第一章 簡介
1.1 背景
第一代行動電話系統（The First Generation Mobile System, 1G），使用 類比技術來傳遞訊息。而第二代行動電話系統（The Second Generation Mobile System, 2G），將類比訊息改用數位的方式傳遞，以保有較佳的傳送品質。後來 隨著網際網路的蓬勃發展，為了也能利用無線電來傳遞封包資訊，所以發展出分 封交換技術（packet-switched）來傳遞封包資料，稱為 GPRS（General Packet Radio Service），也就是俗稱的 2.5 G。但為了滿足更大的需求，國際電信聯盟
（International Telecommunication Union, ITU）希望各國能有統一的規格。
以至於，第三代行動電話系統（The Third Generation Mobile System, 3G）應 運而生。如今 3G 技術已趨成熟，4G 的定義也在 2003 年出爐：在高速行動下
（300km/h）必須能達到 100Mbps 的傳輸速率，而靜止時能達到 1Gbps 的傳輸速 率，且使用 All-IP 技術的核心網路。現今，LTE、WiMAX、UMB 等技術，常被泛 稱為 4G。
此外，隨著全球通訊技術的快速發展，3GPP 組織為了能與 WiMAX 進行競爭，
發起了通用移動通信系統（UMTS）的長期演進（Long Term Evolution, LTE）。 他與 3GPP2 所發起的超行動寬頻（Ultra Mobile Broadband, UMB），合稱「3G 演進技術」。而為了實現更高的傳輸速率，3GPP 的 LTE 和 3GPP2 的 UMB 都選擇了
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的 LTE、WiMAX、IEEE 802.20 移動寬帶無線接入，都已經具備了 4G 的相關特性，所以可以將這些技術看成準 4G。
LTE（Long Term Evolution）長期演進技術，成為近兩年 3GPP 最新的技術 項目。其主要特色是在 20MHz 頻帶下，仍然能提供 100Mbps 下載、50Mbps 上傳 的速率，改善小區邊緣用戶的性能，提高小區容量，降低系統延遲。而最大的特 色就是 eNodeB 的演進，將傳統的 NodeB 作變更，使得網路能夠扁平化，以減少 延遲。
在傳統的分頻多工（Frequency-Division Duplexing, FDD）下，一個使用 者會佔據大部份頻寬，然而 LTE 使用了正交分頻技術（OFDM），將需要傳輸的資 料分成許多子載波，可以傳遞更多資料。這些子載波，彼此是正交的，所以當接 收者接收到資料時，並不會讀到別人的資料。再加上一大段的頻段，分給眾多的 子載波，再利用反快速傅立葉轉換，以及分時多工（Time-Division Duplex, TDD）
的方式，可以使眾多接收者在同一時間，接收到資料。這就是目前 LTE 所使用的 下載技術（OFDMA），而上傳則是使用 SC-FDMA，利用反快速傅立葉以及快速傅立 葉轉換將許多子載波又合成單一載波，來提供上傳。而多天線技術 MIMO 能使接 Frequency-Division Multiplexing, OFDM)之技術應運而生。
在 OFDM 中，採用反快速傅立葉轉換，將眾多可用的頻帶分成正交的子載波。
而頻帶的重建是由快速傅立葉反轉換完成的。在頻寬方面，5、10 和 20MHz 是 LTE
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支援的頻寬。該技術的一個優異特性是可以容易地改用其他頻寬。即便整個可用 頻寬改變了，較小的頻寬單元也可維持不變。也就是大的頻帶可以再細分成更小 的頻帶，通常為 12kHz，而這小頻帶則被稱為子載波。
1.1.3 MIMO 基本架構
多輸入多輸出（Multi-input Multi-output，MIMO），是 LTE 的另一項優勢。
MIMO 採用了多天線的處理技術。多天線技術中，包含了「空間多工（Spatial Multiplexing）」、「空間多樣（Spatial Diversity）」、「波束成型（Beamforming）」 以及「預先編碼（Precoding）」等領域。通常多天線技術會與正交分頻多工技術 一起運作，以增加資料的產能及傳送距離，以及降低位元錯誤率。
1.1.4 OFDMA 基本架構
OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）為 LTE 下行鏈 路存取資料的方式。OFDMA 將頻帶劃分成許多子載波，且因為子載波的重疊佔用 了頻譜，OFDMA 能提供較高的頻譜利用率，以及傳遞較多的資料量。使用者可以 選擇較好的通道進行資料的傳輸，且與 CDMA 單一載波所承載的單一資料相比，
OFDMA 更能對抗多路徑效應。
OFDMA 中的子載波可以被組合成更大通道，這些通道能被組合成可分配給使 用者的大量單元。每一個大量單元的分配可在訊框間及該調變等級內改變，允許 基地台根據目前的系統需求動態調整頻寬。
此外，每位使用者只佔用整體頻寬的一小部份，故可以調節每位使用者的功 率。基於不同使用者的特殊需求，如即時語音，服務品質的考量也是一大重點。
1.1.5 LTE 分層架構
