長程演進計畫(LTE)是第三代合作夥伴計畫(3GPP)提出的重要次世代行動通訊技術。與前幾版不同的是，為了因應更高頻寬的需求，LTE捨棄以往行動通訊標準所使用的分碼多重存取(CDMA)技術，改採與全球微波存取互通介面(WiMAX)相同的正交分頻多重存取(OFDMA)無線接取技術。因此許多WiMAX通訊系統現存的問題也會出現在LTE上。為此，LTE的實體層提出不同的做法，以降低無線接取技術的複雜度，並為實現環境中可能出現問題謀求解決之道。
PAPR/HARQ/MIMO LTE設計面臨三大挑戰
舉例來說，OFDMA技術的峰值功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)向來是設計人員開發OFDMA通訊系統時的一大設計難題。過高的PAPR將提高射頻功率放大器的實作成本，且功耗大幅提高。例如在WiMAX系統中，PAPR效應將損失近12dB的線性放大區間。LTE實體層為了考慮用戶端裝置的成本與功率，其上行鏈路改採單載波調變(SC-FDMA)，以避免多載波調變所造成的PAPR問題。此外，在LTE的規格中，混合自動重傳技術(HARQ)被規定為必備功能，並配合前向糾錯(FEC)的處理，來更有效整合傳輸速率與傳輸品質的變化。
最後，為了提升頻譜使用效率，多天線已成為無線訊號處理最終的手段。以理論值來看，實體天線的增加，幾乎可以線性地提升頻譜使用效率。由於LTE是一種鎖定行動寬頻應用而開發的技術，必須具備高速傳輸資料的能力，因此多重輸入多重多輸出(MIMO)也成為LTE主要的技術規格。
本文將依上述之特色分段介紹LTE實體層的技術，並且對LTE實體傳輸架構(Frame Structure)和相關參數以及針對上下行鏈路分別解釋各實體層通道的定義。
剖析LTE訊框結構
LTE系統同時定義了分頻雙工(Frequency Division Duplexing, FDD)以及分時雙工(Time Division Duplexing, TDD)兩種不同的傳輸方式，下行鏈路傳輸架構是以傳統式的OFDM為基礎，上行鏈路則採用SC-FDMA技術。FDD是在兩個對稱頻率通道上進行傳送與接收，通道間用保護頻段(Guard Band)分隔。FDD必須採用成對的頻率，並依頻率來區分上下行鏈路，其單向的資源在時間上是連續的；TDD是用時間來作為傳送與接收信道的分隔，其單向的資源在時間上是不連續的，時間資源在兩個方向隨著不同的結構(Configuration)設定而進行不同的分配。
以FDD-LTE為例，LTE規格定義最小的單位為資源單位(Resource Element, RE)，而資料傳輸的最基本單位為一對資源區塊(Resource Block, RB)(圖1)。在LTE FDD下行鏈路的系統架構中，一個訊框(Frame)是由十個子訊框(Subframe)組成的，一個子訊框包含兩個時槽(Slot)，而依循環前綴(CP)的長短不同分別定義為長循環前綴(Extended CP)及標準循環前綴(Normal CP)，一個時槽分別由六個OFDM符元(Symbol)與七個OFDM符元組成(圖2)。
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| 圖1 LTE資源單位定義 |
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| 圖2 LTE下行鏈路訊框架構 |
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| 圖3 LTE上行鏈路訊框架構 |
| 表1 物理通道的種類與用途 |
| Channel |
用途 |
下行
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Physical downlink share channel (PDSCH) |
攜帶給使用者的資料。 |
| Physical multicast channel (PMCH) |
攜帶MBMS資料。 |
| Physical downlink control channel (PDCCH) |
攜帶控制資訊(Downlink control information，DCI)。 |
| Physical control format indicator channel (PCFICH) |
透過CFI(Control Format Indicator)指示PDCCH的格式。 |
| Physical hybrid ARQ indicator channel (PHICH) |
攜帶ACK/NACK資訊。 |
| Physical broadcast channel (PBCH) |
