4G無線通訊技術朝1Gbps高速傳輸發展
- DIGITIMES企劃
-
對行動數據傳輸應用而言，速度要求不斷提升，尤其在第四代的無線通訊技術，必須進一步拉大與第三代無線通訊標準的效能差距，才能彰顯用戶轉移至4G通訊網路的實際效益。其中，以目前相對熱門的LTE，3GPP為使其更具競爭實力，也釋出LTE-Advanced演進版本，開發4G或新一代通訊產品，都必須熟悉LTE-Advanced技術核心...
LTE-Advanced是3GPP以4G為基礎發展的LTE演進版本，其發展目的相當明確，為以加速推進4G通訊標準為目的，將4G行動通訊的效能改進，透過LTE-Advanced提供更有利的服務轉移誘因。為了使LTE-Advanced相關產品開發工作進行更快速、順利，開發人員必須熟悉相關標準與技術特點，同時搭配測試工具針對性解決問題。
以現有最通用的GSM全球通訊系統來說，在1990年初期，由第一代通訊轉至第二代行動通訊的重大關鍵，即在第二代行動通訊採行了數位化語音、同時強化通訊的安全性設計。而隨後推出的第三代(3G)行動通訊，主要是以GSM為基礎，再進行數位資料傳輸應用功能整合。
3G無線通訊傳輸速率有限 4G因應市場需求提升服務效能
以3G基本標準要求來看，依國際電信聯盟(ITU)制定3G的IMT-2000標準，移動終端設備在以行車速度移動時，數據傳輸速率必須仍可達到144kbit/s；用戶於室外靜止狀態或步行速度行進時，傳輸速度需有384kbit/s；在室內應用時，則需達到2Mbit/s。此外，3G系統的實際技術形式，在不同區域發展上，還分別以WCDMA寬頻分碼多重存取、CDMA2000、TD-SCDMA分時-同步分碼多重存取等不同系統類型，實踐行動通訊系統設計。
而以目前穩居主流的WCDMA無線通訊技術來說，則是由3GPP組織制定，但由ITU定義的3G IMT-2000標準在實際商業應用的速度表現上顯得吸引力有限，3GPP為了加強在3G基礎下的數據傳輸效能，於是著手制定基於3G技術的演化版，像是在第五版定義的HSDPA(高速下鏈封包存取)、第六版定義的HSUPA(高速上鏈封包存取)，與七、八版持續強化的HSPA+(增強版高速封包存取)、EDGE Evolution與LTE(長程演進計畫)無線技術方案。
3G無線通訊演進版本眾多
由於HSDPA、HSUPA、HSPA+、EDGE Evolution、LTE為基於3G技術基礎所發展的衍生強化進階技術版本，這些無線通訊技術最多也只能算是3G無線通訊技術的演進版，基本上並不算是4G無線通訊技術。
而在因應最新的市場需求，對於無線傳輸效能的要求基礎下，國際電信聯盟著手為4G制定的標準為IMT-Advanced，較3G或3G的演化版本不同的是，IMT-Advanced在傳輸效能規劃理論上可以達到1Gbit/s的資料傳輸速率(Data Rate)，等於已經具備乙太網路實線連接的無線化應用架構！
在IMT-Advanced規範下，可提供固定式用戶或是低移動特性的用戶達1Gbit/s的資料傳輸速率，至於針對高速移動用戶、行車用戶來說，亦可提供高達100Mbit/s之傳輸速率支援。IMT-Advanced最高可使用頻寬為100MHz，在架構上具高度網路互通特性，服務網路佈署亦可搭配與其他通訊系統進行Inter Working合作整合，同時亦將全球漫遊應用需求納入標準。
4G無線通訊標準高 已有5種無線通訊技術納入應用
為了達到滿足IMT-Advanced的4G技術要求，3GPP已把LTE-Advanced納入第十版的技術演進規格，至於LTE-Advanced基本上是LTE的演進版強化版本，透過利用多天線傳輸支援、高傳輸速度效能提升，藉此滿足國際電信聯盟的IMT-Advanced在4G無線通訊技術提出的標準要求。
2010年第三季國際電信聯盟已宣布3GPP提出的LTE-Advanced與IEEE 802.16m符合4G通訊的高標準要求，同時國際電信聯盟亦將WiMAX、HSPA+、LTE納入4G技術。有趣的是，WiMAX、HSPA+、LTE並沒有符合IMT-Advanced的高標準要求，但基本上WiMAX、HSPA+、LTE、LTE-Advanced、IEEE 802.16m...等技術規範，均為國際電信聯盟確認符合4G無線通訊技術的標準技術。
