教育部補助「行動寬頻尖端技術跨校教學聯盟計畫-

行動寬頻網路與應用-小細胞基站聯盟中心計畫」Small Cell創新應用與服務專題

實驗單元：行動通訊技術之沿革與演進

計畫主持人：許蒼嶺授課教師：李宗南、簡銘伸、李名峰

教材編撰：吳忠岳

國立中山大學資訊工程學系

中華民國 105年 2月

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目錄目錄

壹、課程目標.....................................................................................................................4

貳、第一代通訊技術(1G, First Generation).................................................................52-1、蜂巢式網路.......................................................................................................5

2-2、多重存取(Multiple Access Schemes)...........................................................62-3、第一代通訊（1G, First Generation）............................................................8

參、第二代通訊技術(2G, Second Generation)............................................................93-1、全球移動通訊系統(Global System for Mobile Communications, GSM)...93-2、2G其他系統技術............................................................................................11

肆、第三代通訊技術(3G, First Generation)...............................................................13

4-1、3G主要技術...................................................................................................13

4-2、通用行動通訊系統(Universal Mobile Telecommunications System, UMTS).....................................................................................................................14

伍、第四代通訊技術(4G, First Generation)...............................................................16

5-1、4G主要技術...................................................................................................16

陸、第五代通訊技術(5G, First Generation)...............................................................21

6-1、5G介紹..........................................................................................................21

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壹、課程目標現今科技發展迅速，行動通訊系統的技術已經進化成熟，此課程目的為讓學生了解行

動通訊技術的演進，並且詳細介紹從最一開始的類比通訊技術，到現今 LTE 的發展過程，及未來 5G 可能的演進方向之簡介，在後面的章節也有相關通訊技術的基本介紹。

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貳、第一代通訊技術(1G, First Generation)

2-1、蜂巢式網路蜂巢式服務有許多類型，在我們繼續專研細節之前應該先了解基礎，蜂巢式網路是一

種基於無線電的行動通訊硬體架構，分為模擬蜂巢式網路和數位蜂巢式網路。蜂巢式網路的無線電波經由天線發送，無線電訊號常使用 850 MHz、900 MHz、1800 MHz，還有 1900 MHz等頻段。

圖 2-1-1、無線電頻段示意圖基地台與手機在同一分配頻段下透過發送信號來溝通，一個基地台的覆蓋範圍通常稱

為一個 Cell，而手機通常由距離最近的基地台服務，當手機從一個基地台的服務範圍進入另一個基地台的服務範圍時會觸發 Handoff(或 Hand-over)機制，由於構成網路覆蓋的各通訊基地台的訊號覆蓋呈六邊形，從而使整個網路像一個蜂窩而得名。

圖 2-1-2、基地台附蓋範圍示意圖而以下可從無線技術世代的演化來了解蜂巢式網路：

● 0G: Briefcase-size mobile radio telephones

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● 1G: Analog cellular telephony● 2G: Digital cellular telephony● 3G: High-speed digital cellular telephony (including video telephony)● 4G: IP-based “anytime, anywhere” voice, data, and multimedia telephony at faster

data rates than 3G(to be deployed in 2012–2015)

圖 2-1-3、無線技術的演進

2-2、多重存取(Multiple Access Schemes)而無線通訊技術中，多重存取(Multiple Access)技術也是很重要的環節，多重存取

又可分為頻率分割多重存取(Frequency Division Multiple Access, FDMA)、時域分割多重存取(Time Division Multiple Access, TDMA)、分碼多重存取(Code Division Multiple Access, CDMA)。

圖 2-2-1、多重存取模式示意圖

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頻率分割多重存取是將頻段切割分配給使用者，並且利用 guard band 來防止相鄰頻段的訊號干擾（如圖 2-2-2），通常無線設備都會有上行頻道跟下行頻道，而不同的蜂巢網路也會有不同的使用頻段，頻率對無線通訊來說是一個珍貴的資源，在後續的章節我們也會有更深入的介紹。