在進行cell search時，攜帶系統頻寬等資訊。 |
| 上行 |
Physical uplink share channel (PUSCH) |
攜帶給使用者的資料。 |
| Physical uplink control channel (PUCCH) |
攜帶控制資訊(Uplink control information，UCI)。 |
| Physical random access channel (PRACH) |
在初始接取(initial access)時傳送preamble。 |
在同步訊號(Synchronization Signal, SS)的設計上，可分為主同步訊號(Primary SS, PSS)和輔助同步訊號(Secondary SS, SSS)。以一個訊框來說，兩者位於第一個與第六個子訊框中前一個時槽的最後兩個符元，因此其週期可視為5毫秒。在下行鏈路上，針對不同的用途，參考訊號(Reference Signal, RS)可細分為三種，分別為蜂巢網專用(Cell-specific)RS、群播/廣播單頻網路(MBSFN) RS及用戶端專用(UE-specific)RS，參考訊號在頻域與時域都是交錯的，因此帶有參考訊號的子載波，其通道響應可直接計算出來，對於其他的子載波，則必須透過內插演算法來進行估測；而在上行鏈路，針對不同的用途可分為兩種，分別為解調變(Demodulation)RS及探測(Sounding)RS，參考訊號則占滿每一個時槽的第三個符元。
LTE在物理通道的種類與用途，針對上下行鏈路各有定義，如表1所示，而各個物理通道的位置可參考圖2及圖3。
單載波技術有助彌補OFDMA缺點
以WiMAX的標準而言，上下行傳輸都是採用OFDMA來達成效能最佳的需求，然而PAPR問題卻造成用戶端設備難以符合效能與成本的需求，因此LTE標準在定義時，考量到用戶端設備的功率消耗和設計複雜度等議題，決定採用與WiMAX不同的上行技術，即接下來要介紹的SC-FDMA。
OFDMA之所以被WiMAX與LTE兩大標準陣營接納，關鍵在於其資料符號各自放在大量且緊密區隔的正交子載波上，經過調變並且傳輸，因此具備預防多重路徑衰減(Multipath Fading)的健全性，且接收器架構相當有效率。此外，下行鏈路調變架構可採用正交相位位移鍵控(QPSK)、16階正交調幅(16QAM)及64階正交調幅(64QAM)等不同調變方式的靈活性，也是其雀屏中選的原因。最後，在時間範圍中，可將保護區間(Guard Interval, GI)加入每個符元中，以消除由於通道延遲而造成符號間的相互干擾。
上述優勢對於提供行動寬頻服務而言非常重要，因此鎖定此一應用市場的WiMAX與LTE均採用OFDMA技術。然而，OFDMA技術並非完美，其訊號的PAPR過高，便是一棘手難題。在系統實作時，設計人員必須使用線性放大範圍比較大的功率放大器，因此成本與功耗都隨之提高。
從使用者的觀點來看，若手持設備因功率消耗太大而須時常充電，就算內部功能設計的再好，使用者一定不會認同此產品，基於此點，上行採用低功率消耗的SC-FDMA會是較佳的選擇。
從圖4中，很明顯地可以看出兩者技術上的差異在於灰色區塊，即發送端在執行離散傅立葉反轉換(IDFT)之前須先做離散傅立葉轉換(DFT)，而相對地接收端在執行IDFT前須先做DFT，多加此一步驟的差別在於把原本要執行等化器的領域，從時間域轉成頻域。由圖5可知，原本在時域上運算，若要得到輸出，即須把輸入和通道反應執行迴旋運算(Convolution)動作，而若把兩個值同時轉到頻率域去執行，因為DFT的大小不會隨著通道反應的長度線性變大，即變成很簡單的相乘，因此把問題簡單化，硬體實現也比較容易。
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| 圖4 SC-FDMA與OFDMA架構圖差異 |
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| 圖5 通道反應在時域與頻域的執行 |
隨後會接著子載波映射(Subcarrier Mapping)，此步驟把使用者的上行資料擺放到基地台所允許的頻帶上，在SC-FDMA中，有兩種方法可以實現，一種為分散式(Distributed)，另一種為集中式(Localized)。圖6左為分散式，其方法把子載波按一定的間隔擺放，中間沒有擺放的部分則是無子載波的情況，而圖6右則為集中式，此方法則是把所有子載波集中在一個區域中，其他無擺放的地方一樣視為無子載波的部分。現行的標準只支援集中式。
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| 圖6 分散式與集中式子載波映射 |
