LTE 介紹

LTE 代表的是長程演進技術(Long Term Evolution)，國際電信聯盟無線 電通信部門(ITU Radiocommunication Sector,ITU-R)將 4G 的標準稱作 IMT-Advanced，以和 3G 中的 IMT 2000 做出區隔；而 IMT-Advanced 設定的標 準為靜態傳輸速率達到 1Gbps，且用戶在高速移動的狀態下可以達到 100Mbps、all-IP 網路架構、低網路延遲及高頻譜效率，而在頻譜效率方面，

IMT-Advanced 所要求的是能在下行時達到 15bps/Hz 與上行時能達到 6.75bps/Hz 的頻譜效率峰值。

在2008 年時，3GPP 發佈了 Release 8，這是 LTE 的基礎版本。在 Release 8 中定義了演進通用陸面無線接入網絡(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN)以及核心網路全 IP 化架構，其中 E-UTRAN 包 括 能 彈 性 的 頻 寬 、 正 交 分 頻 多 重 存 取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)及單載波分頻多重存取(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA)、等。在傳輸方面，下行鏈路是採用 OFDMA，而上行鏈路是採用 SC-FDMA 技術，這樣的規格最高能提供 300Mbps 的下行速率及 80Mbps 的上行速率。

同一個使用者的頻域符碼放在不連續的子載波上；而局部式配置則是放置 在連續的子載波區塊。

圖2-1、OFDMA 示意圖

圖2-2、SC-FDMA 示意圖

在Release 8 中，OFDM 的技術帶給 LTE 較為彈性的排程，使資源可 以動態的排給不同的使用者，這樣的動態排程最大的好處是基地台可以根

據傳送端與接收端間的通道狀況來考量，並可以分配最適當的資源給這連 線。而在分配資源時主要是考量數據需求、系統效能以及公平性。

在將資源分配給使用者後，將會根據通道狀況來決定要給每一段連線 多少的傳輸速率，而此是由調變來決定，在 LTE 中的調變有 QPSK、16-QAM 和 64-QPSK、16-QAM。

而在細胞與細胞間的干擾控制的方面，在細胞邊緣的使用者經常會遭 受到周圍其他細胞造成的強烈干擾，因此，LTE 提出了細胞與細胞間的協 調干擾(Inter-Cell Interference Coordination, ICIC)，在 ICIC 的概念中，LTE 制定了讓基地台與基地台可以直接做溝通的介面：X2 介面，並且排程者會 先尋找出這些在細胞邊緣受到強烈干擾的用戶，並且盡量不將已經被附近 其他細胞使用的資源給這些用戶，藉此方式來減輕干擾。

S1 S1

eNB

eNB

eNB MME/S-GW MME/S-GW

圖2-3、Inter-Cell 溝通 X2 介面示意圖

LTE 在數據的速率提高，主要是通過更高的頻帶寬度以及支持多天線 技術(Multi-input Multi-output, MIMO)來達成，而 MIMO 除了提高數據速率 外，更是LTE 的頻譜效率以及接收品質大大提升的功臣，MIMO 技術的優 勢包括多樣性(Diversity)、光束形成(Beamforming)及干擾抑制(Interference Suppression)等等。MIMO 的傳輸通過下行鏈路中的配置支持，並且具有兩 個或是四個的發射天線以及兩個或是四個的接收天線，可以實現最高多達 四個數據流(Streams)的多層傳輸，在單個用戶的 MIMO 情況下，基地台為 所選用戶分配一或兩個數據流，在多個用戶的情況下，不同數據流的分配 對不同的用戶進行，並且上行鏈路與下行鏈路均支持此功能。

在2009 年，3GPP 發布了 LTE Release 9 版本，在此版本中的重點是 多媒體廣播多播服務(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)、

MIMO 中的 Beamforming 技術升級以及定位技術的提升。

多媒體廣播多播服務在行動通訊網路中提供一個能將一個數據發送給 多個用戶的服務，此舉可以使網路資源共用，提高資源的利用率，且由於 接收信號強度的提升並且沒有其他細胞的干擾，使用者接收的品質可以得 到提升。MBMS 是使用相同的頻率來做傳送，但由於其傳送的範圍可能過 大，容易受到路徑損失的影響，在頻帶方面，MBMS 最高可以使用 256kbit/s 來下載以及傳送。

