4G无线通讯解决方案有望提升上网速度达1Gbps

发布时间：2012-11-13 阅读量：1022 来源: 我爱方案网作者:

【导读】对行动数据传输应用而言，速度要求不断提升，尤其在第四代的无线通讯技术，必须进一步拉大与第三代无线通讯标准的效能差距，才能彰显用户转移至4G通讯网络的实际效益。其中，以目前相对热门的LTE，3GPP为使其更具竞争实力，也释出LTE-Advanced演进版本，开发4G或新一代通讯产品，都必须熟悉LTE-Advanced技术核心。

LTE-Advanced是3GPP以4G为基础发展的LTE演进版本，其发展目的相当明确，为以加速推进4G通讯标准为目的，将4G移动通信的效能改进，透过LTE-Advanced提供更有利的服务转移诱因。为了使LTE-Advanced相关产品开发工作进行更快速、顺利，开发人员必须熟悉相关标准与技术特点，同时搭配测试工具针对性解决问题。

以现有最通用的GSM全球通讯系统来说，在1990年初期，由第一代通讯转至第二代移动通信的重大关键，即在第二代移动通信采行了数码化语音、同时强化通讯的安全性设计。而随后推出的第三代(3G)移动通信，主要是以GSM为基础，再进行数码资料传输应用功能集成。

3G无线通讯传输速率有限 4G因应市场需求提升服务效能

以3G基本标准要求来看，依国际电信联盟(ITU)制定3G的IMT-2000标准，移动终端设备在以行车速度移动时，数据传输速率必须仍可达到144kbit/s；用户于室外静止状态或步行速度行进时，传输速度需有384kbit/s；在室内应用时，则需达到2Mbit/s。此外，3G系统的实际技术形式，在不同区域发展上，还分别以WCDMA宽频分码多重存取、CDMA2000、TD-SCDMA分时-同步分码多重存取等不同系统类型，实践移动通信系统设计。

图1：4G技术方案必须搭配基地台同步提升，改善整体无线网络的使用体验

而以目前稳居主流的WCDMA无线通讯技术来说，则是由3GPP组织制定，但由ITU定义的3G IMT-2000标准在实际商业应用的速度表现上显得吸引力有限，3GPP为了加强在3G基础下的数据传输效能，于是着手制定基于3G技术的演化版，象是在第五版定义的HSDPA(高速下链封包存取)、第六版定义的HSUPA(高速上链封包存取)，与七、八版持续强化的HSPA+(增强版高速封包存取)、EDGE Evolution与LTE(长程演进计画)无线技术方案。
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3G无线通讯演进版本众多

由于HSDPA、HSUPA、HSPA+、EDGE Evolution、LTE为基于3G技术基础所发展的衍生强化进阶技术版本，这些无线通讯技术最多也只能算是3G无线通讯技术的演进版，基本上并不算是4G无线通讯技术。

而在因应最新的市场需求，对于无线传输效能的要求基础下，国际电信联盟着手为4G制定的标准为IMT-Advanced，较3G或3G的演化版本不同的是，IMT-Advanced在传输效能规划理论上可以达到1Gbit/s的资料传输速率(Data Rate)，等于已经具备以太网络实线连接的无线化应用架构！

图2：无线网通技术规范多元，尤其是面向高速传输应用的4G技术方案

在IMT-Advanced规范下，可提供固定式用户或是低移动特性的用户达1Gbit/s的资料传输速率，至于针对高速移动用户、行车用户来说，亦可提供高达100Mbit/s之传输速率支持。IMT-Advanced最高可使用带宽为100MHz，在架构上具高度网络互通特性，服务网络布署亦可搭配与其它通讯系统进行Inter Working合作集成，同时亦将全球漫游应用需求纳入标准。

4G无线通讯标准高已有5种无线通讯技术纳入应用

为了达到满足IMT-Advanced的4G技术要求，3GPP已把LTE-Advanced纳入第十版的技术演进规格，至于LTE-Advanced基本上是LTE的演进版强化版本，透过利用多天线传输支持、高传输速度效能提升，藉此满足国际电信联盟的IMT-Advanced在4G无线通讯技术提出的标准要求。

2010年第三季国际电信联盟已宣布3GPP提出的LTE-Advanced与IEEE 802.16m符合4G通讯的高标准要求，同时国际电信联盟亦将WiMAX、HSPA+、LTE纳入4G技术。有趣的是，WiMAX、HSPA+、LTE并没有符合IMT-Advanced的高标准要求，但基本上WiMAX、HSPA+、LTE、LTE-Advanced、IEEE 802.16m...等技术规范，均为国际电信联盟确认符合4G无线通讯技术的标准技术。

