第一章 緒論
1.3 論文組織
本論文其他章節的安排如下：第二章主要介紹 LTE/LTE-A 系統的架構及相 關規格，第三章說明 LTE 現有規範的定位方式及同步的方式，第四章則是我們 提出的利用用戶端定位輔助波束成型的方法以及在 LOS 架構下的模擬環境設定，
第五章是模擬結果，第六章結論，最後則是參考文獻。
- 4 -
第二章
LTE/LTE-A 規格標準介紹
本章將介紹長期演進技術（Long Term Evolution, LTE）及長期演進技術進階 版（Long Term Evolution-Advanced, LTE-A）的系統規格，在分頻多工(Frequency Division Duplex, FDD)與分時多工(Time Division Duplex, TDD)等不同多工系統 下的訊框架構，資料型態，並著重在規格 36.211 裡定義的參考訊號及同步訊號 的特性介紹。
2.1 LTE/LTE-A 介紹
長期演進技術（Long Term Evolution, LTE），為第三代合作夥伴計劃(3GPP)所提 出的 4G 標準，主要使用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)的射頻接收技術，以及多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 的分集天線技術來大幅提高頻譜使用效率及資料傳輸量，並同時支援分頻多工 (FDD)以及分時多工(TDD)系統。LTE 是 3GPP 繼 2G 的 GSM, 3G 的 UMTS，3.5G 的 HSDPA 之後提出的邁向 4G 版本。雖然 LTE 從數個標準中勝出，例如 3GPP2 提出的 UMB（Ultra Mobile Broadband）及 IEEE 提出的 WiMax II，而成為公認 的 4G 技術，但由於資料傳輸量未達國際電信聯盟認定的 4G 標準，一般僅被稱 為 3.9G。直到 LTE-A 提出後才在 2010 年 12 月 6 日正式被國際電信聯盟認定為 4G 標準。
長期演進技術進階版（Long Term Evolution-Advanced, LTE-A），是 LTE 系統的 進化版本，其目的是為了滿足未來無線通訊市場更高的需求及應用，同時保持對 LTE 系統的向後兼容性(backward compatibility)。LTE-A 採用載波聚合(carrier
- 5 -
aggregation)、上下行天線增強技術(Enhanced UL/DL MIMO)、協調式多點傳送與 接收(Coordinate Multipoint Transmission/Reception, CoMP)、中繼技術(Relay)與異 質性網路干擾協調增強(Enhanced Inter -Cell Interference Coordination for
Heterogeneous Network)等關鍵技術，能大幅提高無線通訊系統的峰值速率、頻譜 效率以及細胞邊緣使用者的效能。也因此 LTE-A 系統成為未來無線通訊發展的 主流趨勢。以下就 LTE/LTE-A 的設計目標、訊框結構、下行傳輸作簡單的介紹。
2.1.1 LTE/LTE-A 技術內容[7]
LTE 技術內容
表 2-1: LTE 上下行傳輸規格
下行(Downlink) 上行(Uplink)
多工技術 OFDMA SC-FDMA
最高傳輸速率 (20MHZ 頻寬時)
100Mbps 50Mbps
更好的頻譜使用效率 5bps/Hz
約 HSDPA 的 3 到 4 倍
2.5bps/Hz
約 HSUPA 的 2 到 3 倍 支援多種天線設定 4x2, 2x2, 1x2, 1x1 1x2, 1x1
支援多種上行及下行頻寬傳輸
1.25、2.5、5、10、15、20 MHz 等
支援高速移動環境
時速小於 15km/hr 可達最佳系統效能
時速 120km/hr 可維持高系統效能
最高可支援到時速 350km/hr
- 6 -
降低延遲(latency)時間
控制面的延遲時間(C-plane latency) < 100ms
用戶面的延遲時間(U-plane latency) < 5ms
覆蓋範圍
5km 內可維持最佳效能
5km-30km 部份效能減損
標準制定上需考慮至少須達 100km 之覆蓋範圍
可和 GSM/HSPA/WCDMA 同時存在並且是 All IP 網路系統
LTE-A 技術內容
表 2-2: LTE-A 上下行傳輸規格
下行(Downlink) 上行(Uplink)