在MIMO 中的 Beamforming 在 Release 8 版本中是使用基於編碼簿的 預編碼(Codebook-Based Precoding)，此版本限於單層傳輸，而在 Release 9 版本中則是使用了非基於編碼簿的預編碼(Non-Codebook-Based Precoding) 技術，此舉可以提升Beamforming 的彈性，讓原本只支持單層傳輸的變為 可以支持雙層傳輸。

在定位技術方面，Release 9 提供了一個輔助方法，稱之為輔助 GPS 的 定位方法(Assisted GPS, A-GPS)，在當時 GPS 系統約有 30 多顆在軌道上的 衛星，使用者裝置中的GPS 接收器至少需要鎖定三顆衛星的信號並且量測

相對延遲來計算經緯度，若有四顆衛星的話則也可以計算出高度，但是在 進行量測之前，使用者裝置需要先找到衛星，這可能需要花很多時間，為 了提高性能，LTE 網路通過向使用者裝置傳送有關衛星軌道位置以及訊號 傳輸時間的訊息來輔助，這大大減短了使用者設備接受到的時間。

圖2-4、A-GPS 輔助方法

觀察到達時間差(Observed Time Difference of Arrival, OTDOA)是 LTE 下行鏈路定位的方法，它的觀念與GPS 很相似，使用者設備是測量來自多 個發射機的訊號延遲時間。使用者設備比較每個LTE 細胞發送的參考訊號 (Cell-Specific Reference Signals, CRS)到達時間，並且將這些時間差異對每 個細胞天線位置結合，就可以讓網路計算出位置，而使用者設備至少需要 測量至少四個細胞。然而，由於單頻系統的固有干擾，如果使用CRS，則 定位的精確度經常會受到影響，因此為了提升精確度，在Release 9 中引入

了新的參考訊號，稱為定位參考訊號(positioning reference signals, PRS)，可 以關閉那些會對PRS 造成干擾的傳輸，使得裝置能更清楚的接收到每個細 胞的訊號，LTE 網路將利用此方法來計算位置。

增強型細胞ID(The Enhanced Cell ID, E-CID)對 Release 8 版本的細胞 基本 ID( Basic Cell ID)定位做了改進。首先是使用定時測量來計算行動裝 置與基地台距離多遠，這個距離是往返時間( Round Trip Time, RTT)的一半 乘上光速，一旦使用者設備連接，服務的細胞及使用者設備都將測量Rx 子 框架及 Tx 子框架的時間差，使用者設備會將這個測量報告傳給基地台，

並由基地台來計算RTT(式 2-1)：

RTT=eNB(Rx-Tx)+UE(Rx-Tx) (式 2-1)

在知道基地台的座標及天線高度的情況下，就可以計算使用者設備的位置，

如圖2-5。並且 E-CID 可以透過增加一樣稱做到達角(Angle of Arrival, AoA) 的技術做進一步的改善，可以更精確地找到使用者設備的位置，在這樣技 術中，基地台使用等距天線元件的線性陣列來評估使用者設備發射的方向，

如圖2-6。

圖2-5、Basic Cell ID 以及 Cell ID + TRR 示意圖

圖2-6、增加 AoA 後之示意圖

由於沒有一種定位方法是可以顧及到所有環境條件的，因此 LTE IMT-Advanced 中規範的靜態傳輸 1Gbps，高速移動的 100Mbps 速率，故是在過 渡到4G 的版本，稱為 3.9G。

在2010 年時，3GPP 發佈了 LTE Release 10 版本，從這個版本之後又 稱為LTE-Advance(LTE-A)，而這個版本也是 LTE 真正符合 IMT-Advanced 的規範而正式可以稱為 4G 的版本。這個版本有個特點，就是能夠向後相 容(Backward Compatibility)，這意思是使用 Release 8 以及 Release 9 版本的 使用者設備也能夠使用 LTE-A 的網路。LTE-A 使用了載波聚合(Carrier Aggregation, CA)進而大大提升了頻帶寬度以及頻譜使用的彈性、強化了 MIMO 技術以及細胞與細胞間的干擾協調，進而提升了頻譜使用效率、引 進了中繼技術(Relaying)以及異質網路來達到提升系統容量以及涵蓋面積 的目的。

