DEPARTMENT OF PHYSICS, HKUST

Presentation on theme: "DEPARTMENT OF PHYSICS, HKUST"— Presentation transcript:

1 DEPARTMENT OF PHYSICS, HKUST
淺談流動電話網絡 DEPARTMENT OF PHYSICS, HKUST 香港科技大學 --- 物理學系 李子健先生 淺談流動電話網絡

2 淺談流動電話網絡 起源 電磁波 流動通訊的誕生及演進 未來發展 流動電話網絡 網絡控制 電腦模擬 淺談流動電話網絡

3 無線電通訊的起源 發現電磁波 英國物理學家麥斯威爾 (Maxwell)以理論引導出 “電 磁波應該存在” 的結論 赫茲實驗
1888 德國物理學家赫茲(Hertz)以 實驗來證明麥斯威爾的理論 淺談流動電話網絡

4 赫茲實驗 淺談流動電話網絡

5 無線電通訊的起源 實現無線通訊 意大利年輕發明家馬可尼 (Guglielmo Marconi)改良了 赫茲實驗，成功完成1.7公里 長的無線電報機實驗 1901 於十二月十二日完成了橫越 大西洋的無線電通訊 1909 馬可尼獲得了諾貝爾獎 淺談流動電話網絡

6 甚麼是電磁波？ 光速 c = 3x108m/s = 300,000km/s
什麼是無線電波?一般以為.頻率在3000GHz(1G=1000M=109)以下，不通過導線、電纜或導波管(Wave Guide)等有線媒介，在空間輻射傳播的是電磁波叫作無線電波。無線電波只佔整個電磁波頻譜中的一部分。就頻率而言，它的低端與音頻相當，而高端與紅外線相接。由發射源輻射的無線電波，通過介質而到達接收天線的程序，稱為無線電傳播。 無線電波既可在自由空間傳播，又可在固體及液體中傳播。但由於大氣、水、土、岩石等的導電介質功能不同，因而就限制了各種電波的適用範圍。也就是說，在什麼介質中傳播才具有實用價值，不僅決定於介質本身，而且取決於所選擇的電波波長。無線電波在介質或介質分界面的影響下，有折射、反射、散射、繞射和吸收等現象。接收點的無線電信號會有衰減和干擾出現。在行動通信系統中，為了選擇工作頻率，確定發射功率、接收靈敏度，以及無線通道的工作方式等，都需要掌握無線電波傳播的基本知識。 淺談流動電話網絡

7 頻率 (Frequency) 單位：赫茲 (Hz) 例子： 叱吒903 – 90.3MHz (FM)
香港電台普通話台 – 621kHz (AM) 電腦CPU – 1GHz, 2GHz 交流電（香港） - 50Hz 普 通 話 台 ( AM 621、 跑 馬 地 區 ： FM100.9 ) 由 一 九 九 七 年 三 月 啟 播 ， 是 香 港 目 前 唯 一 的 普 通 話 頻 道 ， 每 日 由 上 午 七 時 至 凌 晨 二 時 廣 播 ， 為 金 融 、 金 曲 專 門 頻 道 ， 亦 肩 負 推 廣 普 通 話 之 責 任 。 淺談流動電話網絡

