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行動裝置添助力 LTE商用服務迅速蔓延

2012-06-25
隨著LTE終端裝置如智慧型手機、平板裝置、連接裝置等越來越多,全球LTE商用服務發展也快速增溫,用戶數也不斷突破新高。為提供更好的LTE服務,電信業者也開始強化LTE換手至GSM系統的機制。
由於導入長程演進計畫(LTE)的智慧型手機與平板裝置紛紛上市,刺激消費者爭相體驗新世代通訊技術所帶來的更高傳輸速率服務,因此讓全球LTE用戶在2011年底時達到近四億戶,發展速度超乎預期。

圖1 GCT技術應用經理呂承翰表示,LTE市場正紅的同時,包括散熱、RF設計等問題也逐漸浮上檯面。
GCT技術應用經理呂承翰(圖1)表示,根據全球行動供應商協會(GSA)的資料顯示,至2012年3月底,市面上已有三百四十七種裝置支援LTE技術,涵蓋智慧型手機、平板裝置、路由器(Router)、連接裝置(Dongle)、Netbook與毫微微型蜂巢式(Femtocell)基地台,為各家電信商LTE用戶數大幅成長的動力來源。

其中,威瑞森(Verizon)在2011年第四季LTE用戶數已達三百多萬戶,而在蘋果New iPad的帶動下,2012年第二季更成長至八百到九百萬戶。

羅德史瓦茲(R&S)業務及應用工程服務部副理林志龍(圖2)指出,目前LTE全球最大的營運商當屬Verizon,該公司不但與手機業者推出十六款LTE智慧型手機,並積極提升LTE網路覆蓋率,現階段已超過兩億人口,而能達到此覆蓋率,LTE裝置著實扮演相當重要的角色。

圖2 台灣羅德史瓦茲業務及應用工程服務部副理林志龍表示,為強化LTE服務品質,LTE換手測試已為近期電信業者或行動裝置製造商致力發展的技術。
除了Verizon之外,沃達豐(Vodafon)在德國已布建一千五百座LTE基地台,預計今年將架設一萬座;日本亦為當前全球LTE主力市場,NTT DoCoMo預計於2015年達到LTE覆蓋率為98%、三千萬用戶目標;軟體銀行(SoftBank)則是積極發展分時雙工(TDD)LTE,預期今年用戶數可達兩百萬。

LTE多頻多模帶來新設計挑戰

雖然LTE市場呈現一片榮景,但LTE技術仍有潛在的問題。呂承翰指出,全球LTE頻段眾多,各國採用的頻段太分散,將是晶片商、裝置製造商與電信業者面臨的一大挑戰,支援多頻多模將是目前主要的解決之道,但如此一來,勢必將增加LTE裝置成本。

由於各國LTE採用的頻段相當分散,對於晶片商、網通業者或行動裝置製造商來說,若產品須全球漫遊,即須支援所有的頻段。為解決此問題,各國目前已開始進行協商,以期可固定幾個特定頻段供LTE使用。

呂承翰表示,相較於3G採用四個頻段,LTE頻段太多、分布太廣,一直是潛在的大問題,為能全球漫遊,LTE終端裝置得支援多重頻段(Multi-band),但對業者來說除設計將遭遇挑戰外,成本也將提升不少,勢必影響LTE普及。因此GSMA與主要LTE營運商已開始進行討論,希望可將LTE頻段分布範圍縮小。

散熱/干擾成LTE晶片設計關鍵

支援多頻多模的晶片產品在設計上,除須注意各技術間訊號干擾的問題外,搭配的功率放大器接收與發送器也要特別定義;另外,由於LTE傳輸速率較高,因此晶片散熱問題也須特別注意。

不僅如此,LTE又分為分頻雙工(FDD)與分時雙工(TDD)模式,也須向下相容於2G、3G,因此不僅LTE相關的認證外,還須增加歐洲全球認證論壇(GCF)與北美PCS型號認證委員會(PCTRB)的認證,將提高開發成本。

值得注意的是,每個LTE營運商在標準協會的驗證外,皆提出各自的認證項目,以確保用戶端產品可與其LTE網路完美搭配,因此晶片或終端業者也須與電信營運商密切合作。

此外,LTE採用新的正交分頻多重存取(OFDMA)調變技術不但影響LTE晶片本身的設計,對搭配的功率放大器(PA)也帶來新挑戰。呂承翰分析,OFDMA技術會造成高峰值隊平均功率比(PAR)值,提高功率放大器的設計門檻,並增加成本,因此LTE在上行通道改採單載波分頻多工(SC-FDMA),進一步解決此問題。

APT技術/高整合雙管齊下 PA功耗省很大

由於功率放大器為智慧型手機中較為耗電的元件,再加上各國LTE頻段不同,手機要能全球漫遊即須多顆功率放大器,對於手機電池壽命影響將更雪上加霜,因此業者致力改善功率放大器耗電的問題,並提升整合度。

