Introduction to Personal Communications Services

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1 Introduction to Personal Communications Services
Chapter 1 個人通訊服務簡介 Introduction to Personal Communications Services

2 課程目標 個人通訊服務（Personal Communications Services，PCS）的概念，就是希望以各種無線通訊（wireless communication）的技術，針對個人的需求提供可在任何時間（anytime）、任何地點（anywhere）、以任意型式的終端設備（any terminal）存取資訊的服務。 本章節將介紹個人通訊服務網路（PCS network）的基本架構與網路上的各個元件，並將介紹行動電話的演進。 After reading this chapter, the reader should be able to: 個人通訊服務（Personal Communications Services，PCS）的概念，就是希望以各種無線通訊（wireless communication）的技術，針對個人的需求提供可在任何時間（anytime）、任何地點（anywhere）、以任意型式的終端設備（any terminal）存取資訊的服務。從早期行動電話傳遞語音，到現今多種資訊設備都可進行多媒體資訊的無線存取，再再印證了擺脫通訊線路的束縛並不是遙不可及的夢想。 本章節開始先說明個人通訊服務網路（PCS network）的基本架構與網路上的各個元件，之後將介紹行動電話的演進，從類比系統到數位系統，從單純的語音服務到多媒體通訊的歷程。我們可以從過往通訊服務的歷史推想，未來將會是一個多元的世界，可以任意結合通訊產業（telecommunication industry）、電腦產業（computer industry）與各種通訊技術，創造各式各樣個人通訊的服務。

3 章節目錄 個人通訊服務的概念 個人通訊服務網路的架構 行動電話的歷史 個人通訊服務的範疇 多媒體應用之無線網路技術 帳務系統 結語 作業

4 Section 1.1 個人通訊服務的概念 PCS Concepts

5 個人通訊服務的概念 個人通訊服務（Personal Communications Services，PCS）的概念，就是希望以各種無線通訊（wireless communication）的技術，針對個人的需求提供可在任何時間（anytime）、任何地點（anywhere）、以任意型式的終端設備（any terminal）存取資訊的服務。 可以自由移動： 行動力（mobility） 24 hours 提供服務 個人化（personality）

6 行動通訊 如何達成行動通訊（mobile communication） 行動電話與傳統有線電話的比較
蜂巢式行動電話（cellular phone） 無線區域網路（Wireless Local Area Network，WLAN） 行動電話與傳統有線電話的比較 有線或無線傳輸 人們是否能夠自由自在的移動和通話 傳統有線電話通常是屬於一家人或一間公司共享的。然而行動電話卻是代表個人。

7 Section 1.2 個人通訊服務網路的架構 Architecture of PCS Networks

8 公眾電話交換網路 公眾電話交換網路（Public Switched Telephone Network，PSTN）指的是我們熟悉的有線電話網路，提供基本的通話服務。 在通話的期間，電話公司會為這通電話建立一條固定的專屬的通話連線，只有雙方的語音資料能在此電話線路上傳送。

9 圖 1‑1 PSTN 示意圖 當用戶講電話時，聲音會經由電話線，連到電信公司的交換機（switch）上。交換機會將通話一站接一站地轉接，最後連到對方的有線電話上。

10 公眾行動電話網路 行動電話業者佈署的電話網路稱為公眾行動電話網路（Public Land Mobile Network，PLMN）。
隨著手機的移動，電話線路就隨之轉而連接到該處，以此提供行動的能力。 除了蜂巢式行動電話系統外，其他各種以無線電技術提供電話服務的系統都有著類似的架構，都可用圖1-3來說明。

11 圖 1‑2 PLMN 示意圖 車內的手機透過無線電波與基地台（base station）溝通，其後端也需透過許多的交換機，最後將電話轉接到PSTN的電話上。 PSTN PLMN 陸地行動電話網路 PLMN 指可以提供手機透過無線電傳輸通話的網路. Ex: 遠傳的 GSM 系統, 和信的 GSM 系統, 台灣大哥大的 GSM 系統, 都是在建立各自的 PLMN.　 上圖若是兩支屬於同一 PLMN 的手機互相通話,只要在自己的 PLMN 中通話. 若是一支遠傳手機, 另一端為中華電信的固接式電話, 則必須兩家電信公司合作, 以接通電話. 在這門課中所探討的 PCS 的技術, 不只是 PLMN, 將會包含所有的話務.

