個人行動數位通訊簡介 - i-shou...
TRANSCRIPT
ISU 1
個人行動數位通訊簡介
義守大學電子系
陳昭宏
ISU 2
個人行動數位通訊之特徵
使用者需求隨時隨地通訊
–即時
–語音與數位資訊通訊資源
通訊鏈結之特性不確定性
–傳輸媒介與通道
–鏈結品質與通訊技術
–通話對象, 如何建立連線
ISU 3
訊息型態之特徵Analogue or Digital
Analogue(類比): 以 fidelity or quality 為訊息之特徵
Digital(數位): 以傳輸之準確率為特徵. 如: Bit ErrorRate (BER, 位元錯誤率) and Symbol Error Rate(SER, 符號錯誤率).
訊號性質
ISU 4
通訊、資訊與資訊量
通訊目標使發送端資訊完整無誤傳送至接收端
資訊訊號源所有可能產生之數據皆稱資訊
資訊量根據訊號源之所有數據產生機率所定義之數值
機率越大之訊息資訊量越少
( )ii
i PpI 21
log∑=
−=
離散資訊源
( )dxxPxpIRx
)(log)( 2∫∈
−=
連續資訊源
訊號性質
ISU 5
訊號之基本分析Fourier series
透過富氏分析可以知道訊號與系統中各種頻率分量之分佈與所佔之頻寬
訊號性質
ISU 6
數據訊號之分析Spectrum of a data pulse
影響數據脈衝頻寬之因素
–脈衝寬度主波瓣寬度
–脈 衝 出 現之週期
頻譜取樣率
–脈 衝 之 形狀
旁波瓣之分佈與大小
訊號性質
ISU 7
影響訊號頻寬之因素
脈衝波形旁波瓣 脈衝寬度等效頻寬
訊號性質
ISU 8
通訊資源
頻寬所使用通訊介質之可用頻帶範圍
容量(C: capacity, bits/sec)
功率發射與接收訊號所使用之電功率
SNR(訊雜比,dB)
,位元功率與雜訊頻譜密度比0N
Eb
通訊資源
ISU 9
影響系統設計之因素
技術上之限制
–可用之硬體或軟體 技術
–功率之消耗
–元件尺寸
政府規範或標準
–電信法規與使用之頻帶
商業考量
通訊資源
ISU 10
電信法規與使用之頻帶
通訊資源
ISU 11
資訊流有多快速? The Shannon limit – 可傳送之最快速率?
無法達到之資訊傳輸系統
位元雜訊比極限
功率有限功率效率
高
頻寬有限頻譜效率高
通訊資源
ISU 12
有/無線無/有限Wire/wireless Unlimited/limited
無線之通訊通道通訊資源有限制!!
–通訊媒介共享頻寬有限
–移動設備電功率有限
有線之通訊通道通訊資訊較無限制
–通訊媒介獨立增加通道纜線增加可用頻寬
–可使用大眾電源電功率幾乎無限
通訊資源
ISU 13
通訊方法Binary signaling
使用單一電纜之二元訊號通訊
使用並列式電纜之二元訊號通訊
– 需增加硬體連線
電欖增加傳輸速率增加
通訊資源
ISU 14
通訊方法Multi-level signaling
• 使用單一電纜之多階訊號通訊• 需較高之訊號雜訊比
• 使用並列式電纜之二元訊號通訊
多階符號可一次傳送多位元增加傳輸速率
通訊資源
ISU 15
如何增加無線通訊資源
容量公有(共享)資源私有化
全國(區)無線通訊公司基地台基地台半徑 10公里,
1公里,100公尺誰的容量大?
