LTE-Advanced CoMP UMTS 3GPP LTE GSM

借力多載波聚合技術　LTE-Advanced速率再飆升

2012-11-12

林志龍

自2009年底長程演進計畫(LTE)已經成為全球行動通訊系統(GSM)和通用行動通訊系統(UMTS)的下一代行動通訊系統，且國際電信聯盟(ITU)更制定新一代LTE-Advanced行動通訊系統，其功能超越國際移動通訊(IMT)2000制定的標準。

LTE-Advanced對傳輸速率有更進一步的要求，在高速移動的情況下須能達到100Mbit/s傳輸速率；而固定模式之下必須能夠達到1Gbit/s傳輸速率。

2009年第三代合作夥伴計畫(3GPP)曾在一項研究會中，確定LTE所須改善的目標，以滿足IMT-Advanced的要求。3GPP成員於2009年9月正式向ITU提出第10版的LTE，評估作為IMT-Advanced的候選，提供現今部署的LTE電信網路一個未來的商業進化的路徑。

LTE-Advanced規格要求更多

根據國際電信聯盟對IMT-Advanced的要求，3GPP提出IMT-Advanced的技術需求包括，全球高度相容性的功能，同時保留彈性，以支援具有成本效益的服務和應用。另外，LTE-Advanced須相容於IMT與固定網路的服務；並與其他無線接入系統互通。其餘特性還包括高品質的行動服務；用戶端設備必須全世界都能使用、提供友好的應用與服務全球通訊漫遊能力，以及增強傳輸能力，亦即高速移動傳輸速率達100Mbit/s，而固定模式傳輸速率要達1Gbit/s。

上述所有IMT-Advanced的要求都必須符合甚至超過。此外，對於現有LTE的要求也適用LTE-Advanced。以下列出具體要求：

‧	最高傳輸速率
	LTE-Advanced系統應支援下行最高傳輸1Gbit/s和上行傳輸500Mbit/s的速率。

‧	延遲
	從非連線狀態閒置模式到建立網路連線須小於50毫秒(ms)。而從休眠狀態到連接模式，亦即連續在連線模式的接收(DRX)情況下應小於10毫秒(不含將DRX延遲)。

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LTE-Advanced的主要目的在支援下行鏈路(8×8的天線配置)和上行鏈路(4×4的天線配置)的峰值頻譜效率，可進而提高LTE-Advanced網路的使用效率。

平均頻譜效率目標可參考表1設置，平均頻譜效率被定義為所有用戶的整體頻寬(在一段時間內正確接收的資料)除以基地台數量。

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LTE-Advanced支援讓基地台邊緣用戶的資料傳輸量盡可能提高。基地邊緣用戶的資料傳輸量被定義為5%的累積密度函數(CDF)用戶與整體基地台頻寬資料傳輸量，要求基地台邊緣性能如表2所示。

‧	移動性能
	3GPP已制定LTE-Advanced移動性要求須比照LTE的第8版本，以支持微細胞基地台上各種終端產品的移動速度到時速每小時350公里(甚至高達每小時500公里)。相較於LTE的第8版本，LTE-Advanced系統的移動性能要再增加每小時0～10公里左右。

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最初確定除在LTE頻段已經分配的頻段外，LTE-Advanced比LTE須包括更大範圍的頻譜資源分配工作，主要的解決方法是提供大於20MHz的連續頻寬。但LTE-Advanced的聚合頻譜應合理考慮用戶設備(UE)的複雜性，並支援現有分頻雙工(FDD)和分時雙工(TDD)的成對或不成對的頻段。為達到高傳輸速率，LTE-Advanced採用多種技術，以下將一一介紹。

載波聚合提升傳輸速率

要達到高速資料傳輸的直接方式就是使用多個LTE載波聚合(Carrier Aggregation)(圖1)。LTE-Advanced使用兩個或兩個以上載波以達到傳輸頻寬100MHz，然而，最初的LTE-Advanced(3GPP版本10)限制最多使用兩個載波，即在FDD模式下使用上行/下行鏈路最大頻寬40MHz，不過這不影響3GPP第11版或以上的多重載波聚合。

