Reading Report For 21st Century

Reading Report for Wireless Mobile Communications at the Start of the 21st Century 陳俊志 1 The History of Wireless Mobile Communications 　　20 世紀中期 Bell 實驗室提出的一個新觀念，造成無線通訊產生革命性改變。其內容為 在被排列在 cell 式架構的一群 cell 中，再使用相同有限的 RF，去達到能服務無限數目的使用 者。另外，呼叫還可系統地在 cell 間換手以處理 cell 間的汽車行動性。 　　第一代的無線行動系統為類比且是以 FDM 科技為基礎。此時因電話的尺寸較大，此產 業發展尚有限。後來，因為兩個主要原因，造成此產業開始蓬勃發展。首先，透過 ASICs 的 使用，電話尺寸縮減成手持式；再來是第二代行動通訊標準的問世，包括了 GSM、IS136、IS-95 和 PDC，其不僅改善了聲音品質及服務，更降低了手機及設施系統的成本。 　　3G 通訊標準除了大大改善 spectral efficiency 和系統成本外，因為頻寬的改善，開始能 傳送多媒體資料。故使用對象比起 2G 時又更加廣泛。 1.1 Frequency Spectrum 　　為因應手機使用指數性成長，我們除了傳統作個人通訊用途的 800～900MHz 頻帶，還 需再多分派頻帶給 3G 系統。有鑒於此，ITU 提出各國在類似頻帶上該使用哪些標準，結果 各國所分派的頻帶仍不大相同，因而造成手機為了要在國家間漫遊，其必須在不同頻帶下運 作。 　　而各國分發頻帶給 service provider 的方式也有不同。有些是以拍賣方式；有些以類似於 選美比賽方式完成。 1.2 Wireless Mobile Standards 　　ITU 為了促進全球性的漫遊，對於無線行動通訊做了許多介面的定義。但事實上是不夠 的，原因在於 3G 系統需由現存的 2G 系統進化，而其又是基於不同科技和 air interface 標準。 此外，還有兩種核心網路標準：GSM-MAP 與 ANSI-41。 　　對於是基於 GSM 或 TDMA 標準的大部分 2G 系統，升級至 3G 是經由 EDGE 標準計畫。 對於新成立的 service provider，通常使用 UMTS 且採用 W-CDMA 科技，其系統在每個連結 方向使用 5MHz 頻帶寬並運用 FDD。而對於是基於 IS-95 CDMA 科技的系統，升級將會以 cdma2000 標準及 IS-2000，而 cdma2000 初始實作是在每個連結方向上用 1.25MHz 頻帶寬以 確保與目前 2G CDMA 系統之完全相容性，同時還保有能變為 5MHz 系統的可能性。 　　3GPP for UMTS 和 3GPP2 for cdma2000 的成立目的是為了易於 3G 無線行動標準的快速 開發。 　　ITU 為了讓 GSM-MAP 和 ANSI-41 能針對市場需要而分開演進，因此只有訂定要使用在 核心網路間的協定，稱為 NNI，如此一來，呼叫就可以在連接至兩個不同網路的 cell 間漫遊。 　　因為 3G air interface 標準與核心網路標準的幾種可能組合，產生了兩方面的影響：對 infrastructure system 來說，要支援不同標準並根據 service provider 和國家使用不同頻帶；對 手機來說，在不同 service provider 和國家間漫遊也要支援不同標準。而 SDR 被認為有潛力 能解決上述議題，主要是對於頻帶和標準的差異載入不同軟體。 2 Software-defined Radio 　　因為半導體和數位科技的快速進步，此法已成為可行。這些進步大致有：能在足夠的動 態範圍內快速直接轉換靠近天線的訊號、因為前一個原因，我們可以採用 wideband radio approach 還有能以低成本製造一般用途 programmable device，而且這些裝置的效能也不輸用 硬體的實作。

