無線與行動通訊網路技術

第二章文獻回顧

2.1 無線與行動通訊網路技術

何謂行動通訊呢？係指行動通信網路系統經營者，利用無線電通

信頻道，在移動狀況下讓使用者的行動終端設備，能夠雙向發射或接收資料的服務。像這樣兩點之間，透過無線通訊的連結，即使通訊的雙方處於移動狀態，仍可保持雙方通訊連結，就是行動通訊[6]。行動通訊源於軍事用途，1946 年美國 AT&T 提出行動通訊系統，1968 年貝爾實驗室提出蜂巢式概念，開始帶動行動電話進入商用化的階段

[7]。在進入二十一世紀的今天，行動通訊與我們的生活息息相關，

可以說是密不可分。透過行動通訊技術，人與人之間的資訊傳遞，隨時、隨處可達成，沒有時間、空間、地點的限制。

在行動通訊的點對點通道連接之後，下一步要進行的就是行動數

據的傳輸，這就要依賴行動數據系統。完整的行動數據系統包含以下三大部份：

1.

行動台(MS)：行動終端機，例如行動電話；行動台中主要的元件，包括發射器、接收合、控制單元與天線系統。

2.

基地台(CS)：在細胞所在的中心，做為行動台與行動電話交換機之間的連繫。負責傳送與接收交換機與行動台之間的數

據交換，並做通話頻道的管理。

3.

行動電話交換中心(MTSO)：連結基地台與公眾電話網路

(PSTN)之間的通訊，協調兩者之間的訊息交換，並控制呼叫

處理與收費的計算等工作[6]。

當行動數據進行資訊傳遞交換時，為了確保資訊在移動中，不會中斷，並且保持無線通訊的最佳品質，因此而建立蜂巢網路結構。在行動通訊網路中，會依地理區域，將其切割成數個分區，每個分區可以涵蓋六角形的發射、接收範圍，因此我們稱之為「蜂巢」(Cell)，

每個蜂巢中心都有一個無線基地台，負責收發訊號，如果 2.1 所示。

行動電話用戶連上蜂巢網路，按照網路的分佈，即使用戶跨越分區的邊界，依然能夠通話。為相互溝通，行動電話與基地台彼此傳送無線電訊號。這些訊號的功率不僅為達到最優質的通話品質而進行調整，

也受到嚴密的管制，以免干擾其他無線電系統，如緊急服務、計程車、

廣播與電視系統。

圖 2.1 蜂巢網路示意圖

當行動電話開機時，它首先會回應附近基地台所發射的控制訊號。一旦發現它所屬網路最近的基地台，就會主動連上網路，然後進入休眠狀態，偶爾把更新的資訊傳輸到網路系統，直到要發出或接收訊號時為止。為盡量降低發射功率，同時保持良好的通話品質，行動電話採用一種自動功率控制系統，平均輸出功率在 0.001W 到最大功率之間(最大功率小於 1W) 。此功能可提高電池續航力，增加通話時間。行動網路的另一特點是，如果用戶邊走邊通話，行動網路會隨著用戶的移動把通話訊息交給另一個基地台，這個過程叫做 Handover，

如圖 2.2 所示，當手機在位置 A 時，與基地台建立通道 A，但在通話中又一邊移動到位置 B，在超過通道 A 廣播範圍時，會馬上與鄰近的基地台建立通道 B，維持通話不間斷，而且在交遞的過程中，用戶是察覺不到的。行動通訊的發展歷經數十年，持續在演進，其發展歷程為 1G AMPS、2G GSM、2.5G GPRS、3G WCDMA、3.5G HSDPA、

3.75G HSUPA，為近代科學帶來一連串的通訊革命[8]。

圖 2.2 蜂巢網路 Handover 示意圖

2.2 串列通訊串列通訊串列通訊 串列通訊

串列通訊是電腦與設備之間或設備與設備之間的資料交換方 式。它是利用電壓狀態的改變，高準位電壓代表 1，低準位電壓代表

0，讓資料在信號線上，一位元一位元地進行傳輸，每一位元資料都

佔據一個固定的時間長度。最簡單的串列通訊，只要利用二條線，就可以將交換的資訊以 01011001 的這種表態方式來溝通訊息。

在電腦內部，所有的資料均是使用位元(Bit)來儲存，而每個位元

都是電位上的一個狀態，電腦內部使用 8 個位元代表字元、數字或符號。當電腦進行串列傳輸時，會將資料型態為位元組、語句、雙語句的資料，拆成一個位元接一個位元的方式傳送，接收時再重新組合為原來的資料型態。傳輸類型上還可分為同步串列傳輸與非同步串列傳輸兩種[13]。

1.

同步串列傳輸

同步串列傳輸不需要對每一字組加上 START 及 STOP 位

元，傳送器在傳送資料之前會以一串旗號(Flag)或稱為同步字元

(Synchronous character)的信號對接收端取得時序同步。因此，旗號

信號結束後尾隨的即是資料，直到再收到旗號信號為止。

2.

