目前，全球行動通訊系統(UMTS)網路正升級成高速下行鏈路封包存取(High Speed Downlink Packet Access, HSDPA)，以提升資料速率及下行鏈路封包資料的容量；緊接著而來的是，高速上行鏈路封包存取(High Speed Uplink Packet Access, HSUPA)將提升UMTS網路中的上行鏈路效能。HSDPA是屬於第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)第五版中的功能，而HSUPA是3GPP第六版中的重要功能；使用者通常把HSDPA及HSUPA的組合統稱為高速封包存取(HSPA)。
然而，即使引進HSPA、UMTS的發展仍未結束。HSPA+將在3GPP第七版中帶來重大的強化功能。在此的目標是強化HSPA式的無線電網路效能，包括頻譜效率、尖峰資料速率及延遲方面，並利用WCDMA式5MHz作業的充分潛能。HSPA+的重要功能為下行鏈路多重輸入多重輸出(MIMO)、更高順序的上行鏈路及下行鏈路調變、第二層通訊協定的強化功能，以及持續性的封包連線。
UMTS長期發展的需求與本質
為確保UMTS在接下來的10年及之後的時間具備競爭力，UMTS的長期發展(Long Term Evolution, LTE)已列入研究計畫中，主要目標為發展高資料速率、低延遲及封包最佳化的無線電存取技術；因此，在發展的UMTS陸地無線電存取(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access, E-UTRA)及發展的UMTS陸地無線電存取網路(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN)的3GPP第七版中展開研究項目，之後，LTE/EUTRA將緊接著成為3GPP第八版的核心規格。本篇文章的重心將放在LTE/E-UTRA技術。
在LTE的研究項目中，3GPP的工作首先著重於需求的定義，如資料速率、容量、頻譜效率及延遲的目標等；此外，安裝及使用電信網路成本等商業層面也被納入考量。根據這些需求，我們對空中介面傳輸架構及通訊協定的技術概念進行研究。
值得注意的是，LTE在空中介面上使用新的多重存取架構：下行鏈路中的正交分頻多重存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)及上行鏈路中的單一載頻分頻多重存取(Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA)。
其次，LTE的本質部分是由MIMO天線架構所組成。在簡化通訊協定架構的嘗試中，LTE為既有的UMTS通訊協定概念帶來某些重大的改變--在3GPP系統架構發展(System Architecture Evolution, SAE)的背景中研究對整體網路架構的影響(包括核心網路在內)。
為封包交換提供最佳支援
LTE將重點放在封包交換(Packet Switched, PS)的最佳支援上。LTE系統設計的主要需求已記錄於3GPP TR 25.913中，摘要如下：
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假定終端機有兩個接收天線及一個傳輸天線，則20MHz頻譜配置的尖峰資料速率目標為下行鏈路100Mbit/s以及上行鏈路50Mbit/s。 |
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每MHz下行鏈路平均使用者傳輸量的目標比第六版更大上三至四倍。每MHz上行鏈路平均使用者傳輸量的目標比第六版更大上兩至三倍。 |
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下行鏈路目標比第六版更高上三至四倍。上行鏈路目標比第六版更高上兩至三倍。 |
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在任一使用者端設備(UE)或無線存取網路中，IP層可取用的封包及無線存取網路/UE，其中IP層處於該封包的可取用性之間，單向運輸的時間應短於5毫秒。 |
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應支援5MHz、10MHz、15MHz、20MHz可擴充的頻寬。此外，應支援小於5MHz的頻寬，以獲得更高的彈性。 |
