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文章分類 > 光纖暨寬頻網路
提高蜂巢式無線通訊系統傳輸率的進階技術
   
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  作者:資通訊產業聯盟 發表於2011/5/9 下午 05:57:30
 
提高蜂巢式無線通訊系統傳輸率的進階技術
資通訊產業聯盟

摘要: 

 目前4G無線寬頻通訊是個很熱門的話題,大家都在討論WiMAX與3GPP-LTE兩大系統誰是未來的勝者。WiMAX步伐較早,有較多的產品種類,且已在不少地區開始商業營運,而3GPP-LTE則宣稱有較多的電信公司支持。但消費者則是一頭霧水,到底4G跟3G不同在哪裡?為什麼我們需要4G?

一、前言:

 網路上可以找到一些影片是一些公司對未來無線通訊應用的生活情境,例如影像電話、遠距醫療及照護、家庭及個人娛樂、線上購物、視訊會議、E化政府…等等。許多單位也常舉辦創意比賽,提出許多讓未來生活更便利的應用服務,如利用Radio Frequency Identification(RFID)、無線網路…等等。隨著無線通訊的發展、設備製造的精進、雲端運算…等等的技術漸漸成熟,這些如科幻電影般超炫的生活模式未來將可一一實現。其中,最主要的核心就是無線通訊,它可以讓我們擺脫被傳輸線的束縛,達到隨時隨地傳遞訊息的心願。

 無線通訊一路從1G、2G、3G走來,傳輸技術由類比到數位,由分時多工(TDMA)到分碼多工(CDMA),資料傳輸率越來越快,3G已經可以讓我們可以有影像電話、無線上網的功能了。但實際上還是未達到可以達到隨時隨地、無拘無束傳遞訊息的想法。主要受限於現在3G系統的傳輸率還不夠快,儘管有一些補強的技術如高速封包存取(HSPA),但還是未能滿足許多應用的需求。依營運商說法,目前3G上網的費用還是普遍居高的原因,是因為頻寬不夠大,無法應付太多人同時上網,所以成本無法攤平,並只好以價格來限制使用者的人數。相較於有線的通訊如ADSL,因為頻寬大、可以負荷較多人使用,所以價格可以壓低。營運商無不希望有一種可以提供大頻寬、成本低的無線通訊系統問世。

 目前WiMAX 與3GPP-LTE [2]雙雙提案到ITU-R,有望成為認可的4G無線通訊系統,其所採用的正交分頻多工(OFDMA)技術被認為是目前頻譜使用效率最高的傳輸技術。但除了OFDMA之外,還需搭配其他技術,才可以讓整個系統的傳輸量變的更高。

 首先,要增加資料量,最基本的就增加頻寬及傳輸功率。但系統如何在有限的頻寬及有限制最高傳輸功率的情形下,再提高頻譜及功率的使用效率。基本的就是提高接收時的訊雜比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR),當SINR高,就可以在一個子載波(subcarrier)上用較高階的調變信號,以傳輸較多的資料位元。而要增加SINR,不外呼就是提高接收信號的強度及降低干擾信號。以下要介紹的技術就是達到這兩種目的的手段:

二、頻帶集成(Carrier Aggregation)

 IMT-Advanced訂出4G的要求是:靜止時,峰值資料傳輸率是1Gbps,移動時,峰值資料傳輸率是100Mbps。以目前大家對WiMAX及3GPP-LTE的初步估算,要有100MHz的頻寬及8個傳輸天線才能達到。可是以目前頻譜的使用及規劃,不一定每個營運商都可以拿到完整連續的100MHz頻寬,而且目前標準定義的頻寬最大只到20MHz,所以要達到4G需要的峰值傳輸率,必須將數個連續、或不連續的20MHz頻帶聯起來使用。User 1 ~ 3僅使用20MHz的頻寬,User 4與6分別使用相連的40MHz、60MHz頻寬,User 5與7則分別使用不相連的40MHz、60MH頻寬,依當時各個User的傳輸量需求,由基地台規劃其使用多少頻寬及使用那個頻帶。

 可是又要考慮到新的系統必須向下相容,讓舊系統的終端設備(Terminal Equipment)可以在新的系統覆蓋區域中使用,User 1可能是舊系統的終端設備,並沒有設計頻帶集成的功能,所以只能使用舊頻帶的20MHz頻寬。所以在標準制訂時就要考慮到接取信號的設計,讓新舊系統的終端設備都可以順利的開啟跟基地台的聯繫;考慮控制信號的設計,告訴每個終端設備使用哪個頻帶、多少頻寬;設計User從一個頻帶切換到另一個頻帶的切換步驟…等等。這在PHY層(Physical Layer)的變化不大,但是因為頻帶增加了,射頻的元件要另外增加。此外,主要是 MAC層(Multiple Access Control)的設計,有重傳及回覆的問題、省電的設計…等等。

三、多天線及MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術

 方向性天線可以讓信號集中在120度的角度範圍內,不僅可以讓信號強度更集中,還可以讓三組天線朝向三個不同地方發射及接收,達到頻譜重複三次使用的功能。

 而多根天線用來傳輸或接收信號,則可以讓信號更集中到某個接收端上,不僅增加接受信號強度,還順便減低對其他接收端的干擾。不僅如此,如果多天線採用MU-MIMO(Multi-User MIMO)技術,可以在同一的頻段上,同時分配給不同的接收端,只要兩個以上的接收端位置離遠一些,利用信號集中到某個接收端的特性,就可以分別將信號打向不同方位的接收端,而不會彼此干擾。最理想的情況下,8根天線最多可以同時傳給8個不同方位的接收端,創造出8倍的系統傳輸量,目前在3GPP-LTE只定義到4根傳輸天線,如果要支援8跟天線的話,參考信號(Reference Signal,RS)跟碼簿(Codebook)都要有新的設計。參考信號主要是用來做發射天線與接收天線間通道量測、解調之用。如果參考信號太多,這樣可以傳的資料就便少;如果參考信號太少,這樣通道量測不準確。所以在這之間如何取的平衡,參考信號的個數及其位置是值得去設計的。

 而碼簿則是定義一組天線權重參數,可以讓信號只朝某一方位形成波束。使用MU-MIMO時,可以在同一個頻段、同一個時間,用互不干擾的波束將信號打給不同的接收端。要怎麼設計、及設計多少組才可以涵蓋大部分的範圍,是要去考量的地方。

四、總結

 本文針對目前熱門的4G無線寬頻通訊系統如何從過去的技術下漸漸演變過來,並介紹目前標準制訂正在討論的一些增進系統傳輸率的技術,如頻帶整合、多輸入輸出、干擾消除、中繼站等之技術特徵、及其在標準制訂中需解決的一些問題,以期點出4G與之前系統的不同點,及說明目前研究的走向。

 

 
分類:光纖暨寬頻網路/無線WiMAX網路
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