第 10 章 蜂巢式無線網路

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第 10 章 蜂巢式無線網路

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蜂巢式網路 使用多個功率低於 100W 的低功率發射機 通訊區域切割

擁有獨立天線的小細胞 每個細胞分配一個頻帶，並且由包含發射機、接收機和控制單元 相鄰細胞會指配不同的頻率 細胞的天線和此移動者的距離都是相同的 ( 六角形的細胞形狀 )

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頻率重複使用

圖 10.2 頻率重複使用樣式

(a) N = 4 的頻率重複使用樣式 (b) N = 7 的頻率重複使用樣式

(c) 黑色細胞表示 N = 19 時頻率重複使用情況

半徑 D的圓圈

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增加容量 增加新的頻道數目 頻率借用 –頻率可以動態地指定到不同的細胞中 細胞分割 –細胞在高使用率的地區可以再分割成一些小的細胞 細胞分向 –細胞分向是將細胞區分成一些廣角的扇形區域，每個扇形區域擁有一組特定的頻道 微細胞 –減少細胞的大小時，伴隨著基地台和行動單元也必須減少發射功率。

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蜂巢式系統

圖 10.5 蜂巢式系統概觀

公用電話交換網路 行動電信交換網路

基地台

基地台

基地台

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蜂巢式系統的運作 基地台 – 包含有天線、控制器和一些收發機 行動電信交換局 – MTSO 連接行動單元間的通話 行動單元和基地台間兩種

控制頻道 –用來設定和維持通話的訊息交換 交通頻道 –載送使用者的語音或資料

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蜂巢式系統的運作範例

圖 10.6 行動蜂巢式系統範例

(a) 監視最強的信號

(c) 傳呼

(e) 通話進行中

(b) 請求連接

(d) 接受通話

(f) 換手

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其他功能 呼叫阻斷 通話結束 通話遺失 固定和遠端行動用戶之通話

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行動無線電傳輸的影響 信號強度

基地台和行動單元間的信號強度必須夠強以便接收機可接收到信號 同時也必須不要太強而產生太多的通道干擾

衰退 即使信號強度在細胞之有效的範圍內，信號傳輸的

影響可能干擾信號並且造成錯誤

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換手 細胞阻斷機率 – 在基地台交通量高負載的狀況下，新的通話被阻礙的機率 通話遺失機率 – 通話因為換手而被終止的機率 通話完成機率 – 完成通話 ( 不被中斷 ) 的機率 換手失敗的機率 –當接受到條件不合適時，換手動作被執行的機率

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相對信號強度(PB – PA)

換手 ( 續 )

圖 10.7 兩個細胞間的換手

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(a) 換手決策作為換手方式的函數 (b) 磁滯機制

在基地台 A接收到的信號在基地台 B接收到的信號

基地台A

基地台 B

指定

換手到 A 換手到 B

指定給 A

指定給 B

Th1

Th2

Th3

LA LBL1 L2 L3

L4 相對信號強度 )( AB PP

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換手 ( 續 ) 阻礙換手機率 – 換手無法成功的機率 換手機率 – 通話結束前，換手的機率 換手速率 – 每單位時間換手的次數 中斷期間 – 行動單元在換手時和基地台中斷連結的時間 換手延遲 – 行動單元進入到可以換手的條件的位置點與仍未執行換手的位置點的距離

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決定換手的主要參數 相對信號強度 使用臨界值之相對信號強度 磁滯的相對信號強度 使用磁滯和臨界值的相對信號強度 預測技術

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功率控制 設計的問題使得蜂巢式系統中會想要包含有動

態功率控制的能力 為能有效通訊，接收功率必須比背景雜訊足夠強，這亦指出需要足夠的發射功率 降低行動單元的發射功率

降低同頻道干擾 , 減輕對人體健康的顧慮 ,達到省電之功能 在使用 CDMA的展頻系統中，基地台通常要等化來自所有行動單元的信號功率

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功率控制種類 開路功率控制

單獨取決於行動單元 基地台未回授任何訊息 使用開路之方法的精確程度比使用閉路之方法要較差，但使用開路的結構可以在信號強度之快速變化情形下快速地反應

閉路功率控制 調整信號強度是在反向頻道上 基地台決定功率調整的決策，將功率調整指令以控制頻道傳送出去

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運輸工程 理想 , 一個細胞可使用的頻道數目等於在同一個時間所啟動的所有用戶數目 實際上 , 要完全擁有同一時間內處理所有任何可能的負載容量並不容易 假設一個細胞可以同時處理N個使用者和細胞有 L個潛在的用戶

L < N – 系統可視為是沒有阻礙的 L > N – 系統會被阻礙

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阻礙系統的問題 一個呼叫請求被阻礙的機率是多少 ? 需要多少容量 (N)才能符合所給定的阻礙機率上限 ? 平均延遲的時間是多少 ? 需要多少容量來達到一個確定的平均延遲 ?

