前言

3GPP核准的LTE（Long Term Evolution）技术，在射频接口上有几个关键技术，同时在峰值传输速率（Peak Data Rate）、时延（Delay）、频谱效率（Spectrum Efficiency）等方面，也有令人瞩目的高效能表现。

本文将针对LTE的频谱使用弹性（Spectrum Flexibility）、多重天线技术（Multi-antenna Technologies）、排程（Scheduling）、链路自适性（Link Adaptation）、功率控制（Power Control）、重传处理（Retransmission Handling）进行扼要介绍与分析。

LTE背景说明

以高速封包接取HSPA（High-Speed Packet Access）技术为基础的行动宽带服务，已经相当成熟，不过为了满足未来行动宽带服务的需求，业界要更进一步地改善服务的递送（Service Delivery），例如更高的传输速度、更短的时延、甚至是更大的网络容量。这些都是3GPP制定射频接取网络规格时一开始所设定的目标，特别是在HSPA Evolution与LTE部分。

相较于之前的3G系统，LTE的强化效能包括超过300Mbps的峰值传输速率、少于10ms的时延、以及数倍的频谱使用效率。LTE可在既有或是新增的频段上布建，系统维护营运较为简单。此外，LTE 包含许多未来4G系统所考虑的特性，LTE的目标是希望无论是旧有3GPP或3GPP2的系统，均能平顺地演化、整体迈向IMT-Advanced（International Mobile Telecommunication-Advanced）阶段。

LTE射频接口基本原理

解决射频通讯快速变化问题

射频通讯的本质特性，就是射频信道质量（Radio Channel Quality）

在时间、空间、以及频域上的快速变化；这包括因为多路径传输（Multipath Propagation）所导致的快速变化。因此，射频信道质量与反射波的结构有绝对的关系，如图一所示。

许多各种不同的分集传输技术（Diversity Transmission）被用来解决这种快速变化的问题，让射频链路能保持固定的传输速率。然而对于封包数据服务而言，终端用户通常不会注意到这在瞬间传输速率上短暂快速的变化。

OFDM传输特性

LTE射频接取的基本原理是要以「利用」取代「抑制」，这种信道质量的快速变化，可更有效率地使用已获得的射频资源，这些资源包含了利用OFDM为射频接取技术基础的时域与频域的资源。

下行射频链路传输核心

传统利用多个平行的子信道做数据传输的OFDM技术，架构了LTE下行射频链路传输的核心技术。相对窄频的子信道（Subcarrier）搭配循环前缀（Cyclic Prefix；CP）的使用，使得OFDM传输在射频信道对抗时间离散（Time Dispersion）的效应上更加强固，可有效减少在接收机端音信道等化（Channel Equalization）所造成的复杂度。

在下行链路上，OFDM能简化接收机的基频处理，降低终端设备的制造成本与功率耗损。这对使用大带宽传输的LTE尤其重要，特别是配合多重串流传输使用的时候。

上行链路传输特性

相较于下行链路，上行链路在传输功率等射频资源更为稀少，最重要的特性之一就是高效率功耗传输机制（Power-efficient Transmission Scheme）。为求最大涵盖范围、降低终端设备的成本与功率损耗，LTE在上型链路采用DFT OFDM展频形式的单载波传输（single-carrier in the form of DFT-spread OFDM）技术，又称为单载波FDMA （Single-carrier FDMA）。比起传统的OFDM方式，此解决方案可使上行链路的功率消耗有较小的峰均值比（Peak-to-average ratio），进而使终端设备有较高效率的功耗传输机制与较低的复杂度。

OFDM有效整合射频资源

OFDM传输技术对射频资源可以透过二维的时域-频域平面（Time-Frequency Grid）来描述。此平面是对应到时域与频域上、OFDM信号的讯符（Symbol）及子载波（Sub-carrier）。在LTE技术规格中，数据传输的最基本单位是一对资源区块（Pair of Resource Block），这相当于180 KHz的带宽与1 ms的子讯框（Subframe），如图一所示。因此，利用整合这些射频资源，并调整传输参数如调变机制（Modulation Order）、信道码比例（Channel Code Rate）等，便能动态地支持不同的数据传输速率。

《图一 频域轴与时域轴上的信道质量变化示意图》

LTE关键特性

要达到LTE技术规格所设定的高网络效能目标，几个关键技术特性非常重要。

频谱弹性（Spectrum Flexibility）

根据不同地区的法规，行动通讯可运用的频谱位于不同的频段，有不同成对或非成对的的带宽。频谱弹性（Spectrum Flexibility）是LTE射频接取重要的关键特性之一，使得LTE能在各种不同的频谱条件下顺利运作。

