教育部補助「行動寬頻尖端技術跨校教學聯盟計畫-行動寬頻網路與應用-小細胞基站聯盟中心計畫」 Small Cell創新應用與服務專題 課程單元：行動通訊技術之沿革與演進 計畫主持人：許蒼嶺 授課教師：李宗南、簡銘伸、李名峰 教材編撰：吳忠岳 國立中山大學 資訊工程系

大綱 課程目標 第一代 (1G , First Generation) 第二代 (2G , Second Generation) 第三代 (3G , Third Generation) 第四代 (4G , Fourth Generation) 技術簡介

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課程目標 讓學生了解行動通訊技術的演進 從最一開始的類比通訊到LTE的發展過程之簡介 相關通訊技術的基本介紹

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第一代 (1G , First Generation) 蜂巢式行動通訊系統達成射頻通道之再使用(frequency reuse) 早期的類比通訊系統 美國：AMPS(Advanced Mobile Phone System) 英國：Total Access Communication System(TACS) 北歐：Nordic Mobile Telephone(NMT) 採用類比式FM調變方式 採用FDMA(Frequency Division Multiple Access)多重存取方式 以語音通訊為主，無法支援數據通訊服務

第一代 (1G , First Generation) (Cont.) System Name or Standard Start Date Country of origin or region it operated in AMPS 1979 trial, 1983 commerical  United States, then world wide AURORA-400 1983 Alberta, Canada C-Netz (external link, inGerman) (C-Netz, C-450) Begins 1981, upgraded in 1988 Germany, Austria, Portugal, South Africa Comvik August, 1981 Sweden NMT 450 (Nordic Mobile Telephone) NMT 900 (Nordic Mobile Telephone) 1981 1986 Sweden, Norway, Denmark, Finland, Oman; NMT now exists in 30 countries RadioCom , in French November, 1985 France RTMS (Radio Telephone Mobile System) September, 1985 Italy TACS (Total Acess Communications System) 1985 United Kingdom, Italy, Spain, Austria, Ireland

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第二代 (2G , Second Generation) 2G主要又分為GSM(Global System for Mobile Communications)與IS-95(Interim Standard 95) GSM 行動通訊系統特點： (1) 全數位式 (4) 客戶識別 (SIM) (2) 細胞式 (cellular) (5) 保密通訊 (3) TDMA / FDMA (6) 國際漫遊 (roaming)

第二代 (2G , Second Generation) https://en.wikipedia.org/wiki/GSM

第二代 (2G , Second Generation)(Cont.) MSC : Mobile-service Switching Center BSC : Base Station Controller AUC : Authentication Center BTS : Base Transceiver Station HLR : Home Location Register VLR : Visitor Location Register EIR : Equipment Identity Register PSTN: Public Switching Telephone Network SGSN：Serving GPRS Support Node GGSN：Gateway GPRS Support Node https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E7%90%83%E7%A7%BB%E5%8A%A8%E9%80%9A%E4%BF%A1%E7%B3%BB%E7%BB%9F#/media/File:Gsm_network.png

第二代 (2G , Second Generation)(Cont.) IS-95 (窄頻CDMA): 由美國Qualcomm公司所發展，其存取技術是以編碼來區分不同的傳輸，可讓相同的頻道能被多人共用 目前有許多國家採用，尤其是南韓 IS-95 CDMA(Code Division Multiple Access)系統語音編碼 QCELP( Qualcomm CELP )：語音編碼速率8.5 kbps Sampling Frequency：8 kHz Frame Length：20ms ( 160 samples )  50frames/sec

第二代 (2G , Second Generation)(Cont.) 2.5G，GPRS(General Packet Radio Service): HSCSD (High Speed Circuit-Switched Data)：採用電路交換，加強GSM並將資料速率增加至115Kbps，使用TDMA存取技術 GPRS (General Packet Radio Service) ：採用封包交換，加強GSM並將資料速率增加至168Kbps，使用TDMA存取技術 EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution)：資料速率為384Kbps GPRS 為手機提供新的數據加值服務(new non-voice value added service) 。如FTP (File Transfer Protocol )， email， telnet， web browsing， chat 等。

