前言
3GPP核准的LTE(Long Term Evolution)技術,在射頻介面上有幾個關鍵技術,同時在峰值傳輸速率(Peak Data Rate)、時延(Delay)、頻譜效率(Spectrum Efficiency)等方面,也有令人矚目的高效能表現。
本文將針對LTE的頻譜使用彈性(Spectrum Flexibility)、多重天線技術(Multi-antenna Technologies)、排程(Scheduling)、鏈路自適性(Link Adaptation)、功率控制(Power Control)、重傳處理(Retransmission Handling)進行扼要介紹與分析。
LTE背景說明
以高速封包接取HSPA(High-Speed Packet Access)技術為基礎的行動寬頻服務,已經相當成熟,不過為了滿足未來行動寬頻服務的需求,業界要更進一步地改善服務的遞送(Service Delivery),例如更高的傳輸速度、更短的時延、甚至是更大的網路容量。這些都是3GPP制定射頻接取網路規格時一開始所設定的目標,特別是在HSPA Evolution與LTE部分。
相較於之前的3G系統,LTE的強化效能包括超過300Mbps的峰值傳輸速率、少於10ms的時延、以及數倍的頻譜使用效率。LTE可在既有或是新增的頻段上佈建,系統維護營運較為簡單。此外,LTE 包含許多未來4G系統所考慮的特性,LTE的目標是希望無論是舊有3GPP或3GPP2的系統,均能平順地演化、整體邁向IMT-Advanced(International Mobile Telecommunication-Advanced)階段。
LTE射頻介面基本原理
解決射頻通訊快速變化問題
射頻通訊的本質特性,就是射頻通道品質(Radio Channel Quality)
在時間、空間、以及頻域上的快速變化;這包括因為多路徑傳輸(Multipath Propagation)所導致的快速變化。因此,射頻通道品質與反射波的結構有絕對的關係,如圖一所示。
許多各種不同的分集傳輸技術(Diversity Transmission)被用來解決這種快速變化的問題,讓射頻鏈路能保持固定的傳輸速率。然而對於封包資料服務而言,終端用戶通常不會注意到這在瞬間傳輸速率上短暫快速的變化。
OFDM傳輸特性
LTE射頻接取的基本原理是要以「利用」取代「抑制」,這種通道品質的快速變化,可更有效率地使用已獲得的射頻資源,這些資源包含了利用OFDM為射頻接取技術基礎的時域與頻域的資源。
下行射頻鏈路傳輸核心
傳統利用多個平行的子通道做資料傳輸的OFDM技術,架構了LTE下行射頻鏈路傳輸的核心技術。相對窄頻的子通道(Subcarrier)搭配循環字首(Cyclic Prefix;CP)的使用,使得OFDM傳輸在射頻通道對抗時間離散(Time Dispersion)的效應上更加強固,可有效減少在接收機端音通道等化(Channel Equalization)所造成的複雜度。
在下行鏈路上,OFDM能簡化接收機的基頻處理,降低終端設備的製造成本與功率耗損。這對使用大頻寬傳輸的LTE尤其重要,特別是配合多重串流傳輸使用的時候。
上行鏈路傳輸特性
相較於下行鏈路,上行鏈路在傳輸功率等射頻資源更為稀少,最重要的特性之一就是高效率功耗傳輸機制(Power-efficient Transmission Scheme)。為求最大涵蓋範圍、降低終端設備的成本與功率損耗,LTE在上型鏈路採用DFT OFDM展頻形式的單載波傳輸(single-carrier in the form of DFT-spread OFDM)技術,又稱為單載波FDMA (Single-carrier FDMA)。比起傳統的OFDM方式,此解決方案可使上行鏈路的功率消耗有較小的峰均值比(Peak-to-average ratio),進而使終端設備有較高效率的功耗傳輸機制與較低的複雜度。