图3：LTE-Advanced可利用relay node扩展服务范围、提高使用体验

但若要深究IMT-Advanced要求的4G规范，其中一项1Gbit/s最大传输效能要求，就成为多数产品设计势必面对的设计门槛，而要达到1Gbit/s的最大传输速度并非不可能，只要利用MIMO的技术集成，即可以多天线设计达到4G要求的高传输效能表现。以现有的技术方案来说，现在4×4 MIMO天线配置、搭配70MHz讯号带宽已可达到IMT-Advanced要求的4G规范。

针对1Gbit/s最大传输效能规范无线技术必须搭配因应策略

由于IMT-Advanced要求的带宽为40MHz~100MHz，若要达到4G要求之最高传输效能，在技术上最有效的实践方案即将传输带宽增大，基本上只需将传输带宽加大至70MHz以上，即可达成IMT-Advanced的最大传输效能标准，或利用进阶的MIMO多天线配置，即便使用最小带宽运行，也可达成IMT-Advanced要求的4G最大传输速度标准。

但现实的问题是，现有已定义之LTE频段最大带宽仅20MHz，若要发展进阶的LTE-Advanced技术支持，在服务区域想找到连续完整之40MHz以上频段难度相当高！必须在技术上运用Carrier Aggregation(载波聚合)技术方案来改善速度需求。

图4：4G无线通讯网络初期仍会遭遇服务范围有限的推展服务问题

另为了达到IMT-Advanced要求的4G最大传输速度标准，除了增加带宽架构外，另一个方案是利用技术提高频谱使用效率，而提升频谱使用效率的方法相当多，例如使用更高阶的调变格式，或运用更进阶之MIMO多天线配置设计进行改善。

在LTE-Advanced技术规范中，即为利用MIMO的天线数追加，来达到IMT-Advanced要求的4G最大传输速度标准。例如，在3GPP的第八版LTE技术方案定义中，下行传输之4×4与上行传输之1×2的多天线MIMO传输方案，在LTE-Advanced中，即定义下行传输为8×8与上行传输为4×4多天线MIMO传输方案，光是技术规范的差异，使得下行传输得以提升2倍效能，而在上行传输方面至少可提升4倍之频谱使用效率！

MIMO多天线技术方案形成4G终端装置设计难题

至于MIMO的多天线传输模式，在实务设计中必须尽可能使每组天线之资料流量的关联性降低，这会让手机这类行动装置的多天线设计方案造成设计限制。因为行动装置内部的可用空间相当小，尤其是手机，要内置多天线难度相当高，如何在有限的机构空间塞入8组多频带天线设置位置，并同时以不同角度让每个天线可收到的传输资料串流之关联性达到最低，让MIMO多天线通道的表现达到最佳？这对实际运用于终端设备的产品设计都会产生相当大的技术门槛，而实际产品中要进行产品测试也会因集成多天线设计而让验证过程复杂化。

多天线设计方案除了难度高的问题外，实际上在终端产品的收讯状况也成为设计挑战，尤其是必须改善室内、地下室等收讯不良地点的收讯质量。LTE-Advanced针对通讯质量方面，提出Heterogeneous Network(异质网络)、Relaying、HeNB(Home evolved Node B)移动性增强与LTE网络自动优化增强等应用改善方案。

图5：无线通讯技术演进版本发展多元，开发产品必须深入理解选择适用方案。

例如，Femtocell基地台，基本上就是一种具体而微的小型通讯基地台，为一利用xDSL或Cable Modem数据通讯网络，来连结一些收讯不良区域或死角的无线通讯需求，这可协助系统业者在核心网络的覆盖度，尤其是将通讯服务延伸至室内、地下室这类通讯质量因建物结构阻碍的通讯问题方面，可提供克服无线通讯收讯死角、更快的速传输速度、增大网络服务容量，同时也可减少基地台的服务负荷等设计目的。

在Femtocell应用架构下，使用者可以就近取得更好的网络服务资源，同时高速传输效能表现也可提升无线网络的使用者体验。另在无线通讯服务的基地台覆盖服务范围边缘、或者是通讯死角中，也可架设Relay Node(中继站)改善服务网络的接收状况，至于Relay Node与DeNB间的无线传输，亦可利用与一般手机衔接基地台之间的无线传输应用形式，可采In-band或Out-band设计方案弹性运用。

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