另外，SC-FDMA時域上表現的波形與OFDMA很類似，但是轉到頻域上，其形狀就成為一個頻寬很寬的窄頻訊號，因此在接收端，OFDMA由於是多載波的關係，須針對每個載波做等化並且個別偵測，而單載波的SC-FDMA則只需一個等化器對單一載波作等化與偵測(圖7)。
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| 圖7 OFDMA與SC-FDMA接收端 |
以上探討的部分都為服務單一使用者的情況下，但是在一般情況下，都是多個使用者一起共享資源，基地台一次服務多個使用者(圖8)。不同使用者上行到基地台的資料，若以集中式子載波映射的方式，則基地台端即會根據安排給不同使用者的資源區塊，個別做等化和偵測的動作，就達成多使用者同時使用資源的目的。
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| 圖8 接收端處理多個使用者 |
TD/FD影響HARQ實作複雜度
在無線媒體傳送的過程中，資料封包往往會因為時變移動通道和多路徑衰落等許多因素的影響而造成傳送失敗，LTE採用混合式自動重送請求HARQ，是一種結合了前饋式錯誤修正(Forward Error Correction, FEC)與自動請求回覆(Automatic Repeat reQuest, ARQ)方法的技術，可以由前一個失敗的嘗試中存下有用的資訊，供之後的解碼使用，以提高下次重傳的成功機率。
根據重傳的時間可分為同步與非同步兩種，同步重傳是指HARQ重傳的時序是事先就決定好的，當接收端解碼失敗，並回報NACK後，傳送端會在事先就安排好的子訊框做重傳，不須再透過控制訊號告知接收端何時去接收重傳；反之，非同步的重傳是指重傳的時序可透過控制訊號動態改變。
根據重傳時的資料特性是否改變，重傳動作又可分為自適應性和非自適應性兩種，資料特性包括資源區塊的分配、調變方式、資料區塊的大小等。自適應傳輸是指在每一次重傳過程中，發送端可以根據實際的通道狀態改變部分的傳輸參數設定，因此在每次傳輸過程中包含控制訊息要一併發送；在非自適應系統中，這些傳輸參數相對於接收端而言都是事先已知的，因此毋須傳輸控制訊息。
LTE在下行鏈路支援非同步自適應性的重傳，能充分利用通道的狀態訊息，從而提高系統的吞吐量，且可避免重傳時資源分配發生衝突而造成性能損失；在上行鏈路方面，LTE則支援同步非自適應性的重傳，這是因為上行鏈路的複雜性較高，來自其他手機的干擾是不確定的，因此必須根據通道的實際情況而選擇合適的調變編碼方式，且通常上行鏈路的平均傳輸次數高於下行鏈路，在控制訊息的傳送量的考量下，上行鏈路採用訊息需求較少的同步非自適應性HARQ。
編碼處理過後儲存在環狀儲存區(Circular Buffer)中的資料封包分為兩部分，一個是原始的資料位元(Systematic Bit)，一個是額外產生的冗餘資料位元(Redundant Bit)，是當初始傳送不足以避免錯誤產生時，HARQ重傳機制提供額外的冗餘資料減低錯誤發生的機率，每一次的重傳根據冗餘版本(Redundancy Version, RV)值有所不同，原則上重傳的資料中會含較多的冗餘資料，如圖9所示。
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| 圖9 環狀儲存區資料儲存示意圖 |
接收端在收到資料時，假若解碼失敗則回報NACK，並將該次收到的資料封包存在暫存器中，待收到重傳的封包時，與先前存在暫存器中的錯誤資料封包做軟結合(Soft-combining)，再進行解碼。
HARQ封包和回報的處理時間為3毫秒，LTE FDD系統中，手機發送數據後，經過3毫秒的處理時間，系統發送ACK/NACK，手機再經過3毫秒的處理時間確認。完成上述程序後，才算一個完整的HARQ處理過程，因此在分頻雙工的LTE系統中，HARQ的往返時差(Round Trip Time, RTT)固定為8毫秒，且ACK/NACK位置固定，如圖10所示。分時雙工LTE系統中HARQ的設計原理與分頻雙工LTE相同，但由於分時雙工的上下行鏈路在時間上是不連續的，手機發送ACK/ NACK的位置不固定，且同一種上下行配置的HARQ(圖11)的RTT長度有可能不一樣，因此其實作過程將較分頻雙工LTE複雜。
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| 圖10 HARQ回報流程範例 |
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| 圖11 LTE下行物理通道處理流程 |
傳輸分集/空間多工MIMO各有千秋