非同步串列傳輸

非同步串列資料在傳送時，每一個字組(5~8 位元)都遵循一個

標準格式。這個格式可分為開始位元(Start)、資料位元(Data)、同位元(Parity)、停止位元(Stop)四個部份。資料尚未傳輸時，信號線維持在 1 的狀態，當開始傳送資料前的第一個位元必須是 0 的狀態，此位元稱為開始位元，接下來傳送 5~8 個資料位元，

接著再傳送一個同位元用於檢查資料傳送時是否錯誤，最後以 1 或 1.5 或 2 個為“1”的停止位元結束，此時已恢復至 1 的狀態，

又可準備傳送下一字組。

2.2.1 RS-232

RS232 是美國電子工業聯盟（EIA）制定的串列數據通訊的標準

埠，原始編號全稱是 EIA-RS-232（簡稱 232，RS232）。它被廣泛用於電腦串列介面的外部設備連接。目前的最新版本是由美國電信工業協會（TIA, Telecommunications Industry Association）所發行的

TIA-232-F。

RS232 的電氣迴路是一種非平衡型的傳輸型態，如圖 2.3 所示，

因導線分佈有電阻和電容，而導致兩端地線無法獲得一致準位，可能會有迴路回授(Look back)現象，因而較易受到 EMI 和叉音(Cross talk) 干擾，信號減弱(Signal/Noise 比減小)，以致於傳輸頻寬與距離受到限制。

圖 2.3 非平衡型的 RS232 示意圖

RS232 通常用來作非同步傳輸，傳輸雙方須要相同的傳輸速度，

才能在傳送-收接的過程中，同步的轉譯資料，而傳輸速度用鮑率

(BaudRate)來表示，稱之為 BPS(Bit per second)，指的是每一秒傳送的

位元數。通常，利用 RS232 與其它裝置通訊時，裝置的規格書上都會寫著 19200bps、38400bps…，所指的就是傳輸速度。有的裝置傳輸速度是可變、可設定的，當然也有不可變的。

2.2.2 RS-485

RS485 是為了彌補 RS232 之不足而提出的。EIA 於 1983 年，基

於 RS422 的基礎上，制定了 RS485 標準，命名為 TIA/EIA-485-A。

為了改進 RS232 頻寬與傳送距離的限制，在硬體電路上改採用平衡型的差動式信號傳輸，如圖 2.4 所示，以兩線差動電壓值代表信號，

如此可以消除 EMI 和串音的干擾，即使受到干擾，兩線也是做同幅

2.3 工業通訊協定工業通訊協定工業通訊協定工業通訊協定 Modbus

Modbus 是 Modicon 公司發展出的一種通信協定，而該公司在

1979 年被 Schneider Automation 收購，成為其公司的一個部門。

Modbus 是全球第一個用於工業控制的通訊協定。為了普及及推動 Modbus 在乙太網上的分佈式應用，Schneider Automation 將 Modbus

通訊協定的所有權移交给 IDA（Interface for Distributed Automation）

組織，並於 2002 年成立了 Modbus-IDA 組織。這是一個非營利型組織，目的是為了更廣泛的使用 Modbus 通訊協定。Modbus 發展至今已 33 年，仍然廣受好評，且使用會員越多，其原因有以下三點：

1.Modbus 具有標準規範，並且免費開放使用，使用者可以放心地使用 Modbus 通訊協定，不會侵犯知識財產權。

2.Modbus 是多面向的通訊協議，可以支援各類型的硬體交握，例如：

RS232、RS422、RS485、RJ45…等。亦可以在多種物理介質上傳輸

資料例如：雙絞線、光纖、無線射頻、衛星…等。或是不同的網路進行互連，例如：ADSL、ISDN、PSTN…等。完全不須要特殊的規格品，就可以使用，大大的降低產品製造成本。

3.Modbus 通訊協定非常簡單，利用最簡單的封包定義，就可以達成

全方位的通訊須求。任何人，都可以簡單的上手，不論是開發商或是使用者。

Modbus 通訊使用主從式架構技術，亦即只有單獨一個主控端 (Master)可以提出查詢，而其餘的受控端(Slave)設備應對主控端的查

詢資料做出回應動作，或處理主控端(Master)查詢所要求的動作。

2.3.1 Modbus Series

Modbus 用於串列通訊時，也依循著 EIA、TIA 製訂的規範，我

們稱之為硬體交握規範(Hardware Handshake)，包含 TIA-232-F、

EIA-422、EIA-485 ，簡稱為 RS232、RS422、RS485，在 2.1 節有介

紹，這裏就不再贅述。而軟體交握規範(Software Handshake)為何呢？

在串列傳輸中，Modbus 軟體交握規範可分為 Modbus ASCII 及

Modbus RTU 兩種傳送方式，Modbus ASCII 顧名思義就是以 ASCII

碼的方式來傳輸，而 Modbus RTU 是以 Binary 的方式來傳輸，二者以 RTU 的方式最快。

2.3.2 Modbus TCP

1998 年 Schneider Automation 推出可架構于 TCP/IP 乙太網路標

準的 Modbus TCP，這是第一個用於乙太網路的工業標準協議，也是唯一一個獲得 IANA 賦予 TCP 埠的通訊協議，常見的 TCP 埠請參考表 2.2。Modbus TCP 的應用層還是採用 Modbus 協議，傳輸層使用 T