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交通強度 一個系統中的負載 :

=在單位時間內平均的嘗試呼叫 ( 連線請求 )率 h =每個成功呼叫的平均等待時間 A = 平均等待時間的平均到達呼叫率

hA

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決定模式的行為因素 處理受阻礙的呼叫之行為

遺失呼叫延遲 –受阻礙的呼叫可以放在佇列中等待空出的頻道 處理受阻礙的呼叫之行為

遺失呼叫清除 (LCC) – 使用者受阻礙後馬上掛斷，並且等候一段隨機時間後再進行另一個嘗試呼叫 遺失呼叫保持 (LCH) – 使用者重複地嘗試呼叫的動作

交通來源的數目 使用者的數目有限或無限的假設下完成

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第一代類比系統 先進行動電話服務 (Advanced Mobile Phone Service, AMPS)

在北美地區， 2個 25-MHz的頻帶分配給 AMPS 系統 其中一個頻帶給基地台到行動單元的傳輸使用 另一個頻帶給行動單元到基地台的傳輸使用

這兩個頻帶再分別切成兩個以避免獨佔 頻率重複使用的方法

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AMPS 運作 藉由鍵入想要通話的電話號碼後再按下傳送鍵之方式啟動打電話程序 MTSO確認電話號碼是否正確，以及使用者是否被許可通話 MTSO 發佈一個訊息給使用者的電話，用以指出使用者可以使用哪個頻道作為發射和接收訊號 MTSO 送出一個振鈴信號給被呼叫者 被呼叫者回應後， MTSO 會在兩者間建立一條連結線路，同時開始計費 當某一方掛斷電話後， MTSO 會釋放原先的連結線路、釋放無線電頻道、以及完成計費訊息

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第一代和第二代蜂巢式系統 數位交通頻道 –兩代系統中最值得注意的不同點是第一代系統幾乎是純類比的，然而第二代系統是數位的 加密 –在第二代系統中，因為所有的使用者交通以及控制交通都已數位化，相對地較容易將所有的交通資料加密以避免被竊聽 錯誤偵測和更正 –第二代系統的數位交通流使語音接收時變得非常清晰 頻道存取 –在第一代系統中，每個細胞提供一些頻道，任何的時間，每個頻道只分配給一個使用者使用

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行動式無線 TDMA 的設計考量 邏輯頻道的數目 ( 在 TDMA 框架中的時槽數目 ) : 8 最大細胞半徑 (R) ： 35公里 頻率： 900 MHz 附近 最大汽車速度 (Vm) ： 250 km/hr 最大編碼延遲：大約是 20 ms 最大延展 (Δm) ： 10秒 ( 在多山的區域內 ) 頻寬：不超過 200 kHz，相當於每個頻道 25 kHz

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TDMA 時槽設計步驟

  圖 10.12

語音編碼

語音取樣

錯誤更正碼

語音區塊

最大的語音欄位區間

適應性濾波器的訊練序列

多工設計

最後的叢集設計

叢集設計

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GSM 網路架構

AuC 認證中心EIR 設備識別註冊HLR 總部位置註冊ME 行動設備PSTN 公用交換電信網路SIM 用戶識別模組VLR 訪客位置註冊

圖 10.14 GSM架構全部

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行動台 行動台透過Um介面和所在細胞的基地台之收發器進行通訊，這個介面也稱為空中介面 (air interface) 行動設備 (mobile equipment, ME) 視為一個實體終端機，例如電話或是個人通訊服務 (personal communication service, PCS) 元件

其中包含有無線電收發器、數位信號處理器、和用戶識別模組 (subscriber identity module, SIM) 插入 SIM卡之前 GSM 用戶單元並沒有區別

SIM 的漫遊並不需要攜帶用戶元件

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基地台子系統 BSS 是由基地台控制器和一個或多個的基地傳輸接收台所組成 每個基地傳輸接收台 (base transceiver station, BTS) 定義單一個細胞

它包含有一個無線電天線、一個無線電收發器、和一個到基地台控制器的連結器 BSC可儲存無線電頻率、管理行動單元在該BSS 中從一個細胞到另一個細胞的換手、以及控制呼叫

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網路子系統 NS提供蜂巢式網路和公用交換電信網路間的連結

控制在不同的 BSS 之細胞間的換手 使用者的認證和帳號的確認 包含行動使用者全球漫遊的一些功能

NS主要的元件是行動交換中心 (mobile switching center, MSC)

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行動交換中心 總部位置註冊 (Home location register, HLR) 資料庫 拜訪位置註冊 (Visitor location register, VLR) 資料庫 認證中心資料庫 (Authentication center database, AuC) 設備識別註冊資料庫 (Equipment identity register database, EIR)

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TDMA 格式 拖行位元 (Trial bits) –允許行動單元在和基地台的各種距離下進行傳輸的同步 加密位元 (Encrypted bits) –加密資料 侵占位元 (Stealing bit) -指出這個區塊是含有真正的資料或是這個區塊已經被“侵占”作為緊急控制信號 訓練序列 –用於調整接收器的參數，作為現在的路徑傳輸特性

