圖3：載波聚合——定義未來的LTE-Advanced技術
隨著智慧型手機不斷增加越來越多的照片與視訊傳輸(如Instagram、YouTube和Skype等)，推動對於更多無線資料的需求日益成長。然而，當你在手機上觀看視訊時，仍然免不了經常因為蜂巢式服務太慢而出現緩衝中的畫面，那真是十分令人沮喪啊！
但很多時候，就算是智慧型手機採用了四核心、八核心或甚至是十核心的應用處理器，對此可能也無濟於事。
另一方面，隨著每一個新世代的智慧型手機上市，用戶對於更大螢幕尺寸以及越來越高解析度的喜好也意味著需要使用更多的資料量。然而，用戶通常不會把他們的新款大尺寸手機跟‘較大螢幕及其高解析度耗用更多資料’聯想在一起，事實上，這卻是資料量預算的重要因素之一。
智慧型手機的相機解析度正不斷提高，2千萬晝素的後置相機以及500萬畫素的前相機解析度變得越來越普遍。你可以想像未來還將出現更高畫素，以及隨之而來的更高資料量消耗。圖1顯示從QVGA演進到超高畫質(UHD)，每一新世代手機顯示器所需的頻寬正呈指數級成長。
圖1：智慧型手機硬體革新——更先進硬體的App流量相對增加
根據愛立信(Ericsson)在2015年6月的《行動趨勢報告》(Mobility Report)，視訊串流和社群網路主導整體應用流量。在許多行動網路中，愛立信發現，目前約有40%-60%的視訊流量都來自於YouTube。
該報告並預測，行動視訊流量每年將成長55%，到了2020年，約有60%的行動數據流量都將來自視訊。尤其是在YouTube與Netflix等OTT供應商的大力推動下，用戶行為導致的視訊串流媒體成長十分快速。
思科公司(Cisco Corp.)也預期，從2013年到2018年，行動資料流量將以65%的複合年成長率(CAGR)成長。因此，網路容量和裝置傳輸速率都必須超越這一成長率，才能改善消耗與產生(越來越多)資料流量的用戶體驗。
圖2：上傳資料流量增加的來源？
為了滿足手機用戶對於更多娛樂視訊、串流音樂、視訊會議、互動遊戲以及更高資料速率的需求，諸如AT&T、Verizon和中國移動(China Mobile)等行動營運商亟需強化其網路服務。但這需要更大的通道頻寬，才能達到更高速的下行鏈路，以及日益增加的上行鏈路(如Skype以及Apple FaceTime等視訊會議)速度要求。
然而，由於全球頻譜分配十分零散，提供給營運商使用的頻譜通常像是幾個不同的頻段拼湊起來，營運商可能無法直接將其載波指定至更高的頻寬範圍。
如何提高上傳速度？
目前有幾種提高下載速度的權宜之計，例如結合LTE和Wi-Fi載波等，但這無法套用於提高上傳速度。然而，針對像Instagram與視訊會議等具有更高上傳速度的要求，透過LTE載波聚合(Carrier Aggregation；CA)技術，可望更理想地增加有效頻寬及高速傳輸性能。
載波聚合的基本概念並不算新；它曾經在大約二十年前用於固定線路ISDN，後來由業界標準3GPP Release-10版正式發佈用於LTE-Advanced(LTE-A)，讓營運商得以更有效率地利用其頻譜資產，提升用戶服務所需的傳輸速度以及增加網路容量。
載波聚合主要透過數位訊號處理(DSP)技術接合2個或多個固定頻寬的載波，使其發揮2倍或多倍頻寬的效果。例如，將3種載波結合在一起，就能提供3倍頻寬等等以此類推。在3GPP規格中，可以結合使用多達5種20MHz LTE載波，如圖3所示。然而，在不久的將來，2倍與3倍的CA建置可說是更為可行。
在行動世界中，我們已經一路從2G、3G走向更大頻寬，如今更透過旗艦級的LTE-A技術來到了4G時代。但是，在未來十年出現新一代5G行動通訊以前，LTE載波聚合技術正成為目前的技術首選。載波聚合技術可同時結合更低與更高頻段——利用低頻段的更廣泛覆蓋範圍，並透過高頻段實現更高可用性。
對於用戶來說，載波聚合的重要性不只是更大頻寬。因為更大頻寬可帶來更好的傳輸速率體驗，特別是在蜂巢式基地台的邊緣，如圖4所示。顯然，透過載波聚合技術強化了蜂巢式基地台邊緣衰減的訊號，因而使遠離城市中心的住戶也能受益於更快的傳輸效率。
圖4：對用戶的影響：不同覆蓋範圍的2x/3x傳輸速率
來源：高通
雙載波的載波聚合技術可為突發性應用倍增傳輸容量，而3倍載波的載波聚合技術則可增加3倍。除了增加資料速率，同時還可在典型的網路負載下維持相同的用戶體驗。當載波聚合時，不僅帶來了更多資源，而且由於中繼效率，而使得整體性能更大於各個載波加總的能力。提高傳輸容量將有助於營運商解決智慧型手機帶來突發性傳輸流量的挑戰，從而更有效的利用社交媒體應用程式與即時傳訊等。