12 圖 1‑3 PCS 網路架構圖 個人通訊服務網路的基本架構，分成有線網路與無線電網路兩部份。
藍色部分使用無線通訊, 這個部分稱為 Radio Network. 只有手機(Mobile Station)與 Base Transceiver Station (BTS) 間是透過無線電溝通. Base Transceiver Station 會與控制基地台相連. 圖中黃色長方形, 在控制基地台的無線電的使用, 稱為基地台控制器 Base Station Controller. Base Transceiver Station 與 Base Station Controller 形成一個基地台系統(Base Station), 控制無線電的部分. 在基地台之後的系統後端都是走有線網路, 即圖中的黃色部分, 稱為 Wireline Transport Network, 或稱為 Switching System. 基地台系統會與後端的交換機(在圖中見粉紅色的 Switch for Mobile Applications, 稱為 Mobile Switch Center, MSC) 相連. MSC 會連接到一些資料庫 (Mobility Database), 儲存與手機, 話務等相關資訊 如果手機要與PSTN的電話通話, PCS 系統的交換機與 PSTN 系統的交換機會合作達成這通電話.

13 無線電網路部份 稱為無線電網路（radio network）或接取網路（access network） 包含兩個基本的元件
手機（Mobile Station，MS） 基地台子系統（Base Station Subsystem，BSS） 無線電的基本原理請見第二章。 蜂巢式行動電話系統上的無線電技術請見第三章。

14 基地台子系統 基地台子系統分成 BTS提供無線電擷取的功能，透過無線電與手機溝通，只要在BTS的通訊範圍內，手機便可與BTS互動。
基地收發台（Base Transceiver Station，BTS） 基地台控制器（Base Station Controller，BSC） BTS提供無線電擷取的功能，透過無線電與手機溝通，只要在BTS的通訊範圍內，手機便可與BTS互動。 BSC控制BTS的運作，與後端的有線網路相連，建立電話。

15 GSM 天線 這是架設在元智大學 3 館上的 GSM 天線. 純粹接收與傳送訊號的功能.

16 GSM 基地收發台 這是架設在元智大學 3 館上的 Base Station (BTS), 具有訊號處理交換的功能.

17 有線網路部份 如同PSTN，PCS系統也需要交換機將電話轉接到正確的路徑。對於行動電話系統，這些交換機有個特別的名稱，稱為行動交換中心（Mobile Switch Center，MSC）。 MSC除了具有交換機基本功能外，還會連接到一些儲存與手機、話務資訊相關的行動資料庫（mobility database），最特別的是資料庫中存有手機目前位置的資料。 在後端這些資料庫與交換機形成的網路，又被稱為核心網路（core network）。

18 行動管理 PCS系統的行動管理（mobility management）機制會隨時監控用戶的移動狀況，記錄手機的位置，管理通話中使用者跨越基地台時接續電話的服務（稱為交遞，handoff）。 行動管理請見第四章。

19 第七號信令系統 電話網路上傳送的包括使用者資料與控制網路信號（signal）
傳送控制信號的網路稱為信令網路（signaling network） 在電信網路中最常被使用的信令是第七號信令系統（Signaling System No. 7，SS7） SS7請見第五章。

20 Section 1.3 行動電話的歷史 History of Mobile Systems

21 最早的行動電話 在1920年底特律警車使用的無線電通訊系統，可以算是最早的行動電話，但此時只有單向廣播功能。直到1930年早期，雙向通話的系統才開始運作。 不久之後使用調頻（Frequency Modulation，FM）技術的行動電話才開始問市。 到了第二次世界大戰，大量的行動電話技術被應用於軍事中。這時候的行動電話基地台都必須建構高功率的發射機，以提供大範圍的服務。基地台都必須分配不同的頻段（frequency band），以避免互相干擾。

22 蜂巢式的觀念 (1/2) 到了1940年代末期，貝爾實驗室提出蜂巢式（cellular）的觀念。
基地台採取較小功率發射機，提供小範圍的服務，但在其他離該基地台較遠的地方，便可重複使用相同無線電頻道，而不會互相干擾。 每個基地台電波的涵蓋範圍，稱為細胞（cell）。當電信業者佈建了一個個基地台，其涵蓋範圍連接在一起的形狀就像是蜂巢一樣，故稱為蜂巢式行動電話。

