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行動與無線通訊

行動與無線通訊. 無線通訊的世代 (generations in wireless networks). 無線通訊的世代 (generations in wireless networks). 1980 年 Bell 公司開始經營 HCMTS(high-capacity mobile telephone system) ，後來發展成 AMPS(Advanced mobile phone service) ，亦即 1980 到 1990 年間的第一代類比蜂巢式電話系統，也是所謂的 1 G 的代表。

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行動與無線通訊

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  1. 行動與無線通訊 無線通訊的世代 (generations in wireless networks)

  2. 無線通訊的世代(generations in wireless networks) • 1980年Bell公司開始經營HCMTS(high-capacity mobile telephone system) ，後來發展成AMPS(Advanced mobile phone service) ，亦即1980到1990年間的第一代類比蜂巢式電話系統，也是所謂的1 G的代表。 • 第二代的數位行動電話系統以GSM(Group Special Mobile或稱Global Mobile System)最普遍。 • 第2.5代 (2.5 G) • 第三代 (3G , Third Generation) • 什麼是4G ?

  3. 從2G到3G之路

  4. 通路 y1(t) x(t) Rx1 Tx yn(t) Rxn 1G – AMPS 及早期行動通訊系統 • 早期行動通訊系統 • 行動通訊為無線通訊之一，具有廣播通訊之特性 • 一對多廣播式行動通訊系統 • 1930s AM 廣播式行動通訊系統 • 1940s FM 廣播式行動通訊系統 • 所有使用者共用同一通道 (channel) • 系統與使用者間半雙工(half-duplex)通訊 • 系統發放，所有使用者接收;使用者發放，系統接收 • 各使用者間半雙工(half-duplex)通訊 • 某使用者發放，其他所有使用者接收 • ？無法一對一通訊，如無線電計程車，派遣系統。

  5. 1G – AMPS 及早期行動通訊系統 • MTS 行動通訊系統 • 1946，Bell System 推出 Mobile Telephone Service (MTS) in St. Louis。 • Base to mobile 152 MHz ， mobile to base 158 MHz. • FM 調變車用 (mobile) 電話通訊系統 • channel spacing 60 kHz • Headquarter (HQ)天線(A)發射， 功率 250 watts。 • 車上天線功率 較小20 watt ，系統需多個接收機 R。 ？無線通訊之回波(echo)未解決，只能半雙工傳送，即 "walkie-talkie" • IMTS (Mobile Telephone Service)行動通訊系統 • 1964 , Bell System 推出 Improved Mobile Telephone Service ( IMTS)。 • IMTS 解決回波(echo)問題，可全雙工傳送。 ？大功率、大區域，射頻通道(RF Channel)受限

  6. 1G – AMPS 及早期行動通訊系統 • 類比蜂巢式行動通訊系統 --- 1G • 蜂巢式行動通訊系統達成射頻通道之再使用(frequency reuse) • 1978 Bell System 首先推出蜂巢式行動通訊系統，射頻通道有54 channels 。 • 1983 Bell System 再推出改進之類比蜂巢式行動通訊系統AMPS systems 時，其射頻通道有 666 channels 。 • 1G ：一般界定類比蜂巢式行動通訊系統為第一代行動通訊系統，1G (the first generation of mobile system) 。 • 2G ：一般界定數位蜂巢式行動通訊系統為第二代行動通訊系統，2G (the second generation of mobile system) 。 • 3G ：一般界定數位寬頻蜂巢式行動通訊系統為第三代行動通訊系統，3G (the third generation of mobile system) 。

  7. 第一代 (1G , First Generation) • 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多重存取方式 • 以語音通訊為主，無法支援數據通訊服務

  8. 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 '81, 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 1G – AMPS 及早期行動通訊系統 • 類比蜂巢式行動通訊系統 --- 1G

  9. 1G – AMPS 及早期行動通訊系統 • 1G – AMPS

  10. 1G – AMPS 及早期行動通訊系統 • 1G – AMPS(Advanced Mobile Phone System )基本特性 • Introduced by AT&T in 1983 • Frequency Band : Reverse Channel 824-849 MHz , MS  BS Forward Channel 869-894 MHz , BS MS 45 MHz offset • Channel Separation : 30KHz • FDMA • traffic channels以Analog frequency modulation (FM)傳送 • control channels以Binary frequency shift keying (FSK) at 10 kbps傳送. • 具漫遊(roaming)功能 ？無加密機制，通話內容可被竊聽

  11. 第二代 (2G , Second generation) • GSM(Global System for Mobile communications) • D-AMPS(Digital AMPS) • IS-95 • PDC(Personal Digital Cellular)：日本 • CT2、DECT(Digital Enhanced Telecommunications)與PHS(Personal Handyphone System)