多工技術 OFDMA DFT-S-OFDMA
最高傳輸速率 (100MHZ 頻寬時)
1Gbps 500Mbps
頻譜使用效率 30bps/Hz 15bps/Hz
延遲
從待機到連線時間須少於 50ms
細胞邊緣使用者的吞吐量
須為 LTE 系統的 2 倍
使用者平均的吞吐量
須為 LTE 系統的 3 倍
- 7 -
2.1.2 LTE/LTE-A 訊框結構
LTE/LTE-A 標準制定基本的時間單位為 Ts = 1/(15000 x 2048) 秒，上下行 傳輸皆是以訊框(frame)為單位，單一訊框長度共 Tframe = 307200 x Ts = 10 毫秒。
目前支援 FDD 及 TDD 兩種訊框結構 [7]，以下分別介紹：
FDD-LTE 系統的訊框結構
如圖 2-1 所示，一個完整的訊框(Frame)長度為 10ms ，包含 10 個子訊框 (subframe)，共計 20 個時槽(slot)；經由換算每個子訊框為 1ms，每個時槽為 0.5ms。
每個時槽又根據循環前缀(Cyclic Prefix, CP)長度的不同而有不同的 OFDM 符元 個數
一般 CP(normal CP, NCP): 包含 7 個 OFDM 符元
延長 CP(extended CP, ECP): 包含 6 個 OFDM 符元。
ECP 特別是為廣播(broadcasting)服務而設計的形式。
圖 2-1：FDD-LTE 訊框結構
- 8 -
TDD-LTE 系統的訊框結構
如圖 2-2 所示，訊框長度與 FDD 同為 10ms，包含 10 個子訊框，每個子訊 框 1ms，亦可換算為 20 個時槽，每個時槽 0.5ms。其中子訊框-1 及子訊框-6 稱 為特別子訊框(special frames)，包涵了三個部份：
DwPTS (downlink pilot time-slot): 可擺放下行訊號
GP(guard period): 讓 DwPTS 與 UpPTS 之間有轉換時間
UpPTS(uplink pilot time-slot): 可擺放上行訊號，如探測參考訊號 (Sounding Reference Signal, SRS)
圖 2-2：TDD-LTE 訊框結構
2.1.3 LTE/LTE-A 下行傳送方法
由於本論文主要探討用戶端透過對基地台傳送訊號的時間差估計來得到測量自 身位置後再回傳位置資訊所做的一連串下行波束成型動作，故在系統架構介紹上 著重於下行實體層通道的探討[7]:
實體層通道及訊號：
LTE/LTE-A 系統定義了以下的下行實體層(Layer 1)通道：
- 9 -
實體下行分享通道(Physical Downlink Share Channel, PDSCH):
負責傳送數據資料，支援 QPSK, 16QAM 以及 64QAM.
實體下行控制通道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH):
傳送各種控制信息
實體廣播通道(Physical Broadcast Channel, PBCH)
用於在 Cell 內傳播系統基本資訊
實體多重播送通道(Physical Multicast Channel, PMCH)
用於使用單一頻道（Single Frequency Network）組播頻道
實體控制格式指示通道(Physical Control Format Indicator Channel, PCFICH)
用於通知 PDCCH 的長度
實體混合自動重送指示通道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH)
是使 ACK／NACK 的傳輸獨立於 PDCCH 的配置。PHICH 佔用的 RE 是在 PBCH 中指示的
LTE/LTE-A 系統定義了下列的下行實體訊號，本節後半部會有詳細介紹:
參考訊號(Reference Signal, RS)
細胞專用參考訊號(Cell-specific RS, CRS)
組播/廣播單頻網路參考訊號(MBSFN RS)
用戶專用參考訊號(UE-specific RS, URS)
位置參考訊號(Positioning RS, PRS)
通道狀態參考訊號(Channel State Information RS, CSI-RS)
同步訊號(Synchronization Signal, SS)
主同步訊號(Primary SS, PSS)
次同步訊號(Secondary SS, SSS)
- 10 -
時槽結構與實體資源分配
LTE/LTE-A 資源網格(resource grid)的結構[7]如
