L10 Existing Wireless Systems

History of Mobile Telecommunication Systems

  • 1G
    • 1980 年代初
    • Analog communication technique (類比)
    • Cell 範圍大，頻譜利用率低
    • 行動裝置尺寸大
  • 2G
    • 1990 年代初
    • Digital communication technology (數位)
    • 更好的頻譜利用率，裝置價格較低
    • 初始支援音訊，後來加入 short message service (SMS)
    • 系統:
      • GSM (Global System for Mobile Communications) - 歐洲
      • IS-95 (cdma-One) - 高通所設計
  • 2.5G
    • 網路開始發展，有傳送資料的需求
    • GPRS (General Packet Radio Service) 搭配 GSM
    • IS-95B 搭配 IS-95
  • 3G
    • 2000 年後
    • 網路需要更大的 data rates
    • 系統:
      • UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)
        • developed from GSM
        • 修改 air interface 的技術 -> 與 2G 不相容 (無線部分)
      • cdma2000
        • developed from IS-95
  • 4G
    • 應對 Mobile Data 不斷增加
    • 改變:
      • Cell 範圍縮小
      • 頻寬增加
      • 改進通訊技術
      • 降低成本
      • 降低 end-to-end delay
      • 提高性能

3G 中的不同系統

  • UMTS - UMTS air interface has two slightly different implementations
    • WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)
      • Segregation of forward and reverse transmissions: FDD
      • Bandwidth: 5 MHz
    • TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) - 中國
      • Segregation of forward and reverse transmissions: TDD
      • Bandwidth: 1.6 MHz
    • 不兼容 GSM
    • Voice and data segregation 使用相同頻率
  • cdma2000
    • Bandwidth: 1.25 MHz
    • 兼容 IS-95
    • Voice and data segregation 使用不同頻率

Advanced Mobile Phone System (AMPS)

美國的第一代 (1G) 蜂巢式行動通訊系統

  • Created by AT&T Bell Labs
  • Speech signals: FM
  • Control information: FSK
  • 7 cells form a cluster
  • Allow cell sectoring and cell splitting
  • FDD
    • Frequency band from MSs to BS: 824 MHz ~ 849 MHz
    • Frequency band from BS to MSs: 869MHz ~ 894 MHz
  • 使用 Manchester frequency modulation 在 10 kbps 的頻率下傳輸資料
    • Manchester encoding:
  • 使用定向傳播避免干擾 (cell sectoring and cell splitting)
  • Identification Numbers:
    • ESN (Electronic serial number)
      • 唯一識別每個 MS
      • 製造商在出廠時設定
      • 不可修改，每部 MS 必須具備此編號
    • SID (System identification number)
      • cellular system 的編號
      • MS 在服務區域註冊時使用
      • MS 要先傳送 SID 之後才能建立通話連線
    • MIN (Mobile identification number)
      • MS 的 10 位數電話號碼的數位表示

Control Channels

  • FOCC (Forward control channel)
    • BS -> MS
    • 用於 Paging (尋呼) 以及定位 MS
    • Continuous data stream (連續的資料流)
    • Control information is through 3-way time division multiplexing mode:
      • Stream A: MS 的 MIN least significant bit (LSB) 為 0
      • Stream B: MS 的 MIN least significant bit (LSB) 為 1
    • RECC busy/idle bits
      • 告知 MS 目前 RECC 的狀態 (是否有人使用)
  • RECC (Reverse control channel)
    • MS -> BS
    • Discontinuous and contention channel (不連續的競爭通道)
      • Discontinuous: 只在需要時才使用 RECC
      • contention: 多個 MS 可能同時嘗試使用，可能發生碰撞
    • 使用原因
      • Paging/query response (回應)
      • MSs make origination calls (主動發起通話)
    • 搭配 DCC 避免 co-channel interference
      • DCC (Digital Color Code) - 標識和區分不同的通訊群組避免干擾

Voice Channels

  • FVC (Forward Voice Channel)
    • BS -> MS
    • 一對一的傳輸，且訊息量有限制
    • supports two tones:
      • SAT (Continuous supervisory audio): 確保傳輸質量
        • BS 傳送資料給 MS 時加入 SAT，之後 MS 再將其回傳給 BS
        • 回傳時可能加上 Signalling Tone (ST) 用來確認基地台發送的命令
        • BS 比對回傳的 SAT 可以檢測路徑中的 noise
        • 決定是否進行 Handoff 或 Call Release
        • 決定是否接受 Signalling Tone
      • Discontinuous data stream: 分配或調整 voice channel
  • RVC (Reverse Voice Channel)
    • MS -> BS
    • 一對一傳輸
    • Continuous supervisory audio tone: 偵測干擾 (SAT)
    • Discontinuous data: 確認 (ST)

Initialization & Call Origination

  • Initialization:

  • Call Origination:

  • IS-41

    • 允許在不同 MSC 控制的 BS 間進行 handoff
    • 允許 MS roaming (漫遊) 至 home system 以外
    • defines the call origination, call delivery, and terminal registration
    • Registration 過程的訊號交換對象
      • 新 Serving MSC - 關聯的資料庫 (VLR)
      • 新 database (VLR) - HLR
      • HLR - 舊的 VLR / Serving MSC
    • Registration 流程:

  • Interworking of IS-41 and AMPS

GSM

第二代（2G）行動通訊系統

  • 目標: 打破各國系統不相容問題，實現全球漫遊
  • 支援:
    • 語音傳輸
    • 數據傳輸
    • 緊急通話
  • Infrastructure
  • Structure of GSM network
  • 利用 FDMA
    • 最多同時服務 124 個 MS

Channels

  • Broadcast channels
    • BCCH: 廣播系統參數 (ex: frequency, operator identifier)
    • FCCH: 提供頻率參考與校正訊號 (MS 對齊 BS 的頻率)
    • SCH: 提供時間同步訊號 (MS 同步至 BTS 的 TDMA 架構)
  • Link establishment and ongoing call management
    • RACH: 請求與網路建立連線 (initiates a call or responds to a page)
    • PCH: BS 與單一 MS 通信 (BTS page MS)
    • AGCH: 授權通道與時序資訊
  • Dedicated control channels
    • SACCH:
      • 與使用者通道同時配置，用於持續傳送背景控制資訊
      • BS -> MS: power control and timing information
      • MS -> BS: RSSI/link quality report
    • SDCCH:
      • 與 SACCH 同時配置，負責訊號傳輸
      • Call Setup
      • Authentication
      • Location Update
      • SMS point to point use
    • FACCH:
      • 不是獨立通道，是 traffic channel 的一部分
      • 傳誦與 SDCCH 相同的資料
  • Channel combination:
    • 頻道由 logical channels 組成
    • ex:
      • (i) TCH/F+FACCH/F+SACCH/TF
      • (ii) TCH/H(0,1)+FACCH/H (0,1)+SACCH/TH(0,1)
      • (iii) TCH/H(0)+FACCH/H (0)+SACCH/TH(1)
      • …

Frames

  • Frames in GSM - 利用 TDMA
    • Frame
    • Multiframe (26 frames 120ms, 24 are for traffic, 1 for SACCH)
    • Superframe (51 multiframes, 6.12 sec)
    • Hyperframe (2048 superframes)

Identity numbers

  • IMSI (International mobile subscriber identity)
    • 用來識別用戶身分
    • 儲存在 SIM 卡中
    • SIM (Subscriber identity module):
      • 讓 MS 向 BS 表明自己的身分
      • Phone number + personal identification number for the station + authentication parameters
      • SIM roaming
  • TMSI (Temporary mobile subscriber identity)
    • 避免暴露用戶身份
    • 當用戶連上 MSC 後，由該 MSC 的 VLR 分配
  • MSISDN (Mobile system ISDN)
    • 電話號碼
    • 用於 routing、聯絡該 MS (公開的號碼)
    • MSISDN 是可以改變的 (改變門號)
  • LAI (Location area identity)
    • Cells < location area (LA) < MSC < PLMN (public land mobile network)
  • IMSEI (International MS equipment identity)
    • 包含裝置的製造資訊，用來識別設備本身
    • 設備通過互通性測試後，會被指派一組 TAC (type approval code)
    • 設備的最終組裝地點: FAC
    • 為了讓每個設備唯一，會給它一個序號 SNR
  • MSRN (MS roaming number )
    • 用戶漫遊到另一個 MSC 時，會取得 MSRN
    • 儲存在 HLR 中，讓用戶可以被呼叫

Interfaces

  • Interfaces of GSM:

Functional planes

  • Physical plane
    • 傳送 user information (資料)
    • 傳送 signaling messages (control signal)
  • Radio resource management (RR)
    • 負責建立、維持與釋放 MS 與 MSC 之間的通道
    • 用戶移動時維持連線
    • 由 MS 與 BSC 共同處理
    • Static RRM
      • Frequency allocation plans (NCC)
      • Base station deployment
      • Antenna heights
      • Channel frequency plans
    • Dynamic RRM
      • Power control algorithms
      • Precoding algorithms
      • Link adaptation algorithms
      • Dynamic channel allocation (DCA)
  • Mobility management (MM)
    • Security management functions
    • 由 MS、HLR/AUC、MSC/VLR 共同處理
  • Communication management (CM)
    • 讓兩位用戶可以連線與對話
    • 維護與釋放通話資源
    • Supplementary services management (呼叫等待、轉接、來電顯示等服務)
    • Short message (SMS) management
  • Operation, administration and maintenance (OAM)
    • 系統的管理後台

Others

  • Authentication
  • Handoff
    • Intracell/intra-BTS handoff
      • 同一個 cell 內更換 time slot 或是頻率
    • Intercell/intra-BSC handoff
      • 同一個 BSC 內更換 cell
      • MSC 參與 handoff
    • Inter-BSC/intra-MSC handoff
      • 同一個 MSC 內更換 BSC
      • MSC 參與 handoff
    • Inter-MSC handoff
      • 更換 MCS
      • Basic handoff: home MSC -> foreign MSC
      • Subsequent handoff: foreign MSC -> foreign MSC
  • Short message service (SMS)
    • 在 control channels 上傳送與接收
    • 傳送者可以確認簡訊是否成功送達對方手機
    • 支援非文字訊息
    • 不是直接寄給接收者，經由簡訊中心轉送