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應確保與既有UTRAN/GERAN系統及非3GPP系統的交互運作。多重模式的終端機應支援至與來自UTRAN及GERAN的移交，以及交互的異質接取網路(RAT)量測。E-UTRAN及UTRAN/GERAN之間移交的中止時間在即時服務方面應短於300毫秒，而在非即時服務方面則應短於500毫秒。 |
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應達到後置網路(Backhaul)在內的通訊設備投資(CAPEX)及營運性支出(OPEX)的減少。應使來自第六版UTRA無線電介面及架構具成本效益的移轉成為可能。應確保合理的系統及終端機複雜性、成本及電源的消耗。所有指定的介面應開放，以具有數家廠商的設備互通性。 |
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系統應經過最佳化，已具有每小時0～15公里的低行動速度，但是還應支援更高的行動速度，包括特殊情況像是高速鐵路的環境等。 |
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可在配對(分頻雙工/FDD模式)及無配對的頻譜(分時雙工/TDD模式)中作業。 |
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應確保在相同地理區域中共存及與GERAN/UTRAN的共置。此外，在鄰近頻帶中系統業者間的共存及跨越邊界的共存為必備條件 |
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應支援終端到終端的服務品質(Quality of Service, QoS)。應以至少像UMTS迴路交換網路上語音訊號服務一樣好的無線電及後置網路效率與延遲支援網路語音通訊協定(VoIP)。 |
LTE下行鏈路傳輸架構
E-UTRA分頻雙工(FDD)及分時雙工(TDD)模式的下行鏈路傳輸架構是以傳統式的OFDM為基礎。在OFDM系統中，可取用的頻譜分為數個載波，稱為子載波，它們互成正交。每個子載波各自由低速率資料串流調變。
採OFDMA為基礎
OFDM在無線區域網路(WLAN)、全球微波互通存取介面(WiMAX)及諸如DVB等廣播技術中也有使用。OFDM具有若干優勢，包括其預防多重路徑衰減(Multipath Fading)的健全性及其有效率的接收器架構(圖1)。圖中顯示具有5MHz頻寬的訊號，然而原理當然是其他E-UTRA頻寬的相同原理。資料符號各自在大量緊密隔開的正交子載波上經過調變及傳輸。下行鏈路調變架構正交相位位移鍵控(QPSK)、16階正交調幅(QAM)及64階QAM皆可取得。
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| 圖1 OFDM訊號的頻率-時間表現 |
在時間範圍中，可將保護區間(Guard Interval)加入每個符號中，以努力消除由於通道延遲長度而造成OFDM符號的相互干擾。在EUTRA中，此保護區間為循環碼，在每個OFDM符號之前插入。
E-UTRA FDD及TDD模組有一般性的架構定義。此外，只有TDD模式有替代性的架構定義。在一般性的架構方面，10毫秒無線電框架分為二十個等分的0.5毫秒插槽。子框架包含兩個連貫的時槽，因此一個無線電框架包含十個子框架如圖2所示，Ts表示相當於30.72MHz的基本時間單位。
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| 圖2 E-UTRA下行鏈路中的一般性架構 |
下行鏈路實體層程序
在E-UTRA方面，以下的下行鏈路實體層程序特別重要，包含了資料格搜尋及同步化、排程、連結適應及混合自動重複要求(Hybrid ARQ)。
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排程是在基地台(eNodeB)中完成的。下行鏈路控制通道(PDCCH)會告知使用者關於其分配的時間/頻率資源及使用的傳輸格式。排程器會評估不同類型的資訊，如服務品質參數、來自UE的評估、UE功能及緩衝區狀態等。 |
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連結適應自HSDPA起就已知為適應性調變(Adaptive Modulation)及編碼。此外在E-UTRA中，共享資料通道的調變及編碼並非固定，而是根據無線電訊號品質進行調整。為了此一目的，UE必須經常向eNodeB報告通道品質指示(Channel Quality Indication, CQI)。 |