圖 2-所示，其中最小的時間－頻率單位為一個資源元素(Resource Element, RE)，而資料傳輸的最基本單位為一個資源區塊(Resource Block, RB)，其包含頻 域的連續NscRB個子載波(subcarrier)以及時域的連續NsymbDL 個 OFDM 符元，合計
RB sc DL symb N
N 個資源元素。其中NscRB代表每個資源區塊的子載波個數，NsymbDL 代
表一個時槽裡的 OFDM 符元個數。NRBDL則是下行傳輸中的資源區塊總數。而依 照不同的應用，NsymbDL 、NscRB以及NRBDL會有不同的設定(表 2-3、表 2-4)。對於 特定天線埠(antenna port) 所傳送的同一資源區塊來說，可由(k,l)表示對應到的 資源元素，其中k0,...,NRBDLNscRB1和l 0,...,NsymbDL 1分別為頻域與時域的座 標
表 2-3：頻寬與資源區塊對應表
Bandwidth 1.4MHz 3MHz 5MHz 10MHz 15MHz 20MHz Number of available
physical resource blocks
DL
NRB
6 15 25 50 75 100
Number of occupied
subcarriers 72 180 300 600 900 1200 IFFT(Tx)/FFT(Rx) size 128 256 512 1024 1536 2048 Sampling rate[MHz] 1.92 3.84 7.68 15.36 23.04 30.72 Samples per slot 960 1920 3840 7680 11520 15360
- 11 -
DL
NsymbOFDM symbols One downlink slotTslot
0
l lNsymbDL 1
RB scDL RBNNsubcarrier s RB scNsubcarrier s
RB sc DL symb N
N
Resource
block resource elements
Resource
element ( lk, )
0 k
RB 1
sc DL
RB
N N k
圖 2-3：下行通道資源網格
- 12 -
表 2-4：實體層資源區塊參數
Configuration
N
scRBN
symbDLNormal cyclic
prefix f 15kHz
12 7
Extended cyclic prefix
kHz
15
f 6
kHz 5 .
7
f 24 3
下行實體層通道結構
用以表示下行實體通道的基頻訊號由以下幾項步驟所產生，如下圖所示：
Scrambling Modulation mapper
Layer
mapper Precoding
Resource element mapper
OFDM signal generation
Resource element mapper
OFDM signal generation Scrambling Modulation
mapper
layers antenna
ports codewords
圖 2-4：下行實體通道架構
打亂(scrambling):
一般而言，將編碼後的資料打亂是為了幫助確保接收端解碼時能夠完全 地利用通道編碼所提供的處理增益(processing gain)
調變(modulation):
QPSK，16QAM，64QAM 等三種調變方式，分別包含 2、4、6 個位元 表 2-5：下行實體通道調變方法
Physical channel Modulation schemes
PDSCH QPSK, 16QAM, 64QAM
PMCH QPSK, 16QAM, 64QAM
- 13 -
傳輸層對應(layer mapping): 字碼(codeword)經過調變以後，接著會被對應到 一個或數個分層上傳送。例如:字碼 q 的調變符元d(q)(0),...,d(q)(Msymb(q) 1)將
Number of layers Number of codewords Codeword-to-layer mapping
1
- 14 -
- 15 - layers
Number of codewords
Codeword-to-layer mapping
1
- 16 - 碼之後的符元向量。而前置編碼器W通常透過碼書(codebook)來選擇，
LTE 分別對兩個天線埠及四個天線埠的系統提出了相對應的碼書：
表 2-8：兩個天線埠的空間多工碼書