圖3 Anadigics台灣分公司總經理陳彥良表示,該公司的PAD產品可降低50%所需電路板面積,功耗在3G模式下僅需23毫安培(mA)。
安利吉(Anadigics)台灣分公司總經理陳彥良(圖3)表示,功率放大器是智慧型手機不可或缺的元件,但功率放大器倚賴較大的電流電壓將訊號增強,因此耗電量難免較一般元件來得高,因此透過平均功率追蹤(APT)軟體控制功率放大器供電量的大小,將可有效減少耗電。

平均功率追蹤技術可分析功率放大器何時需要較高的電壓,若功率放大器未運作時,則給予較低的電壓,但仍可維持功率放大器的訊號品質。如此一來,電池供給功率放大器的電壓無需時時在高位準,有助提升功率放大器的效率,並進一步降低功率放大器的耗電。陳彥良指出,APT技術可內建於電源管理IC(PMIC)中,有效、彈性的管理供應功率放大器電壓,而功率放大器本身也須配合此技術進行設計上的調整。

另一方面,降低功率放大器的採用數量,也可延長電池壽命。不過,現階段各國LTE頻段複雜,且須向下相容2G、3G技術,因此難以減少功率放大器元件的數量。陳彥良認為,每一種通訊技術包括3G、LTE、藍牙(Bluetooth)與無線區域網路(Wi-Fi)等,皆需要一顆功率放大器,甚至不同頻段也須一顆功率放大器,所以目前一般3G智慧型手機即須內建五顆以上的功率放大器,才可全球漫遊。LTE頻段如此複雜,勢必需要更多功率放大器與雙工器(Duplexer),但相對的耗電量將相當可觀,且也將占較大的印刷電路板(PCB)空間。

為解決此題,支援多頻多模、整合雙工器的功率放大器,將是最佳的解決之道。陳彥良表示,Anadigics近期已推出整合雙工器、支援LTE與3G的雙模功率放大器PAD產品線,並導入APT技術,因此元件功耗不但較低,還可節省印刷電路板空間。

舉例而言,目前LTE要能全球漫遊,至少須支援七至八個頻段,亦即需七至八顆功率放大器與雙工器,若採用PAD產品,則僅需三至四顆。

LTE服務不打折 換手機制重要性大增

支援LTE終端裝置陸續推出的同時,LTE網路基礎建設的布建卻尚未完全覆蓋所有地區,若遇到未有LTE基地台與訊號的狀況時,LTE裝置自動換手(Handover)至全球行動通訊系統(GSM)的機制將相當重要。

林志龍表示,雖然支援LTE的終端裝置越來越多,但是全球仍有多數地區未布建LTE網路,或LTE訊號較微弱的地方,電信業者服務品質不能因而打折,故電信業者相當重視LTE換手至2G、3G網路的機制。

舉例來說,支援LTE技術的蘋果(Apple)New iPad雖然在台灣上市,但事實上,台灣並無法使用LTE網路,不過New iPad可透過增強版高速封包存取(HSPA+)等寬頻網路連網,即是由於LTE規範中制定換手的方式,因此即使沒有LTE訊號,裝置也將自動搜尋可用的寬頻通訊技術。

目前LTE換手的機制包括Intra-Frequency、Inter-Frequency、Intra-Band、Inter-Band與Inter-RAT(Radio Access Technology)(圖4),其中以Inter-RAT為目前電信業者發展的主要重點。林志龍指出,上述換手方式為行動裝置尋找LTE網路中不同的頻段或是基地台,以完成換手;而Inter-RAT為基地台訊號太弱時,透過使用不同的RAT進行換手,亦即從LTE網路換手至寬頻分碼多重存取(WCDMA)或GSM系統。

資料來源:羅德史瓦茲(05/2012)
圖4 Inter-RAT換手機制運作示意圖

Inter-RAT機制須要行動裝置在不同的基地台網路中,自動切換至訊號較佳的基地台,甚至切換後基地台訊號又變弱時,再次進行自動切換,因此手機須透過無線電技術搜尋目標RAT,才能順利換手。林志龍認為,若是行動裝置在待機時間順利找到合適的基地台並註冊,換手機制相對簡單,較麻煩的是手機在連線狀態中,須要重選(Reselection)基地台時,如何順暢切換且不影響通話品質,將是較大的挑戰。此時即需量測儀器的協助,才能判斷手機與基地台間的換手機制是否可滿足LTE規範要求。

為協助行動裝置製造商測試LTE產品換手機制的良窳,羅德史瓦茲推出整合完整無線通訊技術的CMW500,林志龍強調,由於CMW500內建完整行動通訊技術,因此可以一台單機測試LTE到WCDMA,以及LTE至GSM換手,毋須透過多台儀器。

LTE在全球電信營運商的大力支持下,已站在較佳的發展起跑線;隨著LTE終端裝置不斷推出,以及成本結構與服務品質獲得進一步改善,市場發展將更加蓬勃。

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