CP 協議，網路層採用 IP 協議，因為 Internet 就是用 IP 尋址，所以 M

odbus TCP 不但可以使用於區域網路，還可以使用在廣域網路及互聯

25 SMTP Simple Mail Transfer Protocol

HyperText Transport Protocol

超文本傳輸協定提供一種發布和接收

HTML 頁面的方法

110 POP3

Post Office Protocol – Ver.3

Layer ISO/OSI Model

7 Application Modbus Application Protocol 6 Presentation Empty

5 Session Empty

4 Transport Empty

3 Network Empty

2 Data Link Modbus Serial Line Protocol 1 Physical EIA/TIA-485（or EIA/TIA-232）

表 2.3 Modbus Protocols and ISO/OSI Model

2.4 類比訊號類比訊號類比訊號類比訊號

類比訊號是利用對象的一些物理屬性來表達、傳遞信息。例如，

非液體氣壓表利用指針螺旋位置來表達壓強信息。在電學中，電壓是類比訊號最普遍的物理媒介，除此之外，頻率、電流和電荷也可以被用來表達類比訊號。任何的信息都可以用類比訊號來表達。這裡的信號常常指物理現象中被測量對變化的響應，例如聲音、光、溫度、位移、壓強，這些物理量可以使用感測器測量。類比訊號中，不同的時間點位置的信號值可以是連續變化的[16]。

工業應用上普遍需要量測非電物理量信號，如溫度、壓力、速度、

角度等等。往往這些非物理量的信號會透過感測器轉換成電物理量的信號，如電流、電壓、功率、頻率等。而這些量化信號些需再轉換成標準數位通訊訊號或是類比電信號才能傳輸至幾十米甚至幾百米外的監控中心或儀錶上。

這類將物理量信號轉換成類比電信號的裝置稱為傳送器，在工業上，廣泛採用的標準類比傳輸電信號是分別為 DC 0~5V、DC 0~10V 、

DC 0~20mA、DC 4~20mA，而其中以 4~20mA 最為常見。

採用 4~20mA 傳送信號的原因是其不容易受干擾、電流源的併聯內阻無限大且導線串聯電阻在迴路中不影響信號的精度，故在普通雙絞信號線上可以傳輸數十米。電流信號處於正常操作時不會低於

4mA，此設計規範主要是為了能檢測出傳輸線的斷線狀態。因為當迴

路因故障而斷路時，環路電流會降至 0mA，故常以 1.5mA 的電流作為斷線警報值；而信號最大為 20mA 則是因為工業安全上的防爆要求，因為 20mA 的電流迴路斷線後產生的火花能量不足以引燃氣體燃料[17]。

類比訊號的主要缺點是它總是受到雜訊的影響。信號被多次複製，或進行長距離傳輸之後，這些隨機干擾的影響可能會變得十分顯著。通常可使用屏蔽線接地及屏蔽雙絞線，可以在一定程度上緩解這些負面效應。另一種常見的干擾為共模干擾，如圖 2.5 所示，二組類比訊號，其電源負端，在 PLC 內部是共通的，此時就會發生共模干擾。其解決的方式為電源負端必須各自獨立。

圖 2.5 共模干擾產生示意圖

2.5 可程式控制器可程式控制器可程式控制器可程式控制器 PLC

可程式控制器的興起，源自於美國現代工業自動化生產發展的要求。PLC 源起於 1960 年代，當時美國通用汽車公司，為了開發新穎、

美觀、安全及舒適的汽車，因而必須時常調整工廠生產線。當時，生產線皆為繼電器順序控制系統，為了達成安全互鎖邏輯控制，必須完全依靠眾多的繼電器、定時器以及專門的閉迴路控制器來實現。它們體積龐大、有著嚴重的噪音，不但每年的維護工作要耗費大量的人力物力，為調整產線而修改時，更是費時費力[18]。

為了解決這些問題，美國通用汽車公司在 1968 年向社會公開招標，要求設計一種新的系統來替換繼電器系統，並提出了著名的

在文檔中使用3G第三代行動通訊技術於無線監控系統之研究-以工業區廢水排放無線監控為例 (頁 28-0)

第二章 文獻回顧