8 電磁波頻譜 (Spectrum) 可見光 紫外線 紅外線 硬 X-射線 軟 無線電波 珈瑪射線 淺談流動電話網絡

9 甚麼是無線電波？ 是電磁波的一種 無線電波只佔整個電磁波頻譜中的一部分 頻率在30kHz 至 3000GHz 無須通過有線媒介傳播
淺談流動電話網絡

10 無線電波的特性 反射(Reflection)及折射(Refraction) 淺談流動電話網絡

11 無線電波的特性 繞射/衍射(Diffraction) 淺談流動電話網絡

12 無線電波的特性 干涉(Interference) 淺談流動電話網絡

13 淺談流動電話網絡

14 香港頻率劃分圖表 淺談流動電話網絡

15 流動通訊的誕生及演進 二十世紀20年代至40年代初 40年代中至60年代末
使用範圍小，主要使用對象是船舶、飛機、汽車等專用移動通信以及運用在軍事通信中。 40年代中至60年代末 流動通訊向小型化方面大大前進了一步。美國、日本、英國、西德等國家開始應用汽車公用無線電話。 第一階段：從二十世紀20年代至40年代初，移動通信有了初步的發展，不過當時的移動通信使用范圍小的可憐，主要使用對象是船舶、飛機、汽車等專用移動通信以及運用在軍事通信中，使用頻段主要是短波段（比如現在的收音機用的頻段），限于當時的技朮限制，移動通信的設備也只是采用電子管的，不僅又大又笨重，而且效果還很差。當時也只能采用人工交換和人工切換頻率的控制和接續方式，接通時間和接通效率都與今天的移動通信差的太多。不過當時的工程師們都看到了移動通信的潛力，將大量的人力物力投入在移動通信的發展上。 世界移動通信發展的歷程 　　第二階段：到了40年代中至60年代末，移動通信有了進一步的發展，在頻段的使用上，放棄了原來的短波段，主要使用VHF（甚高頻）頻段的150MHz，到了后期又發展到400MHz頻段。同時技朮上的進步--60年代晶體管的出現，使移動台向小型化方面大大前進了一步。效果也比以前有了明顯的好轉，由于移動通信的便捷性，在美國、日本、英國、西德等國家開始應用汽車公用無線電話（MTS或IMTS），與此同時，專用移動無線電話系統大量涌現，廣泛用于公安、消防、出租汽車、新聞、調度等方面。同時此階段的交換系統已由人工發展為用戶直接撥號的專用自動交換系統。接通效率也有了很大改善。這時，移動通信逐步走進了公眾的日常生活，人們已經看到了未來個人移動通信的曙光。這時的移動通信，開始快速地向小型化，便捷化以及個人化發展。 ﹝上一頁﹞ ﹝下一頁﹞ 　 淺談流動電話網絡

16 流動通訊的誕生及演進 70年代至80年代 90年代中至今
美國貝爾實驗室(Bell Lab)推出的蜂窩式移動通信系統的概念，蜂窩式系統開始應用，是第一代流動通信系統。 90年代中至今 推出第二、第三代流動電話通訊系統。 淺談流動電話網絡

17 第一代流動電話 (1G) 第一代的行動電話系統屬於類比式 (Analog)系統 主要用於語音傳輸 例子：AMPS, NMT, TACS
缺點：容量小 ， 通話品質差 ，容易被盜 拷與竊聽 淺談流動電話網絡

18 第二代流動電話 (2G) 第二代的系統為數位式(Digital)系統 可提供語音/數據/傳真傳輸，以及一系列加值型的服務 目前還在演進當中
例子：GSM , CDMA 缺點：於數據傳輸速度慢 (9.6 ~ 14.4 kbps) 淺談流動電話網絡

19 第二代流動電話 (2G) 香港流動電話統計 淺談流動電話網絡

20 數碼式 vs 類比式 數碼式訊號 類比式訊號 1 淺談流動電話網絡

21 數碼式 vs 類比式 反射(Reflection) 折射(Refraction) 繞射/衍射(Diffraction)
干涉(Interference) 淺談流動電話網絡

22 ((((( ))))) 數碼式 vs 類比式 淺談流動電話網絡
((((( ))))) 動通信系統多建于大中城市的市區，城市中的高樓林立、高低不平、疏密不同、形狀各異，這些都使移動通信傳播路徑進一步復雜化，并導致其傳輸特性變化十分劇烈。據以上原因，使移動台接收到的電波一般是直射波和隨時變化的繞射波、反射波、散射波的疊加，這樣就造成所接收信號的電場強度起伏不定，這種現象稱為衰落。 淺談流動電話網絡

23 類比式 失真 雜音 接收到 處理後 淺談流動電話網絡

24 數碼式 1 1 成功還原 接收到 處理後 淺談流動電話網絡

25 Global System for Mobile Communication (GSM)
採用數位式蜂窩系統 分時多工存取技術 (Time Division Multiple Access, TDMA) 不同時槽（Time Slot）可以分別傳送不同的訊號 淺談流動電話網絡

26 Global System for Mobile Communication (GSM)
TDMA 時間 時槽 (Timeslots) 淺談流動電話網絡

27 Code Division Multiple Access (CDMA)
採用數位式蜂窩系統 劃碼多路進接存取為技術 (Code Division Multiple Access, CDMA) 每個用戶分配了各自特定的密碼(Code) 淺談流動電話網絡

28 第三代流動電話 (3G) 3G傳輸速度 具語音、文字、靜態影像、動態影像等多媒體傳輸的特點與能力 取實際資料傳輸量為收費標準
2Mbps（靜止） 384kbps（步行） 114kbps（快速移動） 具語音、文字、靜態影像、動態影像等多媒體傳輸的特點與能力 取實際資料傳輸量為收費標準 於二零零三年至二零零五年間發展成熟 淺談流動電話網絡

29 第二點五代流動電話 (2.5G) 為3G之前的過渡性產品 2.5G的速度較2G增快許多 (114kbps)
例子：General Packet Radio Service GPRS（通用無線分組業務技術） 淺談流動電話網絡

30 第二點七五代流動電話 (2.75G) 為2.5G之前後， 3G之前的過渡性產品 2.75G的速度較2.5G又增快許多 (384kbps)
例子： Enhanced Data rates for Global Evaluation (EDGE) （全球演進式數據速率增強技術 ） 淺談流動電話網絡

