為了滿足無線通訊傳輸品質與資料速率等需求，第三代合作夥伴計畫(3GPP)開始往演進統一陸地無線存取網路(Evolved UTRA, EUTRA)架構發展，以達到高資料速率(High Data Rate)、低延遲(Low Latency)以及最佳封包轉換(Packet Switch)無線封包存取設計。
實體層技術發展不輟
對於實體層的上行鏈結與下行鏈結傳輸頻寬，長程演進計畫(LTE)支援具可調整的傳輸頻寬，依據不同用戶裝置(User Equipment, UE)硬體規格及其需求，最大傳送頻寬可至20MHz。同時，LTE設計初期要求最高峰值資料速率(Peak Data Rate)下行鏈結與上行鏈結分別為100Mbit/s、50Mbit/s。
不僅如此，LTE也針對細胞邊緣(Cell Edge)的用戶端給予新定義，即在相同的服務範圍內，提供更高的資料速率服務於UE。這意味著LTE實體層技術將有別於過去高速下鏈封包存取(HSDPA)及其增強型上行鏈路(Enhanced Uplink)之設計思維，將考慮更先進的多天線傳輸技術、新的底層基頻訊號(Baseband Signal)設計以及錯誤更正編解碼技術。
對於一些重要的控制通道如實體控制格式指示通道(PCFICH)、實體混合自動請求回覆指示通道(PHICH)、實體下鏈控制通道(PDCCH)、實體上鏈控制通道(PUCCH)等，新的底層基頻訊號如Zadoff Chu序列、多天線技術的空間分集(Spatial Diversity)、尾端位元迴旋碼(Tail-Biting Convolutional Code, TBCC)或區塊碼(Block Code)改錯碼，將有助於控制訊息涵蓋範圍的改善，以及具有干擾降低之優點。
相對於控制訊號，資料通道如實體下鏈分享通道(PDSCH)、實體上鏈分享通道(PUSCH)等對於下行鏈結多重輸入輸出-正交分頻多工(MIMO-OFDM)之Spatial Multiplex有助於提高資料速率、排序增益(Scheduling Gain)，同時以並行渦輪碼(Parallelized Turbo Code)改善錯誤效能外，另有助於提高解碼速率。由此可見，LTE實體層建立在OFDM/單載波分頻多重存取(SC-FDMA)系統架構上，進行了兩大主要技術開發，即多天線傳輸系統設計與錯誤改正碼設計。在後續的章節裡，將說明與剖析這兩大關鍵技術。
LTE多天線應用日增
MIMO的傳輸方式是新一代通訊技術的重要突破，3GPP的LTE通訊標準中，即藉此技術來達到系統容量的提升及增加基地台的覆蓋範圍。MIMO是指在發射端和接收端分別具備多根發射天線和接收天線，訊號則透過此MIMO通道傳送和接收，如此可增進系統的傳輸量或傳輸品質。此外，MIMO具有空間擴充性，它取代以往透過擴充頻譜的方式來增加傳輸量，而是利用空間的維度來增進頻譜傳輸效率。
圖1為3GPP文件TS36.211所描繪的多天線訊號方塊圖，其中，LTE定義了最多二個代碼(Codeword)的用戶端資訊，分別代表不同的調變及通道編碼方式，其可支援的Codeword數目則取決於當時通道所允許的容量。流層(Layer)的數目表示獨立的資料流數目，一個Codeword可對應到一個或多個資料流，而資料流的個數必定小於或等於實體傳送端天線的數目。將資料流映射到多根天線的步驟稱為預編碼(Precoding)，Precoding通常用一個轉換矩陣表示，而分層對應(Layer Mapping)及Precoding的內容則和MIMO的應用有關。一般而言，MIMO的技術主要有空間分集(Spatial Diversity)、空間多工(Spatial Multiplexing)和波束成形(Beamforming)等。LTE所定義的基地台天線數可為一、二或四根，而用戶端的天線數為一或二根。
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| 圖1 LTE MIMO-OFDM訊號方塊圖 |
LTE在下行鏈結的傳輸共定義了七種模式，主要目的是為因應通道特性的變化，在不同傳輸模式(Transmission Mode, TM)中作切換，如此可最佳化傳輸效能與通訊品質。表1定義了這七種傳輸模式及其相對應技術特徵。
TM1為單根傳送天線模式，屬於LTE基頻訊號最基本模式(Baseline Mode)。而用戶端可能配置一至兩根天線，因此此接收模式可歸類為接收分集(Receive Diversity)的架構。在多根天線接 收模式下，接收端採用最大比例結合的方式(Maximum Ratio Combine)，結合多個接收訊號以得到最大訊噪比(SNR)，因此可改善在較差通道環境下的通訊效能。