功率功率管理
–最適當性能取代最佳性能,
•連線品質(BER),
•連線速率,
•阻斷率假設各基地台使用相同頻寬資源各細胞之服務用戶數相同單位面積之用戶數增加
通訊資源
ISU 16
多使用者系統之需求容量提昇
系統頻譜之使用效率
細胞間載波頻率再使用frequency re–use :需適當控制功率避免 co-channel干擾
系統頻寬系統容量使用者資料率使用者數目
頻譜效率
: ,:: ,:
: s
BNRN
BNRN
c
bu
c
bu=η
相臨細胞使用不同頻率
不相臨細胞可使用相同
頻率
通訊資源
ISU 17
Co-channel Interference
使用相同頻道基地台間之訊號干擾
通訊資源
ISU 18
訊號如何傳播
常用電訊號傳播媒介
電纜(有線)或電磁波(無線)電訊通道常見之現象
– 操作頻率與傳波模式
– 多重路徑傳輸(Multipath)• 失真: Delay & Group Delay• 衰退: Rayleigh fading, Frequency Flat & Frequency
Selective – co-channel interference– 遠近效應(Near-far effect)
傳播媒介
ISU 19
The Wireless ChannelUnguided Propagation
傳播媒介
ISU 20
不同操作頻率之傳波模式
地波
天波
直射波
電磁波吸收率
傳播媒介
ISU 21
多重路徑失真Multipath distortion 當幾條主要路徑(改變量小)合成,產生訊號加強或抵銷之情形, 且因路徑延遲不同產生訊號之失 真 現 象 ,也稱多重路徑干擾
傳播媒介
ISU 22
Multipath Distortion–the Time Domain Problem (ISI)
當通道有多重路徑失真性質時, 會產生碼際間干擾(ISI)
傳播媒介
ISU 23
多重路徑衰退Multipath fading
常以Rayleigh fading channel model 描述多重路徑之衰退情形
多重路徑衰退,是因為不同
路徑訊號合成後,訊號隨移動狀況
隨機構產生加強或抵銷之情形
傳播媒介
ISU 24
Frequency Flat Vs Frequency Selective Fading
當 訊 號 頻 寬 小 於 通 道 之 同 調 頻 寬( Coherence bandwidth) 稱 frequency flatfading, 反之稱Frequency selection fading
傳播媒介
ISU 25
Rayleigh Fading and Co-channel Interference
如下圖:平均S/I為10dB 隨移動距離不同,因Rayleigh fading所產生之
瞬間S/I, 25dB~-20dB
只有幾個波長距離
傳播媒介
ISU 26
Co-channel and Multipath Fading
傳播媒介
ISU 27
Near-far Effect
傳播媒介
ISU 28
室內多重路徑衰退
發射源
每一個等高線差2.7dB
-47dB
傳播媒介
ISU 29
傳輸媒介通道
通訊媒介之特性: 雜訊, 干擾充斥,訊號衰減與衰退現象, 延遲與失真
透過適當之通訊技術可使各類通訊媒介形成可應用之資訊訊通路
經由交換網路與線路管理形成通訊鏈結(communication link),此鍊結再規劃為符合各種應用目的之資訊通路稱通道(channel)
通道
ISU 30
Sources of Link Degradation
失真(Distortion) : group delay,gain variations, phase variations ,frequency offsets
干擾 ( Interference): ISI, ICI,Co-channel, jamming
雜訊(Noise):
通道
ISU 31
The Telephone Channel
通道
ISU 32
Gain Distortion 理想通道響應
電纜線之集總模型
通道
ISU 33
Phase Distortion and Group Delay
相 位 與 頻 率 之關 係 為 非 線 性phase distortion
相位對頻率之微分Group delay
通道
ISU 34
Group Delay Distortion
原訊號
群延遲失真之訊號
通道
ISU 35
Frequency Errors
Local oscillator error
Doppler shift
接近
遠離
通道
ISU 36
Interference
通道
ISU 37
