【鳥專欄】從2G到3G –行動通訊技術解密 一：GSM架構篇
【編按】T客邦駐站大師Bird又有新作！在闊別近一個多月後，鳥大師又帶來一篇技術含量非常高的專文，要為各位解釋從2G到3G的技術演進，為何2G那麼慢，3G卻可以傳得更快。文中技術名詞較多，請慢慢服用。（左圖攝影：Per Foreby）
台灣民營行動電話業者自一九九八年開台以來，至今已超過10個年頭，隨著行動通訊的技術發展，主推的服務也從當初2G時代的語音為主，進步到3G時代的語音與數據並重。而且隨著許多智慧型手機的上市，現在許多新機都配合無限量的3G行動上網費率在銷售。捷運和公車上到處都可以看到有人用iPhone或Hero在噗浪或是玩Facebook。
在這十年間，行動通訊的技術究竟有什麼變化，讓現在幾乎每隻手機都可以用合理的費率享受行動上網的便利呢？
2G時代的行動上網
撇開早期的AMPS類比式行動通訊系統不談，台灣的行動通訊系統正式邁入數位的時代是從GSM系統開始，而民營的大哥大業者也是從GSM這個系統切入行動通訊這個市場的。
在GSM的那個年代，並非沒有行動上網的服務，但用過人應該都知道，只有在沒辦法上網就會死的狀況下，才會考慮使用GSM系統的行動上網服務。GSM的行動上網服務稱之為CSD (Circuit-switched Data) service，它的連線速度只有9.6Kbps，對，你沒看錯，就是9.6Kbps，或者說9600bps。9.6Kbps有多慢？Yahoo!奇摩的首頁現在的大小大概是200多K bytes，用9.6Kbps來下載的話，大概要兩百多秒，或是三分多鐘。而且CSD是以使用時間計費的，而非以資料流量計費，因此只要連上網路後，就算你掛在上面什麼事都沒做，帳單還是一分一秒地增加。
究竟是什麼樣的背景，造就了CSD這樣高貴又難用的行動數據服務呢？這得從GSM的傳輸技術說起了。
效法蜜蜂的蜂巢式系統
無線通訊系統有個很重要的特徵，就是電波的獨佔性。假設有兩個用戶使用某一個頻率在通訊，在這兩個用戶射程所及的範圍內，這個頻率就不能再被其它用戶所使用，否則就會發生「蓋台」的現像，也就是無線電波的通訊干擾。
而無線電的頻道資源是有限的，必需要巧妙地重覆使用，才能服務更多的使用者。行動通訊系統巧妙地建立許多功率較小的基地台，取代單一大功率的基地台，而不相臨的基地台便可以使用同樣的頻率服務不同的用戶。
▲圖一 頻率重覆使用的概念。
圖一說明了利用多個小功率基地台來取代一個大功率基地台，以覆蓋服務區域的概念。我們可以發現，同樣使用六個頻率，假設每個頻率一次只能給一個用戶使用，在單一基地台的系統內，最多只能有六個使用者同時使用；但在蜂巢式的系統內，同時可以上線的使用者數多了兩倍不止。
當然，將服務區切割為小區域並不是不用付出代價的，而這其中最麻煩的課題就是基地台交越（hand-over），也就是當使用者從一個基地台所服務的區域，要移動到另一個基地台所負責的區域時，系統必需要能將使用者安全且無誤地轉移過去。
當我們把基地台切得很小時，因為頻率的重覆利用率會大幅增加，系統的容量就會大幅上昇，也就是說在同樣的區域內，同時間可以服務更多的使用者，但代價就是如果使用者都在移動的話，系統會忙於處理使用者跨基地台的交越動作。當交越的動作頻繁到一個程度時，可能會讓系統的可用率或可靠度下降，因此如何根據服務區域的目標容量來妥善規劃基地台覆蓋區域的大小，是行動通訊網路在佈建時很重要的工作。
蜜蜂的蜂窩告訴我們，要用最少數量但單一的重覆圖形填滿一個區域時，六角形比正方形要好，因此行動通訊系統最初的構想就是讓基地台的覆蓋範圍成為六角型。當然電波並不會剛剛好走到六角形的邊界就消失，所以其實每個基地台仍舊是以圓形的覆蓋範圍存在，只是我們用它的中心位置決定它與相臨基地台重疊區間的關係而已。
不過實際上為了讓頻率的重覆使用率盡可能的高，基地台多半是以扇形的型式存在，像是在一個六角型的中心點架設三隻天線，各朝向不同的方向，每支天線負責120度的區域。實務上除了可以用發射功率的大小來改變基地台覆蓋區域的大小外，也可以用改變天線的俯角來使電波投射出去的足跡（footprint）改變，來控制覆蓋範圍。
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