TM2為傳送分集(Transmit Diversity)的傳輸模式，此模式利用傳送端的多根天線透過開迴路(Open-loop)之空頻區塊編碼方式(Space Frequency Block Coding, SFBC)來增進接收訊號對於通道不佳的容忍度。當LTE基地台配置四根天線時，將結合空頻區塊碼(SFBC) 與頻率交換傳送分集(Frequency Switch Transmit Diversity, FSTD)來得到級數為四的傳送分集。
TM3為開迴路的空間多工傳送模式(Open-loop Spatial Multiplexing)，支援二或四根傳送天線，而用戶端則必須配備二根接收天線。在此模式下，多個流層的資訊將被映射至多根天線以空間多工的方式同時傳送，此法在通道環境佳的情況下可增加系統的傳輸量，因其屬於無回授機制的傳送模式，可減少控制訊息的交換。此架構的預編碼矩陣設計方式結合了大延遲週期性延遲變異(Large Delay Cyclic Delay Diversity)，藉由刻意製造延遲所產生的多路徑效應，同時實現空間多工與傳送分集的增益。
TM4為閉迴路的空間多工傳送模式(Closed-Loop Spatial Multiplexing)，所需天線的架構和TM3相同。在閉迴路模式中，用戶端須估測無線通道資訊，然後藉由碼本(Codebook-Based)回授的方式，將預編碼矩陣相關資訊告知所屬基地台。其回授內容可包含決定通道容量的秩(Rank)、偏好預編碼矩陣的引數(Prefer Matrix Index, PMI)和通道品質指示(Channel Quality Indication, CQI)，CQI可以讓所屬基地台決定用戶端通道編碼(Channel Coding)和調變(Modulation)方式。
TM5為多用戶的MIMO傳輸模式(Multiuser MIMO, MU-MIMO)，MU-MIMO因為多了空間上的自由度，所以可用空間分工多重存取(Spatial Division Multiple Access, SDMA)的方式來區分不同的用戶端，不同用戶端的無限資源將配置在相同的資源區塊中。基本上，此模式為TM4的延伸應用，只是此時不同的Codeword將配給不同的用戶端，基地台將藉由各用戶端回報的通道資訊作為用戶選擇與排程的參考。
TM6為閉迴路單秩模式(Rank 1)。基本上，此模式為TM4的精簡版，此單秩模式雖然限制用戶端傳送Codeword數為1，然而相對於TM4，其減少傳送相關控制訊息回基地台的負載量，同時也降低了用戶端估測無線通道的複雜度。
TM7為透過波束成形的方式增加資料的傳送範圍，各用戶端將透過其專屬的參考訊號(UE-Specific Reference Signal)來解調其資訊。在此模式中，基地台藉由天線陣列合成波束，將用戶端資訊載送於與參考訊號相同的波束合成上，並且於專屬的資源區塊中傳送。此模式並毋須透過用戶端回傳通道資訊，因此，基地台須能直接透過用戶端在上行鏈結中的探測訊號(Sounding Signal)來估測用戶的方位角，進而產生所需的波束型式(Beam Pattern)。
用於上行鏈結的MIMO傳輸技術主要有基地台的接收分集、單一用戶端的MIMO傳輸(Single User MIMO, SU-MIMO)及多用戶端的MIMO傳輸(MU-MIMO)等三種。在LTE中，用戶端在上行鏈結之傳送分集乃是由此採取天線選擇方式得到，即選取具有較佳通道狀況的天線來傳送，而非透過空頻編碼的方式得到。
SU-MIMO的技術在LTE中則因考慮到用戶端設備的耗能、成本及上行鏈結所需資料流量較小等因素而未被考慮。而上行鏈結的MU-MIMO可增進系統的傳輸量，因其允許多個用戶端傳輸於相同的資源區塊(Resource Block)。
此外，因為計算複雜度主要在接收的基地台端，且用戶端也不需要有多根發射天線，是較具實用性的應用模式。須特別注意的是，在上鏈MU-MIMO的傳輸須考慮到多用戶間的同步問題。
錯誤更正碼技術百花齊放
