LTE 長期演進技術無線網路系統概述

第一代行動通訊(First Generation, 1G)是在1980年時由Bell公司開始經 營 HCMTS(High-Capacity Mobile Telephone System) ， 後 來 發 展 成 AMPS(Advanced mobile phone service)，第一代行動通訊為類比系統。第二 代行動通訊技術(Second Generation, 2G)是在1992年開始使用，第二代行動 通訊為數位化系統，其標準為GSM與CDMA系統，提供數位語音以及低速 率數據的服務，並且改善了頻率效應、提高通話品質以及降低所造成的干 擾。第2.5G行動通訊技術是運作在2G與3G之間的通訊技術，連接速度介於 兩者之間，第2.5G行動通訊使用通用封包無線服務(General Packet Radio Service, GPRS)系統採用了封包交換技術。第2.75G系統中增強型數據傳輸 (Enhanced Data rates for GSM Evolution, EDGE)提高了傳輸速率，與原本 GSM 系 統 相 比 之 下 傳 輸 速 率 高 出 三 倍 。 第 三 代 行 動 通 訊 技 術 (Third Generation, 3G)著重於的部分為多媒體服務以及高速率傳輸，以提高人們 的生活品質為主要目的。其中3G行動通訊之協定可大致分成三種不同的系 統，美國的規格為分碼多工存取2000(Code Division Multiple Access 2000, CDMA2000) ，歐洲的規格為寬頻分碼多工存取(Wide band Code Division Multiple Access, WCDMA)，大陸的規格為分時同步分碼多工存取(Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access, TD-SCDMA)。儘管如 此這三種標準都屬於CDMA的技術，但彼此卻是無法相容的。

在 1998年 年 底 成 立 了 第 三 代 合 夥 計 劃 (Third Generation Partnership Project, 3GPP)，主要目的為實現2G網路至3G網路的過渡期，並且要完整定 義出3G無線網路規範，其中3GPP的組織中共有六個組織所組成，包括有歐

洲 電 信 標 準 化 委 員 會 (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) 、 北 美 無 線 通 訊 工 業 解 決 聯 盟 (Alliance for Telecommunications Industry Solution, ATIS)、電信技術委員會(Telecommunications Technology Committee, TTC)、韓國的電信技術協會(Telecommunications Technology Association, TTA)、日本的無線行業企業協會(Association of Radio Industries and Business, ARIB) 以 及 中 國 通 訊 標 準 協 會 (China Communications Standards Association, CCSA)。在2008年年底3GPP組織發佈Release 8的版 本，其內文中定義出長期演進技術(Long Term Evolution, LTE)，在接下來 的Release 9版本中針對於SAES、WiMAX與LTE的相互操作的部分做了加 強，在2009年年底3GPP組織發佈Release 10版本實現了IMT-A的需求，並且 宣布在Release 10版本之後稱為LTE-Advanced(LTE-A)，也是我們俗稱目前 的4G網路，以下將介紹LTE-A的技術。

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[14]簡介中將以下幾種為 重點的發展技術：

1. 載波聚合(Carrier Aggregation, CA)：將目前 LTE 載波做為基礎架構 匯集出更多個 LTE 載波來形成更大頻寬之載波，以滿足未來更高 頻寬之需求，如圖 2-1 所示。

2. 中繼站(Relay)：專門針對邊緣用戶者的活動範圍內以及通訊不良的 區域架設一個中繼站(Relay Node)來增強並重新發射上行鏈路以及 下行鏈路的訊號以改善服務品質，如圖 2-2 所示。

圖 2-1、LTE-A 系統之載波聚合(Carrier Aggregation)示意圖[14]

(資料來源：新通訊 2013 年 11 月號 153 期《技術前瞻》)

圖 2-2、LTE-A 系統之 Relay 中繼站示意圖[14]

(資料來源：新通訊 2013 年 11 月號 153 期《技術前瞻》)

3. 協調式多點傳送與接收(Coordinated Multi-Point Transmission and Reception, CoMP Tx/Rx)：假設用戶位於在基地台邊緣，用戶本身除 了可向所註冊的基地台作資料交換，也能向相鄰的基地台作資料交 換，因此基地台與基地台之間就必須要達成協調以及波束成形 (Beam Forming, BF)的角度，以達到服務品質合作增益(Cooperative gain)，如圖 2-3 所示。

圖 2-3、LTE-A 系統之 CoMP Tx/Rx 協調式多點傳送與接收示意圖[14]

(資料來源：新通訊 2013 年 11 月號 153 期《技術前瞻》)

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

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[14]

(資料來源：新通訊 2013 年 11 月號 153 期《技術前瞻》)

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[14][18]

Technology LTE LTE-A

Downlink Peak data rate (Mbps)

150 1000

Uplink Peak data rate (Mbps)

75 500

Downlink Transmission bandwidth (MHz)

20 100

Uplink Transmission bandwidth (MHz)

20 40

Mobility

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

2. High Performance at speeds up to

Full performance up to 5 km

1. Same as LTE 2. Should be

optimized or deployment in local areas/micro cell environments Scalable Band

Widths(MHz)

1.4, 3, 5, 10, 20 20-100

Capacity

200 active users per cell in 5 MHz

3 times higher than that in LTE