善用既有網路與技術優勢　LTE開啟行動通訊新紀元

2009-05-15

孟樸

全球通用行動通訊系統(Universal Mobile Telecommunications System, UMTS)營運商正體驗高速封包存取(HSPA)帶來的極大成功，且正迅速推出具備行動寬頻能力與大量資料傳輸容量的HSPA新服務。3GPP目前正定義長程演進計畫(LTE)，使UMTS營運商以HSPA的成功為基礎，提供更高的傳輸峰值速率與更低的網路延遲，同時與HSPA相輔相成，在高需求地區支援更佳的寬頻經驗，同時運用更寬的新頻譜。

LTE為先進並以正交分頻多工存取(OFDMA)技術為基礎的行動寬頻技術，由3GPP研發的新核心網路所支援。LTE的設計目的是為提供與現有UMTS網路共通且持續服務的能力，讓UMTS營運商能繼續運用現有在UMTS/HSPA與未來HSPA+的投資。LTE提供極佳的頻譜效率、低時間延遲和高數據傳輸峰值，如在20MHz時，支援下行高達150Mbit/s及上行75Mbit/s的速率，並且運用HSPA/LTE多模裝置，發揮最大效益。LTE也整合先進的OFDMA與天線技術，例如多重輸入多重輸出(MIMO)、分區多重存取(SDMA)、波束成形(Beam Forming)等，強化傳輸速率與穩定性。

頻寬擴增如虎添翼

LTE運用更寬的新頻段，藉由在高需求區域提供更大容量，輔助HSPA與HSPA+網路部署。LTE的OFDMA技術在更大頻寬中提供逐步增加的容量。就效能觀點而言，LTE充分運用OFDMA優點，最適用於10M～20MHz頻段。LTE則較不適用於5 MHz以下頻段；在5MHz頻段且使用同樣數目的天線時，HSPA+提供與LTE相似的容量與傳輸峰值速率。

如圖1所示，LTE可彈性支援20MHz以下多個頻段，且每位用戶的可用峰值速率及平均使用速率與頻寬成正比。LTE更支援分頻多工(FDD)與分時多工(TDD)模式，讓營運商可因應所有頻譜類型。

圖1　LTE在更大頻寬中，具有較佳的傳輸效率。

攜手HSPA相輔相成

HSPA+運用後續的投資與後向相容裝置，進一步提升網路效能。HSPA+將確保整個網路擁有一致的用戶體驗，且讓營運商可分階段推出LTE，使LTE可於人口稠密的都市先行推出，然後逐步擴展至其他地區。無論空中連線(Airlink)為何，共通的IP多媒體子系統(IP Multimedia Subsystem, IMS)網路都可在整個網路提供用戶同樣的服務體驗。

在5MHz範圍，HSPA+提供與LTE相似的容量與峰值速率，且在LTE覆蓋範圍之外提供相似的用戶體驗與延續服務。在4×4MIMO技術下，透過在Node B與用戶裝置使用四個接收和傳送天線，LTE可提供更高的峰值速率與平均速率。此外，HSPA+支援高容量網路語音通訊協定(VoIP)，讓仰賴VoIP的LTE系統持續提供語音服務。

LTE使用名為升級封包核心(Enhanced Packet Core, EPC)的新核心網路，容許建立更扁平、以網際網路協定(IP)為基礎的基礎網路架構。LTE與EPC的設計過程強調與UMTS及GSM等現有3GPP科技維持互通，這點將確保HSPA+和LTE能夠共存。此外，EPC同時可以減少網路延遲時間，並且簡化網路營運與維護工作。

如圖2所示，營運商初期以高需求區域為重點，在LTE覆蓋區域外使用HSPA/HSPA+，然後在數據服務需求漸增時分階段建立LTE網路。支援LTE與現有3GPP科技的多模裝置將可確保在LTE覆蓋區域外提供後向相容能力。且LTE網路支援無縫轉移至UMTS/HSPA網路，在整個UMTS網路提供不間斷的持續服務。

圖2　LTE覆蓋於3G網路之上

數據服務/語音通訊一次囊括

從設計之初，LTE重點就是行動性與高容量，以及有效提供VoIP語音服務等即時應用。在同一網路同時提供語音與資訊服務，能讓營運商因應各種市場區隔所有服務需求。然而最初的商業營運重點將是資料服務，語音則會在未來的LTE階段執行。

運用MIMO、SDMA與波束成形等先進天線技術，LTE無論在高低訊號強度區都可使用戶獲益。與HSPA+相比，LTE引進了更高階的MIMO下行與上行技術，進一步提升傳輸峰值速率與效能表現。這些技術的目標都是為提升用戶體驗的數據傳輸速率與系統容量。

如表1所示，LTE峰值速率隨可用頻寬增加。以單一用戶在20MHz使用2×2MIMO的理想無線電狀況下，最高下行速率可達150Mbit/s。

表1　LTE在10MHz與20MHz分頻雙工下的數據傳輸速率
LTE峰值傳輸速率	10MHz(2x2 MIMO)	20MHz(2x2 MIMO)
下行	73Mbit/s	150Mbit/s
上行	36Mbit/s	75Mbit/s

另外，MIMO可經由多個接收與傳送器天線傳輸多個串流訊號(Multiple Streams)，因此毋需額外功耗或頻寬，即可增加系統容量與使用者數據速率。無論是否傳輸多重正交串流(Multiple Orthogonal Streams)，MIMO都提供非常高的數據傳輸速率，尤其對接近基地台的使用者。多重訊號需要強散射環境(Rich Scattering Environment)以確保維持正交。因為MIMO具有足夠訊號散射，且使用者接近eNode B，因此可在人口稠密的市區環境中發揮極大功效。

波束形成可將傳輸功率定向瞄準用戶，增加用戶的數據傳輸速率，有效增強用戶收到的訊號。波束形成可在訊號較弱的區域發揮優勢，例如基地台覆蓋區域邊緣。SDMA是另一種先進技術，經由使用同樣的實體資源向分散的不同用戶同時傳輸，以提高網路的容量。這項技術能與MIMO結合，同步提供更高的資料傳輸速率。

圖3說明LTE在10MHz FDD與更小網路區域的LTE下行容量，顯示先進天線技術的優點。使用同樣數目的天線與MIMO，HSPA+與LTE能夠提供相似的性能表現。