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1737dc8044e499b3f11ae9fab14dc42a1e3b4ad8 【編按】在前面的第一第二第三篇文章中,鳥大師很深入地剖析了GSM、GPRS和Edge在資料傳輸上的技術與限制,終於我們來到3G時代。為什麼3G的速度可以比2G快這麼多?技術上有哪些突破?請跟著鳥大師的說明繼續探討3G的奧妙。(左圖攝影:Per Foreby

3G時代終於來臨

該來的總是要來的。在家家都有ADSL甚至光纖到家的年代,EDGE網路其實沒辦法滿足行動上網的需求,該是換個全新系統的時候了。

我們常說3G就是第三代的行動訊系統,但其實3G裡面也分成許多種不同的規格,至少在台灣就有兩種3G系統存在:亞太電信所使用的CDMA2000,以及中華電信、台灣大哥大、及遠傳電信所使用的WCDMA系統。我們將焦點放在WCDMA系統上,因為它是市佔率比較高的系統。

WCDMA的「W」就是Wide,但它到底哪裡寬,怎麼寬法呢?除了它可以用來提供寬頻上網的服務外,它和2G系統主要的差異在於它很慷慨地分配了很寬的無線電頻道給系統使用。在GSM中,一個ARFCN頻道是200KHz,但在WCDMA中,一個頻道是5MHz,足足寬了25倍。

除了使用較寬的無線電頻寬外,WCDMA最重大的技術突破就是使用了CDMA的技術讓許多使用者共用同一個無線電頻道。還記得在GSM系統中,一個頻道要讓八隻手機輪流使用嗎?在WCDMA系統中,一個頻道可以讓更多手機使用,而且,同時使用喔,不用緊張兮兮地在那邊開發射器、關發射器,又要擔心踩到後面的使用者。也就是說,WCDMA系統的手機,可以一起同時用同一個無線電頻率發射,傳送資料給基地台,但不會有互相蓋台的問題。

因為使用了CDMA技術讓多隻手機可以同時使用一個無線電頻率,WCDMA系統的手機不需要像GSM手機一樣輪流開關發射電路。WCDMA的手機在傳送訊號時,它的無線電訊號是連續開啟的,因此當你把WCDMA 的手機靠在音響旁邊講電話時,你不會聽到音響發出像被GSM手機干擾那樣的「茲…」聲。但,事實上,它還是在發射無線電訊號的。

當然,天下沒有白吃的午餐,要讓大家共用同一個無線電頻率又不會蓋來蓋去,無線電訊號還是得經過一些處理,而這個過程,稱之為正交直接序列展頻(Orthogonal Direct Sequence Spread Spectrum)。不過,鳥專欄不是通訊系統原理專欄,我們不用太細究這個唸起來這麼嚇人的名詞到底是什麼,我們只要簡單了解它怎麼做的,以及它究竟為我們帶來什麼好處就可以了。


▲圖七 正交展頻系統的發射處理。

圖七說明了正交展頻系統在發射端所需要做的處理。每個使用者會握有一個很重要的資料序列,稱之為該使用者的「展頻序列」。每個使用者的展頻序列各自不同,而且,最重要的是,它們彼此之間有種特殊的關係,讓這些序列在混合後還可以被分離出來,這個特性稱之為「正交」。「正交」跟交朋友沒什麼關係,它是線性代數的用語。因為這些序列彼此正交,當我們利用某種方法把資料「載」在這些序列上時,所得到的訊號彼此之間仍是正交的,接下來我們就可以把這些訊號混在一起用同一個頻率發射了。

雖然混起來的訊號就像個大染缸,已經無法讓我們在其中一眼就看出它跟原來使用者要傳送的訊號有什麼關係,但不用擔心,他們都還在,沒有被蓋台。

在接收端,我們要用另一種技巧,將這些混在一起的訊號分離出來,而這時就需要用到「正交」這個特性了。我們可以簡單地用這樣的數學式來表示A,B,C三個展頻序列特性 :

