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LTE 長期演進技術無線網路系統概述

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

通 用 的 行 動 通 訊 系 統 (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS)是指當前最廣泛採用的一種第三代行動網路技術,而長期演進LTE 是這一系列推動行動通訊系統向前發展的最新進展。

針對陸地行動系統來說,此類型的系統開始於1947年,伴隨著著名的 貝爾實驗室所提出的蜂窩式的區域基地台,每個小區域都具有自己的基地 台,它們分別工作在不同的頻率,從而使行動通訊網路的容量大為提高。

最早的系統僅限在國內使用,不能跨國漫遊,且只有少數用戶申裝,因為 當時的行動終端裝置十分昂貴,繁瑣且非常耗電,因而這組系統實際上僅 安裝應用於汽車上使用。

到了20世紀80年代,被人們稱為第一代的AMPS行動通訊網路系統實 現了大規模的商業化使用。第一代的行動通訊系統由許多國家自行獨立研 發之技術互不相容(例如AMPS主要適用於美國及台灣的類比行動電話系 統,TACS適用於歐洲部分地區的全址通訊系統,NMT也適用於歐洲部分 地區的所謂的北歐行動電話系統,J-TACS則是用於日本和香港地區的所謂 日本全址通訊系統),但它們都是使用類比的通訊技術。

隨著使用數位化通訊技術的第二代系統,即全球行動通訊系統GSM技 術的發展,可以在不同國家之間的全球漫遊首次成為可能的事情。GSM能 夠取得成功,部分原因在於促使其發展的合作精神。在歐洲電信標準協會 的主導之下,一些企業共同合作,透過充分利用這些企業所提供具有創新 的專業知識,GSM成為一個強而有力並且可以達成互相相容的技術標準,

因手機製造工業的技術進步,使的終端設備可以更輕巧、更時尚,電 池的待機時間更佳的長,因而促使了GSM的標準被用戶廣泛的接受,遠遠 超出最初的預期,這也有具於建立一個龐大的新市場。GSM手機在已開發 國家中差不多已經完全滲透,並且提供了,在之前絕無可能的便捷通訊。

首先是語音和簡訊,隨之而來的是多樣化的資料傳輸業務。與此同時,在 發展中國家,那些偏遠的地區沒有部屬實體線路的連結,即使部屬線路也 要花費很高的費用,GSM技術則可以低成本的快速部屬其偏遠地區的通訊 系統。

在3GPP標準的演進過程中,最常見的多工存取技術:第二代的GSM、

GPRS、EDGE家族是基於時分和頻分多工的存取技術;第三代的UMTS家族 中的CDMA和WCDMA是基於寬頻分碼多重進接的技術;最後,LTE採用 了正交分頻多工(Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM)的存取 技術。目前,最新的無線通訊技術大多採用OFDM的技術。

LTE延續了3GPP中的GSM和UMTS家族的技術演進,LTE採用分組交 換模式而不是早期的電路交換模式,此外還包含了非無線技術方面之外的 演進,業界上稱為系統架構演進(System Architecture Evolution, SAE),包含 演進分組核心網路(Evolved Packet Core, EPC)。LTE和SAE共同組成了演進 的分組交換系統,其核心網路及無線存取完全採用分組交換技術。

LTE可以自由地採用調變技術,不必考慮相容之前的行動通訊技術,

以及5MHz的頻寬限制,LTE可以在一個統一的框架下同時使用頻分雙工 (Frequency-Division Duplexing, FDD) 和 時 分 雙 工 (Time-Division Duplex, TDD)的模式,其TDD為TD-SCFMA(時分同步碼多工存取)的演進。

2008年3GPP組織發佈Release 8的版本定義出長期演進技術LTE,接下 來Release 9版本對於SAES、WiMAX與LTE的部分做了加強,2009年3GPP 組織發佈Release 10版本定義出LTE-Advanced(LTE-A),也是我們俗稱目前 的4G網路,以下將介紹LTE-A的相關技術。

LTE-A 延伸了 LTE 的功能,為了達到 IMT-Advanced 的基本要求與提 供更良好的服務品質,在 LTE-Advanced Standard[11]簡介中將以下幾種為 重點的發展技術:

1. 載波聚合(Carrier Aggregation, CA):在 3GPP 組織的 Release 10 版 本的訊號規範中,定義了載波聚合的技術,最多可以合併五種不同 頻帶的頻寬,由於 LTE 最高支援 20MHz 的頻寬大小,透過 CA 技 術最大將可同時使用到 100MHz 的頻寬大小,在 100MHz 的環境 之下,下行鏈路速率最高可達 1Gbps,上行鏈路最高可達 500Mbps 的傳輸速率。並且可以同時支援同頻段連續頻譜聚合(intra-band contiguous spectrum aggregation)以及跨頻非連續的頻譜聚合(inter-band spectrum aggregation),如圖 2-1 所示。

Band 1

Band 1

Band 1 Band 2

f

f 同頻 連續頻寬 f

intra-band contiguous

同頻 非連續頻寬

intra-band Non-contiguous

跨頻 非連續頻寬

inter-band Non-contiguous

圖 2-1、LTE-A 系統之載波聚合(Carrier Aggregation)示意圖[11]

2. 轉發站(Relay):可以使用相同頻帶(in-band)改善涵蓋範圍,Relay 的 功能與Repeater 類似,其不同之處是亦可以使用不同頻帶(out-band) 來增加系統容量,並且除了負責增強重新轉送上鏈以及下鏈的工作 之外,也會把自己當作是基地台來管理,同時兼備基地台及中繼站 (Repeater)的特色,專門針對邊緣的用戶及訊號不佳的區域來架設以 改善其服務品質,如圖2-2 所示。

A基地台 B基地台

Relay Backhaul 轉發站

骨幹網路

電波 電波

圖 2-2、LTE-A 系統之 Relay 中繼站示意圖[11]

3. 協調式多點傳送與接收(Coordinated Multi-Point Transmission and Reception, CoMP):假設用戶端位於在基地台邊緣,用戶端本身可 以同時向主要註冊的基地台做資料傳輸及鄰近邊緣的基地台做資 料傳輸,假設基地台之間完成協調,就能達到服務品質合作增益 (Cooperative gain),如圖 2-3 所示。

A基地台

B基地台

C基地台

用戶端可同時使用 三個基地台的資源

圖 2-3、LTE-A 系統之 CoMP 多點協調示意圖[11]

4. 增強型多天線傳輸(Advanced MIMO):為了要增加頻譜的使用效率,

LTE-A 所採用的解決方案為增加 MIMO 的天線數量,在 3GPP 組織所提出 的Release 8 版本中(LTE)定義下行鏈路為 4×4、上行鏈路為 1×2 的多天線 傳輸模式,而在3GPP 組織所提出的 Release 10 版本中(LTE-A)定義了下行 鏈路為8×8、上行鏈路為 4×4 的多天線傳輸模式,可看到 Release 8 到 Release 10 版本中,針對下行鏈路提升兩倍以及上行鏈路提升四倍的頻譜使用效率,

如圖2-4 所示。

下行鏈路 8×8

上行鏈路 4×4

圖 2-4、LTE-A 系統之 Advanced MIMO 增強型多天線傳輸示意圖[11]

表 2-1 列出 LTE 與 LTE-A 系統之比較,從表 2-1 可觀察出 LTE 與 LTE-A 兩者最大的差異性在於傳輸速率以及頻寬的部分,用戶端下行鏈路 傳輸速率的部分從 150Mbps 提升到 1Gbps;上行傳輸速率的部分從 75Mbps 提升到 500Mbps;下行鏈路傳輸頻寬的部分從 20MHz 大幅增加到 100MHz;

而上行鏈路傳輸頻寬的部分從 20MHz 增加到 40MHz,整體而言,LTE-A 與 LTE 的系統容量相比高出三倍。

表2-1、LTE 與 LTE-A 系統之比較表[11, 12]

技術

LTE LTE-A

下鏈最高速率(Mbps) 150 1000

上鏈最高速率(Mbps) 75 500

下鏈傳輸頻寬(MHz) 20 100

上鏈傳輸頻寬(MHz) 20 40

移動特性

1. Maintain Links at speeds up to 350 km/h

2. High Performance at speeds up to 120 km/h

3. Optimized for low speeds

Same as LTE

覆蓋範圍 Full performance up to 5 km

1. Same as LTE

2. Should be optimized or deployment in local areas/micro cell environments

可延伸的頻寬(MHz) 1.4, 3, 5, 10, 20 20-100

系統容量 200 active users per cell in 5 MHz

3 times higher than that in LTE

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