LTE 長期演進技術無線網路系統概述

第一代行動通訊技術(first generation，1G)如類比蜂巢式系統(analog cell system)於1947年於貝爾實驗室以蜂窩概念作為基礎，然而第一代蜂窩系統缺乏統 一的標準，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）只針對語音訊息 (voice)作傳遞處理，然而隨著網際網路(Internet)逐漸發展，數據資訊(data)的傳遞 被逐漸重視，因此在2.5G技術中，加入了通用封包無線服務技術(General Packet Radio Service, GPRS)，可分別傳遞語音訊息與數據訊息。而在2.75G系統中增強 資料GSM演進技術 (Enhanced Data rates for GSM Evolution, EDGE)由於使用了 8PSK(Phase Shift Keying )，相較於GSM系統之傳輸速率可至原來的三倍。在第三 代行動通訊技術 (third generation, 3G)系統中，多媒體(multimedia)服務逐漸盛行，

透過系統提供的高畫質影像及視訊，使人們的生活品質逐漸提升，無論是歐洲之 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)等技術在網際網路上進行資 料傳送已無問題。目前3G的國際標準有三個，分別為：WCDMA、CDMA2000、

TD-SCDMA三種，雖然此三種標準都是CDMA的技術，但在關鍵參數上仍有許多 不同，因此彼此是互不相容的。

基於提升現行行動通訊網路技術，WCDMA 陣營從 1998 年年底開始，歐洲 的 ETSI，日本 ARIB，美國 ATIS，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，在

2004 年開始持續發展長期演進技術(long-term evolution, LTE)以作為第四代行動 通訊(4G，4th Generation)之標準，2008 年 12 月正式發佈 LTE Release 8 版本定義 了 LTE 的基本功能，在 Release 9 版本增加了 Beam forming 與定位之功能，而 Release 10 版本為根據國際電信聯盟 (International Telecommunication Union, ITU) 所定義的進程：用戶靜態在下傳(Downlink)傳輸速率達到 1Gbps，高速移動狀態 下傳輸速率達到 100Mbps，就可作為 4G 的技術之一，在 Release 10 之後發展之 版本被稱為 LTE-Advanced，簡寫為 LTE-A。

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)：即以 LTE 現行載波為基礎，集合多 個載波以形成更大頻寬之載波，以滿足未來更高頻寬之需求，並可向下 相容 LTE Release 8 版本。

100 MHz

frequency

CC

圖 2- 1、LTE-A 系統之載波聚合(Carrier Aggregation)示意圖 (資料來源：[16])

2. 中繼站(Relay)：為改善 eNodeB 服務涵蓋範圍以及彈性地擴展服務區域，

架設中繼站(Relay Node)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。

圖 2- 2、LTE-A 系統之 Relay 中繼站示意圖 (資料來源：[16])

3. 協調式多點傳輸(Coordinated multi point transmission and reception,

CoMP)：用戶若處在基地台邊緣，除本身註冊之基地台可傳輸資料外，

相鄰的基地台亦可傳輸資料，因此相鄰之基地台間必須彼此協調以及波 束成形(Beam Forming)的角度，以達到有效傳輸，如圖 2-3 所示。

圖 2- 3、LTE-A 系統之 CoMP 協調式多點傳輸示意圖 (資料來源：[16])

4. 增強型多天線傳輸(Advanced MIMO)：為提升頻譜使用效率，

LTE-Advanced 之解決方法是提升 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 之多天線傳輸模式，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，

換言之，下行提升兩倍而上行提升四倍的頻譜使用效率，如圖 2-4 所示。

圖 2- 4、LTE-A 系統之 Advanced MIMO 增強型多天線傳輸示意圖 (資料來源：[16])

表 2-1 列舉出 LTE 與 LTE-A 之相異，用戶於下傳傳輸速率從過去之 150Mbps 提升至 1Gbps，上傳傳輸速率從 75Mbps 提高至 500Mbps 之外，下傳傳輸頻寬從 過去的 20MHz 大幅提高至 100MHz，而上傳傳輸頻寬也從 20MHz 增加至 40MHz，

系統容量與 LTE 比較也多出三倍。

表 2- 1、LTE 與 LTE-A 系統之比較[13][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 low speeds (<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 MHz

Capacity

200 active users per cell in 5 MHz

3 times higher than that in LTE

2.2 LTE 系統模型簡介

3GPP LTE 系統規格書 TS 36.300 [25]中指出，LTE 系統架構分為無線架構 E-UTRAN（Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Network）與核心網路(Evolved Packet Core Networks, EPC)兩部分。無線架構介面主要是用戶設備（User

