因應LTE產品開發需求 驗證與測試技術須同步提升
- 陳南宗
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LTE與LTE-Advanced在因應高頻寬需求與MIMO應用的測試需求，對於現有的射頻測試設備，形成新的技術挑戰；選擇量測設備時，除需注意量測設備能否因應LTE的高頻寬應用形式外，還須一併考量測試儀器能否因應更趨複雜的MIMO應用測試...
LTE無線通訊技術，是長期演進(Long Term Evolution)技術的簡稱，是目前在無線數據通信市場備受注目的新一代行動無線寬頻技術。LTE可讓電信服務供應商在現有取得頻段下，透過更經濟、更有效率的方式提供無線寬頻接取應用服務，而LTE技術的特色即超越現存3G無線網路的傳輸效能，達到接近實線連接的網路傳輸效能，LTE已正式由第3代行動通訊組織(Third Generation Partnership Project；3GPP)列為無線標準技術。
LTE或是更先進的LTE-Advanced，是目前行動通訊系統發展上可見的最大變革。其變化的程度堪稱是從全球行動通訊系統(Global System For Mobile Communication；GSM)轉移至WCDMA無線技術以來的最大幅度改變，而LTE系統透過應用OFDM調變技術來滿足加快數據資料傳輸的應用目的，其設計複雜度也高於以往行動通訊技術數倍。對用戶終端裝置而言，用戶需要更高的數據傳輸率、更穩定的服務，來滿足日益熱門的各種行動/雲端運算、網路儲存應用需求，系統頻寬也會自LTE的20MHz，一舉增加5倍，達到LTE-Advanced的100MHz頻寬水準。
LTE除可針對無線寬頻應用的數據傳輸提供最佳化的效能表現，其它的應用特色例如在基地台的基礎建設方面，可延續原有GSM服務的基礎提供相容設計，即便現有的網絡是否已經投資部署UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)硬體或相關技術，都可以在現有服務基礎下進行LTE應用的服務營運規劃。
彙整2010年4月全球建置LTE的資料可以發現，目前全球已有超過60個LTE網路提供營運或是進行建置與測試中，相關的基礎建設、裝置設計都面臨大量的測試需求，尤其是針對LTE與先進長程演進計畫(LTE-Advanced)在因應實體層的應用方面，在選擇測試設備時經常有相對困難的抉擇，因為LTE最大的特色就是大幅提升無線數據通信的整體傳輸效能，而付出的代價是使LTE的傳輸技術更趨複雜。
尤其是在產品驗證方面，考驗目前的測試設備檢測極限，加上為提升傳輸效能所採行的MIMO(multiple-input and multiple-output)射頻多天線應用技術，此種多天線方案雖有助於提升整體傳輸頻寬，然而其設計形式也會讓測試程序變得極為複雜。
對於設備採購人員來說，LTE與LTE-Advanced，在高頻寬與MIMO測試需求下，選擇測試設備除了必須確認測試儀表頻寬可滿足LTE量測需求之外，另需注意測試儀表是否針對MIMO應用提供最佳化功能，避免在工程端須執行過於繁複的操作步驟，才能進行MIMO設計測試。
目前，手持式終端設備在整合3G行動數據技術後，市場追求更快速、更先進的無線數據傳輸技術，而LTE身為可基於GSM設備基礎下進行硬體升級擴充的應用方案，成為電信服務商眼中相對較佳的應用方案之一。而隨著業界大量推出支援LTE技術的行動裝置與終端設備，如手機、平板電腦、USB無線網卡...等應用商品，電信服務商面對LTE技術的升級需求壓力日漸增加。
LTE可謂是未來相當熱門的無線接取數據通訊技術，尤其在因應視訊高速下載、網際網路接取的寬頻應用，同時，基於高速傳輸的基礎下可同時容納多使用者於1個網路架構中，這些技術要求以現有的主流方案─寬頻分碼多重接取(Wideband Code Division Multiple Access；WCDMA)網路，在單一網路下可服務的用戶容量、無線傳輸效能，都明顯無法符合未來的應用標準。