顧名思義，MIMO技術表示傳送端有多個訊號被輸入無線通道，接收端無線通道有多個訊號輸出，可提高頻譜效率，所以能夠保證較高資料速率。此外，透過傳送端的空間預編碼(Precoding)和接收端的空間後編碼(Postcoding)等空間處理，也有助於改善無線系統的性能。MIMO技術與正交分頻多工技術一起使用時，則可充分利用無線通道的功能，即透過空間分集(Spatial Diversity)和在多路徑環境中在採用空間上獨立的天線來實現。
在LTE標準架構下，目前在下行鏈路有做MIMO的設計，資料經過打亂(Scramble)及調變映射(Modulation Mapper)後，先將處理過的資料映射為N層，並將N層的資料分別進行預編碼，再個別將資料進行資源單位映射，最後將OFDM訊號在M根天線上傳送，其中N≦M，而主要實現MIMO的關鍵在於分層映射(Layer Mapper)及預編碼。
MIMO技術可大略分為傳輸分集(Transmit Diversity)以及空間多工(Spatial Multiplexing)兩大流派，其中前者為避免發生在每根天線傳送路徑上的嚴重訊號衰落，先將輸入資料進行預編碼，再將編碼後的資料映射到對應的天線上發送，透過多個天線發射獨立資料訊號，以增加資料傳輸的可靠性；後者則是透過增大空間分集來改善能量效率，提供在同一個射頻鏈路上，同時多個平行資料流的傳送。
利用傳輸分集來實現MIMO時，資料處理將視傳送端的天線數量而有所改變，例如在兩根天線的條件下，其預編碼將把Alamouti演算法應用在頻域上面，成為空頻區塊碼(Space-Frequency Block Code, SFBC)；而四根天線是結合了SFBC和頻率交換傳送分集(Frequency-Switched Transmit Diversity, FSTD)的方式來實現MIMO技術，其預編碼公式如圖12所示，加上FSTD的目的是由於在天線0與天線1上傳送的參考訊號較多，因此將不同的訊號使用前兩個天線傳送較為適當。假設輸入資料由S1～S4組成，經過分層映射、預編碼等資料處理後由天線0～天線3發送，由圖13可知，天線0的子載波K及K+1分別載送S1及S2，而子載波K+2及K+3是不傳送任何資料的，其餘天線的子載波傳送方式依此類推。
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| 圖12 四根天線MIMO之編碼矩陣 |
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| 圖13 四根天線MIMO資料傳輸示意圖 |
利用空間多工來實現MIMO時，舉例來說，若在傳送端與接收端各有兩支天線，則最高可以同時有兩條平行的資料流在同一射頻鏈路上傳送，傳輸速率的增加可達到兩倍之多。在實現MIMO時一樣會經過預編碼，但不同於傳輸分集的是預編碼矩陣採用碼簿(Codebook)的方式，此碼簿是傳送端與接收端皆已知的，傳送端在控制訊息中會告知接收端使用的碼簿編號，以利接收端進行後編碼。
另外此方法常常會伴隨使用週期性延遲分集(Cyclic Delay Diversity, CDD)，在符元加上保護區間之前，先加上週期性延遲(Cyclic Delay, CD)，將原始資料欲延遲的取樣點移動到最前面，再將處理過後的資料(斜線部分)加上保護區間，成為一個新的OFDM符元，作法如圖14所示。
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| 圖14 週期性延遲分集技術 |
在不同根天線製造傳送時間延遲是為了對抗時變通道(Time-variant Channel)，但一般訊號經過時間延遲之後容易造成符元間的干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)，因此天線上總延遲的時間必須小於保護區間的長度，而使用CDD後更能妥善利用OFDM訊號的特性，將不再受限於此。
LTE實體層預埋4G伏筆
高傳輸速率是目前下世代通訊技術最重要的目標，因此大頻寬以及高頻寬使用效率則成為各項通訊規格角逐的重要指數。LTE目前雖然仍定位為後3G技術，但是根據LTE的各項實體層技術規範，卻已經可以勾勒出4G技術的實體層的輪廓。譬如採用OFDM技術來因應大頻寬的使用，並配合MIMO技術的來倍數提升速率，接著採用HARQ來穩定通訊品質與通訊速率的變化，此外再進一步考慮手持裝置的成本與功耗。因此不管未來的4G主流為何種標準規格，在LTE系統下，實體層工程師已經得到了最佳的設計方向，並確立了未來研究發展的目標。
(本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)