Equipment，UE）與基地台(Evolved Node B, eNodeB)之間的通訊，而核心網路建 立於全 IP 網路之協定與多重網路存取架構，並且分離出用戶層面(user plane)與控 制層面(control plane)，分別交由不同元件管理。

在無線架構部分 E-UTRAN 包含了用戶設備(UE)與基地台(eNodeB)，

E-UTRAN 為正交分頻多工存取(OFDMA)通訊技術，可支援分頻雙工(FDD)與分 時雙工(TDD)模式，以及支援多種不同之頻寬(1.4M-20 MHz)。 E-UTRAN 負責無 線訊號的控制與資料處理，包括有無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)、權限控制(Admission Control)、用戶排程(Scheduling)、服務品質(Quality of Service, QoS)、區域資訊廣播、資料封包檔頭壓縮、資料加解密、資料封包處理、

自動重傳請求/混合自動重傳請求(ARQ/HARQ)等功能，此外 eNodeB 還負責與 EPC 核心網路進行資料交換的任務。eNodeB 會透過 S1 的空中介面(Air Interface) 跟 EPC 連接，而 eNodeB 間透過 X2 的空中介面連接，如圖 2-5 所示。

MME/GW MME/GW

eNodeB eNodeB

S1 S1

X2

X2 X2

S1 S1

E-UTRAN

圖 2- 5、LTE 網路無線架構示意圖 (資料來源：[13][25])

LTE 系統中之 eNodeB 其中一項重要之任務為─用戶排程，在 eNodeB 裡的 排程器(scheduler)會將可用的 RB 固定編號以方便管理及排程。在目前 LTE-A 系 統版本中，下傳傳輸速率最快可達 1Gbps，傳輸頻寬 20MHz，在系統內部的訊號 處理捨棄了舊有電信架構中數據資料和語音資料分別傳送於封包交換領域

(Packet-Switched Domain, PS domain)及線路交換領域(Circuit-Switched Domain, CS domain)，進而將網路整合成一個單一網路-全 IP 網路(all-IP Network)，無論語 音和數據資料，完全以資料封包(packet)作為傳送單位，此舉可使網路利用率 (efficiency)提高，系統架構也更為簡單。然而在全 IP 網路(all-IP Network)中維持 VoIP(Voice over Internet Protocol，網路電話)的服務品質(Quality of service, QoS) 相當具挑戰性，這是受限即時服務之用戶在延遲時間(delay)和封包遺失(loss)上的 限制嚴格，且 IP 網路受限於封包交換的特性，會造成封包延遲時間過長 (Long

Delay)、封包傳送時間顫動 (Jitter)以及封包遺失 (Packet Loss)等問題。

EPC 為 LTE 核心網路部份，為了降低核心網路複雜度固設計成一個全 IP 網 路協定的多重存取核心網路，營運商可以在單一共同封包核心網路進行建置與運 作各種不同的存取網路，如 3GPP 無線存取網路(LTE、LTE-A、3G、2G)、其他 無線存取網路(WLAN、WiMAX)以及有線存取網路(Ethernet、DSL、Cable、Fiber)，

期望可增加系統相容性和覆蓋範圍，降低營運成本，同時又得以增加使用者傳輸 速率，減少延遲。EPC 主要由三個子項目組成：移動性管理組件（Mobility Management Entity, MME）、服務閘道(Serving Gateway, S-GW)與封包資料網路 閘道(Packet Data Network Gateway, PDN-GW)。MME 為核心網路管理者，處理來 自控制層面的訊息，負責閒置模式(Idle Mode)時的移動管理、演進數據封包系統 (Evolved Packet System, EPS)業務承載(Bearer)管理、非存取層(Non-access Stratum, NAS)安全管理等功能，此外 MME 利用 S3 介面與 2G/3G 無線通訊系統進行移動 控制的溝通。服務閘道 S-GW 負責核心網路中資料傳輸部分，處理系統中用戶層 面的訊息，主要功能有負責路由並傳遞用戶的封包資料，處理 eNodeB 之間的換 手服務，並利用 S4 傳輸介面與 2G/3G 無線通訊系統進行資料封包的傳遞與交換。

封包資料網路閘道 PDN-GW 是核心網路與外部網路連接之介面，為 LTE 網路與 其他非 3GPP 網路資料收送與訊息控制的閘道器，與 S-GW 則是透過 S5 傳輸介 面溝通。主要提供手機和外界封包資料網路連線，負責支援計算費用，扮演 3GPP 無線通訊網路與非 3GPP 通訊網路間移動的中介點。

在營運商方面，LTE 系統發展也必須滿足營運商的需求如：提升系統傳輸速 率、兼容其他技術系統以及提供更好的服務包括用戶安全性、穩定的連線品質和 更小的延遲，如圖 2-6 所示。

圖 2- 6、LTE 系統建置之主要目的[13]