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LTE 長程演進技術概述

第二章 相關知識介紹

2.1 LTE 長程演進技術概述

LTE 長程演進技術是由第三代合作夥伴計畫所提出新的無線電接收技 術,主要 提供一 個平台 朝向第四 代行動 通訊技 術(4th Generation Mobile Telecommunication Standards)的無線系統。長程演進技術採用正交分頻多 工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)做為下 行 鏈路實體層的傳輸技術,而正交分頻多工存取大量利用互相正交的鄰近子 (Quality of Service,QoS)已成為封包排成需要克服的問題。

Sub-Carriers

基 本 網 路 拓 樸 是 由 一 組 單 一 細 胞 (single-cell) 和 網 路 節 點 (network nodes)所組成,而在每個細胞中包含了基地台、使用者裝置(User Equipment,

UE)和一個或多個行動管理實體(Mobility Management Entity,MME)/服務 閘道器(Serving GW,S-GW),網路管理套件提供了網路拓樸創建和管理的 所有方式(如圖 2-2)。LTE 單一細胞中,透過細胞類別(cell-class)去實現唯 一 識 別 碼 (Unique Identifier , UID) 的 標 誌 , 而 在 直 角 笛 卡 兒 座 標 系 統 (Cartesian Coordinate System,CCS)中定義了半徑和位置。(圖 2-3)為多細 胞多用戶的模擬環境示意圖。

演進行基地台

使用者

使用者

使用者 使用者

圖 2-2、單一細胞的模擬環境

演進行基地台 使用者

演進行基地台

演進行基地台 行動管理/服務閘道器

圖 2-3、Multi-cell/multi-users 的模擬環境

現實中,為了有效地支援當前使用者所需的各種應用,LTE 網路對於 強大 3G 網絡的特性作為最基本的要求,主要設計用於高清語音服務。目 的是提升前一代的頻譜效率(spectral efficiency),並且讓細胞邊緣的使用者 (cell-edge users)提升網路覆蓋區域的傳輸性,此外,為了支援高速移動的用 戶,允許下行鏈路和上行鏈路的尖峰資料速率(peak data rates)分別定義為 100Mbps 和 50Mbps(如表 2-1)。LTE 的規範是引入尖端的無線電資源管理 (Radio Resource Management,RRM)技術去提升服務品質[4]。

表 2-1、LTE 主要的性能指標[4]

目前 LTE 4G 的標準有兩個,分別為分頻雙工長期演進技術(Frequency Division Duplexing , FDD) 和 分 時 雙 工 長 期 演 進 技 術 (Time Division Duplexing,TDD),而 FDD 和 TDD 兩者技術上相似度很高,主要差別是 採用不同的雙工方式,FDD 是通過頻率來做分割,在兩個互相對稱的頻率 上,下載是經過下行鏈路從基地台發送封包給使用者,而上傳是經由上行 鏈路從使用者端傳送封包到基地台,但在一般情況下,大部分的用戶使用 下載的時間多過於上傳的時間。在覆蓋率上面來說 FDD 適合廣域覆蓋,

TDD 適合熱點區域覆蓋,而在相同頻率和相同功率的條件上,兩者比較顯 示出 FDD 比 TDD 覆蓋率來的較好,其主要原因為 TDD 使用上行鏈路時,

在發射功率的時間要比 FDD 時間短[2]。

UL-Freq DL-Freq

UL DL UL DL

Time Time

F re que nc y F re que nc y

FDD LTE TDD LTE

DL-Downlonk UL-Uplink

圖 2-4、FDD 與 TDD 的差異[2]

2.2 LTE 通訊協定堆疊

在 LTE 規格中,演進數據封包系統(Evolved Packet System,EPS)承載

已經被引入去提供服務品質的差異性,演進數據封包系統會將流量映射到 使用 者 和 基地 台 之 間的 邏 輯 通道 (Logical channel)中。 而 演 進封 包 核 心 (Evolved Packet Core,EPC)將無線電承載分為專用承載(Dedicated Bearer) 以及默認承載(Default Bearer)兩種,依照使用者簽約的預設服務品質等級 建立一個預先設定的承載,每一個使用者至少都儲存一個啟動裝置的承載 (Active Bearer),來保證使用者在開始接收或傳送應用服務時具有更短的延 遲,並確保用戶端永遠保持連線(Always On Line)。而根據流量映射的服務 品質的要求,承載也可被分類成保證比特率(Guaranteed Bit Rate,GBR)或 非保證比特率(Non- Guaranteed Bit Rate,Non-GBR),在特定項目中,默認 承載是非保證比特率,專用承載可以保證比特率和非保證比特率兩者間兼 顧。而在當前軟體版本中,僅專用無線承載被開發[8]。