多重路徑傳輸時選擇最強的信號 保護位元 (Guard bits) – 用來避免因為多重路徑延遲所產生和其他的叢集重疊之現象

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GSM 語音信號處理

無線電波

語音編碼通道編碼位元交錯

加密叢集組合

調變

語音解碼通道解碼

位元解交錯解密

叢集分解延遲等化

解調變

發射機 接收機

圖 10.16

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GSM 信號協定架構

行動台 基地台收發機 基地台控器 行動服務交換中心

圖 10.17

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協定所提供的功能 GSM 的信號鏈結層上面有許多協定架構 :

無線電資源管理 行動管理 連結管理 行動應用部分 BTS 管理

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CDMA 對於蜂巢式網路的優點 頻率多樣性 – 因為傳輸的信號被展開成為一個很大頻寬的信號 對抗多重路徑 – 除了頻率多樣性的 DS-SS具對抗多重路徑衰退的能力 隱密性 – 因為展頻的頻譜是使用類似雜訊的信號 緩慢的下降 – 採用 FDMA或 TDMA的系統可提供固定數目的使用者同時存取該系統

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蜂巢式 CDMA 的缺點 自我干擾 – 除非所有的行動使用者都能完美地同步，否則從多個使用者傳輸過來的信號並不會完美地對準細片的邊界 遠近問題 – 靠近接收機的信號至接收機的衰減量比遠離接收機的信號之衰減少 軟換手 –如後面即將討論到的，若要從一個細胞平順地換手到另一個細胞，行動者在釋放舊的細胞前須先獲准新的細胞，此種視為軟換手的動作比 FDMA和 TDMA架構中的硬換手要複雜得多

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行動無線 CDMA 設計的考量 RAKE接收機 –在蜂巢式系統中常見的多重路徑環境中，如果多個信號版本到達，每個版本間之分開延遲的時間大於一個細片的時間時

接收機能夠藉由細片序列和主要進入信號間的相關性來恢復主要信號，其餘的信號則被視為雜訊處理

軟換手 –行動台暫時地同時連接超過一個的基地台

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RAKE 接收機的原理編碼產生器

調變器

解調器

多重路徑通道

Rake 接收機

二進制資料

10.18 RAKE 接收機的原理 [PRAS98]

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前向鏈結頻道型式 引導 (Pilot) ， ( 頻道 0) -這個頻道允許行動單元獲得時間訊息、提供參考相位給解調處理器、以及提供信號強度比較的結果作為換手決策的用途 同步 (Synchronization) ， ( 頻道 32) -被行動台用來獲得蜂巢式系統之相關訊息 傳呼 (Paging) ， ( 頻道 1 到 7) -包含給一個或多個行動台的訊息 交通 (Traffic) ， ( 頻道 8到 31 和 33到 63) – 前向頻道提供55個交通頻道

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前向頻道上使用 對於語音交通，聲音以 8550 bps的速率編碼 增加一些錯誤偵測位元 資料或是數位化的聲音以 20- 秒區塊方式傳送，其中使用速率 1/2的旋積碼 資料打散以降低錯誤發生的影響 資料的串流和區塊交錯器的輸出作互斥運算

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前向頻道上使用 ( 續 ) 交通頻道中插入功率控制訊息 DS-SS 功能，此功能使用 64×64的 Walsh矩陣中的一列將資料率 19.2 kbps 展開成為 1.2288 Mbps 數位位元串接著使用 QPSK的調變方式調變到載波上

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第三代無線通訊定義 ITU 提供和公用交換電信網路相同的語音品質 提供 144 kbps資料速率給使用者在大區域上高速行動的汽車內使用 提供 384 kbps資料速率給行人或慢速行動在小區域內使用 提供 ( 即將納入 )2.048 Mbps資料速率在辦公室使用 提供對稱與非對稱的資料傳輸速率 同時支援封包交換和線路交換的資料服務

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第三代無線通訊定義 ITU( 續 ) 提供一個網際網路的適應性介面，使能有效率地反映一般在進入和出去交通的非對稱特性 在一般的情形下可更有效率的使用頻譜 支援更廣泛多變的行動設備 允許採用新的服務和技術的彈性

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可選擇的介面 無線電介面

IMT-DS直接序列展頻

(W-CDMA)

IMT-MC多載波

(cdma2000)

IMT-TC時間碼

(TD-CDMA)

IMT-SC單載波(TDD)

IMT-FT-頻率 時間

(DECT+)

CDMA- 基礎網路

TDMA- 基礎網路

FDMA- 基礎網路

圖 10.22

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CDMA 設計的考量 頻寬 – 限制頻道只可以使用 5 MHz的頻寬 片率 – 給定頻寬後，片率和資料速率、錯誤控制的需求、和頻寬的限制等參數有關， 3 Mcps或更多的片率對於這些參數是合理的 多重速率 –多重速率的優點是系統可以從一個特定的使用者彈性地提供多個同時的應用，同時只提供每個服務所需的頻寬以提高頻寬的使用效率