圖 2-2-2、頻率分割多重存取（FDMA）時域分割多重存取則是將相同頻段藉由將時間切割成時槽分配給使用者，一個時槽只

允許一個使用者，避免競爭，並且也利用 guard time 來防止在同一時間收到來自不同地方的訊號（如圖 2-2-3）。

圖 2-2-3、時域分割多重存取（TDMA）分碼多重存取則是利用正交編碼（orthogonal codes）來區分不同的訊號傳遞，將話

音訊號轉換為數位訊號，給每組數據話音封包增加一個地址，進行擾碼處理，並且將它發射到空中。CDMA 最大的優點就是相同的帶寬下可以容納更多的呼叫，而且它還可以隨話音傳送數據資訊。

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圖 2-2-4、分碼多重存取（CDMA）

2-3、第一代通訊（1G, First Generation）第一代無線通訊技術為類比通訊系統，以蜂巢式行動通訊系統達成射頻通道之再使用

(frequency reuse)，採用類比式 FM調變方式，以語音通訊為主，無法支援數據通訊服務。以下為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)

表 2-3-1、早期的類比通訊系統比較表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 1981, upgraded in 1988 Germany, Austria, Portugal, South Africa

Comvik August, 1981 Sweden

NMT 450 (Nordic Mobile Telephone) NMT 900 (Nordic Mobile Telephone)

19811986

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

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參、第二代通訊技術(2G, Second Generation)

3-1、全球移動通訊系統(Global System for Mobile Communications, GSM)

GSM 是當前應用最為廣泛的行動電話標準。全球超過 200 個國家和地區超過 10億人正在使用 GSM 電話。GSM 標準的廣泛使用使得在行動電話業者之間簽署「漫遊協定」後使用者的國際漫遊變得很平常。GSM較之它以前的標準最大的不同是他的信令和語音頻道都是數位的，因此 GSM被看作是第二代（2G）行動電話系統。GSM 標準當前由 3GPP 組織負責制定和維護。

從使用者觀點出發，GSM 的主要優勢在於提供更高的數位語音品質和替代呼叫的低成本的新選擇（比如簡訊）。從網路業者角度看來，其優勢是能夠部署來自不同廠商的裝置，因為 GSM作為開放標準提供了更容易的互操作性。而且，標準就允許網路業者提供漫遊服務，使用者就可以在全球使用他們的行動電話了。

1980年代初，第一代行動電話技術開始應用，當時存在眾多互不相容的標準，僅在歐洲就有北歐的 NMT、英國的 TACS、西德等國使用的 C-450、法國的 Radiocom 2000 和義大利的 RTMI 等。使用者的手機無法在其他標準的網路上使用，造成很大的不便。由於這個原因，西歐國家開始考慮制定一個統一的下一代行動電話標準，以便能夠提供更多樣的功能和使使用者漫遊更加容易。1990年，第一版GSM 標準完成。1998年，目標為制訂接替GSM 的第三代行動電話（3G）規範的 3GPP啟動。3GPP 也接受了維護和繼續開發 GSM規範的工作。ETSI 是 3GPP 的成員之一。目前，3GPP 組織還在發展 GSM 標準，以便利用已經大量部署的 GSM 基礎設施，平滑地向 3G 技術演進。

GSM 行動通訊系統特點為全數位式、細胞式架構、使用 TDMA 與 FDMA 多重存取技術、支援客戶識別(SIM)、保密通訊及國際漫遊(roaming)。

GSM 的服務包括短訊服務（Short Message Service, SMS）、通用封包無線服務技術（General Packet Radio Service, GPRS）。GPRS 讓使用者可以在通話的同時傳送封包資料，通常又將 GPRS 技術稱為 2.5G。

GSM 的頻道可以分為 Physical Channel 與 Logical Channel，在頻段中每個載道都可以被稱為一個 Physical Channel，而基地台與設備中傳遞的頻道則稱為 Logical Channel，依據傳遞不同訊息使用不同的頻道，可分為 Traffic channel 與 Control Channel。而 GSM 的使用頻段一開始是規劃在 900MHz，現在可使用 800MHz, 1800MHz 以及 1900 MHz，並且將上行與下行頻段分開，圖 3-1-1 為 1800MHz 的頻段示意圖。

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圖 3-1-1、GSM 1800MHz 上行下行頻段示意圖

圖 3-1-2、GSM 架構圖圖 3-1-2 為 GSM 的架構圖，從架構圖中可以看到 GSM較主要的組成元件，包括終

端設備、Base Station Subsystem、Network and Switching Subsystem，以下我們會針對這些架構一一作詳細介紹。

行動基站Mobile Station (MS):