對於營運商來說，載波聚合技術提供的網路效率比單獨的無線通道更高，同時還能以任何用戶傳輸速率提供更多容量。此外，即使是在網路負載與支援更豐富內容與服務的情況下，載波聚合也能提供更好的用戶傳輸速率。
因此，目前已有許多網路採用2x20MHz聚合，達到了接近300Mbps的傳輸速率。一般來說，LTE-A第6類(Cat 6)可定義更好的載波聚合功能，實現300Mbps的下行速度和50Mbps的上行速度。
2014年11月，高通(Qualcomm)率先推出第10類(Cat 10) LTE數據機晶片，支援最高450Mbps下行速度和高達100Mbps上行速度的全域載波聚合，以及跨TDD與FDD頻譜的載波聚合技術。
全球各大行動營運商也正急於展現更優於競爭對手的網路服務，因而迫使他們透過波聚合來升級其網路性能。
 圖5：LTE數據機分類 來源：Forward Concepts |
當他們將現有的Cat 4 LTE網路升級到Cat 6(或其他類別)，將會使用像中國移動(China Mobile)所採用的‘4G+’一詞或類似的術語，藉以顯示其載波聚合服務是更好(更快)的網路。例如，2015年4月，澳洲Telstra Mobile率先推出450Mbps的LTE-A Cat 9網路，並將新的網路功能稱為4GX服務。另一家競爭的澳洲電信營運商Optus也推出LTE-A網路，稱為‘4G Plus’。
根據全球行動裝置供應商協會(GSA)最近的一項研究，在全球45個國家中約有88家LTE-A營運商分別處於部署載波聚合技術的不同階段。14家營運商部署了CAT 4網路，而73家已商用化推出CAT 6系統，其中的37家現可支援300Mbps的峰值下行鏈路速度。
美國營運商目前看來腳步稍嫌緩慢，Sprint到了2015年7月才率先廣泛部署雙載波聚合服務。除了在29個城市率先推出服務以外，隨後還將擴展到更多據點。
AT&T目前已在幾個選定城市中啟動載波聚合服務，預計2015年年底可全面啟用。但是，Cat 6作業已經普遍用於澳洲、俄羅斯、瑞士以及加拿大等20個國家了。
中國的三大行動營運商也開始推出LTE-A服務，中國電信(China Telecom)率先在17個城市中部署了Cat 6網路服務。
中國移動則使用基於高通Snapdragon 810數據機晶片的Cat 9裝置，展示三頻CA的300Mbps下載速度。中興通訊(ZTE)提供可實現Cat 9性能的營運商網路。預計中國三大網路將在明年全面部署LTE-A網路。
為了更有效地利用現有的頻譜資產，有些服務供應商已經宣佈即將淘汰其現存的2G網路了。
例如，AT&T設定在2017年停止GSM服務。藉由重新利用其2G資產，營運商們就能在有限的頻譜資源下有效發揮更先進的4G技術優勢。
雖然這將導致其可用頻段更加零碎，但是，載波聚合將在此提供有效利用最新取得頻譜片段的理想途徑。因此，載波聚合技術更顯得實用。
除了提供CAT 4(或CAT 6以上)網路作業的營運商以外，LTE-A智慧型手機也不可或缺。高通在此主導了LTE-A數據機晶片，在一系列支援載波聚合的智慧型手機中佔據重要地位。
圖6：支援LTE-A CA的智慧型手機
來源：Forward Concepts
其他業者也計劃在今年底到明年初之間開始推出相關產品，如海思(HiSilicon)、英特爾(Intel)、Marvell、聯發科(MediaTek)、三星(Samsung)和展訊(Spreadtrum)。
結語
新一代行動通訊網路將在多方向不斷演變。短期來看，可能聚合更多的載波(LTE-A定義最多5x)以及結合更多頻段(3GPP中定義可達50個以上)；在上傳鏈路中實現聚合。再者，載波聚合技術可涵蓋FDD/TDD、不同的蜂巢式基地台，以及授權與未授權頻段。
根據最新的3GPP標準(REL-12)，目前可為60GHz通道定義最多3個20MHz的下行鏈路聚合，未來的標準可望支援高達100MHz (5x20MHz)頻寬。然而，3載波下行鏈路(如20+10+10MHz)，以及1或2載波上行鏈路的建置預計將在未來一年左右變得更加普及。
未來，透過LTE-Advanced載波聚合，用戶將可更快速地分享照片、快速存取雲端中的大型檔案、更快載入複雜的網站以及更多位置的更高品質視訊串流。
載波聚合技術不僅擴展了營運商的能力、增強用戶的行動體驗，同時也為邁向最終的5G建置鋪路。
編譯：Susan Hong
(參考原文：Why LTE-A Carrier Aggregation Now?，by Will Strauss)
資料來源:電子工程專輯
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