A.A = 1 A.B = 0 A.C = 0
B.A = 0 B.B = 1 B.C = 0
C.A = 0 C.B = 0 C.C = 1

看出來沒?這三個互相正交的展頻序列,它們自己乘上自己時,會得到一;當他們和別人相乘時,會得到零。利用這個特性,我們就可以把各別的訊號從混在一起的訊號(A+B+C)裡分離開來啦。


▲圖八 正交展頻系統的接收處理。

在展頻的過程中,資料會與展頻序列相乘,而展頻後所得到的序列,會比原來的資料長很多。因為每一個資料的位元都會與整個展頻序列相乘,因此得出來的序列就是資料的長度乘上展頻序列的長度。資料的位元稱之為 bit,而展頻後序列的單位則稱之為chip。展頻序列的長度同時也是資料量膨脹的倍率,我們稱之為SF(Spreading Factor)。

展頻系數越高,展出來的序列就越長。如同前面提過的編碼原理一樣,展得越長,這個訊號就越耐干擾,但同時佔用的無線電資源也越多,能傳送的資料速率就越低。

在 WCDMA系統中,無線電訊號的chip rate固定為 3.84Mcps,也就是說不管前面怎麼展,最後做出來的訊號就是每秒有3.84M的chips。而WCDMA系統厲害的地方就在於它的SF是可變的。在固定的3.84Mcps下,使用較大的SF,就可以得到較穩定的傳輸但較低的資料速率,而使用較小的SF,就可以得到較大的資料速率但較不耐干擾。不同大小的SF意味著不同長短的展頻序列,而WCDMA利用了一種叫OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor)的技術,讓不同長短的展頻序列可以同時存在,混著使用。

WCDMA在下鍊路方向允許4到512 的SF,因此我們可以從3.84Mcps的chip rate反推算出它的資料位元速率介於960Kbps到7.5Kbps之間,可謂能屈能伸。2G系統利用不同的封包編碼來適應不同的無線電訊號品質,但也只能達到幾倍的差距。而3G系統巧妙地利用SF的變化可以讓資料速率和耐干擾的能力有如此大的變化,以適應更多變的通訊環境。

不過,960Kbps這麼快的速率是經過通道和封包編碼後的資料速率,實際上能傳送多快,還得看前面的通訊協定怎麼編碼。WCDMA的通道編碼大概有50%的利用率,跟GSM系統差不多,因此我們可以得到大概三四百Kbps的使用者資料速率。跟2G系統比起來,這已經是不得了的進步了。

而這其實只是個開始,進步是永遠不會停止的。WCDMA系統藉由類似EDGE系統修改GSM調變方式的做法,可以更進一步地讓傳輸速率往上衝,達到數Mbps的境界,而這就是我們常聽到的HSDPA,或者3.5G上網功能。到了這樣的資料傳輸速度,不要說瀏覽網站了,連用手機看高品質的YouTube影片都不是問題。

台灣的行動通訊系統花了十年左右的時間,從9.6Kbps的行動上網進步到數Mbps的速度,價格也降到人人負擔得起的程度。不知道下一個十年,會有什麼更令人驚豔的發展呢?

(全文完)

第一篇:【鳥專欄】從2G到3G –行動通訊技術解密 一:GSM架構篇

第二篇:【鳥專欄】從2G到3G –行動通訊技術解密 二:GSM速度篇

第三篇:【鳥專欄】從2G到3G –行動通訊技術解密 三:GPRS、Edge篇

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2.  睡神 (發表於 2009年10月10日 01:36)
wonderful!
比我上的大學課程講的還清楚耶
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3.  kjhfm (發表於 2009年10月10日 13:05)
A.A = 1 A.B = 0 A.C = 0
B.A = 0 B.B = 1 B.C = 0
C.A = 0 C.B = 0 C.C = 1
這些式子分開一點比較好
一開始看成連續等式
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4.  油輪 (發表於 2009年10月10日 13:41)
老實說,
我看到這篇的時候已經傻掉了。
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6.  winer406 (發表於 2012年2月29日 14:43)
讚啦!讓我了解很多行動通訊的原理,還蠻容易理解的。謝謝!

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