OFDM有效整合射頻資源
OFDM傳輸技術對射頻資源可以透過二維的時域-頻域平面(Time-Frequency Grid)來描述。此平面是對應到時域與頻域上、OFDM信號的訊符(Symbol)及子載波(Sub-carrier)。在LTE技術規格中,資料傳輸的最基本單位是一對資源區塊(Pair of Resource Block),這相當於180 KHz的頻寬與1 ms的子訊框(Subframe),如圖一所示。因此,利用整合這些射頻資源,並調整傳輸參數如調變機制(Modulation Order)、通道碼比例(Channel Code Rate)等,便能動態地支援不同的資料傳輸速率。
LTE關鍵特性
要達到LTE技術規格所設定的高網路效能目標,幾個關鍵技術特性非常重要。
頻譜彈性(Spectrum Flexibility)
根據不同地區的法規,行動通訊可運用的頻譜位於不同的頻段,有不同成對或非成對的的頻寬。頻譜彈性(Spectrum Flexibility)是LTE射頻接取重要的關鍵特性之一,使得LTE能在各種不同的頻譜條件下順利運作。
除了可以運作在不同的頻段外,LTE還可用不同頻寬來佈建,其頻寬範圍從1.25 MHz (適用於如CDMA2000/1xEVDO系統而來的初始升級)到20MHz。此外,LTE支援建構在成對,或是非成對的頻譜上,並提供可同時支援FDD與TDD運作模式的單一射頻接取技術。
同時為配合終端裝置,LTE的FDD操作模式可以全雙工(Full-Duplex)或半雙工(Half-Duplex)的模式進行。所謂半雙工是指終端設備同時利用頻率及時間,將資料的傳送和接收分開,以何種雙工模式操作則視終端裝置的能力而定,如圖二所示。半雙工模式的優點是能使終端裝置在較寬鬆的雙工濾波器(Duplex-filter)的要求條件下運作。這會降低終端設備在原先上下鏈間隔過窄的FDD頻段上、要能運作所需要的成本,進而使LTE的解決方案適用於任何的頻段配置。
在設計具頻譜彈性的射頻接取技術時,挑戰之一便是保持在不同頻譜與雙工模式之間的共通性。LTE無論是FDD或TDD、及在不同的頻寬,均具有類似的訊框架構(Frame Structure)。
多重天線發射(Multi-antenna Transmission)
使用多重天線發射,能加強行動通訊系統的系統效能或服務能力。LTE充分運用多重天線發射技術,在分類上可分成:
- ●天線發射分集(Transmit Diversity);
- ●已前置編碼為基礎(Pre-coder based)的多重資料流傳輸,包括天線波束賦形(Beamforming)技術。
天線發射分集(Transmit Diversity)技術
在圖一中,代表兩個使用者的衰減模式,亦可等同代表來自兩根不同發射天線的同一個使用者的接收信號。因此,發射分集可被視為均化(Averaging)來自兩根不同發射天線的接收信號的技術,可避免發生在每根天線傳播路徑上的嚴重信號衰落問題(Deep Fading Dips)。
LTE的天線發射分集技術是植基於空頻分組編碼(Space-Frequency Block Coding;SFBC)技術。如果分集的天線支數到四支,則須搭配頻移時間分集(Frequency-Shift Time Diversity;FSTD)。
天線發射分集主要是應用在一般無法根據通道狀況排程(Channel-Dependent Scheduling)的下行通道上。然而,發射分集的技術亦可以使用者服務層的傳輸上,例如VoIP。因為雖然VoIP服務在使用者資料所需的傳輸頻寬相對較小,但無法彌補因通道品質有關的排程所需額外增加的表頭(Overhead)。簡言之,天線發射分集技術能增加系統容量與細胞涵蓋。