泛指使用者手持設備，並且區分為兩部分，行動裝置(Mobile Equipment)及用戶識別元件(Subscriber Identity Module)。行動裝置即是使用者所使用的無線電設備，所有使用者介面端以及記憶體存取等等的服務皆由行動裝置負責。常見的用戶識別元件像是 SIM卡，使用者的資訊都記載在內。

基站子系統 Base Station Subsystem:

基站子系統中包括用來轉碼的元件 Transcoding Rate and Adaptation Unit

(TRAU)，專門處理換手機制以及分配頻道的 Base Station Controller (BSC)，還有處理發送器訊號的 Base Transceiver System (BTS)。

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網路交換子系統Network and Switching Subsystem:

GSM網路的骨幹是電話交換網路，Mobile Switching Center (MSC)會記載啟動中的行動基站(MS)的位置資訊並且負責處理電話網路的交換。Gateway Mobile

Switching Center (GMSC)負責將整個系統連結到 PSTN。Home Location

Register (HLR)儲存使用者的註冊資訊，例如電話號碼、國際認證碼、計費資訊等等。

GSM還有 Short Message Service Center系統，負責處理短信的發送，就像是一個 E-

mail Server一樣。而一個行動裝置有可能同時處在很多個基站的覆蓋範圍內，當行動裝置進入到新的基

站的覆蓋範圍時，MSC中的 VLR會被更新，舊的基站發現後就會送出回應給行動裝置。當行動裝置正在通話中，但位置不斷改變時，BSC就會準備一個新的頻道給新的 BTS，並

且通知MS準備切換到新的 BTS，這種切換的整個過程就稱為換手(Handoff)，而若換手機制採用的是讓MS同時連到兩個 BTS的方法，則稱為 Soft Handoff。

GSM的系統特色還有漫遊服務，當使用者進入到其他服務商網路時，能被該服務商允許使用服務，但成立條件是服務商之間必須達成協定，並且使用者可能會被收取較高的費用。

圖 3-1-3、GSM網路架構圖3-2、2G其他系統技術

除了GSM外還有一個廣為使用的行動通訊系統稱為 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(Code Division Multiple Access)系統語音編碼採用QCELP( Qualcomm CELP )，語音編碼速率 8.5 kbps。

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而 2G到 3G的發展過程中更演化出了被稱為 2.5G的通用封包無線服務技術(General

Packet Radio Service, GPRS)，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，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。手機可經由 GSM + GPRS 連上 Internet 或 Intranet。GPRS 為手機提供遠端存取與控制智慧型家電為手機提供新的數據加值服務(new non-voice value added service) 如 FTP (File

Transfer Protocol )， email， telnet， web browsing， chat 等。圖 3-2-1為GPRS的系統架構圖。

圖 3-2-1、GPRS系統架構圖而 2G技術是如何演化到 3G的呢?圖 3-2-2為 2G到 3G的演化圖。

圖 3-2-2、2G到 3G技術演化

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肆、第三代通訊技術(3G, First Generation)

4-1、3G主要技術行動技術發展到 3G，主要分為以下幾個技術:

• WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)：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 Time division multiple access) ：UWC-136 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(Orthogonal frequency-division multiplexing)：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 (International Mobile Telecommunications-2000)：為所有 3G系統的總括規格而發展 3G的組織主要為 3GPP以及 3GPP2兩個組織。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)。

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圖 4-1-1、2G到 3G服務演進4-2、通用行動通訊系統(Universal Mobile Telecommunications System, UMTS)

UMTS是GSM 經由GPRS 或是 EDGE的升級，由 3GPP 提出標準化定型，它的無線介面使用W-CDMA技術，代表歐洲對 ITU IMT-2000 關於 3G蜂窩無線系統需求的回應。UMTS有時也叫 3GSM，強調結合了 3G技術而且是GSM 標準的後續標準。

UMTS的頻段分布介於 1900-2025 MHz 以及 2110-2200 MHz之間，如圖 4-2-1所示。

圖 4-2-1、UMTS頻段分布

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SD

Mobile Station

MSC/VLR

Base StationSubsystem

GMSC

Network Subsystem

AUCEIR HLR

Other Networks

Note: Interfaces have been omitted for clarity purposes.

