4G-LTE技術熱點

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科技產業資訊室 (iKnow) - 賴明豐發表於 2016年4月7日

為了持續優化4G-LTE網路的運作效能，國際標準組織3GPP持續不斷在演化改善4G-LTE技術標準。在剛結束的3GPP系統架構會議中[註1]，除了對Rel-13 stage 3的功能實現及相關物理層的協議“凍結”(frozen)規格外[註2]，也預告了下次會議關於Rel-14的議題。在Rel-13中，大致上會以智慧家庭、物聯網與公共安全需求等需求做為制定相關技術標準的基礎。相關技術研發的熱點包括如何將不需授權就能使用的頻段中運作4G-LTE、載波聚合技術、機器類型通訊、裝置對裝置通訊、全方位多重輸入多重輸出、多用戶共享傳輸頻段技術、室內定位，以及如何針對特定區域進行群播服務等等，分述如下：

圖一、4G-LTE技術熱點

1. 在不需授權就可以直接免費使用的頻段中運作
(又稱為非授權頻段，英文為LTE in unlicensed spectrum，簡稱LTE-U)[註3]：

4G-LTE行動無線網路都是在需要授權才能使用的無線頻段中運作，以便改善加快資料傳輸的速度。但是，面對頻譜資源稀少的問題，如何動態擴大使用到免執照就可以直接免費使用的非授權頻段以滿足日益增加的行動通訊需求[註4]，就變成是未來發展4G-LTE相關技術的重點方向之一，包括1.8GHz、2.4GHz、5GHz，以及30GHz到300GHz之間的頻段都可能用來做為支援頻段使用，以支援彌補需授權頻段不足的窘境。其中又以5GHz這個頻段被認為最適合用於LTE-U，但是進一步衍生的技術議題就是設計出如何避免與既存機制(例如Wi-Fi或LAA)彼此干擾的問題。

2. 載波聚合技術(Carrier Aggregation，簡稱CA)：

3GPP正式標準化載波聚合技術是從第十版技術規格才開始，讓上行或下行鏈結最多可以使用到5個20MHz的子載波。但現在3GPP正打算讓4G-LTE能夠動態使用到更多的子載波，而第十三版規格的目的就是要把子載波的數量提昇到32個，以便讓LTE技術正式邁入LTE-A時期，讓兩者之間在資料傳輸率上出現一個巨大的改善與差異，但是進一步衍生的技術議題包括基地台與使用者裝置之間在L2/L3層的應對機制、如何在這麼大量的子載波之間進行排程(例如self-scheduling或cross-carrier scheduling)，以及如何傳遞並管理大量子載波的控制訊息(control signalling)等等問題都仍待解決。

3. 機器類型通訊(Machine-Type Communications，簡稱MTC)：

這是LTE準備跨入物聯網的重要技術，目的在設計一個適合低資料量、低功耗及低成本設計的通訊機制，以便應用在IoT相關應用中。而第十三版技術規格在MTC面向的研發重點是放在減少需要使用到的頻段資源、減少傳輸功率、減少下行鏈結傳輸模式、透過節電技術增長電池使用時間，以及延展訊號傳輸的範圍等等議題上。目前來看，比較可以確定MTC未來使用的頻寬會以1.4MHz為主並運作在LTE雙工模式中(例如全雙工/半雙工FDD或TDD)，但還有非常多面向的技術議題仍在研議中，像實體層機制、L2/L3協定、網路層協定等等都還在討論中，核心網中的RRM機制也需要再作設計。

4. 裝置對裝置通訊(Device-to-Device，簡稱D2D)：

為了減緩核心網工作負擔，3GPP進一步推動了裝置對裝置直接通訊的溝通模式，讓訊號傳輸的過程中省略了基地台的運作階段。不過，在D2D的架構中，各種可以連上網路的裝置都必須具備對鄰近裝置進行搜尋的機制(例如ProSe)，並透過共通的通訊協定讓裝置彼此快速進行配對與互動。這項技術被視為是雲端應用與近端通訊需求的重要基礎，包括像廣告或社群應用都是未來發展商業化服務的機會點。另外，美國與英國也都相當重視這項技術並準備將D2D(含ProSe)應用到公共安全領域中，以滿足第一線急難救助人員在資訊傳輸、溝通互動與訊息交換的需求上。進一步衍生的技術議題包括時間同步機制、D2D裝置間子載波產生的干擾問題，以及核心網對無線資源的分派與管理等等。

5. 立體化、高度化的MIMO技術(Elevation Beamforming / Full-Dimension MIMO，簡稱EB/FD MIMO)：

波束成形與多輸入多輸出技術被視為是解決LTE系統傳輸容量瓶頸的核心技術。而EB/FD MIMO技術的重點是放在3D波束成形技術與高序型多用戶MIMO技術的整合搭配以便大幅提升系統效能；前者是指在三維空間中製造出彼此分離的波束各自傳遞訊號給不同的使用者，而後者則是以8、16、32或64個埠口的矩陣型天線，經過導入3D波束成形技術(即加入方向與高度的資訊)，達成全方位訊號傳輸的目的。目前主要研究內容包括對矩陣型天線組定義並組態相關參數，以及量測評估對單一或多個使用者傳遞訊號的效率。另外，像是各種增強機制也是各家廠商討論研擬的重點，包括通道狀態訊息參考訊號回饋機制與RRM量測機制等等。