多重資料流傳輸(Multistream Transmission)技術
多重資料流傳輸是利用在發射端(網路)與接收端(終端裝置)的多根天線,提供在同一個射頻鏈路上多個同時平行資料流的傳送。此技術能大幅增加射頻鏈路的峰值速率。
舉例來說,如果在發射端和接收端各有四支天線,最高將可以同時有四條平行的資料流再同一個射頻鏈路上傳遞,使傳輸速率的增加達到四倍。
對於網路負載不大或細胞涵蓋範圍較小的佈建,多重資料流傳輸技術將可達到極高的傳輸速率,更有效率利用射頻資源。在高網路負載或較大的細胞涵蓋範圍的網路佈建環境中,其通道品質並不容許有太多多重資料流傳輸的空間。在此情況下,多根發射天線的單一資料流之天線波束賦形(Beamforming)技術,會是最適合用來加強信號品質的技術。
天線波束賦形(Beamforming)技術
以圖一所示來看,天線波束賦形技術可被看作是利用對發射信號做為前置編碼(Pre-coding)以控制信號衰落的模式,讓信號能在接收端得到最大值。
簡言之,為了要能在不同的應用環境下具有良好效能,LTE提供了自適性多重資料流傳輸(Adaptive Multistream Transmission)機制,也就是平行傳輸的資料流數目會持續調整,以符合不斷變動且瞬時的通道品質要求:
- ●當通道品質非常好時,最多四個資料流可同時平行地被傳送,在20 MHz的頻寬下達到300Mbps的傳輸速率。
- ●當通道品質沒有那麼好時,同時被平行傳送的資料流數目會減少,多重天線則會部份挪來供天線波束賦形傳輸機制使用,這可改善接收品質以及系統容量與涵蓋範圍。●可以利用天線波束賦形傳輸機制及發射分集技術,達到更大的涵蓋範圍,或者是在細胞邊界能支援更高的傳輸速度。
排程與鏈路的自適性(Scheduling and Link Adaptation)
動態排程(Dynamic Scheduling)
一般而言,所謂的排程是指分割並指配網路資源給正在傳送資料的網路使用者。對LTE而言,無論是上下鏈路,均支援每1 ms的動態排程(Dynamic Scheduling)。
排程的目的,是要能在用戶的預期品質與整體系統效能間取得平衡。
通道品質相關排程(Channel-dependent Scheduling)可備用來達成更高的細胞傳輸速率(Cell Throughput)。在相對較好的通道品質條件下,資料的傳輸可用較高階的調變機制、較少的通道編碼、額外的平行資料流、較少的重傳等等,來傳送頻域或是時域上的資源,以達到更高的傳輸速率。此種方式能使同等的資訊量在傳送時,消耗較少的射頻資源,亦即消耗較少的時間,進而改善整體的系統效率。
圖一亦說明了在兩個使用者的情況下,射頻通道因快速衰落的變化情形。OFDM的頻域-時域平面清楚解釋了在頻域與時域上的資源的選擇。
固定式排程(Persistent Scheduling)
對於小使用者資料承載(Small Payload)的資料封包而言,動態排程所需的控制信令,相對於所要傳送的使用者資料而言,可能不成比例的大。因此,除了動態排程外,LTE亦支援固定式排程(Persistent Scheduling)。固定式排程亦即射頻資源會在特定的一組子訊框,被指配給某一特定使用者。
自適性鏈路調整技術(Link-adaptive Techniques)
自適性鏈路調整技術可因應最及時的通道品質變化。基本上,自適性鏈路調整會根據當下的通道品質狀況,選擇調變與通道編碼的機制,進一步決定每條鏈路的傳輸速率或誤碼率(Error Probability)。
上行鏈路的功率控制(Uplink Power Control)
功率控制是對發射功率的大小作調節,其目的是:
- ●改善系統容量、涵蓋範圍、以及使用者的傳輸速率以及語音接收品質;
- ●降低功率消耗