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圖 1 - 1 LTE Layer2 架構圖
【MAC 層】
在[1]中，LTE 當中的 Layer 2，又分成三層，其中最底層負責與實體層聯繫 的為媒體存取控制（Medium Access Control, MAC）層。它包含了邏輯通道與傳 輸通道的對應、排程管理以及多工與解多工之任務。當資料傳送至 MAC 子層後，
MAC 子層會執行排程以及多工等步驟來組成 MAC 子層的 PDU。但為了防止 PDU 在 傳送資料時遺失，因此還提供了「混合式自動回覆請求重傳」（HARQ）功能。
此外，當不同邏輯通道的資料，組合在同一個傳輸通道傳送時，MAC 子層 會將得到的 SDU 封裝成同一個 PDU。反之，子層也會將 PDU 進行解多工，拆成各 通道所需的 SDU。MAC 的 PDU 包含 header 與 payload 兩部份。Header 的功能為 描述 payload 中的內容資訊。而 Payload 則包含了控制元素以及 MAC SDU。當有 多個通道欲傳送資料時，就必須為 PDU 排程。在排程中，會加入一個 Bj 的參數 作為輔助機制，其目的是避免較低優先權通道產生飢餓現象。
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【RLC 層】
在[2]中，當資料進入無線電連結控制（Radio Link Control, RLC）層後，
其 SDU 會被切成適當大小的 PDU，當封包如果遺失時，則 RLC 會發送自動重傳請 求（Automatic Repeat Request, ARQ）。在 Layer 2 中，RLC 扮演協調的角色，
將上層資料及下層資料互傳，且利用 buffer 暫存後再做進一步動作。
PDU 格式包含了 header 及 data 兩部份，且含有序號，可讓傳送端知道哪些 PDU 需要重傳、重新排序、重複接收等。ARQ 須視 RLC 子層的操作模式而定，可 分為三種模式：透明模式（transparent mode）、承認模式（acknowledged mode）、 非承認模式（unacknowledged mode）。ARQ 機制的功用是克服 PDU 遺失的問題，
所以傳送端必需將 PDU 存在 buffer 中，以進行 PDU 的重傳。
【PDCP 層】
在[3]中，當資料從上層進入後，首當其衝的就是封包資料匯聚協定（Packet Data Convergence Protocol, PDCP）層，此層會將接收的資料封裝，再傳遞給 下層。PDCP 層最大的功用，就是替 header 作壓縮以及解壓縮的動作。由於愈來 愈多的無線連結技術採用以網際網路通訊協定為基礎的封包資料架構來傳送資 料，因此 IP header 的 overhead 也愈來愈嚴重。通常 Header 的容量大約是 Data 的二到三倍，故需要針對 header 作壓縮，才能有效利用資源。此外，無線的連 結也較容易遺失封包，且有較長的 round-trip time，因此需要強固的封包 header 壓縮方法，來提升使用率，在 PDCP 層常用的壓縮技術為強固檔頭壓縮（Robust Header Compression, ROHC）技術。
1.1.6 訊框格式與資源塊格式
目前 LTE 包含了兩種訊框格式[4]，因為不同的系統而有不同的結構。Frame Structure Type 1 稱為通用（Generic）訊框結構，而 Frame Structure Type 2
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則稱為可選（Alternative ）訊框結構。第一型訊框格式應用在 FDD 與 TDD 模式 下，而第二型訊框格式則只應用在 TDD 模式下。
【Frame Structure Type 1】
第一型的訊框格式，如下圖所示。每一個訊框（frame），佔用了 10 毫秒。
一個訊框包含 10 個子訊框（subframe），各佔 1 毫秒。而每個子訊框包含兩個時 間間隙 time slot（或稱時槽）。每一個 time slot 佔用 0.5 毫秒。所以在第一 型訊框格式下，一個訊框共包含 20 個 time slot。
圖 1 - 2 Frame Structure Type 1 格式圖[4]
【Frame Structure Type 2】
第二型的訊框格式，如下圖所示。與第一型一樣，每一個訊框佔用 10 毫秒，
然而一個訊框只包含兩個半訊框（half-frame），每一個半訊框佔用 5 毫秒。而 每一個半訊框共有七個子訊框（subframe），從 #01 至 #06。每一個子訊框佔用 0.675 毫秒。同步與保護週期在#0 與#1 之間，下行鏈路同步時間間隙（Downlink
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Pilot Time Slot, DwPTS）、保護周期（Guard Period, GP）及上行鏈路同步時 間間隙（Uplink Pilot Time Slot, UpPTS），三者共佔用 0.275 毫秒。其中子訊 框#0 與 DwPTS 專供下行傳輸用，而子訊框#1 與 UpPTS 總是提供上行傳輸用。
圖 1 - 3 Frame Structure Type 2 格式圖[4]