則；EMD提供參與標準制定者評估系統效能的準則，包含模擬環境之需求與相關模擬參數之設定建議；SDD則針對IEEE 802.16m各種系統特徵進行描述，且日後先期文件修定工作書(Amendment Working Document, AWD)的制訂原則上不可違反SDD所定義的框架。

圖6為802.16m與IMT-Advanced制定時程的規畫表。為配合IMT-Advanced制訂的進程，TGm已於2009年8月進入會員投票階段，預計2010年1月進入贊助商投票階段。目前整個IEEE 802.16m系統設計較為完整的部分包含媒體存取控制層(MAC Layer)與實體層(PHY Layer)，而毫微微型蜂巢式基地台(Femto Advanced Base Station, Femto ABS)、16m中繼台(Advanced Relay Station, ARS)、多重基地台之多重輸入與多重輸出技術(Multi-BS MIMO)、自我組織網路(Self Organization Network, SON)、定位服務(Location Based Service, LBS)、增強型群播與廣播服務(Enhanced Multicast and Broadcast Service, EMBS)等部分則尚在討論的階段。

資料來源：IEEE 圖6　IEEE 802.16m與IMT-Advanced制訂時程

事實上，除了IEEE 802.16外，另一個稱為IEEE 802.18的標準也對IMT-Advanced扮演著重要的角色。IEEE 802.18的主要工作是研究國家與國際間的無線頻譜管理機制。IEEE 802.16或IEEE 802.18所產生之ITU-R的文件，須經過彼此的審閱後才會經由IEEE 802提交報請IEEE EC(執行委員會)通過。其中IEEE 802.16與IEEE 802.18或ITU-R之間的聯繫則是透過諮詢小組負責聯繫。

延伸覆蓋率仍為探討焦點

IEEE 802.16自2008年9月開始進行IMT-Advanced提案工作，目前已提交ITU-R一份完整的射頻介面技術建議書，主要內容包含技術 描述(Technology Description)、鏈路估算(Link Budget)、服 務依循(Service Compliance)、頻譜 依循(Spectrum Compliance)、效能依循(Performance Compliance)等各模板(Template)，為802.16m系統實作提供必要的細節規範。  

由於4G技術將鎖定行動寬頻上網等對資料流量要求極高的應用，因此可預期的是，單一4G無線基地台的訊號涵蓋範圍將相對有限，這也使得訊號覆蓋率成為網路部署時的一大挑戰。  

為了以合理的成本提升訊號覆蓋率，3GPP與IEEE針對於IMT-Advanced覆蓋率的問題，均導入中繼站與毫微微型蜂巢式基地台(3GPP稱為Home eNodeB)等新型態的基礎設備作為解決方案，以下以3GPP為例，簡介這兩種覆蓋率延伸技術。  

‧

LTE-Advanced Relay 技術發展現況

中繼站是布建在室外的一種基地台，可增加原先基地台(eNodeB)的覆蓋面。圖7是E-UTRAN和中繼站的網路架構關係圖。手機(UE)可以藉由基地台(eNodeB)連上E-UTRAN，也可藉由Relay連上基地台，再連上E-UTRAN。中繼站的網路架構主要包含連接Relay的基地台(Donor eNodeB)、處理Relay訊息的行動管理實體(Mobility Management Entity, MME)、處理Relay資料流的服務閘道器(Serving Gateway, S-GW)、處理UE訊息的MME及UE資料流的S-GW。 圖7　3GPP LTE-Advanced Relay網路架構圖 目前3GPP正在制定Relay和Donor eNodeB之間的Un介面、處理Relay訊號和資料流的MME，並對S-GW和Donor eNodeB間的關係做更清楚的定義。處理Relay和UE訊號和資料流的MMEs及S-GWs間的關係，也有尚待釐清的部分。Donor eNodeB和MME及S-GW之間，主要還是依據標準的S1介面。 目前Relay共有四種不同的網路架構提案，分別是全L3中繼(Full L3 Relay)、代理S1/X2(Proxy S1/X2)、無線網路承載(Radio Network Bearer)終結於Donor eNodeB及S1上行至Donor eNodeB。其中前三種已在2009年10月分的3GPP RAN Working Group會議決議整合為Alternative A，而最後一種則稱作Alternative B。 Relay技術會在2009年底先由RAN3決定架構面的議題，2010年再交由RAN2做更進一步討論。在RAN3處理的議題包括S1-MME和S1-U應終結在Relay端或Donor eNodeB端、X2介面是否可用於Relay及相對的終結點等問題；RAN2的議題則包括在Un介面上的服務品質(QoS)及承載指派(Bearer Mapping)、L2/L3的更動、減少標頭經常性成本(Header Overhead)及智慧型前傳(Smart Forwarding)。

‧

LTE-Advanced Home eNodeB 技術發展現況

Home eNodeB是部署在建築物內的LTE/LTE-Advanced小型基地台，為營運商提供更佳的覆蓋區域與室內訊號強度。3GPP LTE/LTE-Advanced Home eNodeB技術發展，沿用部分之前3G對Home NodeB定下的規範，再套用在LTE/LTE-Advanced現有的通訊協定上。圖8是E-UTRAN和Home eNodeB的網路架構關係圖。 資料來源：3GPP 圖8　Home eNodeB架構圖 Home eNodeB的網路架構主要包含：處理訊息的行動管理實體、處理資料流的S-GW以及作為小型基地台的Home eNodeB。Home eNodeB可以直接接上MME及S-GW，也可透過Home eNodeB Gateway來連接上MME及S-GW。Home eNodeB Gateway可以連接一個以上的Home eNodeB。由於營運商可能會在同一個區域內布建 眾多的Home eNodeB， 因此可透過Home eNodeB Gateway來管理多台Home eNodeB。 Home eNodeB送往MME及S-GW的訊息及資料流， 可以透過Home eNodeB Gateway匯集，而MME及S-GW送下來的訊息及資料流，可以先送往Home eNodeB Gateway處理，避免MME及S-GW直接對這些Home eNodeB做溝通，以簡化網路的管理。Home eNodeB和MME、S-GW及Home eNodeB Gateway之間，則是透過標準的S1介面作溝通。 目前3GPP針對Home eNodeB仍有些議題並未獲得結論，如第九版3GPP中，針對強化型Home eNodeB的服務與系統型態(SA)與無線存取網路(RAN)工作小組所制定的標準便還有待SA全體會議與RAN全體會議完成最終審核。此外，包括系統架構及功能、安全性、網路營運、監管、維護等議題，也還有未獲得定論之處。在射頻端部分，如強化型Home eNodeB的無線端實作及應如何減少不同基地台間互相干擾等問題，也還有進一步討論釐清的空間。

LTE/802.16m問鼎4G江山

行動通訊經過多年來的發展，通訊標準走向更開放、集合更多人智慧的方式來制訂。由於3GPP的LTE/LTE-Advanced技術為其3G WCDMA/HSPA技術的演進，中國大陸的TD-SCDMA的後續技術為TD-LTE(又稱為LTE TDD Mode)，因此目前IMT-Advanced技術已形成3GPP的LTE-Advanced與IEEE的802.16m兩大陣營對壘的局面。  

有鑑於目前通訊關鍵專利多掌握於國際大廠，國內廠商在面臨產品利潤不斷被壓縮下，仍要付出高額的權利金，為了提升產業競爭力，了解國際通訊標準發展現況、發展相關專利與智財，進一步參與國際標準制訂是進行通訊產業升級所必需的投資。

(本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)