  12. 2G – GSM • GSM 行動通訊系統簡史 (1) GSM : Groupe Spe’cial Mobile, 1982-1989 • 1982 CEPT ( Conference of European Postal and Telecommunication Administration ) 成立行動通訊研究小組 GSM ，研究製定汎歐行動通訊之統一標準。 (2) GSM : Global System for Mobile Communication, 1989- • 1989 GSM 行動通訊研究小組改隸於 ETSI ( European Telecommunication Standards Institute ) ，該小組英文簡稱為 SGM ( Special Group for Mobile )；而所製定之汎歐行動通訊系統則稱為 GSM ( Global System for Mobile Communication ) 。 • 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 )

  13. MS MS BS BS 2G – GSM • GSM 系統： GSM900 及 DCS1800 • GSM 行動通訊系統之頻帶 (1) GSM900 (2) DCS1800 • GSM 行動通訊系統之頻道 (1) GSM900 (2) DCS1800 fd=fu+45MHz fu fd=fu+95MHz fu f f 890MHz 915MHz 935MHz 960MHz 1710MHz 1785MHz 1805MHz 1880MHz 25MHz 25MHz 75MHz 75MHz Up link Down link Up link Down link BS MS BS MS ARFCH (Absolute RF Channel) n:512-------885 uplink: fn=1710+0.2*(n-511) MHz downlink: fn=1805+0.2*(n-511) MHz ARFCH (Absolute RF Channel) n:1-------124 uplink: fn=890+0.2*n MHz downlink: fn=935+0.2*n MHz ＊頻道間隔(channel spacing): 200KHz

  14. 2G – GSM • GSM 行動通訊系統之功率 (1) GSM900 (2) DCS1800 基地台功率：320W~2.5W (BTS) 行動台功率：20W~0.8W 行動台之功率等級： class 1 = 20W class 2 = 8W class 3 = 5W class 4 = 2W class 5 = 0.8W 服務區範圍：可達35Km 行動台輸出功率可由基地台控制 以每級距2dB, 調降至20mW 基地台功率：20W~2.5W 行動台功率：1W~0.25W 行動台之功率等級：（皆為手機） class 1 = 1W class 2 = 0.25W 服務區範圍：約2Km 行動台輸出功率可由基地台控制 以每級距2dB, 調降至2.5mW

  15. 2G – GSM OMC AUC fd downlink • GSM 行動通訊系統組成簡圖 * MSC : Mobile-service Switching Center * BSS : Base Station System * OMC : Operationa and Maintainance Center * BSC : Base Station Controller * AUC : AUthentication Center * BTS : Base Transceiver Station * HLR : Home Location Register * MS : Mobile Station * VLR : Visitor Location Register * PLMN : Public Land Mobile Network * EIR : Equipment Identity Register * PSTN: Public Switching Telephone Network HLR MSC BTS BSC fu uplink EIR VLR PTSN MS PLMN

  16. AUC/HLR MSC/VLR MSC/VLR MSC/VLR GMSC BSC BSC PSTN BTS BTS LAI BTS BTS BTS BTS LAI:Location Area Identity GMSC:Gateway MSC 2G – GSM • GSM 行動通訊系統網路圖

  17. IS-95行動通訊系統之頻帶 頻道間隔 (channel spacing ) ：1250 kHz 2G – IS-95 (窄頻CDMA) 25MHz 25MHz 19 RF Channels 25/1.25=20, 20-1=19 RF Ch 1.25M 1.25M 25MHZ

  18. 2G – 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 )  50 frames/sec

  19. Forward Traffic Channel Information Bits Code Modulation for user m Symbol Symbol (172. 80. 40. or Add Frame 16 bits/frame) Convolutional Quality Symbol Add 8 bit Block Encoder Indicators for Repetition 19.2 kbps 8.6 kbps 9.2 kbps 9.6 kbps 19.2 kbps Encoder Tail Interleaver 9600 & 4800 bps r=1/2 k=9 4.0 kbps 4.4 kbps 4.8 kbps 9.6 kbps Rates 2.0 kbps 2.0 kbps 2.4 kbps 4.8 kbps 0.8 kbps 0.8 kbps 1.2 kbps 2.4 kbps I-channel Pilot PN Sequence 1.2288 Mcps Walsh Function n Power 800 bps I(t) I Baseband Modulation Control PN Chip Filter Symbol Bits 1.2288 Mcps MUX cos(2t) S(t) 19.2 kbps 19.2 kbps Baseband Long Code Filter Decimator Decimator Q Q(t) Generator 1.2288 Mcps sin(2t) Q-channel Pilot PN Sequence Long Code 1.2288 Mcps Mask for User m 2G – IS-95 (窄頻CDMA) 達到固定的 19.2Kbps速率 資料交錯打散，以降 低錯誤發生時之影響 增加錯誤偵測相關位元 直接錯誤更正 • Forward Channel (Traffic) (50 frames/sec) Scrambling QPSK Spreading