由於LTE主要設計目的是在無線行動環境下提供寬頻高速的資料傳輸，為了能達到此目標，效能良好的通道編碼居中扮演重要的角色，以提供在無線時變通道下維持穩定低錯誤率的傳輸品質，並讓頻譜效率(Spectrum Efficiency)盡可能地接近通道容量(Channel Capacity)。另一方面，從產品面的角度，實作成本與省電也是重要的考量，所以編碼/解碼的複雜度和速度，也是LTE通道編碼設計時所需考慮的要點。
根據LTE不同實體通道(Physical Channel)的特性與需求，LTE所使用的通道編碼基本上可分為迴旋渦輪碼(Convolutional Turbo Code, CTC)、尾端位元迴旋碼(TBCC)、區塊碼(BC)三類。各通道編碼與LTE主要實體通道之對應整理如表2，而LTE實體通道說明對照，可參考表3。接著，介紹與分析LTE每一通道的編碼技術。
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一般來自LTE實體層上層的封包，如用戶端的單播(Unicast)或群播(Multicast)資料，及來自其他層如媒體存取控制(MAC)層的控制封包，都使用CTC來做編碼。這些資料主要對應到下行鏈結的實體通道如PDSCH、實體群播通道(Physical Multicast Channel, PMCH)，及上行鏈結的實體通道如PUSCH。以上這些資料主要共通點都具有較大的(數百至數千個位元)封包大小，而CTC已被證實在較長的編碼區塊下，能達到十分優良的編碼增益(Coding Gain)，並在加成性白色高斯雜訊(AWGN)通道下達到逼近通道容量的效能，故作為大封包資料編碼是合適的選擇。
LTE採用的CTC為平行串接式渦輪碼(Parallel Concatenated Turbo Coding)。由一組8-State的遞迴系統迴旋碼(Recursive Systematic Convolutional Code)及一組內部交錯(Internal Interleaver)所構成。來自上層欲做編碼的資料稱為傳輸區塊(Transport Block, TB)，編碼前，TB須先加上24位元的循環冗餘檢查碼(CRC)偵錯碼，必要時可加入填充位元(Filler Bit)，使每個TB被分割後的代碼區塊(Code Block, CB)大小相似。
每個CB將分別做編碼，如此的用意是限制編碼後Codeword的長度，使得接收端能在適當的複雜度與時間下將各CB解碼。若一個TB被 分割成多於一個CB，則每個CB額外再加上24位元的CRC。CB所使用的CRC多項式(CRC Polynomial)與TB所使用的CRC多項式不同，如此有助於提升偵錯的機率。
每個CB各加上CRC，在混合式自動重傳(Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ)機制下重送時(在LTE中，TB為HARQ最小的重傳單位)，可以讓接收端只針對錯誤的CB做重新解碼，如此可減少接收端解碼的運算量，而達到省電等功用。 LTE CTC所使用的Internal Interleaver為免競爭交錯(Contention-Free Interleaver)，這意謂著接收端可以使用Parallel Log-MAP演算法來做解碼，如此可有效提升解碼的速度，讓解碼不會成為傳輸上的瓶頸，使得LTE可提供較高的資料通透率(Throughput)。
各個CB經過編碼後，會成為碼率(Coding Rate)三分之一的母碼(Mother Codeword)。CB會根據TB所分配到的資源區塊多寡，及所使用調變和TM等資訊，來取Mother Codeword中的子集來傳送，這個程序稱為速率匹配(Rate Matching, RM)。
RM可以讓基地台根據無線通道的狀況，決定適合的調變、TM及Coding Rate，以讓頻譜資源 做較有效的利用。整體CTC編碼方塊圖可參考圖2所示。
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| 圖2 LTE CTC的編碼方塊圖 |
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在下行鏈結中一些控制用的實體通道，如實體廣播通道(Physical Broadcast Channel, PBCH)及PDCCH，由於其所帶的封包長度較小，在這種長度下，CTC所帶來的編碼增益會比較有限，因為CTC的編碼增益取決於其Internal Interleaver的大小。另一方面，由於PBCH及PDCCH是所有用戶端須要定期接收的有時效性的資料，所以解碼的複雜度和速度關係到效能、用戶端的電力消耗與緩衝器(Buffer)大小等。而CTC所使用的解碼演算法大多有較高的複雜度，同時較為耗時。基於此，PBCH及PDCCH不使用CTC，而使用64-State、Coding Rate三分之一的TBCC作為其通道編碼。對於PBCH及PDCCH的封包而言， 64-State的TBCC已足以讓編碼後的碼文有良好的漢明距離(Hamming Distance)。