除了可以运作在不同的频段外，LTE还可用不同带宽来布建，其带宽范围从1.25 MHz （适用于如CDMA2000/1xEVDO系统而来的初始升级）到20MHz。此外，LTE支持建构在成对，或是非成对的频谱上，并提供可同时支持FDD与TDD运作模式的单一射频接取技术。

同时为配合终端装置，LTE的FDD操作模式可以全双工（Full-Duplex）或半双工（Half-Duplex）的模式进行。所谓半双工是指终端设备同时利用频率及时间，将数据的传送和接收分开，以何种双工模式操作则视终端装置的能力而定，如图二所示。半双工模式的优点是能使终端装置在较宽松的双工滤波器（Duplex-filter）的要求条件下运作。这会降低终端设备在原先上下链间隔过窄的FDD频段上、要能运作所需要的成本，进而使LTE的解决方案适用于任何的频段配置。

《图二 LTE 频谱弹性和带宽与双工模式示意图》

在设计具频谱弹性的射频接取技术时，挑战之一便是保持在不同频谱与双工模式之间的共通性。LTE无论是FDD或TDD、及在不同的带宽，均具有类似的讯框架构（Frame Structure）。

多重天线发射（Multi-antenna Transmission）

使用多重天线发射，能加强行动通讯系统的系统效能或服务能力。LTE充分运用多重天线发射技术，在分类上可分成：

天线发射分集（Transmit Diversity）技术

在图一中，代表两个用户的衰减模式，亦可等同代表来自两根不同发射天线的同一个用户的接收信号。因此，发射分集可被视为均化（Averaging）来自两根不同发射天线的接收信号的技术，可避免发生在每根天线传播路径上的严重信号衰落问题（Deep Fading Dips）。

LTE的天线发射分集技术是植基于空频分组编码（Space-Frequency Block Coding；SFBC）技术。如果分集的天线支数到四支，则须搭配频移时间分集（Frequency-Shift Time Diversity；FSTD）。

天线发射分集主要是应用在一般无法根据信道状况排程（Channel-Dependent Scheduling）的下行信道上。然而，发射分集的技术亦可以用户服务层的传输上，例如VoIP。因为虽然VoIP服务在用户数据所需的传输带宽相对较小，但无法弥补因信道质量有关的排程所需额外增加的表头（Overhead）。简言之，天线发射分集技术能增加系统容量与细胞涵盖。

多重数据流传输（Multistream Transmission）技术

多重数据流传输是利用在发射端（网络）与接收端（终端装置）的多根天线，提供在同一个射频链路上多个同时平行数据流的传送。此技术能大幅增加射频链路的峰值速率。

举例来说，如果在发射端和接收端各有四支天线，最高将可以同时有四条平行的数据流再同一个射频链路上传递，使传输速率的增加达到四倍。

对于网络负载不大或细胞涵盖范围较小的布建，多重数据流传输技术将可达到极高的传输速率，更有效率利用射频资源。在高网络负载或较大的细胞涵盖范围的网络布建环境中，其信道质量并不容许有太多多重数据流传输的空间。在此情况下，多根发射天线的单一数据流之天线波束赋形（Beamforming）技术，会是最适合用来加强信号质量的技术。

天线波束赋形（Beamforming）技术

以图一所示来看，天线波束赋形技术可被看作是利用对发射信号做为前置编码（Pre-coding）以控制信号衰落的模式，让信号能在接收端得到最大值。

简言之，为了要能在不同的应用环境下具有良好效能，LTE提供了自适性多重数据流传输（Adaptive Multistream Transmission）机制，也就是并行传输的数据流数目会持续调整，以符合不断变动且瞬时的信道质量要求：

排程与链路的自适性（Scheduling and Link Adaptation）

动态排程（Dynamic Scheduling）

一般而言，所谓的排程是指分割并指配网络资源给正在传送数据的网络用户。对LTE而言，无论是上下链路，均支持每1 ms的动态排程（Dynamic Scheduling）。

排程的目的，是要能在用户的预期质量与整体系统效能间取得平衡。

信道质量相关排程（Channel-dependent Scheduling）可备用来达成更高的细胞传输速率（Cell Throughput）。在相对较好的信道质量条件下，数据的传输可用较高阶的调变机制、较少的信道编码、额外的平行数据流、较少的重传等等，来传送频域或是时域上的资源，以达到更高的传输速率。此种方式能使同等的信息量在传送时，消耗较少的射频资源，亦即消耗较少的时间，进而改善整体的系统效率。

图一亦说明了在两个用户的情况下，射频信道因快速衰落的变化情形。OFDM的频域-时域平面清楚解释了在频域与时域上的资源的选择。

固定式排程（Persistent Scheduling）

对于小用户数据承载（Small Payload）的数据封包而言，动态排程所需的控制信令，相对于所要传送的用户数据而言，可能不成比例的大。因此，除了动态排程外，LTE亦支持固定式排程（Persistent Scheduling）。固定式排程亦即射频资源会在特定的一组子讯框，被指配给某一特定用户。