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下行鏈路Hybrid ARQ自HSDPA起就為人所知。它是重複傳輸通訊協定。UE可要求重複傳輸非正確接收的資料封包。 |
LTE上行鏈路傳輸架構
在LTE的研究項目階段期間，研究了在替代性上最理想的上行鏈路傳輸架構。儘管OFDMA被視為最能滿足下行鏈路中的LTE需求，OFDMA屬性則比較不適合上行鏈路。這主要是由於OFDMA訊號較弱的峰值對均值功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)屬性之故，導致更差的上行鏈路涵蓋範圍。
單載波分頻多工(SC-FDMA)
因此，FDD及TDD模式的LTE上行鏈路傳輸架構是根據具有循環碼的SC-FDMA；與OFDMA訊號相較，SC-FDMA訊號具有更好的PAPR屬性。這是選擇SC-FDMA作為LTE上行鏈路存取架構的主要原因之一。若要具備成本效益的UE功率放大器設計，PAPR特性便是重要的。儘管如此，SC-FDMA訊號處理與OFDMA訊號處理具有某些類似之處，故下行鏈路及上行鏈路的參數是可協調的。
E-UTRA上行鏈路結構類似下行鏈路。上行鏈路無線電框架由各為0.5毫秒的20個時槽構成，而一個子框架則由兩個時槽構成(圖3)。
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| 圖3 上行鏈路插槽結構 |
每個時槽
傳送SC-FDMA符號，當中標準循環碼為
=7，而延長循環碼則為
=6。SC-FDMA符號3，即時槽中第四個符號，傳送參考訊號作為通道解調之用。
上行鏈路實體層程序
在E-UTRA方面，以下的上行鏈路實體層程序尤其重要。
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隨機存取在從閒置轉為連線或重新建立上行鏈路同步化時，可用以要求作為移交一部分初步存取。
隨機存取程序使用類似寬頻分碼多工存取(WCDMA)的開放性功率控制及功率上升。在於選取的隨機存取通道上傳送標頭，UE會等待隨機存取回應訊息。如果沒有偵測到任何回應，則會選取另一個隨機存取通道，然後再傳送標頭一次。 |
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上行鏈路資源的排程是由基地台eNodeB完成的。eNodeB將特定的時間/頻率資源指派給UE，並告知UE關於欲使用的傳輸格式。影響上行鏈路的排程決策是透過下行鏈路中的PDCCH傳達給UE。排程決策可能是根據QoS參數、UE緩衝區狀態、上行鏈路通道品質量測、UE功能、UE量測差距等。 |
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作為上行鏈路的連結適應方法，可使用傳輸功率控制、適應型調變、通道編碼速率以及適應型傳輸頻寬。 |
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有需要進行上行鏈路計時控制，利用eNodeB的接收器視窗對準來自不同UE的傳輸時間。eNodeB將合適的計時控制指令傳送給下行鏈路中的UE，命令其適應各自的傳輸計時。 |
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上行鏈路混合自動重複通訊協定從HSUPA起就為人所知。eNodeB有能力要求不正確接收的資料封包重新傳輸。 |
MIMO為LTE核心架構
MIMO系統形成LTE不可或缺的一部分，這是為了達成渴望輸出量及光譜效率的需求。MIMO關係到發射器及接收器處數個天線的使用。
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在LTE下行鏈路方面，MIMO的2×2組態假定為基線組態，即兩個傳輸天線在基地台處，兩個接收天線在終端機處。包括四個天線在內的組態也被納入考量。
想像有不同的MIMO模式。它必須在空間的多路傳輸及傳輸的多樣性之間有所區隔，而且要視選取架構的通道情況而定。 |
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LTE的上行鏈路MIMO架構將有別於下行鏈路MIMO架構，以將終端的複雜性問題納入考量。在上行鏈路方面，可使用MU-MIMO。數個使用者終端可在相同的資源區塊上同步傳輸。這也稱為空間領域多重存取(Spatial Domain Multiple Access, SDMA)。該架構在UE端只需要一個傳輸天線，這是個大優勢。分享相同資源區塊的UE必須套用相互成正交的引導模式。 |
