手机宽频应用越来越广

虽然大部分的行动电话持有者都只是用来打电话和发送简讯，但愈来愈多的人开始使用频宽需求很大的应用，如网页浏览、音乐下载和串流视讯等。目前无线数据用量暴增的部分原因是Apple推出iPhone刺激所致，尽管其它所谓具有类似功能的智慧型手机问世已经有些年了，但Apple的广告诉求，却是不同的观点，亦即它是一家电脑公司展示其「完整产品」，而不是一家手机制造商在促销新产品有别于其它产品的单一功能，例如更好的音乐播放机或解析度更高的相机。这点让使用者趋之若鹜，也带动所有网路业者的数据加值服务的营收往上攀升，而不只是独厚销售iPhone的业者。除此之外，电信业者也对行动广告（mobile advertising）所创造的额外业绩寄予厚望，预估接下来几年，将成长到数十亿美元的规模，这些都需要仰赖更高频宽的服务才能实现。

我们将特别由测试设备供应商的角度，探讨从晶片组供应商到网路营运业者等无线通讯产业面临的一些问题和挑战。为了服务这些需求，也为了让速度能够媲美使用者在家用PC上透过宽频连线（ADSL或缆线数据机）所达到的速度，行动网路业者一直不断投资将技术升级，以保持竞争力。

LTE技术简要

长期演进（Long Term Evolution；LTE）技术是第三代行动通讯组织（3GPP）针对无线通讯传输介面所制订的一项新标准​​的名称，目的是要让3GPP的第三代系统朝向全IP的网路发展，以提供最佳的高速资料传输效能。在发展空中介面（air interface）的同时，LTE也密切结合同步开发的系统架构演进（System Architecture Evolution；SAE）技术，制订出更简化的系统架构和演化的封包核心（Evolved Packet Core；EPC）网路。这两项技术加起来所提供的架构，可以提高传输容量、提升频谱使用效率、改善基地台涵盖半径之边缘地带（cell-edge）的效能、以及缩短即时服务（如视讯电话）的延迟时间，其目标是要让每20MHz的频谱，提供100 Mbps的下载速度和50 Mbps的上传速度，且希望能透过多重天线的配置方式，支援更高的传输速率，让下行链路能达到326.4 Mbps的速度。

LTE的调变技术与频谱范围

LTE的下链和上链传输技术，并不想要进一步发展目前第三代UMTS蜂巢式系统所使用的高速封包存取（HSPA）技术、和宽频分码多重存取（W-CDMA）调变方法，而是另行采用新的空中介面。更确切地来说，LTE下链传输采行正交分频多工（OFDM）的变化型态正交分频多重存取（OFDMA）技术，上链传输则采行单载波分频多重存取（SC-FDMA）技术。

LTE的规格沿用UMTS订定的所有频段，这些频段的数目还在持续增加当中，目前共有11个FDD频段，涵盖的频率从824～2690MHz；以及8个TDD频段，涵盖1900～2620MHz的频率。有些频段的重叠性很高，但却不必然可简化设计，因为根据区域的需求，不同频段可能会有不同的效能要求。 LTE会先从哪个频段开始布建，尚未达成共识，因为答案相当程度取决于区域的变数。缺乏共识对设备制造商来说是一大难题，且与GSM和W-CDMA开始时的情况相反，这两者最初的规划都只有使用一个频段。

OFDM调变技术简要

早在1998年，OFDM就已经被应用在非蜂巢式的通讯技术中。当时，3GPP也曾经考虑使用OFDM做为3G UMTS的传输方法，但最后认为这项技术不合适，部分原因是OFDM需要进行大量的基频处理。今天，数位信号处理的成本已经大幅降低，因此，现在OFDM又重新被视为商业上的可行方法，可被应用于手机的无线传输。

OFDM并非以单一载波来传送高速的资料流，而是利用大量间隔很密的正交次载波来同时进行传送。每个次载波都是以低的符号码速率（symbol rate），使用传统的调变方法（如QPSK、16QAM或64QAM）进行调变。结合数百个或数千个次载波，可以进行高资料速率的传输，且相较于传统容量相当的单载波调变方法，OFDM可以大幅降低符号码间的干扰（ISI）。

《图一 MIMO将不同的数据流分派给每一支天线来发射》

MIMO多重天线架构大要

除了采用新的空中介面之外，LTE的规格也要求使用多重天线技术，不仅大幅增加了系统的复杂度，且其设计也需充分利用无线传输通道的空间分集性（spatial diversity）。这些技术一般都笼统称为MIMO，也就是多重输入、多重输出的天线架构，对于提高信号抗环境干扰的耐受度，以及达到系统传输容量与单一用户及最高峰值资料速率的目标，极为重要。

MIMO的基本形式会将不同的资料流分派给每一支发射天线进​​行发射，如图一所示。两组传输资料会在通道中混在一起传送，因此在接收端，每支天线都会收到每个资料流的某些组合。将接收到的信号解码，需要够聪明的接收器，藉由分析信号衰减的型态（fading pattern），辨认出信号是来自哪个发射器，并判断所出现的是哪一种组合。之后，再应用反向滤波器（inverse filter）进行处理，并将接收到的资料流合起来，就可以还原出原始的资料了。

MIMO理论上的优点对系统效能的极限是一大挑战，且会取决于发射和接收天线的数量、无线传播的环境条件、发射器适应变动环境的能力、以及基本的信号杂讯比等因素。更复杂的是，天线必须支援LTE的多个频段。