　　SDR 有以下可能優點：已有可用的商業數位架構和軟體 protocol stack、透過軟體升級可 容易增加新服務及功能、實作出的系統容易對 mass 和 niche 市場的特定顧客需求修改還有可 對系統效能在時間上作最佳化且降低新系統配置風險。 　　對於 infrastructure system 來說，不同 service provider 仍只需要支援特定標準的系統設備， 再者，用 ASICs 實作之建造成本較低。另外，理論上由 SDR 所實作的系統只需隨時間作軟 體升級，但實際上，因為處理器與 DSP 晶片的老化，系統的硬體可能需要重新設計和定期 更改。基於上述原因，SDR 尚沒被廣泛接受。 　　另外對手機實作而言，多數使用者仍滿足於支援一特定無線標準的手機。此外，使用 ASICs 實作的電源消耗較低，還可做出尺寸較小的手機。因此，SDR 還有許多待克服的問題。 　　但隨時間的推進，以 SDR 實作之百分比還是會上升的。 3 Geolocation and Related Applications 　　wireless geolocation 科技除可大幅增加使用者對象外，更帶來許多應用，其中值得一提 的是，能夠根據使用者地點滿足其需求的電子商業應用。 　　有兩種定位的技術。其一是以網路為基礎的方法，藉著時間點、訊號收到的角度和接收 到的訊號強度這些參數估計位置；其二是基於手機的方法，主要是根據使用 GPS 的衛星訊 號。因為單獨使用會有些限制，故有人提出將兩種方法合併使用。 4 Intelligent Antennas 　　此技術可以大大增加系統容量，因應無線行動應用的持續快速成長。目前 narrow beam 方案有兩個：steered beam 和 switched beam 方法。steered beam 方法是運用 phased-array 天線， 使多欄天線 element 成對或每隔一段距離排列。這些 phased-array element 是使用於天線中以 產生一個 narrower beam，其只被導引至 forward link 上的目標行動用戶，然後目標移動時， 這個 beam 就與其一起移動。而 switched beam 與 steered beam 方法不同的地方在於：第一， switched beam 方式中，天線 aperture 是固定於一區段的片段中，而 steered beam 則是依據頻 道狀況可做調整；第二，switched beam 方式中，行動用戶移動時，系統會直接將天線 beam 轉換到另一個。 　　除上述方法外，可調式處理演算法也可被用來處理從多個天線欄來的訊號。因為此技術 能大幅減少高速率資料產生的干擾，所以在有限數量的高速資料行動用戶，其中掺以聲音使 用者的情況中，增益會比起其他技術來得大。 　　另外還有一個 BLAST 技術，其能建立運行在同頻帶上多個平行且同時頻道，又不增加 整體傳送電源。結果容量在 forward link 與 reverse link 上都有提升，大大超越了其他技術。 5 Superconductor, TTLNA, and Multi-user Detection 　　 這裡討論的技術特別對無線行動系統的 reverse link 有極大改善。 　　一 cell 的涵蓋半徑受到兩個因素影響，其一為手機傳送功率；其二是基地台方面的 thermal noise strength，被稱為 noise figure。而後者為涵蓋範圍改善的關鍵。對第二因素，有 兩種改善方法，第一是使用超導體裝置；第二是在天線塔頂端使用低雜訊放大器 （TTLNA）。但前者在可靠度與裝置大小上比不過後者，故尚未被廣泛接受。 　　在都市環境下，無線行動系統主要是受限於容量而非涵蓋範圍。針對此狀況，我們可使 用 multi-user detection。首先，因為基地台的容量常受限於在同樣 cell 使用同樣頻率的其他使 用者所產生的 co-channel interference，故此法提出：當一個具大訊號強度先被收到且偵測到 時，先將此訊號從總體收到訊號中減去，然後在偵測到第二個使用者時，同樣將偵測到的訊 號減去。此過程可重複以改善訊號偵測。但事實上，此技術尚在研究階段，若要受到廣泛接 受，還要先改善處理速度及 forward link 容量。 6 Wireless Internet

　　 目前而言，已有一些手機配有 WAP 與 Wireless Java 作為無線網路應用。而要達成手機 無線地存取網路連線，必須有好的封包交換網路，於是出現是否 VoIP 和全 IP 無線網路是否 可行的問題。因為 IP 協定使用作聲音用途時，會有能減低 spectral efficiency 的大量超載。出 現無法容忍的延遲也是可能的，因為無線行動應用的頻寬仍有限。由以上得知，一個整合資 料和聲音的全 IP 無線網路短時間內還無法普遍。 　　對於基地台和網路或固定式無線的 air interface 和其他 air interface 間的介面，全 IP 網路 可利用 ATM 達成。這是因為 ATM 能保證聲音與資料的傳遞品質，又允許將 IP 網路最佳化 所需的附加時間，也能建構需要的頻寬。 　　不過一旦能成功建置全 IP 網路，網路成本會下降，其運作、管理和維修將會較方便。 7 Competing Networks and Technologies 　　除無線行動科技外，還有一些替代科技像是固定式無線、寬頻無線與衛星，其中寬頻無 線如 LMDS 和 MMDS。 　　固定式無線環境中不需要行動性管理，故系統架構可大幅簡化，實作起來也較便宜。但 終究比不上無線行動系統。首先，因為主要應用是聲音，大家還是喜歡沒有線的手機，第二， 可能的系統設計簡化之成本節省需要的量可比行動無線系統，最後，其安裝方面，若使用 narrow beam 天線將會很花時間且昂貴。 　　使用 LMDS 和 MMDS 的點對點和點對多的方案在聲音應用上亦無法和無線行動的方案 競爭。第一，因被分派到高頻帶，又因無線電訊號是以直線傳遞的，系統運作需要 line of sight 傳遞；第二，設備的成本高。 　　而衛星通訊因為在聲音方面的成本更高，同樣不能與無線行動科技相比。 　　然而在資料應用方面，上述提到的固定式無線、LMDS 與衛星方案都能提供高速資料傳 輸。因此可以預期的是，上面的替代無線方案在資料應用上會有激烈競爭。 8 Conclusions 　　還有許多能革命性改變通訊的無線行動通訊技術才將要出現，最終可使我們在任何地點、 任何時間能與任何人、任何裝置作通訊。