6. 多人傳輸技術(multi-user transmission techniques)：

為了因應未來在行動無線網路上的龐大流量，營運商必須有效提昇頻譜的使用效率，而多人傳輸技術就是在這樣的需求下所衍生出來的技術議題，目的是讓基地台透過疊加式編碼(superpositioncoding)技術，在同一個無線資源中擺進多個使用者的傳訊需求；而訊號接收端必須搭配連續干擾消除技術(successive interference cancellation，簡稱SIC)才能從同一個無線資源中剥離出自己需要的訊號。這項技術也是曾多次被建議為5G關鍵技術之一的非正交多重存取機制(Non-orthogonal multiple access，簡稱NOMA)的核心機制。不過，要成功實踐這項技術仍有許多需要突破的議題，包括如何布建在異質(或同質)網路架構中、設計可能的應用情境並對實施效能進行評估的方法等等都仍在討論中。

7. 室內定位(Indoor positioning)：

這類議題的重點是放在提升室內定位準確度的方法，例如OTDOA、UTDOA、E-CID、RFPM、A-GNSS，或是Terrestrial Beacon Systems都是常見的技術。但第十三版的重點則是強調在如何持續強化室內定位的準確度，以及針對特定情景(例如身處大樓林立或樹林中等訊號遮蔽物較多的狀況)如何維持定位準確度的方法上。目前研究的重點是放在3D模擬系統(含室內使用的訊號傳輸通道)、設計並量測各種模擬情境中(例如大型基地台搭配室外小型基地台或大型基地台搭配室內小型基地台等)導入各種定位技術後的運作效能，例如位置準確度(經度、緯度和高度)及定位修正時間等等。美國政府已將這類技術納入公共安全領域中使用，以因應第一線急難救助人員業務執勤需求在不同情境中及時定位人員位置輔助相關決策的制定與研擬。

8. 在單一小區中支援群播服務(Single-cell Point-to-Multipoint，簡稱SC-PTM)：

4G-LTE系統中的群播服務是透過eMBMS技術達成同時對多個小區的使用者傳遞相同內容的目的，以有效提昇整個行動通訊網路的運作效能。但是有些應用可能只需要對單一小區中的多個使用者進行群播服務，因而產生了對這項技術的需求與討論。基本上，SC-PTM還是基於eMBMS的架構環境來運作，但是否會因此而限制了新技術的運作效能仍有待確認。現階段會先量測SC-PTM、eMBMS與單播機制在運作效能表現上的差異進行比較，進一步衍生的技術議題包括如何讓多個使用者接收在下行鏈結通道中的群播資訊、需不需要設計通道品質狀態的回饋機制，當用戶跨越不同小區時如何維持傳輸服務不中斷等等機制都需要再作討論。

全球4G-LTE技術發展相當快速，相關標準不斷推陳出新持續演化，這些新技術都是未來實現物聯網美麗新世界的重要基礎。許多國家都將物聯網視為產業升級的機會，可能開拓出的商機範圍從智慧家庭、車聯網到智慧城市，或是公共安全領域的應用等等都有很多機會。因此，面對全球5G的快速發展，產業界通訊製造業者希望台灣政府能帶頭發展帶動企業成長動能[註5]。為了回應這股市場浪潮，政府與產業界也開始動了起來，除了舉辦2016年「新世代行動網路聯盟」(Next Generation Mobile Networks Alliance，NGMN Alliance)會員大會之外，並與「台灣資通產業標準協會(TAICS)」共同簽署合作意向書，正式宣告台灣5G產業發展啟動[註6]。行政院也將在今(2016)年4月推出第二版第五代行動通訊(5G)發展藍圖，聚焦三大應用情境，包括高速移動、大規模群眾聚會都要能高速上網，並支援物聯網發展，一旦藍圖落實，我國可在十年內成為全球首波吃到5G商機的國家[註7]。(2664字；圖1)

註1：3GPP TSG SA Meeting #71 TD SP-160001, Goteborg, Sweden 9-11 March 2016；Rel-13已經進展到stage 3，除部分留待Rel-14解決的問題及ASN.1的定義外(RP-160316,RAN#71)，大致上已經完成所有功能定義，目前進度如下所列：

在2014年9月完成了Stage 1 (從使用者服務的角度對服務內容進行描述)。
在2015年下半年完成了Stage 2 (主要是邏輯架構面的分析，包括較上層概念性的功能元素框架與不同功能實體間資訊流規劃與設計議題等等)。
會在2016年啟動Stage 3的研究工作。

註2：指註1中所指Stage 3，工作重點是實作Stage 2中規劃的各項功能，尤其強調在實體層通道界面與各功能元素間連通傳輸的應對關係，並據以制定相關協定內容(http://www.3gpp.org/specifications/67-releases)。

註3：逕參www.ttc.org.tw/userfiles/file/20151104/20151104090423_39805.pdf

註4：逕參http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1628-rel13

註5：http://www.appledaily.com.tw/realtimenews/article/new/20160304/808320/

註6：http://technews.tw/2016/03/15/5g-industry-taiwan-2020/

註7：http://udn.com/news/story/7238/1576781-台灣衝刺5G-三路搶商機

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