第二代 (2G , Second Generation)(Cont.) GPRS 採分封交換(packet switching)，以多時槽(time slot)傳送封包，較經濟有效。數據率可為 14.4 kbps (1 time slot) 到115.2 kbps (8 time slots) 。 因GPRS 與 GSM 共用實體通道，故實務上 8 個全分配給 GPRS 之機率不高。以 3 個time slot分配給 GPRS 估算，數據率為 43.2 kbps。 目前GSM 之數據率為9.6 kbps，而短訊 (Short Message Service)長160 characters。 手機可經由 GSM + GPRS 連上 Internet 或 Intranet。 GPRS 為手機提供未來遠端存取與控制智慧型家電。

第二代 (2G , Second Generation)(Cont.) GPRS 系統架構 SGSN：Serving GPRS Support Node GGSN：Gateway GPRS Support Node

第二代 (2G , Second Generation)(Cont.) 從2G到3G之路 2G 2.5G 3G IS-95B IS-95 CDMA2000 3GPP2 HSCSD GSM GPRS EDGE WCDMA TD-SCDMA IS-136 PDC EDGE 3GPP

第二代 (2G , Second Generation)(Cont.) 2G/2.5G網路如何升級到3G網路: GPRS網路是從GSM網路內加入GGSN與SGSN EDGE網路是沿用GPRS網路的無線頻譜，但改用更高速的無線傳輸技術 UMTS網路在新的發射頻譜上運用3G網路的WCDMA技術 PDC網路跨過GPRS階段，直接採取WCDMA的寬頻技術 美國與韓國的CDMA系統採取cdma2000的方法

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第三代 (3G , Third Generation) WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)：標準頻寬為5MHz。UTRAN系統就是使用WCDMA，其以GSM MAP網路為基礎，在3G建置的投資上可以節省不少成本，且一旦UMTS網路開始運作，所有GSM服務都會繼續存在。 進階的TDMA (Advanced Time division multiple access) ：即使未來UWC-136被採用，則也僅限北美地區使用 混合式的CDMA/TDMA (Hybrid CDMA/TDMA)：目前已不被支持，因為與UTRAN的TDD模式相同 OFDM(Orthogonal frequency-division multiplexing)：因為功率上的問題，而未成為IMT-2000選擇的規格所採用之技術 IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000)：為所有3G系統的總括規格

第三代 (3G , Third Generation)(Cont.) 3GPP 以UTRA無線電介面為發展基礎，並加強GSM core network(即GSM MAP)為主，也負責未來GSM規格的發展 UTRA系統包括FDD (frequency division duplex)及TDD (time division duplex)。 3GPP2 倡導cdma2000的系統，也是以WCDMA技術為基礎。 3GPP發展全新的規格，不受限於已經存在的標準。 3GPP2則試著與IS-95系統相容(因為北美IS-95系統已經使用了分配給3G的頻段)。

第三代 (3G , Third Generation)(Cont.) 從 1G 到 3G 行動通訊系統演進關係

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第四代 (4G , Fourth Generation) GSM→LTE Advanced HSPA (High speed packet access) LTE (Long term evolution)

第四代 (4G , Fourth Generation)(Cont.) - 全IP封包交換網路：必需要IP化才能順利融入 現今的IP網路 - 更高的連線速率： 100 Mbps 以上 是很 基本的要求 - 無縫(Seamless)整合現行無線個人通訊 網路： 現行的無線網路如WWAN、WMAN、WLAN 及WPAN - 多樣化的服務：必需能提供語音、數據及各 種格式的多媒體串流如高畫質電視、行動電 視及數位廣播等服務

第四代 (4G , Fourth Generation)(Cont.) LTE - LTE 是基於3GPP UMTS 版本8 (Release 8) or 9 - IP封包交換網路架構 - 採用FDD或TDD分工及 - 使用簡單的架構及開放介面建立全IP的網路平 台 - LTE advanced :向滿足IMT-advanced 所規範需求 邁進，可向下通融LTE，尖峰速率1 Gbps