IMT-2000

ITU (International Telecommunications Union) 提出的第三代（3G）行動通訊標準

  • CDMA-based standard
  • Standardization work
    • Europe: UMTS (W-CDMA)
    • Japan: W-CDMA
    • USA: cdma2000
    • China: TD-SCDMA

UMTS

歐洲的第三代 (3G) 行動通訊標準

  • 採用 W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access)
  • 包含:
    • Radio access network (UTRAN)
    • Core network (Mobile Application Part, MAP)
    • Authentication

UTRAN

  • RNS: radio network subsystems
    • Node B (類似 BTS) - 負責訊號的發射與接收
    • RNC (類似 BSC) - 負責管理與控制
  • Protocol structure:
  • Channels
    • Transport channels - 定義資料的傳送方式
    • Logical channels - 定義資料的類型
    • Physical channels
      • FDD
        • carrier frequency
        • access code (接取碼)
        • relative phase (相位差) of the signal in the uplink
      • TDD
        • carrier frequency
        • access code
        • relative phase of the signal in the uplink
        • time slot
  • Protocol stack
    • AS (Access Stratum)
      • 處理 UE (手機) 與無線接入網 (如 Node B, RNC) 之間的通訊
      • 包含 OSI 模型的第 1 到第 3 層 (PHY, MAC, RRC)
    • NAS (Non Access Stratum)
      • UE 與核心網 (CN) 之間的訊息交換
      • CS (circuit switched) - 電話
        • CM (connection management) layers
        • MM (mobility management) layers
      • PS (packet switched) - 網路
        • SM (session management) layers
        • GMM (GPRS mobility management) layers
  • Data plane

From UMTS to LTE

  • EPC (Evolved Packet Core) 替代 packet switched domain of UMTS and GSM
  • E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) 替代 UTRAN
    • 處理 EPC 與行動裝置之間的無線通訊
  • 3GPP working items:
    • SAE (System architecture evolution) - 核心網路
    • LTE (Long term evolution) - 無線接入技術
  • 完整的名稱: EPS (Evolved Packet System)
    • LTE 指的只是無線技術的演進

LTE

  • 4G LTE FDD & TDD
    • FDD 與 TDD 是互補的技術
    • 共用大部分的設計與標準
    • 使用相同的核心網路
  • RE (Resource Element) - 最小的資源單位
    • 1 RE = 1 subcarrier × 1 OFDM symbol
  • RB (Resource Block) - LTE 的基本資源配置單位
  • PRB (Physical Resource Block) - RB 的具體實體分配版本

LTE Network Architecture

  • LTE radio access network (RAN)
    • UE (user equipment)
    • eNB (E-UTRAN Node B)
  • LTE EPC (核心網路):
    • MME (mobility management entity)
      • 與 HSS 交互作用進行使用者認證
      • 追蹤 UE 所在位置
      • 行動性支援 (handover)
    • SGW (serving gateway)
      • 負責資料封包的路由與轉送
      • 處理不同接入系統之間的資料轉發
      • 管理與儲存 UE 的資訊 (IP Bearer 的參數、路由資訊)
    • PGW (PDN gateway)
      • 連接 UE 與外部 PDN，可以同時連接多個 PDN
      • 政策控制與計費
      • 封包過濾與監控
    • HSS (home subscriber service)
      • 中央數據庫儲存每位使用者的資訊
      • 支援移動性管理、用戶認證與授權
      • HLR 和 AUC 的整合版

5G Services

  • ITU 將 5G 行動網路服務劃分為三大類，對應不同應用場景與需求
    • eMBB (Enhanced mobile broadband) - 高資料傳輸速率與頻寬
    • uRLLC (Ultra-reliable and low-latency communications) - 低延遲且可靠性高
    • mMTC (Massive machines type communications) - 大規模連接能力

統整

結構比較

功能類別 1G 2G (GSM) 3G (UMTS) 4G (LTE) 5G
基地台 BTS BTS + BSC NodeB + RNC eNodeB (eNB) gNodeB (gNB)
無線控制元件 無 BSC RNC eNodeB gNB
用戶位置管理 無 VLR + HLR VLR + HLR MME + HSS AMF + UDM
認證授權中心 無 AUC AUC HSS AUSF
移動性管理 無 MSC MSC MME AMF
網際網路閘道 無 無 GGSN PGW UPF (合併 PGW + SGW)
封包轉發節點 無 無 SGSN SGW UPF
政策/計費控制 無 無 無 PCRF PCF

演進

世代 相對前一代的突破
2G 類比 -> 數位、支援簡訊與語音
3G 支援網際網路、更高的傳輸速度
4G 提升頻寬、提高性能
5G 高速、低延遲、支援大量連結

Multiple Access Technology

世代 多重存取技術 雙工方式
1G FDMA FDD
2G TDMA + FDMA FDD 為主
3G CDMA (WCDMA) FDD/TDD
4G OFDMA FDD/TDD
5G OFDMA FDD/TDD