  20. 2G – IS-95 (窄頻CDMA) • Reverse Channel (Traffic)

  21. 2G – IS-95 (窄頻CDMA) • 認證：與GSM相同，採用challenge-response認證方式 手機端 基地台端

  22. 2G – IS-95 (窄頻CDMA) • 加密 CAVE : Cellular Authentication and Voice Encryption CMEA : Cellular Message Encryption Algorithm

  23. 第2.5代 (2.5 G) • 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 • IS-95B、 IS-95C • cdma 2000  3G

  24. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • GPRS 全名為 General Packet Radio Services。 • GPRS 是建構在GSM 系統中之 high speed, IP based, data packet switching network。 • 目前手機數據是經由電路交換(Circuit Switching) 或 短訊 (Short Message Service)傳送。 • 一般data transfer 分 circuit-switching and packet-switching 兩種 • circuit-switching ：先連再傳，線路專用至通訊結束(connection oriented ) • packet-switching： 邊傳邊連，線路由各用戶封包共用(connectionless ) • IP全名為 Internet Protocol。

  25. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • GPRS系統設計目標 • 以經濟有效方式支援 bursty traffic  • 提供數據傳輸與上網服務 • 相容於GSM系統架構 • GPRS系統設計方法 • 以Packet-mode 傳送數據，較經濟。  • 採multi-time slots allocation 有效使用通路。 • 可分配1至8個 time slot • 使用IP based 易於與其他數據服務整合。 • 嚴格隔離 radio 與 network subsystems，善用GSM系統架構。

  26. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • GPRS 系統架構 • SGSN：Serving GPRS Support Node • GGSN：Gateway GPRS Support Node

  27. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • 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。 • GPRS 為手機提供新的數據加值服務(new nonvoice value added service) 。如FTP (File Transfer Protocol )， email， telnet， web browsing， chat 等。 • 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(IA)。

  28. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • GSM GPRS 與WAP 系統關係 MSC / GMSC PSTN VLR BSS AUC / GSM BTS BSC HLR GPRS Inter GGSN SGSN Net GSM GPRS WAP WAP GPRS

  29. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • WAP全名為Wireless Application Protocol。 • WAP 是於1997年由Ericsson 、 Motorola 、 Nokia 、 Phone.com等廠商發起成立WAP Forum 所制定的一種開放式無線應用通訊協定(Application Protocol) 與標記語言(Markup Language) 。 • WAP 的網頁設計是採用WML (Wireless Markup Language)。 WML 類似於現行網際網路所用的HTML(HyperText Markup Language) 與 XML (Extensible Markup Language) 之精簡版。 • WAP系統網路仍採用HyperText Transfer Protocol ( http:xxx.xxx.xxx) 協定。手機使用微瀏覽器(Micro Browser) ，以適合傳輸數據率不高、螢幕小之手機上網。 • WAP 可安裝在不同之無線通訊系統上，如GSM, HSCSD, GPRS, CDMA(IS-95), TDMA(IS-136), PHS, UMTS(3G)…等。

  30. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • WAP 系統結構 • WAP系統為client server結構。手機為client ， WAP網站server。手機利用安裝之 micro browser經由WAP Gateway到WAP網站瀏覽。 • WAP 可與現有之無線數據服務，如 Short Message Service, Circuit Switched Data, Unstructured Supplementary Services Data (USSD) 與 General Packet Radio Service (GPRS)等，結合使用。

  31. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • WAP 系統網路

  32. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • WAP通訊協定堆疊(Protocol Stack)

  33. 2.5G – GPRS 與 WAP 通訊協定 • WML是設計WAP 網站與網頁之標記語言。 • WML範例，摘路自： http://www.gatekeeper.org.uk/tutorials.htm

  34. 各種3G的無線電介面技術之提案

  35. 第三代 (3G , Third Generation) • WCDMA (Wideband CDMA)：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 TDMA) ：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：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 ：為所有3G系統的總括規格，原本ITU想發展一套全球公認的3G規格，但在技術與政治性因素下才會行成目前3G標準不一之局面。

  36. Global Satellite Suburban Urban In- Building Micro-Cell Macro-Cell Pico-Cell IMT-2000 HCS細胞規劃 • HCS階層式的細胞規劃

  37. HCS細胞規劃 • 混合FDD與TDD模式的HCS細胞架構 FDD macrocell TDD/FDD overlay cell F1 : Pico cell layer (Picocell) F2 : micro cell layer F3 : Macro cell layer F3 F3 F1 F2 F3 F3 F3 F2 F3 F3 F2 FDD microcell F3

