無所不在的手機 - 行動通訊 Fang-Biau Ueng Graduate Institute of Communication Engineering & Dept of Electrical Engineering

大綱 行動通訊簡介 手機的傳輸技術 行動通訊的基本概念 行動通訊的基本架構 第三代行動通訊系統 第四代行動通訊系統 結語

簡介 行動通訊標準，第一代簡稱1G，系統是類比式，無法提供資料傳輸，主要是一般語音通訊；以AMPS為代表。AMPS傳輸以調頻(FM)技術為主，缺點為保密性差且加值服務不多 第二代行動通訊簡稱2G，可提供9.6 Kbps傳輸速率，並演進至二點五代（2.5 G），1990年代第二代行動電話採用數位傳輸技術，有GSM、D-AMPS、CDMA及PDC。訊號內容經類比轉數位技術處理，用「0」和「1」的組合來代表訊號內容。 傳輸過程中有雜訊干擾及訊號衰減，只要不太嚴重，有機會可以復原，再用數位轉類比技術還原，訊號品質好，可利用編碼技術加密。 第三代行動通訊（3G）技術的無線資料傳輸以2 Mbps為目標，比2.5 G最快的128 Kbps快很多倍, 包括數據、多媒體服務，提供寬頻應用，如W-CDMA、CDMA2000及TD-SCDMA。

簡介 3 G目標是支援各式樣的多媒體服務，包括聲音、行進車輛144 Kbps之資料傳輸、步行狀態384 Kbps之資料傳輸、靜止態狀2 Mbps的速率。 3G系統主要位於2 GHz頻帶，主要技術為分碼多重存取(CDMA)。 3.5 G系統中，主要提供大於2 Mbps資料傳輸速率。高速率無線網路系統，主要在5 GHz頻帶附近提供54 Mbps的資料傳輸速率。 4G系統中，希望能夠在高速移動情況下，資料傳輸有100 Mbps，在低速移動情況下有1 Gbps。

系統傳輸速度與移動速度

多重接取技術 多重接取技術，方式有分頻多重接取(frequency division multiple access, FDMA)、分時多重接取(time division multiple access, TDMA)與分碼多重接取(code division multiple Access, CDMA)。 多重接取的功能是作為使用者傳送訊號間的分隔，FDMA是在頻率上直接切割，將頻寬切成等寬頻帶的通道，每個通道供一個用戶。TDMA是先切成幾個略小的頻帶，每個頻帶再切成時間等長的時槽，若干個時槽再結合成訊框，每個訊框的第一號時槽組成TDMA的第一號通道，其餘依此類推，每一通道供一用戶使用。

FDMA與TDMA

CDMA CDMA是不同用戶使用不同的展頻碼(spreading code)，展頻碼具備某種特性，可以彼此區隔，接收器依不同展頻碼來過濾掉其他用戶訊號而取出需要的資訊。 CDMA就像是同時有一組人用國語交談而另外一組人用台語交談，兩組訊號會互相干擾，但收聽能力並不會受到影響，在同一個時間、同一個空間，可以容許有多組訊號存在。 當使用者數目多到一定程度時，干擾量到達可以容許的上限，此時通訊距離必須縮短，涵蓋範圍相對降低，容量也受限制。

CDMA

行動通訊基本概念

行動通訊基本概念 細胞(cellular)，將整個所要涵蓋的區域分割為類似細胞的區域，系統所擁有的頻帶資源在每組的細胞中重覆使用，稱為頻帶再利用(frequency reuse)。將涵蓋的區域分割為細胞可降低手機或基地台的信號功率。 頻率通道的重覆使用會產生問題：兩個以上的發射器使用同一個頻道，會有信號干擾產生。例如，整個行動通訊網路配置有15個通道，分配這些頻道給三個細胞，每個細胞分配5個頻道，另外三個為一組的細胞則重覆使用相同的頻道。 兩個使用相同頻道的細胞之間的距離稱為重覆使用的距離(reuse distance)。重覆使用的距離愈短，手機用戶之間彼此的干擾愈嚴重。

行動通訊基本概念 行動通訊系統所規劃的細胞愈小，手機用戶因移動所產生的所在細胞位置的改變可能性就愈高，當手機用戶不在通話中，系統只須做位置更新，如果手機用戶是在通話的情況下改變所在細胞的位置，這整個過程稱為換手(handover)。 換手就是當手機用戶移至細胞邊界時，主管的細胞必須移到下一個，換手的過程是困難的，因為手機用戶不能感覺到有換手過程的存在。 根據基地台所發送的系統資訊，手機用戶可以偵測出它所在的位置，當它移至新的位置就會向系統註冊。系統隨時掌握手機用戶的位置，使得外界撥打至系統內的手機用戶時可以隨時通聯。