LTE無線通訊技術，最早係在2004年期間，由3GPP(3rd Generation Partnership Project)開始推動，歷經持續發展，在2008年12月推出Release-8版本確認上傳和下載的無線傳輸介面相關定義。LTE無線傳輸技術目前已釋出Release-9版本修正，版本中對無線介面並無太大變革。LTE-Advanced技術則在2009年由國際電信聯盟(International Telecommunications Union；ITU)審核。
LTE-Advanced技術在2011年獲3GPP核准發布後，使得LTE成為相對較具影響力的未來4G技術基礎，特別是針對目前規範最高的1Gbit/s傳輸速度需求，提供一個可使用的技術規範，目前LTE-Advanced環境測試試點已在各地進行中，基本上LTE-Advanced為以LTE為基礎的擴充與強化，基礎建設部署方面不需投入過多成本，相較自WCDMA服務架構升級至LTE技術的大跨幅服務升級，只要是已具LTE服務基礎的電信營運商，其轉移升級至LTE-Advanced通訊技術的過程並不會遭遇太大困難。
針對LTE需達到倍數的傳輸效能提升，又同時要求提升網路服務效率，LTE在下行(Downlink)訊號進行架構調整，LTE採用正交頻分多重接取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access；OFDMA)訊號調變方法處理，ODFMA接取方式原先是802.11x無線區域網路採行的訊號調變方法，與展頻技術的調變訊號形式相比較，OFDMA調變方式可以達到更好的頻譜使用效率，也就是說單一網絡下可服務的用戶量提升，同時，對於干擾訊號的抑制也有較佳的應用表現。
基本上，LTE無線通訊系統為採取無線網路應用的OFDMA調變方式，同時搭配時間多工處理，而時間多工技術可使應用頻寬根據實際的用戶需求進行最佳的分配應用，且不會造成用戶佔用頻寬資源，這可改善原先採WCDMA或WLAN系統，可能會因為用戶僅進行少量數據傳輸、卻佔用過多網路資源的問題，甚至會因此影響整體服務網絡的應用效能，而LTE採行的應用機制，也代表著可在單一網路、同一時間、服務更多無線數據傳輸用戶，兼具效能與系統服務容量提升的功用。
為了進一步增加頻段的應用效率，同時增加可服務人數，LTE採行在每個子通道再搭配時間進行應用資源的再切割，這種設計方式相較無線區域網路採行的OFDM方法略有不同。
因為，一般在無線區域網路應用環境中，單一用戶可以將整個傳輸通道內的所有子載波全數取得使用權，同時維持一段時間來進行資料傳遞，這或許可以達到單一用戶最佳化的效能要求，但在用戶數提升後，即會凸顯系統服務容量被少數用戶佔用的問題，甚至出現資源使用缺乏效率的狀況，對無線通訊電信營運商而言，頻段的資源相當珍貴，自然必須尋求將頻段應用的服務容量極大化的設計方向，才能因應實際的營運需求。
應用適應性調變技術擴充系統服務能量，一般可針對頻段採行不同的調變階級(Modulation Order)設計，例如，QPSK(Quadrature phase-shift keying)、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)或64QAM(Quadrature Amplitude Modulation)...等適應性調變設計手段，來讓網路的服務效能得以獲得進一步的效益提升。
LTE無線數據通訊系統，會根據數據傳輸的使用現況，來進行頻段內的RB(Resource block)分派。一般來說，針對高頻寬的應用需求，不能出現傳輸斷續的狀況，例如，觀賞串流視訊這類應用形式，使用者需即時取得流暢不中斷的視訊內容封包，在這種應用條件下，用戶就會在系統中取得較多的Resource block，相較於用戶進行單純的語音通話，自然分配到的Resource block數量就會較少。每組Resource block會在頻率上有180kHz、0.5ms，而Resource block為資源構成的最基本元素。
另外，行動通訊設備多半對電力使用有較大考量，尤其是行動電話、平板電腦，在一般使用狀況下，電力來源全數由搭載的電池所供應，考量省電設計，對設備上傳資料的上行訊號傳輸技術，會有較大的限制，因為射頻接收耗電較低，而在處理射頻資料的發送時，會耗用裝置較大的電力。