為利用兩個或以上的傳輸天線優勢，但仍使UE的成本保持低廉，可使用天線子集選擇。在一開始會使用此技術，例如UE會有兩個傳輸天線，但只有一個傳輸鏈及擴音器。交換器接著會選擇提供最佳通道給eNodeB的天線。
測試LTE射頻技術
這部分彰顯的重點層面，為測試LTE的基地台、終端機發射器與接收器零件及RF元件。
首先，在此須研究LTE訊號特性。儘管在LTE下行鏈路方面，開發廠商可充分運用以WiMAX及WLAN等技術獲得的OFDMA專業知識，對上行鏈路而言這卻不是那麼簡單明確的。在LTE上行鏈路中所用的SC-FDMA技術在其他標準中尚未為人知曉。因此，必須特別謹慎研究上行鏈路訊號特性。
一般設定
以下參數主要說明LTE訊號的特性：
LTE訊號產生
在產生LTE訊號方面，可取用訊號產生器SMU200A、SMJ100A或SMATE200A。軟體選項SMx-K55(數位標準LTE/EUTRA)在這些訊號產生器上提供LTE功能。另外一個替代的方式，是在PC上執行的模擬軟體WinIQSIM2可用以產生數位調變訊號的波形，然後可將其上載至上述的訊號產生器上。這需要軟體選項SMx-K255。含軟體選項AFQ-K255的IQ調變產生器AFQ100A也可取用WinIQSIM2。AMU200A基頻訊號產生器及衰弱模擬器支援含軟體選項AMU-K55或AMU-K255的LTE。
圖4顯示OFDMA時間計畫，用以說明使用者設定的LTE下行鏈路訊號內的資源配置。在此範例中，顯示5MHz LTE下行鏈路訊號的0.5毫秒時槽；X軸表示OFDM符號，而Y軸則表示資源區塊。在此所有可取用的資源區塊皆是以使用者資料配置。參考符號是位於第一及第五個OFDM符號中，而L1/L2控制通道則占用頭兩個OFDM符號。請注意，這些設定值是可以設定以個別建立LTE訊號。
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| 圖4 一個時槽情況下，LTE訊號產生的OFDMA時間計畫。 |
另一個OFDMA時間計畫的範例顯示十個時槽的模擬(圖5)，彰顯出SCH的重複間隔。在此範例中，利用使用者資料的配置在一段時間當中會有變化，例如模擬特定的排程情況等。
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| 圖5 模擬十個時插槽，LTE訊號產生的OFDMA時間計畫。 |
LTE訊號分析
在分析LTE訊號的RF特性方面，可使用頻譜及訊號分析器FSQ。LTE訊號分析需要軟體選配FSQ-K100(3GPP LTE/EUTRA下行鏈路)及FSQ-K101(3GPP LTE/EUTRA上行鏈路)。
此處有提供各種量測應用程式，包括調變品質、錯誤向量大小(Error Vector Magnitude, EVM)、星座圖、頻譜量測、互補累積分布函數(CCDF)量測及頻率錯誤(圖6)。另一個替代方式是：EVM可相對於符號進行量測。圖6上面部分顯示在選取的10毫秒時間間隔中的擷取緩衝區。
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| 圖6 EVM相對於LTE下行鏈路訊號載頻的量測 |
EVM分析對於LTE而言特別重要。由於更高順序的調變架構高達64QAM，因此須針對發射器端套用嚴格的EVM要求，以避免輸出量減少。CCDF及波峰因素為功率放大器設計的重要量測法，圖7說明LTE下行鏈路訊號的CCDF量測；而圖8為頻譜量測的範例，說明LTE下行鏈路訊號頻譜的平坦差異。
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| 圖7 LTE下行鏈路訊號的CCDF量測 |
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| 圖8 LTE下行鏈路訊號頻譜平坦差異的量測 |
LTE第一層及通訊協定測試
LTE第一層具有重大的功能，這包括第一層程序，如資料格搜尋、混合自動重複重新傳輸通訊協定、排程、連結適應、上行鏈路計時控制及功率控制等。此外，這些程序具有嚴格的計時要求。因此須透過第一層程序的測試，以保證LTE效能。
LTE通訊協定堆疊測試，須確認發訊的功能，如呼叫設定及發布、呼叫重新組態、狀態處理及行動性等。與2G及3G系統的交互影響是LTE的必備條件，因此必須謹慎測試。此處特別將重點放在輸出量需求的確認上，以確保終端通訊協定堆疊及應用程式能處理高的資料速率。具有個別參數化可能性的彈性測試情況，在LTE建置非常早期階段的研發用途中將有需要。
(本文作者為台灣羅德史瓦茲系統應用部副理)