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。

《圖一　頻域軸與時域軸上的通道品質變化示意圖》

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。

《圖二　LTE 頻譜彈性和頻寬與雙工模式示意圖》

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）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：

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：

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）