31 未來發展 低價化 多功能 體積小 淺談流動電話網絡

32 未來發展（藍芽 Bluetooth） 丹麥國王Harald Blaatand Bluetooth致 力於丹麥和挪威兩國能和平溝通.
運作原理是在2.45 GHz的頻帶上傳輸，除了資料外，也可以傳送聲音。 傳輸範圍達10m（目標100m） 藍芽技術傳輸量大 (高達1Mbps) 耗電量低 全方位傳輸 同時可傳輸至七個目標 丹麥國王Harald Blaatand Bluetooth致 力於丹麥和挪威兩國能和平溝通. Bluetooth 成為短距離無線電傳輸 的標準之名詞! 項目 / 規格 藍芽 紅外線 功率（消耗電力） <100mW 150mW 頻率 2.4GHz 2.4GHz 傳送距離 10 – 100m <3.8m 保密 有 無 傳送速度 1Mbps 4 / 16Mbps 傳輸角度 全方位 ± 15° 同時傳送目標 1 – 7 1 淺談流動電話網絡

33 未來發展（藍芽 Bluetooth） 任何有內置藍芽晶片的電子產品，皆可透過藍芽無線傳輸資料 淺談流動電話網絡
在辦公室作簡報時，電腦投影機都可接上籃牙發射器，透過無線傳輸連接。 3.即使手機公式包中，透過藍牙無線連接行動電話，手機就可以直接接收到電子由件的通知，並且立即反應，使用者透過手機立即瀏覽電子郵件的內容。 4.透過藍牙連結數位向稽核行動電話，業可以將所拍攝的照片，傳送到行動電話上。 淺談流動電話網絡

34 淺談流動電話網絡

35 為何需要網絡？ 頻道再用 (Channel Reuse) 細胞 (cell) 淺談流動電話網絡

36 為何需要蜂巢式網絡？ 能密鋪平面的正多邊形： 正三角形 4 6 2 5 3 1 100 / 6 ≒ 17 淺談流動電話網絡

37 為何需要蜂巢式網絡？ 能密鋪平面的正多邊形： 正方形 1 3 4 2 100 / 4 = 25 淺談流動電話網絡

38 為何需要蜂巢式網絡？ 能密鋪平面的正多邊形： 正六角形 1 2 3 100 / 3 ≒ 33 淺談流動電話網絡

39 為何需要蜂巢式網絡？ 3 1 2 6 7 5 4 淺談流動電話網絡

40 換手（Handoff） 淺談流動電話網絡

41 系統允入控制機制 （Call Admission Control）
丟掉機率（掉率，Dropping Probability） 淺談流動電話網絡

42 系統允入控制機制 （Call Admission Control）
堵塞機率（堵率，Blocking Probability） 淺談流動電話網絡

43 系統允入控制機制 （Call Admission Control）
丟掉機率（掉率，Dropping Probability） 由一個細胞（Cell）走往另一個細胞時，由於線路（Channel）不足，導致丟掉（Dropped）。 堵塞機率（堵率，Blocking Probability） 新撥的電話（New Call）細胞內的線路不足，導致堵塞（Blocked）。 淺談流動電話網絡

44 系統允入控制機制的方法 （Call Admission Control Methods）
Complete Sharing (CS) 完全不控制 Trunk Reservation (TR) 現時使用中 DCA IBM 專家建議的方法 SDCA 我們現正研究中的嶄新方法 淺談流動電話網絡

45 SDCA 的優點 能透過電腦運算，作出準確的預測 能有效地把掉率控制在 1% 以下 能充分善用整個網路的線路，把使用率盡量提高
淺談流動電話網絡

46 SDCA 的優點 淺談流動電話網絡

47 SDCA怎樣作出準確的預測？ 細胞中線路使用量的改變有如〝擴散作用〞(Diffusion)
如一滴墨水滴入一盆清水之中，墨水就會開始向四方八面擴散 淺談流動電話網絡

48 電腦遊戲（模擬網絡控制） 網絡細胞 使用中線路 掉線 平均使用 新撥電話 接納的新撥電話 掛斷 網絡控制 自動 / 手動 難 / 易
成功撥入電話 淺談流動電話網絡

49 電腦遊戲（結果） 淺談流動電話網絡

50 總結 淺談流動電話網絡

51 總結 蜂巢式網絡 頻道再用 丟掉、堵塞 SDCA 3G後 …… (3G+, 4G, 5G) 淺談流動電話網絡

52 鳴謝（排名不分先後） 香港科技大學物理系 王國彝博士 李鳳瑩小姐 姜弋先生 香港科技大學教學促進中心
淺談流動電話網絡