Intersymbol Interference (ISI)訊 號 因 系統 頻 寬 有限產生ISI
ISI干擾下一取樣點使用raised cosine filter 可有效克服有限頻寬ISI
通道
ISU 38
Dealing With Interference使用方向性天線
– 降低對其他用戶之干擾
使用適應性陣列天線
– 調適陣列方向增益降低干擾
通道
ISU 39
Spectral Spreading 訊號頻譜展開
– 直接序列展頻
– 跳頻展頻
若訊號展開之頻寬遠大於干擾頻寬(窄頻干擾)可降低干擾情形
若多重路徑干擾可正確估測,則應用分集技術,多重路徑干擾反成多重路徑增益 跳頻展頻
直接序列展頻
通道
ISU 40
Sources of Noise Thermal noise: 電子元件因熱所產生之雜訊
Shot noise :電子跨越半導體PN界面所幅射之雜訊. Flicker noise : 半導體材料特性與 1/f成正比之雜訊,又
稱 1/f noise. Atmospheric noise : 大氣中與太陽幅射之各種電磁訊
號, 以般會一一等效之 sky noise temperature ,一般情況下遠小於熱雜訊(除非在微波等級)
Nav = kTBk:Boltzmann's constant
k= 1.38 x 10–23 watts/Hz/oK, T :絕對溫度 oKB :測量之頻寬
通道
ISU 41
雜訊之頻譜特性
一般熱雜訊因雜訊源皆互為獨立, 因此可假設為白色雜訊
反 之 稱 colornoise
若雜訊在操作之頻帶內大小相 等 , , 則 稱bandlimitedwhite noise
通道
ISU 42
影響通訊鏈結品質因素
傳輸功率: Eb
通道品質: – 衰減訊號功率隨距離(2~5次方)衰減
– 衰退時變訊號品質不預期衰退
– 多路徑符號間干擾
– 雜訊(N0)影響最小可通訊訊號之靈敏度
通訊技術:同步, 偵測與估測, 調變, 編碼,, 分集, 多工, 多重進接等技術
通道
ISU 43
Mobile channel terminology
5分集 4多工1調變
2偵測
3估測
6通道編碼
7加密
*同步*
通訊技術
ISU 44
The Shannon–Hartley Theorem:系統技術之考量
通訊技術
ISU 45
符號偵測 累計一整個符號時間(T)之能量
–訊號能量增加T倍
–雜訊能量因(電壓+-)有隨機特相變小
*必需有良好Symbol timing
Eb/N0小
Eb/N0大
通訊技術-符號偵測
ISU 46
偵測技術
同步: symbol timing recovery– 使符號積分之累計功率最大
匹配濾波器: matched filter– 可將最像之符號累計積分並輸出
通道等化器: channel equalizer– 在偵測前要先將通道效應補償
– 目前常使用偵測與等化同時演算之技術
decision feedback channel equalize
通訊技術-符號偵測
ISU 47
Symbol Timing Recovery
何時為最佳之取樣偵測點?如何取樣symbol?
Symbol Timing Recovery
通訊技術-符號偵測
ISU 48
Symbol Timing Circuits
穩定時正負相消
通訊技術-符號偵測
ISU 49
Symbol Timing Circuits(平方電路)
通訊技術-符號偵測
ISU 50
Matched Filtering Recovery of Symbols From Noise
Matched filter 一般使用數位技術設計
)(
)(
tTP(t)h
tP
m −=respond filter Matched
脈衝波形
通訊技術-符號偵測
T=nT取樣
ISU 51
通道等化器
應用通道等化器(Channel equalizers)可克服一般通道失真
通道等化器要有訓練過程與 data, 以 GSM其training data放在每一時槽message data
通訊技術-符號偵測
ISU 52
Equalization for ISIin Frequency–selective Channels
通訊技術-符號偵測
ISU 53
調變之目的
在可使用之頻帶傳訊
降低被干擾其情形
縮小天線尺寸
– 天線尺寸與波長成正比
有效使用通訊資源
– 應用多工調變技術可使多使用者同時使用
通訊技術-調變
ISU 54
The Basic Mixing Process
)2cos()(
)2cos( )(
tftxoutputmodulation
tfcarriertxdata
c