23 蜂巢式的觀念 (2/2) cluster cell sector      
無線電的頻道有限, 必需再利用. 因為無線電波會隨這距離加長衰減, 利用這樣的特性, 將地理位置畫分為許多區域, 狀似六邊形, 稱為 cell. 基本上, 一個 BS 發送電波所涵蓋的區域, 稱為 cell. 數個 cell 組成一個 cluster. 在同一個 cluster 中的 cell 均使用不同的頻道. 位在各個 cluster 中有相同位置(如同在左上方)的 cells 使用相同的頻道. 因為彼此之間的距離已經很遠, 雖然使用相同頻道但不會互相干擾. 稱為 Frequency Reuse In AMPS, the typical frequency reuse plan employs a 12-group frequency cluster (12 個 cells 組成一個 cluster), 每個 BS 使用 單一方向的天線 (omni-directional antenna). a 7-group cluster (7 個 cells 組成一個 cluster), 每個 BS 使用 3 個 120 度角的天線, 所以把 BS 切割成 3 個 sectors . Motorola AMPS use 4 cells/group, 6 sector/cell. 一個固定大小的區域中, 究竟能佈置多少 cell? i.e., 每個 cell 的涵蓋範圍多大? 理論上由 1 到無限多個 cells 都可以, 但實際上: 以 GSM 為例, cell size 的上限是 35 Km 的範圍, cell 太大, capacity  No. of cells  (cell size )  Frequency reuse factor ,  system capacity  由於系統必須處理快速移動的使用者的通訊問題 (handoff, location tracking)  Cell size  系統會來不及處理 sector   

24 PCS 的演進 第一代 第二代 第三代 Mobile Satellite JTACS JDC 行動電話系統 TACS GSM GSM+,++
NMT IMT-2000 AMPS NADC PCS 依據發射功率來區分, 可分為高階系統 (High-tier system) 與低階系統 (Low-tier system). 高階系統 (High-tier system) : 指大哥大通訊系統, 衛星電話也屬於這類. 低階系統 (Low-tier system): 指從家用無線電話 (coreless phone) 開始演進的低功率公用無線電話, 如 PHS, CT2 等. 若依據技術的演進, 則可分為幾次大的革命 (Revolution) 1G: 使用類比技術來傳遞訊息. Analog 訊號是連續的, 傳送時受到雜訊的干擾, 很難保持波形不失真. 而且很難對訊號做處理, 增加功能. 如 AMPS 系統使用類比技術, 容易被盜拷竊聽. 2G: 使用數位技術來傳遞訊息. 將語音的 analog signal 調變轉成 0/1 digital signal 後再傳送. 遇到雜訊干擾可以用電路再還原, 所以可以有較佳的傳送品質. 而且還可以加以運算, 增加額外的功能. GSM+ 提出 HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) 與 GPRS (General Packet Radio Services) 可提供有限的數據服務. HSCSD 是利用多個 timeslot 同時傳輸以增快傳輸速率, GPRS 是改用 packet switching 的技術. GSM++ 為 EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), 利用不同的調變技術來提高其傳輸速率. 3G: 由國際電信聯合會 (ITU) 主導的 IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000), 希望統一各家規格, 以提供一支手機可以行遍天下. 4G: 有些人認為 WLAN+GPRS 稱為 4G. JTACS (Japanese Total Access Communication System 1988 日本) – JDC (Japanese Digital Cellular) TACS (Total Access Communication System 英) – NMT (Nordic Mobile Telephone 北歐) – GSM (Global System of Mobile Communication) AMPS (Advance Mobile Phone System 美) – NDAC (North American Digital Cellular, IS-54, D-AMPS) – PCS (Personal Communication Services) CT0/1/2 (Coreless Telephone) – DECT (Digital European Cordless Telecommunications, CT-3) PHS (Personal Handyphone System, 日本) PACS (Personal Access Communication System, 美) PHS 數位無線電話系統 PACS CT0/1 CT2 DECT