圖1　LTE-Advanced鄰近分布的最大頻寬

為相容之前的LTE第8版的終端產品，LTE-Advanced規定每個載波必須可被設定成相容於之前的LTE。可設定成連續或不連續的載波聚合(圖2)，確保LTE-Advanced能根據個人的頻譜使用需求提供較高的彈性。

圖2　LTE-Advanced非鄰近頻譜分布

第8版的LTE允許100kHz訊道閘放置在LTE電信運營商所擁有的頻寬內。在15kHz的載波間隔連續聚合，電信運營商需要300kHz的載波間距來保持下行的正交傳輸方式。每組載波最多提供一百一十個資源區塊來使用，當然組成部分電信營運商經由相同的eNodeB須要提供相同的基地台的覆蓋率。假設須要支援不同類別的終端產品時，將可被定義為可傳輸或接收一或多個電信營運商的載波組件。

在全球不同地區中會有不同的技術進行頻率分配，頻率的聚合也可用在寬頻分碼多重存取(WCDMA)/高速封包存取(HSPA)網路中，所以會從現有的LTE/LTE-Advanced的技術往下整合到其他現存的網路系統中。

在LTE-Advanced會在有限頻率的情況下開始使用頻率載波聚合。3GPP已定義主要的頻段區域以符合全世界需求(表3)。

增加多重天線傳輸數量

第8版LTE支援上行鏈路與下行鏈路的多重天線輸入/輸出，最初的LTE標準的情況下是使用兩個天線操作進行連線，而LTE-Advanced延伸多重輸入多重輸出(MIMO)功能，能夠支援八個下行天線和四個上行天線，在MIMO的傳輸之下，就能大幅提升頻譜的效率。

LTE-Advanced上行鏈路使用單載波頻分多工(SC-FDMA)，利用傅立葉變換(DFT)預編碼正交頻分多重存取(OFDMA)技術傳送，而實體上行共享通道(PUSCH)則使用DFT預編碼MIMO和非MIMO模式進行傳送。另外，控制資料不耦合與使用單一DFT傳輸非連續的資料兩項增強功能已被納入LTE系統。

‧	控制資料不耦合
	在LTE系統中PUSCH與PUCCH不能同時傳送，如果手機資料傳送在PUSCH上，將會連同控制資料一起載在PUSCH上。不過在LTE-Advanced中，PUCCH與PUSCH將能同時傳輸上傳。

‧	使用單一DFT傳輸非連續資料
	LTE-Advanced的擴展允許上行集群傳輸，即SC-FDMA的上行傳輸，不再局限於使用連續的載波，而能使用不同頻譜上的載波(圖3)。這使得上行頻率選擇性調度更大，從而將增加上行鏈路的彈性，但同時峰值訊號的平均比例也將會增加，代表著會讓手機功率放大器的設計更加困難。

圖3　LTE-Advanced的上行鏈路傳輸

利用協調式多點傳送與接收　提升訊號覆蓋率

LTE-Advanced使用協調式多點傳送與接收(CoMP)改善高速傳輸速率的涵蓋面，增進基地台邊緣的資料處理及增加系統的資料處理量。

在基地台的部署中，如果每個基地台的頻率有重複使用狀況，其他基地台的干擾將會降低系統的處理量，而協調式多點的目的是讓干擾訊號在基地台邊界成為有用的訊號，這須動態協調，讓多個基地台互相調整訊號，以達到最佳的訊號傳輸(圖4)。

圖4　協調式多點傳送與接收的網路架構

使用中繼站加強傳輸訊號

LTE-Advanced使用中繼站(Relay)加強訊號覆蓋率和使用容量，手機可透過中繼站與主要基地台(Doner eNodeB)溝通。中繼站與主要基地台溝通是透過Un的無線傳輸介面傳輸，而手機則是透過Uu介面與基地台溝通(圖5)，主要基地台除可同時服務多個中繼站之外，也可以直接與非經過中繼站的手機溝通。