c
π
π
→⇓
→→
載波fc
通訊技術-調變
ISU 55
複數混波I/Q modulation
通訊技術-調變
ISU 56
常見之數位調變技術
PSK : ASK: FSK: IQ調變: QAM (調變符號=(xi,xq))
( )θπ += ftAtY 2cos)( 載波
( )( )
)()()(
2sin)(2cos)(
tYtYtYftxtYftxtY
qi
ii
+=
==
ππ
)()( tXt αθθ ==)()( tXtAA β==)()( tXtff γ==
)(tX訊號
通訊技術-調變
ISU 57
ASK, FSK,PSK ASK FSK
PSK DPSK
通訊技術-調變
ISU 58
載波同步The Costas loop
Loop filter控制迴路穩定
Mixerphase error detector
解調偵測訊號
通訊技術-調變
ISU 59
Orthogonal Signalling, MFSK
當兩訊號相乘在一特定時間長之積分為零稱正交
≠=
== ∫ jijia
dttxtxtxtxT
jiji ,0,
)()()()(0
通訊技術-調變
ISU 60
Orthogonal FSK Detection
因 正 交 若頻率不為fN輸出為0
通訊技術-調變
ISU 61
QPSK – Modulator
通訊技術-調變
ISU 62
QPSK – Demodulator
通訊技術-調變
ISU 63
QAM Generation
通訊技術-調變
ISU 64
QAM Detector
通訊技術-調變
ISU 65
調變波型與星座符號
使用IQ調變, 如右圖之星座符號 ( xi,xq) 對應之調變波形為
(xi,xq)
( )( )
)()()(
2sin)(2cos)(
tYtYtYftxtYftxtY
qi
ii
+=
==
ππ
通訊技術-調變
ISU 66
眼型圖(Eye Diagrams)
將解調出之訊號以符號時間整數倍, 重複顯示於螢幕眼型圖
常用於分析符號之偵測性能
– 分析符號之同步
– Timing Jitter– Noise
通訊技術-分析
ISU 67
Diagnosis Using the Eye Diagram
雜訊容忍度
符號同步
時脈誤差
通訊技術-分析
ISU 68
位元與符號
在M-ary數位通訊系統一個調變符號可對應多個位元, M=2B
如何對又應位原與符號?– Gray code– TCM
通訊技術-分析
ISU 69
Bit Error Rate Vs Symbol Error Rate
一個symbol錯誤可能產生多個bit錯誤
以Gray coding:一個symbol錯誤最可能產生1個bit錯誤
通訊技術-分析
ISU 70
Channel coding
ARQ: 自動錯誤重送技術,以CRC偵測錯誤, 有錯誤之資訊重送
FEC : 錯誤更錯技術, 使用Block code或convolution code 與interleaving
通訊技術-通道編碼
ISU 71
通道編碼技術
Block coding: 每一碼字皆有相同維度
Convolution coding: 使用二元迴旋運算編碼,碼字常度不固定, 但有一定之編碼率R, 如R=1/2,n個bit輸入輸出 2n個bit
通訊技術-通道編碼
ISU 72
Interleaving
使用交錯技術(位元交錯重新排列)可使連續之錯誤分散開 ,易於偵錯與更錯
通訊技術-通道編碼
ISU 73
Hard or Soft Decision Decoding
通訊技術-通道編碼
ISU 74
分集技術
運用不同接收來源加強接收訊號強度
頻率分集(Frequency diversity): 使用不同載波傳送相同資訊, – 如: MC-CDMA, OFDM
天線分集:– Transmit diversity – Receive diversity
時間分集(time diversity): 常見有多重路徑分集, 不同路徑訊號合成效果更好之訊號
通訊技術-分集技術
ISU 75
Parallel TransmissionOrthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM)
使用OFDM可有效降低多重路徑環境所產生之各類干擾, 如:ISI , ICI, fading
窄頻通道, 此頻帶遠小於Coherence Bandwidth
可視為flat fading
通訊技術-分集技術
ISU 76
Antenna Diversityfor Flat–fading Channels
通訊技術-分集技術
ISU 77