Codebook index
- 17 - 供的多重傳輸途徑發送相同的資料，以增強資料的傳輸品質。LTE/LTE-A 支援兩個及四個天線埠的傳送多樣性的前置編碼：
- 18 -
資源元素對應(resource element mapping)
產生 OFDM 訊號(OFDM signal generation)
2.2 LTE/LTE-A 參考訊號與同步訊號介紹
- 19 -
2.2.1.1 Cell-Specific 參考訊號
Cell-specific RS(CRS) 主要用來做下行的通道估測，估計出來的通道可以幫 助後續解調訊號使用。CRS 也可以讓用戶用來估計通道狀態資訊(Channel State Information, CSI)，根據 CSI 讓用戶選擇要回傳碼書(Codebook)中的前置編碼矩陣 指標(Precoding Matrix Index, PMI)可以達到接收最大的 SNR。CRS 在時域所有支 援 PDSCH 傳輸的子訊框內都有擺放，在頻域則涵蓋整個頻寬範圍，但擺放個數 也就是出現頻率則依天線埠而有所不同，擺放的詳細位置如圖 2-5 所示。而 CRS 在頻域上的擺放位置也會因為細胞不同而有所偏移(frequency shift)，原因是為了 避免鄰近的細胞之間在估計通道時互相干擾，根據 CRS 擺放的方式，總共會有 6 種不同偏移的方式，如圖 2-6 所示。
另外 CRS 支援 1 根 2 根及 4 根天線的傳輸，在 4 根天線時的第 3 及 4 根天線上 的 CRS 數量會比前兩根少一半，原因是只有當通道狀況很好的時候系統才可能 支援到 3、4 根天線的 MIMO 傳輸，此時也就不需要過多的參考訊號就能做通道 估測。詳細 CRS 在不同根天線數及 CP 長度時的對應擺放方式如圖 2-7 所示。
圖 2-5：CRS 擺放位置示意圖
圖 2-6：CRS 頻率偏移示意圖
- 20 -
- 21 -
圖 2-7：CRS 在不同天線數下擺放位置示意圖 CRS 序列 ( )
, s m
rln 產生方式如下:
1 2 (2 1)
, 0,1,...,2 12 ) 1
2 ( 2 1 2 ) 1
( RBmax,DL
, s m c m j c m m N
rln (2.1)
其中ns是時槽的編號，l 是時槽內 OFDM 符元的編號，NRBmax,DL是最大的下行傳送 資源區塊數量。更詳細的序列產生方式及虛擬隨機序列c(i)在文獻[7]裡有定義。
2.2.1.2 MBFSN 參考訊號
MBFSN-RS 主要用來傳輸系統廣播/組播的訊號，且只在特定定義的 MBFSN 子 訊框以及延長 CP(ECP)模式下傳輸。在 LTE 裡 MBFSN-RS 被定義在天線埠 4 內 做傳送。 MBFSN-RS 序列 ( )
, s m
rln 產生方式如下:
1 2 (2 1)
, 0,1,...,6 12 ) 1
2 ( 2 1 2 ) 1
( RBmax,DL
, s m c m j c m m N
rln (2.2)
其中ns是時槽的編號， l 是時槽內 OFDM 符元的編號，NRBmax,DL是最大的下行傳
送資源區塊數量。MBFSN-RS 的擺放方式如圖 2-8 所示，更詳細的訊號產生方式 請參照文獻[7]
圖 2-8：MBFSN-RS 擺放位置示意圖
- 22 -
2.2.1.3 UE-specific 參考訊號
UE-specific RS (URS) 是針對細胞中特定行動終端用戶(UE)所發出之參考 訊號，以達到 4 根天線以上的波束成型之目的。URS 只在對應於 PDSCH 中的資 源區塊中傳送，一個使用 URS 的主要好處是波束成型的權重也會被用到 URS 上，
如此一來參考訊號也能夠接受到波束成型的增益。URS 被定義在天線埠 5、7、8 上傳送，並且由更上層(Layer 3 or 4)決定是否傳送 URS 來當作 PSDCH 解調時可 靠的相位參考。
URS 序列 ( )
, s m
rln 產生方式如下:
1 2 (2 1)
, 01 12 12 ) 1
2 ( 2 1 2 ) 1
( RBPDSCH
s m c m j c m m ,,..., N
rn (2.3)
其中ns是時槽的編號， l 是時槽內 OFDM 符元的編號，NRBPDSCH是對應的 PDSCH 傳送區域內資源區塊的數量。URS 的擺放方式如圖 2-9 所示，更詳細的訊號產生 方式請及虛擬隨機序列c(i)在文獻[7]裡皆有定義。
圖 2-9：URS 擺放位置示意圖
- 23 -
2.2.1.4 定位參考訊號
2.2.1.4 定位參考訊號