革新基地台和终端设备射频标准需搭配新量测方法

目前使用的无线通讯射频通道最大频宽为5MHz，而LTE规格支援的射频通道频宽高达20MHz，因此，需要在射频的设计上做一些基本的改变。 LTE整合式设计的基地台，依循的是通用公共射频介面（Common Public Radio Interface；CPRI）和开放式基地台架构创始联盟（Open Base Station Architecture Initiative；OBSAI）标准；至于终端设备依循的则是DigRF和MIPI D-PHY标准（MIPI为行动产业处理器介面的简称），移除或隐藏了传统的测试介面。

过去只需处理一个技术领域的量测人员，现在都得学习新的方法来量测装置的特性。以发射器模组为例，其所能提供的只有数位信号输入和RF的信号输出，而且数位方面的预校正（pre-correction）能力的好坏，会影响RF效能。

专为解决这些新兴的跨域量测需求所设计的产品和解决方案，必须支援新的方法，才有办法测试混合了类比／数位信号的射频系统，而且还要有可以与真实的模组相互整合的模拟工具，才能加快整体的系统测试速度。除了锁定的产品（如安捷伦科技所推出针对OBSAI和DigRFV4射频标准的测试仪）之外，还需要包括传统的码型产生器、逻辑分析仪、信号产生器、以及信号分析仪等工具。并且，新的量测方法更需要结合这些工具，并以新的方式解读结果。

《图二 测试2×2MIMO接收器有几种可行之设备设置，其下为方式之一的简化功能区块示意图》

测试MIMO接收器系统挑战十足

由于发射／接收通道的组合相当多，因此，在真实的信号衰减环境下测试MIMO接收器和系统，会出现新的挑战。举例来说，在2×2MIMO的配置下，分别使用两个通道模拟器，并不足以模拟两组发射和接收天线间形成的四个独立通道，但在「真实」的无线通讯环境中进行测试，又非有效的方法，因为通道既敏感、无法控制、又不能重复。

专用的仪器可以模拟真实的MIMO通道，是克服这些挑战性高之测试环境的最佳解决方案。图二是测试2×2MIMO接收器的几种可行之设备设置方式之一。透过软体的GUI，可以使用内建的基频信号产生器和通道衰减器，产生符合标准的波形，如WiMAX、LTE和WLAN信号。每个衰减器都可以使用各种路径和衰减条件，单独设定成符合标准或自订的信号衰减模型。

LTE晶片组测试

如同原本的W-CDMA和现在的HSPA一样，LTE晶片组的整合度也很高，支援的资料速率和功能远超过网路刚推出时、单一用户所能实际使用到的速率和功能。 LTE晶片组设计必须尽可能延长使用期限，让制造商有更长的时间可以回收巨额的投资成本。因此，开发人员必须要能确认LTE晶片组在最高的设计规格下，依然能正确地运作。因此开发人员所需要的测试设备，也必须具备这样的效能水准。就LTE而言，包括单一用户的资料速率需达14.4Mbps，MIMO的功能也要超越上行链路和下行链路的基本规格。

负责定义新一代蜂巢式通讯系统之量测方法的工作小组，有测试仪器厂商的参与，可以继续确保在设计时测试所需的功能，也可以让互通性（interoperability）、符合性（conformance）及生产测试变得更容易、更快速。

用LTE加速行动宽频发展目标

今天，LTE的标准制订工作已大致完成，先期的开发工作也已经展开，市场预计在大约2010年，支援LTE运作的商业网路就会推出。这个目标相当积极，现在较多重点都放在让互通性和符合性测试规格尽快拍板定案，以确保制造商能生产出符合要求的网路和终端设备。LTE的新联盟LTE/SAE Trial Initiative（LSTI）的成立目标，就是要加速推出可相容互通的新一代LTE行动宽频系统，此一全球性的联盟组织目前共获得超过17家公司的积极参与，期能透过合作性的技术试验和概念验证，顺利推出端对端的LTE解决方案，包括基础设备、装置和晶片组等。

针对LTE原型系统所做的最新实验和初期的实地测试，已经证实最初阶装置的下载速度可以超过100Mbps，而使用4×4MIMO天线的高效能系统更可以将速度推升到300 Mbps以上。 LSTI的成员也已经展示大幅改善网路反应时间的成果，这对于提供「随时连线」（always on）的使用经验、以及无法接受传输延迟的应用（如互动式线上游戏和行动电视）来说，极为重要。

按部就班进行LTE互通性和符合性测试

LTE系统发展的下一步将进行初期的装置互通性测试、网路互通性测试、以及更完整广泛的效能测试。透过符合性测试，可以确保设备达到LTE标准制订的基准，但这些测试与个别用户感受到的真实效能之间有何关联仍有待观察。

大规模布建商业化的LTE网路还需要几年的时间。因此，大家可能还有一些时间去完全了解新系统的运转特性。在此期间，测试设备供应商的职责所在，就是要将新的跨域测试量测能力，以及诸如MIMO预编码（precoding）的信号产生，以及先进的模拟、量测和分析等新的功能加入测试设备中，以加快LTE产品的开发速度，推动LTE产业往前迈进。

（本文作者为安捷伦科技Agilent Technologies信号源事业部副总裁暨总经理）