但若要深究IMT-Advanced要求的4G規範，其中一項1Gbit/s最大傳輸效能要求，就成為多數產品設計勢必面對的設計門檻，而要達到1Gbit/s的最大傳輸速度並非不可能，只要利用MIMO的技術整合，即可以多天線設計達到4G要求的高傳輸效能表現。以現有的技術方案來說，現在4×4 MIMO天線配置、搭配70MHz訊號頻寬已可達到IMT-Advanced要求的4G規範。
針對1Gbit/s最大傳輸效能規範 無線技術必須搭配因應策略
由於IMT-Advanced要求的頻寬為40MHz~100MHz，若要達到4G要求之最高傳輸效能，在技術上最有效的實踐方案即將傳輸頻寬增大，基本上只需將傳輸頻寬加大至70MHz以上，即可達成IMT-Advanced的最大傳輸效能標準，或利用進階的MIMO多天線配置，即便使用最小頻寬運行，也可達成IMT-Advanced要求的4G最大傳輸速度標準。
但現實的問題是，現有已定義之LTE頻段最大頻寬僅20MHz，若要發展進階的LTE-Advanced技術支援，在服務區域想找到連續完整之40MHz以上頻段難度相當高！必須在技術上運用Carrier Aggregation(載波聚合)技術方案來改善速度需求。
另為了達到IMT-Advanced要求的4G最大傳輸速度標準，除了增加頻寬架構外，另一個方案是利用技術提高頻譜使用效率，而提升頻譜使用效率的方法相當多，例如使用更高階的調變格式，或運用更進階之MIMO多天線配置設計進行改善。
在LTE-Advanced技術規範中，即為利用MIMO的天線數追加，來達到IMT-Advanced要求的4G最大傳輸速度標準。例如，在3GPP的第八版LTE技術方案定義中，下行傳輸之4×4與上行傳輸之1×2的多天線MIMO傳輸方案，在LTE-Advanced中，即定義下行傳輸為8×8與上行傳輸為4×4多天線MIMO傳輸方案，光是技術規範的差異，使得下行傳輸得以提升2倍效能，而在上行傳輸方面至少可提升4倍之頻譜使用效率！
MIMO多天線技術方案 形成4G終端裝置設計難題
至於MIMO的多天線傳輸模式，在實務設計中必須儘可能使每組天線之資料流量的關聯性降低，這會讓手機這類行動裝置的多天線設計方案造成設計限制。因為行動裝置內部的可用空間相當小，尤其是手機，要內置多天線難度相當高，如何在有限的機構空間塞入8組多頻帶天線設置位置，並同時以不同角度讓每個天線可收到的傳輸資料串流之關聯性達到最低，讓MIMO多天線通道的表現達到最佳？這對實際運用於終端設備的產品設計都會產生相當大的技術門檻，而實際產品中要進行產品測試也會因整合多天線設計而讓驗證過程複雜化。
多天線設計方案除了難度高的問題外，實際上在終端產品的收訊狀況也成為設計挑戰，尤其是必須改善室內、地下室等收訊不良地點的收訊品質。LTE-Advanced針對通訊品質方面，提出Heterogeneous Network(異質網路)、Relaying、HeNB(Home evolved Node B)移動性增強與LTE網路自動優化增強等應用改善方案。
例如，Femtocell基地台，基本上就是一種具體而微的小型通訊基地台，為一利用xDSL或Cable Modem數據通訊網路，來連結一些收訊不良區域或死角的無線通訊需求，這可協助系統業者在核心網路的覆蓋度，尤其是將通訊服務延伸至室內、地下室這類通訊品質因建物結構阻礙的通訊問題方面，可提供克服無線通訊收訊死角、更快的速傳輸速度、增大網路服務容量，同時也可減少基地台的服務負荷等設計目的。
在Femtocell應用架構下，使用者可以就近取得更好的網路服務資源，同時高速傳輸效能表現也可提升無線網路的使用者體驗。另在無線通訊服務的基地台覆蓋服務範圍邊緣、或者是通訊死角中，也可架設Relay Node(中繼站)改善服務網路的接收狀況，至於Relay Node與DeNB間的無線傳輸，亦可利用與一般手機銜接基地台之間的無線傳輸應用形式，可採In-band或Out-band設計方案彈性運用。
