第二章 相關知識介紹
2.1 LTE 長期演進技術無線網路系統概述
無線網路的發展從許久之前便已開始進行，1947年貝爾實驗室以蜂窩 概念作為基礎，提出了第一代行動通訊技術(first generation，1G)如類比蜂 巢式系統(Analog cell system)，然而第一代蜂巢系統在實行上缺乏統一的標 準規範，並阻礙了1G的發展。第二代行動通訊技術 (Second generation, 2G) 之全球行動通訊系統（Global System for Mobile Communications, GSM）是 我們目前語音通話的主要技術，2G系統只針對語音訊息(voice)作傳遞處理，
而隨著網際網路(Internet)快速發展，人們開始重視數據資料(data)的傳遞，
因此推出了2.5G技術，2.5G中加入通用封包無線服務技術(General Packet Radio Service, GPRS)，可分別傳遞數據訊息和語音訊息。而後又發展至 2.75G系統，增強資料GSM演進技術 (Enhanced Data rates for GSM
Evolution, EDGE)，此技術是使用8PSK(Phase Shift Keying)，相較於GSM系 統之傳輸速率可至原來的三倍。人們期盼未來能夠在行動裝置上能夠處理 影像、音樂、網頁瀏覽、電話會議…等多媒體(multimedia)應用，在第三代 行動通訊技術 (third generation, 3G)系統的出現正搭上這個潮流。3G的協 定有非常多，像是歐洲之寬頻分碼多工 (Wide band Code Division Multiple Access, WCDMA)、美國之CDMA2000(Code division multiple Access 2000) 以及大陸發展之TD-SCDMA(Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access)都是屬於3G協定的成員，而這三種標準都是CDMA技術，
但在關鍵的細節設定上有許多不同之處，因此彼此互不相容。當3G技術發 展後，WCDMA陣營從1998年年底開始，結合歐洲的ETSI、美國ATIS、日
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本ARIB、韓國TTA等即發起成立了第三代行動通訊夥伴計畫組織(third generation partnership project, 3GPP)以優化WCDMA標準。近年來，寬頻無 線技術快速發展，國際間分成WiMAX與LTE兩大陣營進行研究，後來由 3GPP所提出的LTE系統漸漸勝出，而成為目前主流的技術。根據國際電信 聯盟 (International Telecommunication Union, ITU)所提出的IMT-Advanced 標準中定義：用戶低速移動的狀態下，下鏈(Downlink)傳輸速率達到1Gbps，
高速移動狀態下傳輸速率達到100Mbps，而IMT-Advanced也就是我們所俗 稱的4G行動通訊系統。2008年12月正式發表了LTE Release 8 定義了LTE 的基本功能，而在Release 9中新增Beam forming與定位之功能，而在LTE R8/9並未達到IMT-Advanced的標準，所以只能稱為3.9G，在LTE Release 10 中因為符合IMT-Advanced的標準，而我們稱LTE第10版之後的版本為 LTE-Advanced，也正式被稱為4G。
日前發展之 LTE-Advanced 延伸了 LTE 的功能，為了達到
IMT-Advanced 的基本要求以及提供更優質的服務品質保證，LTE-Advanced Standard[16]簡介以下數種重點發展技術：
1. 載波聚合(Carrier Aggregation, CA)：以 LTE 現行載波架構為基礎，集合 兩個或以上的載波以形成更大頻寬之載波，最大可聚集五個載波，而最 大頻寬可達到 100MHz，並可向下相容 LTE Release 8 版本，而此技術 為 LTE-A 達到 4G 標準的重要技術之一，能夠有效地利用分散的載波資 源，使用戶能夠大幅提升傳輸速率，獲得更好的用戶體驗。
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f
CC #1 CC #2 CC #3 CC #4 CC #5
100MHz
圖 2-1、LTE-A 系統之載波聚合(Carrier Aggregation)示意圖[14]
2. 中繼站(Relay)：中繼站是為了改善 eNodeB 的服務涵蓋範圍以及用戶的 通訊體驗，藉由增加中繼站有效地擴展服務區域，而架設中繼站(Relay Node, RN)可接收、增強並重新發射下行鏈路與上行鏈路之訊號以改善 接收狀況，圖 2-2 為示意圖。
eNB
RN
RN
eNB
圖 2-2、LTE-A 系統之 Relay 中繼站示意圖[14]
3. 協調式多點傳輸(Coordinated multi point transmission and reception,
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CoMP)：主要使用在基地台邊緣的情況，考量到用戶若處於基地台邊緣，
所接收到的手機訊號較低，藉由 CoMP 除了可向本身註冊之基地台可 傳輸資料外，也可向相鄰的基地台註冊，註冊後亦可傳輸資料，達到較 好的用戶體驗，因為與相鄰基地台註冊，所以基地台間必須要協調排程 (schedule)去安排用戶的資料傳輸以及調整波束成形(Beam Forming)的 角度，藉此達到有效傳輸，如圖 2-3 所示。
Cell 1
Cell 2
Cell 3
圖 2-3、LTE-A 系統之 CoMP 協調式多點傳輸示意圖[14]
4. 增強型多天線傳輸(Advanced MIMO)：此技術能夠提升頻譜使用效率。
LTE-Advanced 之所以符合 4G 標準，其一為增加使用頻寬，其二則提 升頻譜使用率，而頻譜使用率的解決方法則為提升 MIMO 天線數。在 LTE Release 8 版本中定義下行鏈路 4×4 以及上行鏈路 1×2 之 MIMO 傳 輸模式，而 LTE-Advanced 定義了下行鏈路 8×8、上行鏈路 4×4 的多天 線傳輸模式，與先前的 LTE Release 8 相比下行鏈路提升兩倍，而上行
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鏈路提升四倍的頻譜使用效率，大幅提升頻譜使用效率，使得傳輸速率 也能大幅度的提升，如圖 2-4 所示。
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UE
圖 2-4、LTE-A 系統之 Advanced MIMO 增強型多天線傳輸示意圖[14]
表 2-1 為 LTE 與 LTE-A 系統之比較表，可從表格中發現 LTE 與 LTE-A 有許 多的差異，而兩者最大的差異點在於用戶下行鏈路傳輸速率從過去之 150Mbps 提升至 1Gbps，上行鏈路傳輸速率從 75Mbps 提高至 500Mbps。而因為 LTE-A 使 用了載波聚合技術，使得在下行鏈路傳輸頻寬從過去只能使用一個 20MHz 載波 大幅提升至使用 5 個載波達到 100MHz，而上行鏈路傳輸頻寬也從 20MHz 增加 至 40MHz，從系統容量觀察可發現 LTE-A 比 LTE 多出三倍的系統容量。
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表 2-1、LTE 與 LTE-A 系統之比較[16]
Technology LTE LTE-Advanced
Downlink Peak data rate (DL)
150 Mbps 1 Gbps
Uplink Peak data rate (UL)
75 Mbps 500 Mbps
Transmission bandwidth (DL)
20 MHz 100 MHz
Transmission bandwidth (UL)
20 MHz 40 MHz (requirements as
defined by ITU)
Mobility
Optimized for lowspeeds (<15 km/hour)
High Performance at speeds up to 120 km/hr
Maintain Links at speeds up to 350 km/hour
Same as LTE
Coverage
Full performance up to 5 km Same as LTE
Should be optimized or deployment in local
areas/micro cell environments
Scalable Band Widths
1.4,3, 5, 10, and 20 MHz Up to 20–100 MHzCapacity
200 active users per cell in 5 MHz3 times higher than that in LTE