Time Diversity (Rake Receiver)for Frequency–selective Channels
通訊技術-分集技術
ISU 78
多使用者數位調變技術FDMA/TDMA/CDMA
通訊技術-多工調變
ISU 79
Frequency Division Multiple Access分頻多工(FDMA)
通訊技術-多工調變
ISU 80
FDMA系統之操作環境
保護頻帶(guard band)
通訊技術-多工調變
ISU 81
FDMA之優點
使用之訊號脈衝寬較大(與資訊頻寬成反比), 較不受多重路徑干擾
通訊技術-多工調變
ISU 82
FDMA之缺點
若使用之頻道為嚴重衰退, 性能將大幅度下降
通訊技術-多工調變
ISU 83
FDMA系統之功率控制
通訊技術-多工調變
ISU 84
Time Division Multiple Access 分時多工(TDMA)
通訊技術-多工調變
ISU 85
TDMA 系統之操作環境
通訊技術-多工調變
ISU 86
Frame of a TDMA system
通訊技術-多工調變
ISU 87
TDMA 之優點
通訊技術-多工調變
ISU 88
TDMA 之缺點
因使用之數位脈衝寬度, 遠小於訊號, 與多重路徑延遲相當, 易受多重路徑干擾
通訊技術-多工調變
ISU 89
Code Division Multiple Access分碼多工(CDMA)
通訊技術-多工調變
ISU 90
Frequency hopped CDMA
通訊技術-多工調變
ISU 91
Example of frequency hopped
GSM也有跳頻系統, 但該系統之跳頻為因應頻率再使用而產生, 跳頻速度以用戶連線為單位, 如下圖. 故不稱展頻跳頻
通訊技術-多工調變
ISU 92
Direct sequence CDMA
通訊技術-多工調變
ISU 93
Direct sequence CDMA(cont.)
通訊技術-多工調變
ISU 94
CDMA行動系統IS-95
Long code 為上傳通道之用戶展頻碼(128bit),
通訊技術-多工調變
ISU 95
IS-95 Carrier Modulation IQ PN-sequence 為CDMA通道之短碼(64bit),週期
216-1
通訊技術-多工調變
ISU 96
CDMA之優點
通訊技術-多工調變
ISU 97
CDMA 之缺點
需寬頻訊號處理
展頻碼相關性計算 需嚴格之功率控制
但若能順利克服上述問題則可穫得展頻增益(coding gain, 展開頻寬除訊號頻寬)
通訊技術-多工調變
ISU 98
Combined multiple access systems (FDMA &TDMA)
目前2G系統皆為此作法
基地台(FDMA) 用戶(TDMA)
通訊技術-多工調變
ISU 99
FDMATDMACDMA
頻譜時槽使用情況
通訊技術-多工調變
ISU 100
行動用戶與系統
如何找到通話對象?
用戶 ? 用戶
用戶 系統, 系統 用戶
註冊:行動用戶一開機需立刻向系統登錄
認證:任何行動用戶與系統之通訊,皆需通過認證程序
定位:待機中之行動用戶要隨時向系統回報位置
通訊技術-網路系統
ISU 101
電信網路(1)
通訊技術-網路系統
ISU 102
電信網路(2)
通訊技術-網路系統
ISU 103
典型行動通訊網路
通訊技術-網路系統
ISU 104
網路通訊協定
The seven-layer OSI model
通訊技術-網路系統
ISU 105
建立連線: circuit and packet switched network operation
通訊技術-網路系統
ISU 106
第二代行動電話2G
IS-95(CDMA), GSM(TDMA)訊號頻寬小
主要應用為語音
以GSM系統為主 , 數據傳輸則有GPRS
由於使用之普及率高, 基地台基礎建設完整
系統與應用
ISU 107
第三代行動電話3G
WCDMA & CDMA2000 : 皆使用CDMA為主
用戶頻寬可調, 且頻寬大, 適合影音傳輸– 如: 視訊會議, 遠距即時監控, 救護車即時醫療資訊…..
目3G系統不普及– 由於系統業者基地台基礎建設不完整, 手機與費率價格高使用不普及
– 大量之即時數位影音內容尚位建構
– 2G用戶如何處理
系統與應用
ISU 108
2G&3G&4G 相容?共存?取代?
相容: 目前系統規格2G與3G無法相容
共存: 透過雙模式手機同時可接收2G與3G訊號
取代: – GSM之基地台基礎建設完整,– 3G基地台受到抗爭
第四代行動系統規格逐漸成形???經濟與商業行為影響力大於技術
系統與應用