在LTE 中，頻帶寬度是使用 1.4、3、5、10、15、20Mhz，而 LTE-A 因 為引進了載波聚合技術，最高能使用超過 100Mhz 的頻寬，這遠遠超出了 IMT-Advanced 規範的大於 40Mhz 的要求。在傳輸速率方面也達到了下行 鏈路1Gbps 及上行鏈路 500Mbps 的速度。

LTE LTE-A IMT-Advanced

Maximum bandwidth(MHz) 20 >100 >40

Peak data rate(Mbps)

DL >100 1000 1000(low)/

100(high) UL >50 500

Peak spectral efficiency(bps/Hz)

Control plane latency(ms) 100

50(idle-active)/

10(dormant-active)

100

DL cell average spectral

表2-1、LTE/LTE-A/IMT-A^DVANCED效能數據

LTE LTE-A

Access scheme

DL OFDMA

UL SC-FDMA Clustered SC-FDMA

Bandwidth(MHz) 1.4、3、5、10、15、

20 >100 by CA Peak data

rate(Mbps)

DL 300 1000

UL 75 500

Sub-carrier spacing 15kHz

Modulation QPSK、16-QAM、64-QAM

表2-2、LTE/LTE-A 差異性

載波聚合技術：在較早版本 Release 8 與 Release 9 中的用戶設備都是 使用單個載波，而3GPP 提出的載波聚合技術則最多可以使用到五個載波，

這也是LTE 最高只能支援 20MHz 的頻寬，而 LTE-A 可以支援到 100MHz 頻寬的原因，而且Release 10 為了支援向後相容，每個組成載波(Component Carrier, CC)都是採用了 Release 8 的架構。

在 載 波 聚 合 技 術 中 ， 定 義 了 頻 帶 內 不 連 續 聚 合(Intra-band non-contiguous aggregation)、頻帶內連續聚合(Intra-band non-contiguous aggregation)

以及頻帶間不連續聚合(Inter-band non-contiguous aggregation)這三種模式，

如圖2-7 所示。

圖2-7、載波聚合技術

其實在LTE Release 8 及 UTMS 中就已經有了中繼器(Repeaters)或是稱 為訊號放大器了，但其缺點是噪音會隨著信號一起放大，並且需要獨立且 分開的操作每個中繼器。而中繼站(Relay Node)的好處則是能在 RAN 的完 全控制下進行運作，並且可以在轉發前處理訊號。

中繼技術是指在大細胞中，邊緣地方訊號較差的地方架設中繼站，而 使得在邊緣或甚至是在大細胞外緣這些訊號不良好的使用者設備可以與 在它附近的中繼站連線，進而改善連線品質。而對於Release 10 的向後相 容來說，為了使Release 8 與 Release 9 版本的用戶設備也能夠連線上，中 繼站的行為模式必須與基地台相同，這樣一來，Release 8 與 Release 9 版本 的用戶設備即使連接上中繼站，也能夠正常運作。舉例來說，中繼站可以

應用在細胞範圍的擴展、室內涵蓋範圍增加、在熱門連線區域增加系統容 量、克服陰影的問題、在緊急事件時臨時部署以及能在移動的車內部署。

中繼站技術使用骨幹鏈結(Backhaul Link)來做中繼站與基地台間的鏈 結，使用接取鏈結(Acess Link)做中繼站與使用者設備的鏈結，某些情況，

由於中繼站會距離連接它的使用者設備較近，而距離基地台的距離較遠些，

造成了接取鏈結的訊號比骨幹鏈結還要強，因而可能互相產生干擾，此干 擾可能會造成回程鏈結的訊號沒辦法順利的接收，進而干擾整個中繼站的 服務情況。

圖2-8、中繼站示意圖

除了中繼技術，LTE Release 10 更增加了異質性網路，使原本傳統的版 本只有一個大型基地台，變為擁有多樣化的異質性網路，而異質性網路是 由傳統的大細胞與小細胞(Small Cell)所組成，小細胞中又可以分為微細胞

(Microcell)、微微細胞(Picocell)以及毫微微細胞(Femtocell)三種，根據不同 的用戶需求能達到彈性的部署，最好的例子就是能夠把毫微微細胞放在室 內，能夠大幅提升室內的連線強度。

節點類別 功率(dBm) 覆蓋範圍 Backhaul Link

Microcell 46 數公里以上 S1

Picocell 23~30 小於300m X2 Femtocell <23 小於50m IP

Picocell 23~30 小於300m X2 Femtocell <23 小於50m IP