在優先考量省電機制之下，又必須達到最大資料傳輸的要求，單載波分頻多工接取(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access；SC-FDMA)技術，因為其技術應用特性表現，因此被納入LTE的上行鏈路設計方案中，藉由SC-FDMA技術來降低功率放大器在因應上行資料傳輸造成的電源能量損耗。
由於SC-FDMA的峰均值功率較OFDM低，因此其所需的線性度也較小。此取捨導致上行的傳輸速度較慢，卻改善電池的使用壽命。SC-FDMA傳輸技術為藉由單一載波、採序列形式進行數據資料傳輸，而OFDMA則是採用基於數個載波的平行資料傳送形式達成設計目標。序列式進行數據傳送，可讓聚合的訊號更具隨機特性，有助於降低訊號傳輸耗用的功率。
再回到LTE的設計需求，其設計目標為期望應用單一通道進行更大量的數據傳輸，同時要滿足高效率、服務最大用戶量的設計需求，為了達到此設計目標，目前已衍生大量設計方案，其中3個關鍵技術為：多重輸入/輸出(MIMO)、適應性編碼(Adaptive Coding)與頻寬衡量(Bandwidth Scaling)。
在LTE系統設計中，MIMO技術是LTE系統應用的關鍵技術，MIMO技術基本上是透過不同天線來進行傳送、接收不同的數據資料流，藉此提升單位數據傳輸流量，同時改善傳輸進行的可靠度，MIMO技術可採行多重技術來進行設計，例如，波束成形(Beam Forming)、發射路徑分集(Transmit Path Diversity)、波束控制(Beam Steering)...等。
Beam Forming波束成形是一種無線發射與接收技術，透過將資料編碼處理，並搭載於不同的天線上來達到通道的最佳傳輸狀態，設計原理為發射自2組以上的實體、分隔天線訊號，藉由特殊的編碼技術，達到傳輸量最大化、提升傳送訊號完整度的目標。
Transmit Path Diversity發射路徑分集為發射訊號會藉由不同天線、行經不同的路徑，如果發生某一路訊號因環境因素而遭受干擾或衰減(Fading)效應影響，此時另一路訊號仍舊可順利無損的傳達到接收端天線。
波束控制(Beam Steering)是指調整在天線間訊號的相位，進行控制或集中訊號，將訊號集中在特定接收端來完成傳送任務，此技術可在不增加整體發射功率的前提下，提供用戶最佳的訊號強度。
LTE系統中的適應性編碼(Adaptive Coding)設計方式，其Adaptive Coding可以允許通訊系統能針對子載波進行調變階級調整，此技術能提供1個基於每組載波上的傳輸區塊大小、特定頻率之訊號品質的調整機制。尤其是因應如無線傳輸常見的都卜勒效應(Doppler Effect)或某些窄頻訊號干擾問題時，LTE系統可經由使用者裝置(User Equipment；UE)傳送1組通道品質指標(channel quality indication；CQI)訊號至基地台確認，緊接著基地台會依據CQI的回報逕自進行該通道相對應之子載波調變方法調整，藉此達到LTE設計目標。另外，LTE系統會根據傳輸需求來衡量頻寬、提高使用效率，反觀在WCDMA無線數據通訊系統中，不管用戶進行的傳輸速率快慢，單一用戶可佔用整個5MHz的傳輸通道，但這是LTE所不想出現的狀況。
LTE/LTE-Advanced測試問題，在LTE全球試點或正式營運的環境日趨穩定，相關建置環境與用戶設備方案漸增，LTE和LTE-Advanced針對實體層的測試項目也明確地由3GPP提出文件定義，對LTE相關產品開發商而言，必須在擬定生產測試計畫時將LTE的實體層測試列為重點測試項目。
相較目前主流的WCDMA行動無線數據通訊標準，其實LTE並未加入全新測試項目，LTE的測試仍基於行動通訊系統量測常見的項目，例如，發射功率、錯誤向量振幅(error vector magnitude；EVM)、接收靈敏度、鄰近頻道功率比(adjacent channel power ratio；ACPR)...等測試項目，但也基於LTE的可傳輸頻寬增加，讓LTE與LTE-Advanced在測試工作方面遭遇更多技術挑戰。試舉一個最明顯的例子，LTE頻寬較WCDMA運行頻寬增加4倍、LTE-Advanced的運行頻寬則增加了20倍，這些基礎規格方面的差異，會造成多數舊有的量測設備無法因應LTE訊號量測需求，遑論LTE-Advanced系統要求的100MHz中頻頻寬量測項目。