自适性链路调整技术（Link-adaptive Techniques）

自适性链路调整技术可因应最及时的信道质量变化。基本上，自适性链路调整会根据当下的信道质量状况，选择调变与信道编码的机制，进一步决定每条链路的传输速率或误码率（Error Probability）。

上行链路的功率控制（Uplink Power Control）

功率控制是对发射功率的大小作调节，其目的是：

要达成上述目标，一方面标准的功率控制机制要让主接收信号变大，另一方面则要抑制干扰信号。

邻细胞与行动通讯之间

LTE的上行链路是正交的（Orthogonal），也就是在理想状况下，同一个细胞内不同的用户，彼此不会有干扰产生。而来自邻细胞的干扰，则会视行动终端的位置而定，亦即视行动终端至那些细胞基地台间、传播路径的增益或衰减而定。一般而言，越靠近邻细胞基地台的行动终端，对那个邻细胞所产生的干扰就越强。因此，离邻细胞较远的行动终端，会比离邻细胞较近的行动终端，用更高的功率发射信号。此外，主细胞（Serving Cell）的服务区块，与邻细胞的距离亦有连动关系。

上行链路正交特性

LTE上行链路的功率控制考虑了所有上述的特性。LTE上行链路的正交特性，使得在同一细胞内，来自不同终端，不同上行接收功率的信号的多路接收成为可能。就瞬时变化来说，此意谓利用排程与自适性链路调节，多路径衰落（Multiple Path Fading）可反过来被用来增加传输速率，而不需藉由降低功率来减少信号干扰。就较长的时间区间而言，根据至主细胞的传播路径增益或衰落结果，产生较小干扰的行动终端，可以设定为在主细胞具有较大的接收功率。由图一可知，这对应到平均信号强度的上升。

重传机制的管理（Retransmission Handling）

在实务上，在任何的通讯系统，会因为诸如噪声、干扰、及衰落等因素，偶发性的产生数据传送错误。重传机制（Retransmission Scheme）则是被用来补救这些错误，进而保障传送数据的正确性。重传机制管理越有效率，射频资源便能被有效地利用。

快速HARQ协议

为了有效利用高效能射频接口，LTE支持一种动态且有效率的双层重传机制（Two-layered Retransmission Scheme）快速HARQ（Fast HARQ: Fast Hybrid Automatic Repeat Request）协议。快速HARQ是一种利用递增冗余（Incremental Redundancy；IR）算法的低附加表头反馈/重传协议（Feedback/Retransmission Protocol）。

HARQ协议给予接收机冗余信息（Redundancy Information），使其能避免一定程度的错误产生，也就是当初使传送不足以避免错误产生时，HARQ重传机制提供额外的冗余信息，减低错误发生的机率。此外，当HARQ协议无法完全修正错误时，ARQ协议则提供完全重传封包的功能。

重传机制特性

这样的设计能在不牺牲可靠度的情形下，减低时延（Latency）与冗余位（Overhead）。大部分的错误均可被HARQ 协议发现并修正；而以时延及冗余位来衡量较昂贵的ARQ重传，则仅在很少的机会发生。

在LTE中，HARQ及ARQ协议均止于基地台环节，二者能较有紧密结合。此种架构好处是多重的，包括HARQ 残余错误的快速处理功能（Fast Handling of Residual HARQ Errors），以及变动的ARQ传送大小（Variable ARQ Transmission Size）。

结论

在LTE中，HARQ及ARQ协议均止于基地台环节，二者能较有紧密结合。此种架构好处是多重的，包括HARQ 残余错误的快速处理功能（Fast Handling of Residual HARQ Errors），以及变动的ARQ传送大小（Variable ARQ Transmission Size）。

LTE所支持的几个关键特性，都是利用射频条件的瞬时变化来增加系统效能。这包括信道质量相关排程会以最佳方式将射频资源指配给用户；多重天线技术则充分利用传播衰落来增加效能；而链路自适性调节技术则会根据信号质量，调整调变与信道编码的机制。在上行链路部分，LTE则会利用功率控制的机制来提高信号质量并抑制干扰。此外，由数据快速重传与传输过程软结合（Soft-combing）相互整合所产生的递增冗余，使上述数个关键特性能被充分发挥利用。

构成LTE射频接口的基本技术，是LTE能够拥有高网络效能的关键。在不同的频段、带宽、同时支持FDD及TDD运作模式等频谱使用的弹性，使LTE适用于几乎任何可用的频谱。