第四代 (4G , Fourth Generation)(Cont.) LTE實體層(Physical Layer)特性

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技術簡介 FDD(Frequency-Division Duplexing) 訊框架構在FDD模式下，在頻率軸上以成對的方式進行分頻使用，一頻帶用於下行頻寬(DL Bandwidth)，另一頻帶用於上行頻寬(UL Bandwidth) http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=1112020004

技術簡介 TDD(Time Division Duplexing) 在TDD模式下，頻譜為上下行所共用，上下行的配置是以時間進行分時配置，一部分時間安排下行傳送，另一部分則安排上行傳送。在下行轉上行時，會有一段保護時間(Guard Period, GP)用於接收與傳送間進行轉換

技術簡介 TDMA(Time-Division Multiple Access ) 是一種數位的多工技術。兩個以上的訊號或資料流可以同時在一條通訊線路上傳輸，其表現為同一通訊頻道的子頻道。將頻道使用時間由使用者輪流利用，又可以分成同步分時多工(Synchronize TDM)與非同步分時多工(Asynchronize TDM)，其區別在於各個頻道時間的分配方式，若分配時間完全相同就是同步分時多工，反之若可能考慮使用量的多寡而加以修改則是非同步分時多工。

技術簡介 TDMA User 1 User 2 User 3 User 1 User 2 User 3 User 1 User 2 Frequency User 1 User 2 User 3 User 1 User 2 User 3 User 1 User 2 User 1 User 3 User 2 CQI RB Normal Cyclic Prefix Length Time

技術簡介 FDMA(Frequency-Division Multiple Access )

技術簡介 FDMA User 1 User 2 User 3 Frequency CQI RB Normal Cyclic Prefix Length User 3 Time

技術簡介 CDMA(Code-Division Multiple Access) 在同一環境中，使用不同的語碼溝通，以此達成同時多人溝通的方法。 CDMA最早用於軍用通訊，但時至今日，已廣泛應用到全球不同的民用通訊中。在CDMA行動通訊中，將話音訊號轉換為數位訊號，給每組數據話音封包增加一個地址，進行擾碼處理，並且將它發射到空中。

技術簡介 CDMA User 3 User 2 User 1 Frequency CQI RB Normal Cyclic Prefix Length Time Power

技術簡介 Resource Block 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)。 1RE 7 OFDMA Symbol 12 Sub-carriers

技術簡介 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) OFDMA可以被描述為一種結合頻域和時域多路存取，使用大量的正交窄帶子載波（subcarrier）來承載資料，使用者可以選擇信道條件較好的子通道（subchannel）進行資料傳輸，一組使用者可以同時接入到某一信道。

技術簡介 OFDMA User 1 User 3 User 2 12 Sub-carriers 7 OFDMA Symbol Frequency Resource Block 180 kHz User 1 User 3 7 OFDMA Symbol 12 Sub-carriers User 2 CQI RB Normal Cyclic Prefix Length Time 0.5ms (1 slot) 1TTI = 1ms

技術簡介 各世代通訊技術比較 技術參數／ 行動系統 第一代 第二代 第三代 第四代 使用頻率 400~800MHz 800~900MHz 頻　寬 30kbit/s (Point frequency) 0.3~1.25Mbit/s (Narrow band) 5Mbit/s (Wide band) 10~100Mbit/s (Broad band) 調變方式 FM GMSK M-ary QPSK QAM MPSK 多路存取技術 FDMA TDMA、CDMA CDMA CDMA+TDMA 蜂巢覆蓋能力 大　區 中　區 小　區 微小區 服　務 語　音 語音簡訊（個別） 語音多媒體（個別） 多媒體 核心網路 電信交換網路 （自身獨立網路） （自身獨立網路）、IP網路（個別） IP網路 功　能 地面通訊 地　面 地面通訊定位 通訊（包括衛星通訊）定位控制、管理 終端資料速率 ≤9.6kbit/s ≤5.6kbit/s ≤2Mbit/s ≤10Mbit/s 基本技術特徵 模擬訊號 處理技術 數位訊號 智慧型訊號 多功能 整合式技術

參考資料 Structure of a GSM network https://en.wikipedia.org/wiki/GSM LTE TDD/FDD http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=1112020004 顏春煌「行動與無線通訊」，2013 碁峯資訊股份有限公司 發行