GGSNSGSN

BTS BSC

NodeB

RNC

RNS

UTRAN

SIM ME

USIM ME

+

PSTN

PLMN

Internet

圖 4-2-2、UMTS 架構UMTS的網路架構分為三個範圍: 核心網路(Core Network ,CN): 提供使用者 switching, routing以及 transit 所

需的流量。 UMTS的無線接入網(UMTS Terrestrial Radio Access

Network ,UTRAN): UTRAN 允許使用者設備（UE）與核心網（CN）彼此溝通。UTRAN 內含基台（BS），被稱為 Node Bs, 與 Radio Network Controllers (RNC)。其中Node B的功用為負責空中介面的 Tx/Rx，以及負責調變與解調(Modulation/Demodulation)。RNC的功用有控制無線電資源、頻道分配、功率控制、換手控制。

使用者設備(User Equipment ,UE): 無限終端設備。而 3G技術中高速封包存取(High Speed Packet Access ,HSPA)又被稱為 3.5G，

是W-CDMA第一個進化技術，HSPA可增加資料傳輸速率（1－3Mbps），可減少延遲。HSPA 由HSDPA、HSUPA 組成，隨後還有HSPA+的推出。HSPA+在 3GPP release 7中定義。HSDPA在W-CDMA 下行鏈路中提供封分組數據業務，在一個 5MHz載波上的傳輸速率可達 14.4Mbit/s（如採用MIMO技術，則可達 28.8 Mbit/s）。高速上行分組接入（High Speed Uplink Packet Access的縮寫 HSUPA）是一種因 W-CDMA 上傳速度不足（只有 384Kbit/s）而開發的，亦稱為 3.75G，可在一個 5MHz載波上的下行傳輸速率可

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達 14.4Mbit/s（如採用MIMO技術，則可達 28.8Mbit/s），上行傳輸速率可達5.76Mbit/s。

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伍、第四代通訊技術(4G, First Generation)

5-1、4G主要技術4G網路必需要具備全 IP 封包交換網路，必需要 IP 化才能順利融入現今的 IP網路，且

必須要有更高的連線速率，100 Mbps 以上是很基本的要求，還要能無縫(Seamless)整合現行無線個人通訊網路，現行的無線網路如WWAN、WMAN、WLAN及WPAN，以及要支援多樣化的服務，必需能提供語音、數據及各種格式的多媒體串流如高畫質電視、行動電視及數位廣播等服務。

而長期演進技術(Long Term Evolution ,LTE）又被稱為 3.9G，是高速下行封包接入往4G發展的過渡版本。 長期演進技術是應用於手機及數據卡終端的高速無線通訊標準，該標準基於舊有的GSM/EDGE 和 UMTS/HSPA網路技術，並使用調變技術提升網路容量及速度。該標準由 3GPP（第三代合作夥伴計劃）於 2008 年第四季度於 Release 8 版本中首次提出，並在Release 9 版本中進行少許改良。圖 5-1-1 詳列出 LTE的優點，圖 5-1-2更比較出 LTE速度的提升。

圖 5-1-1、LTE 優點

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圖 5-1-2、4G、LTE 與其他行動技術速度比較LTE主要的無線電技術是下載使用OFDMA, 上載使用 SC-FDMA以節省電力。下行資

源包括頻率資源、時間資源和空間資源，即既有分頻多工，又有分時多工，又有空間多工。ETSI TS 136 211 規範定義了Resource Block資源塊（LTE 下行鏈路）是下行鏈路上可以分配給一個用戶的最小資源單位。一個資源塊包括 12個子載波且持續一個時槽的時間；一個時槽持續 0.5 毫秒，包含了 7個OFDM 符號（symbol）；而每個OFDM 符號（symbol）占據了12個子載波的頻率資源。支持分頻雙工（FDD）和分時雙工（TDD）通訊，並接受使用同樣無線連接技術的分時半雙工通訊。圖 5-1-3為 LTE 實體層的特性。

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圖 5-1-3、LTE 實體層特性在介紹 LTE之前我們先來介紹何謂 FDD 與 TDD。訊框架構在分頻多工(Frequency-Division Duplexing ,FDD)模式下，在頻率軸上以成對

