4G and Beyond技术之发展

陈化南

通称为 4G的IMT-Advanced技术，ITU已于2010年十月确定采纳3GPP的LTE-Advanced与WiMAX-Advanced （即IEEE 802.16m）两组国际无线宽带移动通讯标准，并都已完成其主要规范的制定。其中LTE/LTE-A的标准及技术目前不仅持续稳定的演进中，相对的市场也不断的在扩大增长，可以说整个LTE/LTE-A已经进入稳定增长的阶段；相对于LTE/LTE-A的开发阶段已经完成，针对下一阶段移动通讯的发展，也开始成为公众注意的焦点。

对于许多人来说，随时随地运用无线上网已是现代人生活的一部份。然而，以现有的网络和设备将难以支持移动上网需求日益增加所需的带宽。要提供给大家一个，更具弹性和可靠性的无线上网环境，自然地就寄望于B4G/5G移动通讯的技术发展了。虽然我们可以通过扩建基础设施和提高频谱来得到一定程度上满足。然而，在考虑成本效益的前提下，未来的无线接取互联网的方法，将需要从跨网络、绿能无线电技术、以及节能通讯协定着手，以提高网络的感知和智能，以及包括对应用服务扩充的全程网络管理的整体解决方案。

此外，由于目前无线宽带网络应用中，无线数据服务讯务量以每年倍增的增长率，已超越传统以语音服务为主的移动通讯服务，预计未来十年的整体移动数据传输的需求可能会增长500～1000倍。面对这样的挑战，除了从传统增加无线接取系统容量的方法着手外，无线系统容量扩大后潜在的网络管理问题，包含应用服务的整合、跨网络资源协调等也是不可或缺的技术议题。总括来说，新一波的移动通讯应该不只是“通讯”，而应该是更具创造性（Innovative）、智能性（Intelligent）、以及整合性（Integration）的通盘考虑的系统与服务。

4G技术发展趋势

LTE-Advanced拥有更大带宽和速率，针对网络应用优化、新的网络布建形式方面深入探讨，目前R11版本已进入讨论规划的尾声，在载波聚合、MIMO增强、中继基站、异质网络、M2M等技术提升均有较R10版本更进一层提升系统效能。此外，在载波聚合技术方面，R11引进新的载波聚合类型以提升系统运作的弹性，并进一步考虑TDD聚合的载波可采用不同的上下行配比等；在MIMO技术方面针对特定场景进一步优化，增强系统性能，包括低功率基站、交叉极化4天线等；在中继基站技术针对回传链路的改善，并针对R11纳入移动中继站有更进一步的探讨；在异质网络运作方面，R11针对干扰处理有进一步的探讨；在M2M技术方面，R11着重在接入网的负载控制特别做讨论。以下就探讨载波聚合技术及待解决的问题作一介绍。

载波聚合技术

随着不断增加的多媒体网络应用服务与日渐丰富的网络信息内容，使得现代人与网络的关系变得越来越紧密。这样的需求也反应到无线通讯技术上，使得新一代无线通讯LTE-Advanced系统，也逐步朝向超大宽带的技术发展。载波聚合（Carrier Aggregation）技术是LTE-Advanced系统的一个重要特点，也是让LTE-Advanced系统可以实现100MHz带宽的最为关键技术，但该技术同时也为LTE-Advanced系统带来了诸多的挑战。

LTE-Advanced技术是采用新一代无线宽带接取技术（MIMO-OFDMA），并结合All-IP局端网络的新系统；且其要求可以在100MHz的带宽内，提供下传速率达1 Gbps、上传达500Mbps的资料传输率的需求。一般认为这就是所谓第四代无线通讯系统。面对未来高带宽、高资料传输率的应用，LTE-Advanced系统引进了载波聚合（Carrier Aggregation）的技术；亦即以LTE现有的载波为基础，集合多个载波以形成一更大带宽的载波，以满足未来高宽带的需求。以图一为例，LTE-Advanced系统可借助聚合最多达五个20MHz的载波，以提供并实现100MHz载波的未来应用。

由于多载波聚合技术主要是由单一载波系统延伸；因此多载波聚合技术的研究多着重在单一载波系统技术的延伸。主要的研究方向包含有：

非对称性载波

由于上行与下行传输带宽的需求不一样（针对频分双工（FDD）系统），所以上行与下行小段带宽聚合的个数也可能不相同，因此无法直接使用单一载波系统一对一的技术，所以需要更进一步研究上行与下行载波的对应关系与控制讯号的设计。

控制讯号设计

除了上行与下行载波聚合个数不同会影响控制讯号设计，另一个控制讯号设计是针对无线带宽资源的调度，控制讯号可以放在同一载波上而分别指向不同载波上的资料，可以减少用户端设备解控制讯号的复杂度，还可以弹性调度带宽资源。

载波管理

载波聚合个数会因使用服务的带宽需求增加或减少，因此，需要有效的方法来管理。另外，由于每一个频段可以传输的距离不一样，也会影响可以聚合的个数；另一方面，用户的移动也会影响可以使用的载波。

省电机制

由于多载波设计是为大带宽需求所设计，但用户端并非随时都有大带宽需求，因此必须兼顾用户的动态带宽需求，适当的调节多个载波的使用方式，以兼顾用户端设计所必须考虑的省电需求。

协调式多点传送与接收（CoMP）

在基地台传输边界，协调式多点传送与接收可以同时接收多个基地台来的讯号，除了使用同一载波之外，使用不同载波也需要载波聚合的技术。

载波聚合的技术主要用来增加传输带宽，但是在未来的异质网络中，如何在异质网络中使用多载波聚合将会是一个主要的研究重点。