25 3G 的演進 ? 第三代行動電話演進過程，請見第九章 。 第二代 第二. 五代 第三代 cdma2000 1x Cdma2000 3xMC
America IS-95A IS-95B IS-136 ? 1xEV-DO 1xEV-DV EDGE Air Interface 可能演變的途徑： CDMA IS-95A (voice, 14.4 kbps) → IS-95B (voice, 64 kbp, 已被略過) → cdma2000 1x (高品質語音, 307 kbps) → cdma2000 3xMC (高品質語音, 大於 384 kbps) → 1xEV-DO (2.4Mbps, data only) → 1xEV-DV (更高容量的語音與資料傳輸) IS-136 (voice, 9.6 kbp) → ? (可能是 cdma2000 1x, 1xEV-DO, GSM GPRS or other) GSM (voice, 9.6 kbps) → GSM GPRS (約 80 kbps) → EDGE (240 kbps) → UMTS → UMTS/HSDPA (更高容量的語音與資料傳輸) EDGE 使用更多的 coding scheme 來增加 air interface 的 capacity 與 efficiency. EDGE 並沒有更動許多 core network 部份, 所以是比較 cost-efficient migration. PDC (voice, 9.6 kbps) → PDC (voice, 28.8 kbp) → WCDMA (高品質語音資料) NTT DoCoMo 在 March 1999 就將 packet 服務加入 PDC, 變成 P-PDC, iMode 就在 P-PDC 上執行 . 日本的 ARIB 與 ETSI 成立 3GPP 發展 WCDMA, NTT DoCoMo 在 2001 春秋開始將 WCDMA 商業化. UMTS/ HSDPA GSM GSM GPRS UMTS Europe Japan PDC P-PDC W-CDMA 第三代行動電話演進過程，請見第九章 。

26 泛歐式數位行動電話系統 (GSM) GSM系統對我們的生活有重大的影響，故以許多的章節進行說明
泛歐式數位行動電話系統（Global System for Mobile Communication，GSM）請見第六章。 一般封包式無線電服務（General Packet Radio Service，GPRS）請見第七章。 通用行動通訊系統（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）請見第十章。 高速下行封包存取（High Speed Downlink Packet Access，HSDPA）請見第十一章。 全IP網路的傳輸技術（All-IP network）請見第十二章。

27 Section 1.4 個人通訊服務的範疇 PCS Umbrella

28 個人通訊服務的範疇 除了蜂巢式行動電話，其他許多無線通訊技術一樣能夠使人們享受行動通訊的便利性。
傳呼系統、中繼式無線電 、 衛星、無線區域迴路、無線區域網路、無線個人區域網路、無線都會區域網路、 無線廣域網路

29 傳呼系統 傳呼系統（Paging System），俗稱BB call。 透過無線電傳送數字、文字資料到特殊的傳呼機（或稱為呼叫器）上。
使用者先打電話將想要傳送的訊息送給傳呼系統業者，接著系統業者便會在每個基地台廣播。傳呼機不斷去聆聽廣播並判斷是否是屬於自己的訊息，如果是自己的訊息便接收下來，並以振鈴通知使用者。 通用的傳呼編碼是英國郵政總局發展的POCSAG碼（Post Office Code Standardization Advisory Group）。

30 中繼式無線電 中繼式無線電（Trunking Radio）
一些專門提供工商業界或私人專用之無線電通信服務，被歸類為“專用電信”。 例如貨運業者或計程車業者調度車輛的派遣系統。 又稱為派遣式無線電系統。 如果中繼式無線電系統除經營者本身使用外，也接上PSTN可以互通，亦提供公眾服務時，就是俗稱的特哥大。

31 衛星電話 衛星電話（Satellite System） 可用於廣播、固接式服務或提供行動電話服務
基本上通訊衛星就像一個中繼器（repeater），透過地面上的“通訊衛星地面站”發射電波給衛星，然後衛星再把這些訊號重送回地面。 衛星電話最大的缺點就是電波傳送時間較長，造成延遲（delay），聲音品質較差。

32 無線區域迴路 (1/2) 無線區域迴路（Wireless Local Loop，WLL） WLL是提供地區性電話服務的一種無線電技術應用。
有時WLL被稱為定點無線接取（fixed wireless access）。