  38. 144 Kbps 384 Kbps 2 Mbps 3G行動電話用戶不同的傳輸速率 • IMT2000定義在不同的環境下的行動電話用戶具有不同的傳輸速率

  39. GGSN IP backbone SGSN Iu Iu Gb Gb UMTS coverage GSM/GPRS coverage UMTS網路 • UMTS網路商業化的初期只有佈設在都會某些地區

  40. 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 MHz 1885 1900 1980 2010 2025 2110 2170 2200 ITU Allocations IMT 2000 IMT 2000 MSS MSS 1880 GSM 1800 UMTS Europe UMTS MSS DECT MSS WLL WLL GSM IMT 2000 MSS China 1800 IMT 2000 MSS 1893 1919 Japan IMT 2000 IMT 2000 MSS PHS MSS Korea (No PHS) 1990 2160 PCS M North Reserve MSS MSS D B C B A D B E F A D B E F C S America 2250 MHz 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 IMT2000標準內定義的無線頻譜 • 各國分配對3G通訊系統分配的頻譜

  41. IMT-2000Capable Systems GPRS GSM EDGE 1XRTT PDC TDMA/GPRS TDMA (IS-136) W-CDMA cdma2000 3XRTT cdmaOne Existingspectrum Newspectrum Today 2G 2000 envolved 2G 3G 19.2 kbps 64–115 kbps 115–384 kbps 0.384–2 Mbps 2G/2.5G網路如何升級到3G網路 • 從2G/2.5G通訊系統升級到未來3G通訊系統的方法

  42. 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

  43. UTRAN --> 2 Mbps Internet Operator Service Area RAN Service LAN IP backbone BSS Circuit-switch ISP GGSN SGSN ISUP SS7 backbone GMSC PSTN MSC/VLR Packet-switch Packet Data Network GPRS radio GPRS core network 2G/2.5G網路如何升級到3G網路 • GPRS網路升級到3G網路的方法是加入RAN設備

  44. SS(Switching System) AUC Backbone Network IP VLR HLR EIR Gn Gn MSC SGSN GGSN BSC BSS(Base Station System) PCU Iu-CS Iu-PS Iu-PS ISP Abis UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network RNC BTS Iub Iub Um Node B Node B MS UE 2.5G網路內加入RAN設備

  45. 第三代行動通訊標準發展(3G) • 美國與歐洲互組聯盟各擁自身發展的規格 • 所有規格標準分為兩大技術主流 • 以易利信、諾基亞、日本NTT等歐日廠商為所主張的WCDMA技術 • 美方電信設備業者Qualcomm與Motolora、Lucnet等共同推動的標準cdma2000 • 對IMT-2000而言，未來將可能出現多個標準並存的局面 • 3GPP  WCDMA • 3GPP2  cdma2000

  46. 發展3G標準的組織 • 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)。

  47. TIA UMTS標準化的程序 歐洲 European Telecommunications Standards Institute 日本 Association of Radio Industries and Businesses 中國大陸 China Wireless Telecommunication Standard group • 美國 Standard Telecommunications Committee 1 • 韓國 Telecommunications Technology Association • 日本 Telecommunications Technology Committee • 美國 Telecommunication Industry Association • 3GPP與3GPP2有些相似的特徵，訂出的規格也都屬於IMT-2000，不過兩者是不相容的。

  48. Frequency Division Duplex; 2x60 MHz UTRA Paired Band: WCDMA Uplink: 1920-1980 MHz Downlink: 2110-2170 MHz Frequency MHz TDD FDD MSS TDD FDD MSS 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 Mobile Satellite Service; 2x30 MHz Uplink: 1980-2010 MHz Downlink: 2170-2200 MHz Time Division Duplex; 35MHz UTRA Unpaired Band: TD-CDMA 1900-1920 MHz and 2010-2025 MHz UMTS標準內TDD模式與FDD模式的通訊頻譜

  49. 2G 2.5G Broadband Wireline Access ADSL, Cable Packet Switched Network Internet Core IP, ATM, WDM PSTN Circuit Switched Network 3G Iu-CS Iub ATM RNC Broadband Wireless Access RF Interface Node B ATM ATM Iu-CS 3G Radio Access Network (RAN) UMTS網路的架構 • 3G網路的傳輸協定架構於ATM網路之上

  50. GTP-U GTP-U GTP-U GTP-U RLC UDP UDP UDP UDP RLC IP IP IP IP MAC AAL5 PPP AAL5 L2 MAC ATM L1 L1 L1 ATM L1 Iu Uu MS RAN SGSN GGSN UMTS網路的架構 • 3G網路各個介面間的協定

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