A. 服務品質和無線承載

承載類別有專用無線承載的模型,當下行鏈路和上行鏈路流量開始時,

演進數據封包系統會觸發基地台和使用者之間的專用無線承載。此外,對 於每一個用戶和基地台可以觸發一個或多個承載。

服務品質的參數目的是去提供每一個承載對於服務品質流量需求的 定義,例如: QoS 類別的識別碼符號和保證最大比特率。

縮標準技術所發展出來的(如表 2-2)。其所用語音框架為 10ms,而每一個 框架有 80 個取樣值(80 bytes),在每 10ms 的時間內,語音訊號會被分析,

並使用碼激勵線性預測(Code Excited Linear Prediction,CELP)演算法,去 增加傳輸效率,但缺點是會造成比較長得延遲時間[11]。

表 2-2、編碼標準參數[11]

Codec Bandwidth Packet Delay (ms) G.711 64kbps 1.0

G.723 6.4 Kbps 67.5 G7.29a 8 Kbps 25.0 iLBC 13.3/15 Kbps 30/20

C. 天線無線通訊系統

單天線和多天線的區別方式為接收端和發射端訊號的天線數量,當 收發端的天線數目都為一時(如圖 2-5)。稱為單輸入單輸出系統(Single-Input Single-Output,SISO);反之則稱為多輸入多輸出系統(Multi-2-5)。稱為單輸入單輸出系統(Single-Input Multi-Output,MIMO)[3]。

圖 2-5、單天線和多天線通訊系統[3]

D. 網路層通訊協定

LTE 網路層通訊協定技術是關於無線電資源管理/S1 傳輸介面/X2 傳 輸介面通訊協定技術(如圖 2-6)。根據行動管理實體的閒置狀態、演進封包 系統承載控制(EPS Bearer Control)和封包資料閘道(Packet Gateway,P-GW) 的使用者端網路位址配置、封包過濾技術(Packet Filtering)等網路層通訊協 定技術,使 LTE 無線通訊系統與核心網路進行連接,並支援 LTE 移動性 的服務功能[5]。

Idle State Mobility Handling

EPS Bearer Control MME

2.3 資源塊(Resource Block,RB)

LTE 利用 OFDMA 的存取技術,能夠將頻域(Frequency Domain)與時 域(Time Domain)的資源做有效率的規劃及分配,資源塊是 LTE 傳輸的資 源單位(如圖 2-7)。LTE的資源塊圖形中縱座標為頻率、橫坐標為時間的資 源單位,每一個資源區塊由 12 個頻寬為 15kHz 的子載波(Subcarrier)組成,

總頻寬為 180kHz。1 個子訊框(Sub-Frame)則由 2 個時槽(Time Slot)組成,

每一個時槽為 0.5ms。1 個訊框(Frame)則由 10 個子訊框所組成,共包含 20 個時槽。資源塊的數量是根據系統頻寬配置而有所變化,例如:5MHz的系 統頻寬對應到的資源塊為 25RB,10MHz 的系統頻寬則是 50 個資源塊[4]。

圖 2-7、資源塊示意圖[4]

2.4 LTE 系統媒體存取控制層架構

在 LTE 系統中,為了要提高資源使用率和系統彈性,在整體設計方面 引入動態排程機制,將不同的應用服務對應到不同的資料流上,確保不同 類型的應用服務得到足夠的服務品質。在 LTE通訊協定中,第二層為資料 傳輸層,主要包含封包資料匯聚通訊協定(Packet Data Convergence Protocol,

PDCP)、無線電連結控制(Radio Link Control,RLC)、媒體存取控制(Medium Access Control,MAC)三個子層(Sub-layer),如圖 2-8 所表示[5]。

Packet Data Convergence Protocol (PDCP)

Radio Link Control (RLC)

Medium Access Layer (MAC)

Physical Channels Physical Layer (PHY) Layer 2

1. PDCP:主要負責的功能有資料包的標頭(Header)壓縮與解壓縮、資料加 密/解密和資料完整性的保護。

2. RLC:主要的功能為對服務資料單元進行切割及組合,使之成為適當大

LTE 系統架構層中基地台無線介面之協定整體架構層(如圖 2-9)所表 示。RLC 和 MAC 層之間有邏輯通道(logic channel),MAC 與 PHY 層之間 則為傳輸通道(transport channel),邏輯通道是依據資料封包訊息來做區分,

傳輸通道是依據傳輸訊息的特性來做區別[5]。

RLC

Logical Channels

MAC

Transport Channels

PHY

Physical Channels

圖 2-9、LTE 系統之無線介面整體協定架構[5]

1. 實體通道(physical channel):此通道為傳送資料封包的通道,訊號會經 過無線射頻模組之專用通道傳送資料至接收端達到資料傳輸的目的。

2. 邏輯通道(logic channel):與實體通道在傳輸資料時會將資料分配成特 殊型態資訊,一般而言邏輯通道可分成兩類:

(1) 控制通道(control channel):傳輸控制層面(control plane)之資訊。

(2) 業務通道(traffic channel):傳輸用戶層面(user plane)之資訊。

3. 傳送通道(transport channel):連結媒體存取控制與實體層,說明資料傳輸 是如何在空中介面上傳送。

第三章 本論文研究與探討

3.1 研究動機與目的

全球 5G 行動通訊的研發正如火如荼展開,國際電信聯盟(ITU)與 3GPP 國際標準組織為了評估各種解決方法,已經開始訂定各種模擬規範,主要 是用於複雜且具有整體驗證性質的系統層級模擬器(System level simulator, SLS)。系統層級模擬器需具有能夠模擬大量基地台與大量的使用者裝置之 間的封包排程、互動、與干擾行為的功能。可以用來了解長程演進技術(LTE) 整體網路的效能,例如:基地台平均傳輸速度、流量影響、使用者裝置、

封包吞吐量、延遲和公平性等效能評估。

3.2 模擬器分析與比較

透過 MATLAB 撰寫的 LTE 物理層模擬器,其主要的特點是可實現具 有適應性調變與編碼(AMC)、多數入多輸出(MIMO)傳輸、多使用者裝置和 排程的 LTE 下行鏈路。LTE 模擬環境中可支援單細胞/多細胞多個使用者 裝置,而程式碼公開可免費使用,缺點則是無法實際應用、不完整的 LTE 協定層和不支援上行鏈路(如圖 3-1)。

Multi-Cell Multi-User

Amari LTE-100 是由派恩科技公司所研發的一套 LTE 模擬軟體(如圖 3-2),其模擬器對於 LTE 的實體層、協定層和演進封包核心(EPC)都符合 3GPP 的規範,但需付費購買和原始碼不公開[7]。

圖 3-2、Amari LTE-100 基本結構[7]

目前為止缺乏一個通用免費的的 LTE 模擬器讓研究人員來評估整體 LTE 系統的性能,直到 LTE-Sim 模擬器的出現。LTE-Sim 是一個開放源碼 基於 C++的模擬器,其設計理念是希望能完整實現演進型技術協定層,可

3.3 LTE 系統軟體設計介紹

本章節中,我們將使用 LTE-Sim 模擬器去執行演進型技術系統層級的 模擬,其中 LTE-Sim-r5 內部語法是使用 C++程式語言,而外部的殼層腳本 (Shell script)是使用 Linux 進行編排及編寫的一套模擬軟體,為了確保模擬 時的靈 活性、 高性能 、和 模組化 ,所以 大量 使用物 件導向 程式 (Object-oriented programming,OOP)做編排,以達到最佳的效能。

LTE-Simulation 模擬器是由 Linux 指令 去呼叫與執行,在 Microsoft Windows 64 位元作業系統中需安裝 Cygwin64 Terminal 終端機(如圖 3-4)。

Cygwin 的 基 礎 是 一 套 軟 體 模 擬 層 , 也 就 是 cygwin1.dll , 由 此 可 知 DLL(Dynamic Link Library,動態連結程式庫)去提供可移植作業系統介面 (Portable Operating System Interface,POSIX)的功能,能在 Windows 上模擬 出 Linux。而在 Mac OS X 作業系統上,則需安裝 Ubuntu 去作執行,Ubuntu 是眾多 Linux 發行版本的作業系統之一。

圖 3-5、Ubuntu Terminal 模擬平台

統一塑模語言(Unified Modeling Language,UML)是一種開放式的建圖 方法,主要用於說明、建構和編寫物件導向,適用於大規模和複雜的系統 進行塑模,特別是在軟體架構層次已經被有效驗證,而在本篇論文中顯示 出重要的類別說明方式與圖形,下列主要說明兩個部分(如圖 3-6)。

1. 協定推疊(Protocol Stack):協定推疊下列包含三個查詢虛擬關係有封包 資料匯聚通訊協定、無線電資源控制和媒體存取控制,其中媒體存取控制 實體的表單中可搜尋到用戶與基地台的媒體存取控制實體。封包排程檔案 方面必定是儲存在基地台的媒體存取控制實體裡,而封包排程中又分為流 量 管 理 的 排 程 、 比 例 公 平 (Proportional Fairness , PF) 、 最 大 延 遲 優 先 (Maximum Largest Weighted Delay First , M-LWDF) 和 指 數 型 比 例 公 平

2. 應用服務:承載資料夾是儲存在應用服務中,而應用服務中包含網路電 話、無限緩衝(Infinite Buffer)、固定傳輸率和視訊串流[8]。

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