33 無線區域迴路 (2/2) 有線電話 交換機 BS BS

34 WLL的技術(1/2) 區域多點分散服務（Local Multipoint Distribution Service，LMDS）
採用蜂巢架構，以微波通訊技術傳送資料的固接式無線網路，可以傳送大量資料、影像與語音服務。 多通道多點分散服務（Multichannel Multipoint Distribution Service，MMDS） 使用超高頻（Ultra High Frequency，UHF）“單點對多點”傳輸的電視通訊系統，用於和有線電視競爭，可以被視為是無線電攬（wireless cable）。 可以做雙向傳輸，擷取Internet的資訊。

35 WLL的技術(2/2) 衛星技術 蜂巢式電話技術 低階PCS技術 空曠地區、島嶼等有線電話施工困難度高的地方。
適用於廣大區域、人口密度中等，只需要中等通話品質的這一類族群。 低階PCS技術 適用於區域較窄、人口稠密需要高通話品質的族群。

36 數據通訊產業 由於Internet的快速成長，使得數據通訊產業（data communication）與電信通訊產業漸漸地結合在一起。
無線區域網路（Wireless Local Area Network，WLAN） 無線個人區域網路（Wireless Personal Area Network，WPAN） 無線都會區域網路（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN） 無線廣域網路（Wireless Wide Area Network，WWAN）

37 無線網路的範圍與規範 3GPP, EDGE (GSM) WWAN IEEE 802.20 (proposed)
ETSI HiperMAN & HiperAccess WMAN IEEE 這張圖是 Intel 在說明 WiMAX 角色的圖片. IEEE 目前好像已經停止其進展 WLAN ETSI HiperLAN IEEE IEEE Bluetooth ETSI HiperPAN WPAN

38 無線個人區域網路 WPAN是針對個人活動的範圍，以無線電進行近距離通訊的技術。
傳輸速率介於250kbps到2Gbps。 涵蓋距離約在10至100公尺之間。 IEEE 家族即是為此目的而制定的一系列短距離網路接取的無線通訊協定。 藍芽（Bluetooth， ） Zigbee（ ） UWB（Ultra Wide Bandwidth ， a）

39 無線區域網路 WLAN就是一種利用無線傳輸技術建立的區域網路，可提供室內外短距離、低移動性的高速無線傳輸服務。 請見第十四章。
傳輸速率介於11至54Mbps。 存取點的涵蓋距離約為100公尺。 請見第十四章。 半徑100公尺。

40 無線都會區域網路 WMAN是為了取代有線的數位用戶迴路（Digital Subscriber Line，DSL）或是有線電視網路（cable TV network），以無線電傳輸大量資料、達到寬頻無線存取的需求而產生。 IEEE 定義了相關的技術。 WiMAX: Worldwide Interoperability for Micro wave Access 電信總局規畫了 GHz給WiMAX，至於2.5G-2.69GHz則先規畫了30MHz供實驗使用。

41 無線廣域網路 IEEE 技術是針對WWAN這樣的概念而設計，採用全IP網路架構，希望能夠如同3G行動電話系統一樣，對於四處移動的用戶提供高速的資料存取。 目前IEEE 已停止制定。 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) Working Group

42 Section 1.5 多媒體應用之無線網路技術 Wireless Network Techniques for Multimedia Applications

43 多媒體應用技術 由於無線傳輸的傳輸深受頻寬、地形、建築物、氣候的影響。因此無線網路上使用的通訊協定、程式語言，或是各種應用服務規範，都需加以重新設計。 請見第八章。 無線通訊應用協定（Wireless Application Protocol，WAP） 多媒體訊息服務 （Multimedia Messaging Services，MMS） Java 2 微小版本J2ME（Java 2 Platform，Micro Edition）

44 Section 1.6 帳務系統 Billing System

45 帳務系統 帳務系統要正確地計算與傳送客戶的帳單。 讓客戶可以依據本身的需求找出適合費率組合的產品服務。
帳務系統要提供電信業者正確的財務報表，讓電信業者在行銷時依此包裝產品與制訂價格，同時也是做為開發新服務的依據。 請見第十三章。

46 Section 1.7 結語 Summary

47 Summary 無線電擷取技術（radio access technology）與資訊科學（computer science）是個人通訊服務網路建設的基礎。它們的進步，促成了無線通訊產業的突破。 個人通訊服務不只是侷限於行動電話而已，只要能以更便利的方式提供服務，任何新的想法與技術都值得我們去關心與注意。

48 Homework 習題 1 (1)-1(10),3,5,7,9