的方式進行分頻使用，一頻帶用於下行頻寬(DL Bandwidth)，另一頻帶用於上行頻寬(UL

Bandwidth)，如圖 5-1-4所示。

圖 5-1-4、分頻多工在分時多工(Time Division Duplexing ,TDD)模式下，頻譜為上下行所共用，上下行

的配置是以時間進行分時配置，一部分時間安排下行傳送，另一部分則安排上行傳送。在下行轉上行時，會有一段保護時間(Guard Period, GP)用於接收與傳送間進行轉換，如圖 5-1-5

所示。圖 5-1-5、分時多工

在了解 FDD 與 TDD兩種模式的差異後，我們接著要介紹 LTE 最主要的技術正交頻分复用(Orthogonal frequency-division multiplexing ,OFDM)。所謂的OFDM，亦可視為

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多載波調製(multi-carrier modulation)的一種，簡而言之，可以算是調變技術的一種，藉由將原本單一通道切割成若干的子通道，將高速的資料信號轉換成並行的低速的子資料流程，並於子通道上傳輸，可以將更多資料載到子頻道上，有效提昇頻譜利用率(spectrum efficiency)，增加系統的資料傳輸量。而這技術配合不同的多重存取(multiple access)方式，如OFDM/FDMA、OFDM/TDMA、以及OFDM/CDMA，不僅多載波可以有效提昇資料傳輸率，加上結合多重存取技術，可以讓多個裝置與其通信。而我們一般泛稱的OFDMA，其實就是OFDM/FDMA的簡稱，全名為 orthgonal frequency division multiple access (正交分頻多重存取)，是一種通道存取方式。除了在多載波上傳輸，面對不同使用者，甚至可以在不同的子載波上選用特定(static)或動態(adaptive)的子載波數做為傳輸，因此對於通道條件差的載波可以盡量避免使用，透過這樣有效的選擇，OFDMA 亦是行動式WiMAX (mobile WiMAX, 亦稱 IEEE 802.16e)、及 4G行動通訊技術(IEEE 802.16m, LTE/LTE-Advanced)的最佳選擇。圖 5-1-6為OFDMA的示意圖。

圖 5-1-6、OFDMA

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圖 5-1-7、LTE 架構

圖 5-1-8、歷代無線通訊技術比較表

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陸、第五代通訊技術(5G, First Generation)

6-1、5G介紹第五代移動通信系統（英語：5th generation mobile networks 或 5th

generation wireless systems），簡稱 5G，指的是移動通訊技術第五代，也是 4G之後的延伸，目前正在積極研發中，且目前還未有任何電信公司或標準訂定組織（像3GPP、WiMAX 論壇及 ITU-R）的公開規格或官方文件有提到 5G。

下一代行動網路聯盟(Next Generation Mobile Networks Alliance)定義了 5G網絡的以下要求： 以數十兆比特每秒（Mbps)的數據傳輸速率支持數萬用戶 可以以一千兆比特每秒(Gbps)的數據傳輸速率同時提供給在同一樓辦公的許多人員 支持數十萬的並發連接以用於支持大規模傳感器網絡的部署 頻譜效率應當相比 4G被顯著增強 覆蓋率比 4G有所提高 信令效率應得到加強 延遲應該顯著相比 LTE被降低

圖 6-1-1、5G 各項技術的提升下一代行動網路聯盟認為，5G應在 2020 年陸續推出，以滿足企業和消費者的需求。除

了提供簡單的更快的速度，他們預測 5G的網絡還需要滿足新的使用案例的需求，如物聯網（網絡設備建築物或 Web 訪問的車輛），以及廣播類服務和在發生自然災害的時候的生命線通信。

由於 5G技術將可能使用的頻譜是 28GHz及 60GHz，屬極高頻（EHF），比一般電訊業現行使用的頻譜（如 2.6GHz）高出許多。雖然 5G能提供極快的傳輸速度，能達到 4G網

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絡的 40倍，而且時延很低，但訊號的衍射能力（即繞過障礙物的能力）十分有限，且傳送距離很短，這便需要增建更多基站以增加覆蓋，而 5G將會面臨到的挑戰如下圖 6-1-2所示。

圖 6-1-2、5G面臨的挑戰

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