另外，與一般的迴旋碼(Convolutional Code, CC)不同，TBCC編碼的初始狀態(Initial State)及終止狀態(Termination State)會一樣，所以毋須像一般的CC須使用終止位元(Terminated Bits)來讓終止狀態及初始狀態一致，對於較小的封包而言，省下的Terminated Bits可以讓整體的碼率增加。
PBCH與PDCCH內所帶的資料分別稱為廣播通道(Broadcast Channel, BCH)與下行控制指示器(Downlink Control Indicator, DCI)。BCH及DCI均須附上16位元的CRC。其中BCH的CRC會根據基地台的發射天線數目，與不同的CRC遮罩(Mask)做XOR的運算，如此用戶端在接收BCH時，可藉此取得基地台端發射天線的數目。
DCI也會根據DCI所帶的內容，與無線網路暫時身分(RNTI)做XOR的運算，接著用戶端根據TM的資訊對各個DCI做盲解碼(Blind Decoding)，並藉由CRC得知DCI的目的位址是否為該用戶端所有。
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除了以上兩種通道編碼，部分的上行鏈路控制資訊，如用戶端對於無線通道狀況回報的訊息，包含CQI、PMI、顯示被呼叫(RI)，其資訊量通常非常小，其最大不超過13個位元，但其內容十分重要，這些資料使用具有良好代數結構的Block Code作為編碼，可以給予這些資訊良好的保護並有編解碼快速的優點。
CQI、PMI及RI在LTE中會出現在PUCCH，或與一般資料進行多工(Multiplexing)的方式放在PUSCH。CQI、PMI、RI等資訊使用擴充過後的一階里德米勒碼(First-Order Reed Muller Code)來做編碼，其產生矩陣由First-Order Reed Muller Code的產生矩陣(Generator Matrix)，在加上一組Mask Codeword為基底(Basis)的擴展空間(Spanning Space)擴充而成。First-Order Reed Muller Code可使用快速哈得曼轉換(Fast Hadamard Transform)來實作最大近似解碼(Maximum-Likelihood Decoding)，所以可以做到低複雜度且快速的解碼。 在下行通道中，控制格式指標(Control Format Indicator, CFI)也是使用區塊碼作為編碼。其將2個位元的資訊，使用(3,2)的單工碼(Simplex Code)編碼過後，重複十次後，在加上資訊位元(Information Bit)本身，最後產生總共32個位元的碼文。
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技術陸續到位 3GPP蓄勢待發
LTE新穎技術的開發意味著時代的進步，人們對科技的依賴與信任。除溝通上方便之外，娛樂及其他相關應用於收機通訊隨著年代而有著多樣性的需求。
雖然LTE並未開始對外服務於大眾，但在多樣性需求下，傳輸頻寬和訊號品質的需求將是越來越高。也因此，3GPP目前正在加強此部分的功能，包含建置中繼(Relay)與毫微微型蜂巢式(Femtocell)基地台來提高服務範圍、傳輸速率、訊號品質。但無奈在有限的無線資源下，如何有效的布建Relay以及未規畫下的Femtocell基地台擺設，使得UE滿足無線資源上的使用，有待新的LTE標準制定。包含Relay之間與基地台溝通上的限制，使得完成合作式通訊(Cooperative Communication)隨著Relay數量與UE行動速度增快，更加顯得複雜。同時，UE決定Femtocell基地台擺設位置之布建條件下，干擾問題將是一大隱憂。但無論如何，LTE現有的成熟技術如多天線系統、錯誤更正碼，將繼續提供下一代LTE行動通訊設計準則。
(本文作者皆任職於資策會網路多媒體研究所)