要達成上述目標,一方面標準的功率控制機制要讓主接收信號變大,另一方面則要抑制干擾信號。
鄰細胞與行動通訊之間
LTE的上行鏈路是正交的(Orthogonal),也就是在理想狀況下,同一個細胞內不同的使用者,彼此不會有干擾產生。而來自鄰細胞的干擾,則會視行動終端的位置而定,亦即視行動終端至那些細胞基地台間、傳播路徑的增益或衰減而定。一般而言,越靠近鄰細胞基地台的行動終端,對那個鄰細胞所產生的干擾就越強。因此,離鄰細胞較遠的行動終端,會比離鄰細胞較近的行動終端,用更高的功率發射信號。此外,主細胞(Serving Cell)的服務區塊,與鄰細胞的距離亦有連動關係。
上行鏈路正交特性
LTE上行鏈路的功率控制考量了所有上述的特性。LTE上行鏈路的正交特性,使得在同一細胞內,來自不同終端,不同上行接收功率的信號的多路接收成為可能。就瞬時變化來說,此意謂利用排程與自適性鏈路調節,多路徑衰落(Multiple Path Fading)可反過來被用來增加傳輸速率,而不需藉由降低功率來減少信號干擾。就較長的時間區間而言,根據至主細胞的傳播路徑增益或衰落結果,產生較小干擾的行動終端,可以設定為在主細胞具有較大的接收功率。由圖一可知,這對應到平均信號強度的上昇。
重傳機制的管理(Retransmission Handling)
在實務上,在任何的通訊系統,會因為諸如雜訊、干擾、及衰落等因素,偶發性的產生資料傳送錯誤。重傳機制(Retransmission Scheme)則是被用來補救這些錯誤,進而保障傳送資料的正確性。重傳機制管理越有效率,射頻資源便能被有效地利用。
快速HARQ協定
為了有效利用高效能射頻介面,LTE支援一種動態且有效率的雙層重傳機制(Two-layered Retransmission Scheme)快速HARQ(Fast HARQ: Fast Hybrid Automatic Repeat Request)協定。快速HARQ是一種利用遞增冗餘(Incremental Redundancy;IR)演算法的低附加表頭反饋/重傳協定(Feedback/Retransmission Protocol)。
HARQ協定給予接收機冗餘資訊(Redundancy Information),使其能避免一定程度的錯誤產生,也就是當初使傳送不足以避免錯誤產生時,HARQ重傳機制提供額外的冗餘資訊,減低錯誤發生的機率。此外,當HARQ協定無法完全修正錯誤時,ARQ協定則提供完全重傳封包的功能。
重傳機制特性
這樣的設計能在不犧牲可靠度的情形下,減低時延(Latency)與冗餘位元(Overhead)。大部分的錯誤均可被HARQ 協定發現並修正;而以時延及冗餘位元來衡量較昂貴的ARQ重傳,則僅在很少的機會發生。
在LTE中,HARQ及ARQ協定均止於基地台環節,二者能較有緊密結合。此種架構好處是多重的,包括HARQ 殘餘錯誤的快速處理功能(Fast Handling of Residual HARQ Errors),以及變動的ARQ傳送大小(Variable ARQ Transmission Size)。
結論
構成LTE射頻介面的基本技術,是LTE能夠擁有高網路效能的關鍵。在不同的頻段、頻寬、同時支援FDD及TDD運作模式等頻譜使用的彈性,使LTE適用於幾乎任何可用的頻譜。
LTE所支援的幾個關鍵特性,都是利用射頻條件的瞬時變化來增加系統效能。這包括通道品質相關排程會以最佳方式將射頻資源指配給使用者;多重天線技術則充分利用傳播衰落來增加效能;而鏈路自適性調節技術則會根據信號品質,調整調變與通道編碼的機制。在上行鏈路部分,LTE則會利用功率控制的機制來提高信號品質並抑制干擾。此外,由資料快速重傳與傳輸過程軟結合(Soft-combing)相互整合所產生的遞增冗餘,使上述數個關鍵特性能被充分發揮利用。
(本文由易利信Ericsson提供)