解決頻段零散化問題 LTE數據機支援載波聚合

载波聚合（Carrier Aggregation）技术将有助长程演进计画（LTE）加速普及。 LTE使用频段过于纷乱，已成为全球电信业者布建基础设施时的一大挑战，因此晶片与设备商已积极导入载波聚合技术，协助电信业者提高频段利用率与使用弹性，以加快其商转脚步。

　　随着消费者对移动网路频宽需求日益提高，如何有效处理资料流量已成为智能手机、平板装置和其他资料运算设备的重要卖点。为此，负责推广全球移动通讯系统（GSM）、宽频分码多重存取（WCDMA）、长程演进计画（LTE）的工作组织--3GPP，早在数年前就开始投入研究下一阶段移动通讯技术演进方向，以因应未来移动市场对以资料为中心的无线解决方案的需求。

　　增进频谱效率/频宽LTE载波聚合发功

　　4G LTE有助移动通讯技术统一，并改善以往2G、3G时代中，各种技术分散发展的纷乱状况，而4G设备也将为电信、晶片和终端品牌商带来新的获利契机。不过，由于全球可用频段相当复杂，因此，如何解决频段支持问题将是上述业者最大的挑战。

　　以GSM为例，要覆盖全球范围须支持四个频段，而WCDMA、高速封包存取（HSPA）则需五个频段，截至2012年12月，更已有超过十个频段部署LTE，且数目还会持续增加。

　　这种频段分散化的状况，系各地区自行决定频谱分配的结果，当然，各国亦计画提议将部分频段指定为全球漫游频段，以解决频段过多的困扰，但目前仍未有明确进展。到2014年，一部设备可能须支持五到六个频段才能满足一个电信营运商的要求；况且，未来LTE在全球范围内，最多可望使用约十八个频段（图1），意味着高效率的多频段支持对于解决设备全球通用问题的至关重要。

图1：移动通讯技术支持频段数量演进趋势

　　事实上，早在LTE标准发布以前，很多电信营运商就开始为下一步部署LTE-Advanced做准备，此技术提出载波聚合（Carrier Aggregation， CA）的概念，将为终端用户带来更高的网路效率和传输速率，并支持各种先进应用场景。

　　由于频宽与资料吞吐量是两个典型的正相关因素，频宽愈大，吞吐量愈高。一般来说，一部手机在同一时间只使用一个频段内的一个载波，透过整合两个频段或同一频段的多个载波（图2），就达成所谓的载波聚合，可利用更多射频（RF ）资源，扩增有效频宽。目前在所有的连续频谱分配中，超过90%的频谱只能空出15MHz的频宽或更低，大部分甚至低于10MHz，这一限制使很多营运商须使用载波聚合，否则很难支持100Mbit /s或更高传输速率。

图2：载波技术概念图

　　尤其美国频谱资源切割非常细，零散化情形严重，少有营运商能拥有连续20MHz的频谱，因此美国市场未来将是载波聚合技术的最主要推动力之一，相关电信商的LTE载波聚合解决方案将于2013年推出，预计2014年将更进一步扩大发展规模。

　　此外，韩国与日本电信商亦已有实质性的载波聚合方案，第一阶段将聚合最高20MHz频谱，让用户获得150Mbit/s的下行资料传输速率，未来此数字甚至还会更高。同时，欧洲电信业者也有意采用载波聚合，但并不急于推广，因营运商已在1.8或2.6GHz频段拥有20MHz频谱资源。
加速实现载波聚合RF/数据机设计至为关键

　　开发灵活的RF前端则是支持大部分国际频段及载波聚合的一大关键，因设备制造商希望设备在不牺牲产品尺寸和续航力的条件下，取得最高的资料传输速率，这些问题都须在未来的载波聚合商用平台中得到解决，电信业者才能顺利在主流市场推出LTE、LTE-Advanced载波聚合服务。

　　此外，设备制造商在未来数年内将面临重大挑战。一方面营运商将要求原始设备制造商（OEM）在降低功耗、不增加成本的同时，为用户提供能支持多个频段、且传输速率更高的终端产品；另一方面，OEM不想因数据机（Modem）晶片尺寸变大而限制产品设计，且希望尽量减少产品型号，在最短时间内投入市场。

　　有两个因素决定智能手机的设计良窳，包括萤幕尺寸和电池容量。目前看来，透过加大设备尺寸来实现更高传输速率是行不通的；同时，减少电池容量也不可能，因为电池容量缩小将使手机通话、上网、待机时间随之缩短，因此，在智能手机内，数据机方案的电路面积应保持不变。

　　同样的设计原则也适用于其他类型的设备。通用序列汇流排（USB）无线上网卡在市场上有公认的尺寸限制，不得随意大幅增加尺寸，个人电脑（PC）无线网卡的模组设计亦已有相关标准，难以做出重大改变，而且无线区域网路（Wi-Fi）热点（Hot Spot）设备要尽可能小又有足够电量，才具吸引力和竞争力。

　　很多营运商会使用多达五个频段供WCDMA和LTE使用，在每个频段内，通常只有10M？15MHz的频宽分配给WCDMA与LTE共用，LTE仅能分配到5MHz或10MHz频宽。为实现CAT3和4对应的最高100Mbit/s和150Mbit/s传输速率，总频宽须达20MHz，而载波聚合技术即可实现这个要求。

　　考量不同地区的频段与频宽分配有所差异，很多营运商将使用多个载波聚合频段组合，在添加两到三个漫游频段后，一支智能手机光是支持LTE就须要用到五到七个频段，还要再加上一到两个载波聚合频段，这些都只是为满足一个营运商的需求而已。

　　众所周知，手机制造商想尽量减少产品型号数量以控制开发成本，缩短产品上市时间，并尽可能简化组件物流；因此手机并不仅为一家营运商设计，而是为一个地区或广大的全球市场开发，加上还须保留GSM与HSPA频段，未来仅一支手机将支持总计大约十五个频段。

　　因应各国频谱规画LTE数据机力求灵活设计

　　尽管未来RF子系统将变得十分复杂，并浪费大量设计时间，然而，没有一家设备制造商或营运商会接受设备数据机成本大幅增加。显然，具有竞争力的解决方案须降低支持每个频段的成本，才能脱颖而出。

　　为实现尺寸精巧且具备商业竞争力的载波聚合解决方案，并控制终端产品型号的数量，须达到下列标准，包括小尺寸的核心晶片组，以及支持广泛频段的系统零组件，透过整合支持核心频段的模组与支持附加频段的元件，方能提高设计灵活性，借以控管成本并沿用大部分印刷电路板（PCB）设计，节省开发时间。

　　预计2014？2015年仍存在不需载波聚合的细分市场，因此支持载波聚合的RF收发器、数据机对设计影响极小，且能灵活配置是否具备载波聚合能力的产品将极具优势。