換手的各種型態

干擾 主要來自於其他細胞中使用同頻率通道的使用者。這種干擾又稱之為同通道干擾，同通道干擾一直存在於行動通訊系統中，且左右著系統的性能與容量。而且同通道干擾的大小與干擾數目有關，又與每個干擾源的大小有關，每個干擾源的大小又與重覆使用的距離有關。

分頻雙工與分時雙工 分頻雙工為手機至基地台與基地台至手機使用兩種不同的頻率，兩個不同的方向有可能有不對稱負載。分時雙工為手機至基地台與基地台至手機使用相同的頻率，但是在不同的時間傳送，分時雙工的頻帶使用率較佳

天線 基地台的天線分兩類，全方向天線與智慧型天線(smart antenna)。智慧型天線可將天線功率指向使用中的手機，追蹤手機的移動過程，優點為：減少細胞間的干擾、減少多路徑干擾、優化信號連結、增加容量與細胞半徑。

行動通訊的基本架構 行動通訊系統的基本架構分為無線電次系統(radio subsystem)與網路交換次系統(network switching subsystem) 無線電次系統包括手機(mobile station)與基地台次系統(base station subsystem)， 基地台次系統包括基地台與基地台控制器。 基地台的主要元件包括發射器、接收器與天線， 基地台控制器的任務包括基地台之間的交換、控制基地台、管理網路資源與無線通道的配置。

行動通訊的基本架構 網路交換次系統的任務包括交換、行動管理、與其他網路的連結及控制整個系統。 元件包括行動交換中心，位置資料庫(home location register)與訪客位置資料庫(visitor location register)。 行動交換中心控制手機用戶與行動通訊網路的所有連結。 位置資料庫為中央資料中心，有使用者資料、所有用戶之永久與半永久的資料。位置資料庫儲存的資料包括用戶身份模組(subscriber identity modulo， SIM)與電話號碼。 訪客位置資料庫包括當地的資料，內容為訪客位置資料庫所涵蓋範圍之使用者資料。訪客位置資料庫為儲存漫遊至某個特定區域的資料，為一暫時資料庫。

行動通訊的基本架構 行動通訊網路中的每個基地台剛好由一個訪客位置資料庫所服務，所以每個行動電話用戶在同一時間不可能同時出現在一個以上的訪客位置資料庫。 儲存在訪客位置資料庫中的資料是接收自位置資料庫或者收集自行動交換中心。 儲存在訪客位置資料庫中的資料包括用戶身份號碼、認證資料、用戶電話號碼與所在位置等。 訪客位置資料庫的功能包括：通知位置資料庫手機使用者已到達訪客位置資料庫所函蓋的特定範圍、無通話進行時追蹤用戶的位置、核准用戶可以使用的服務、配置移動台漫遊碼、清除閒置用戶的記錄與清理移至其他區域的用戶記錄。

行動通訊的基本架構 行動交換中心主要的功能包括轉接、行動支援、網路資源管理、透過閘道器與外部網路聯結、整合幾個資料庫。 行動交換中心建立或釋放兩端點的連結、處理手機之移動與換手的需求同時還兼顧帳務監督。 行動交換中心與下列元件連結以執行任務。連接位置資料庫以取得用戶身份模組與電話號碼、連接處理無線電通訊之基地台次系統、連接訪客位置資料庫以取得行動電話用戶所處的位置、連接其他行動交換中心以執行像是換手的程序。

行動交換中心任務摘要 根據訪客位置資料庫的資訊遞送 連結向外的通話至其他行動電話使用者或固網 遞送使用者之簡訊至簡訊服務中心 安排基地台控制器之間之換手 執行行動交換中心之間的換手 收集費用資訊 支援其他服務

行動通訊的基本架構 閘道器(gateway MSC， GMSC)決定被呼叫用戶所處位置的行動交換中心，是行動通訊網路與固網之間的介面，所有的行動用戶對行動用戶或行動用戶對固網用戶之間的線路連結是透過閘道器完成。 行動通訊系統還包含一個次系統，稱為操作次系統，主要元件包括認證中心(authentication center， AC )、設備身份登記中心(equipment identity register， EIR)與操作維護中心(operation & maintenance center， OMC)。 認證中心是對想要連上核心網路的使用者之SIM卡做認證，一旦認證成功，位置資料庫就處理SIM卡與提供服務。設備身份登記中心常常和位置資料庫整合在一起，主要是條列受到禁止或受到監控的行動電話，這樣的設計是允許追蹤那些被竊取的行動電話。

行動通訊的基本架構

固網用戶撥打手機用戶流程 (1)撥打手機用戶號碼，(2)固網將訊息傳至閘道器，(3)將呼叫信號建立至位置資料庫，(4、5)要求訪客位置資料庫分配一個移動台漫遊碼給被呼叫用戶，並將此號碼送給位置資料庫，位置資料庫再將此號碼轉發給閘道器，(6)發送負責的行動交換中心至閘道器，(7)將呼叫轉至所在的行動交換中心，(8、9)從訪客位置資料庫取得手機的現況，(10、11)呼叫手機，(12、13)手機回答 (14、15) 安全檢查，(16、17)連線建立。

固網用戶撥打手機用戶流程

手機用戶撥打固網用戶流程 (1、2)連線要求，(3、4)安全檢查，(5~8)檢查線路資源，(9、10)建立連線。

手機用戶撥打固網用戶流程

3G系統所提供的服務 電話語音服務。 無線上網。 視訊電話與視訊會議。 即時遊戲。 影音串流。 檔案交換與網路接取。

3G頻帶 無線電行政會議(WRC)指定1885-2025 MHz與2110-2200 MHz這兩個頻帶保留給IMT-2000的系統使用。這230 MHz的頻帶中有60 MHz給IMT-2000有關衛星傳輸的通訊使用，其餘的則全部給其他非衛星傳輸的通訊使用。 WRC增加806~960 MHz、1710~1885 MH與2500~2690 MH等三個頻帶。 在2007年，WRC更近一步指定四個頻段出來給IMT-2000與未來的IMT-Advance。這些頻帶分別為450~480 MHz、698~806 MHz、2300~2400 MHz與3400~3600 MHz。 唯有多頻手機才能夠使得全球漫遊能夠有效率地實現

3G之W-CDMA 傳輸速率最高可達2 Mbps。 可變動的傳輸速率。 較好的品質服務。 高頻寬使用效率。

3GPP技術的理論最高傳輸速率 W-CDMA HSPA HSPA+ LTE LTE(4x4) 2 14 42 150 300

LTE-Advance 的設計目標 全球漫遊。 服務相容性。 能與現有系統互通。 強化的傳輸速率以支持更先進的服務，最高傳輸速度能有1 Gbps。

WiMAX WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球互通微波存取），是一項高速無線數據網路標準，主要用在城域網路（MAN）。 WiMAX定位在提供高速點對點、WiMAX被視為提供ISP與使用者端連結的技術。這樣的技術可以用來解決電信業者或ISP的最後一哩的問題(last mile problem)。 對於網路基礎建設比較完整的地區，WiMAX較難與一般的有線傳輸技術相抗衡諸如DSL與Cable modem。 在網路基礎建設較為不發達的地區，WiMAX則擁有比較多的優勢，主要的原因是WiMAX不需要花時間與費用去建構基礎的設施像是鋪設光纖等，一旦WiMAX的基地台架設完成，網路也同時完成，這樣除了可以節省成本之外，也可以在最短的時間內使得一個地區的網路可以開通。

WiMAX WiMAX考量到移動性的問題，希望WiMAX可以同時提供無線傳輸的服務給固定用戶與移動用戶。 根據這樣的使用環境IEEE 802.16工作小組制定了IEEE 802.16e 標準 (或稱為IEEE 802.16-2005)。IEEE 802.16-2005成為日後移動WiMAX標準的基礎 移動WiMAX目前的傳輸速率在下行部份理論上可達到144 Mbps，而在上行部分理論可達到35 Mbps。

行動通訊網路演化 GSM WCDMA /HSPA/HSPA+ LTE LTE-Advance IS-95 (CDMA) CDMA2000 UMB IEEE 802.16e IEEE 802.16m

IMT-Advance (4G) 與有線網路有著可匹配的服務。 有能力與其它的無線接取系統相容。 高品質的移動服務。 全球漫遊的能力。 傳輸速率在高移動性時能達到100 Mbps而在低移動性時能夠達到1 Gbps

無線通訊與網際網路的連結

無接縫網路系統

行動通訊網路世代

結語---無所不在的運算 Any Content on Anywhere Any Device over Any Network at Any Time