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中華大學碩士論文

題目：GSM 與 PHS 雙模手機設計研究

Study of Dual Mode Terminal Design for GSM and PHS

系所別：資訊工程學系碩士班學號姓名：E08902019 王信欽指導教授：嚴力行博士

中華民國九十五年八月

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摘要

所謂的雙模手機是指單一手機有兩種無線介面，因此可以工作在兩個網路系統下，這兩種不同網路系統例如 GSM/PHS、 GSM/CDMA 及 CDMA/PHS 等。對於終端用戶來說,使用雙模手機優勢是它可以根據實際通訊品質與成本去選擇適合網路系統來進行通訊。

在本篇論文中，我們針對 GSM 與 PHS 雙模手機設計進行研究，因為這樣雙模手機有它的市場獨特性。整篇論文研究目標是為了讓雙模手機真正達到 GSM 與 PHS 兩種模式同時可以進行通訊，因此我們探討了下述設計議題:

(1)各種雙模手機類型與使用條件 (2)雙模使用模式與切換機制 (3)各種硬體架構設計

(4)軟體架構與人機介面研究

最後我們對於雙模手機在不同軟硬體架構下相關設計問題，提出建議解決方案。

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Abstract

Dual mode terminals (DMT) are mobile phones which can operate in two mobile network systems such as GSM/PHS, GSM/CDMA and CDMA/PHS. The most attracted point for the end user is that one can select a mobile network system based on quality or cost.

In this thesis, we investigate how to design a dual mode terminal for GSM and PHS, which has unique position for current consumer market. The goal of the design is to enable communications on both GSM and PHS network at the same time. The following issues have been addressed:

(1) Types and classifications of dual mode terminals (2) Mode selection and switching mechanism

(3) Hardware design architecture

(4) Software design structure and man machine interface

Finally, we propose solutions form hardware and software design aspects. Hopefully, those solutions can be the basis for future dual mode phone designs.

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誌謝辭

首先要感謝我的指導教授嚴力行博士，由於您的細心指導，使得本篇論文能夠順利完成。

再者我要謝謝這些年來，曾教導我的老師及幫助我的同學與同事們，謝謝你們的教導與協助。

最後我要感謝我的父母親與老婆，在我工作與唸書過程中，你們的支持與包容，使得我能夠順利完成學業，謝謝你們。

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圖目錄

圖 2.1 PHS 網路架構圖 ...5

圖 2.2 RCR-STD28 Protocol 架構 ...6

圖 2.3 Frame 與 Slot 結構 ...7

圖 2.4 LCCH Superframe ...9

圖 2.5 LCCH 架構之舉例 ...10

圖 2.6 PHS 通信三個階段 ...11

圖 2.7 PHS 終端通訊狀態轉換流程 ...12

圖 2.8 GSM 系統網路結構 ...13

圖 2.9 Channel 架構 ...16

圖 2.10 Frame 架構 ...17

圖 2.11 Logical Channels ...18

圖 2.12 GSM 手機狀態 ...21

圖 3.1 雙模手機基本架構 ...24

圖 3.2 手動切換機制 ...29

圖 3.3 自動切換模式 ...30

圖 3.4 背景掃描模式切換圖 ...31

圖 3.5 優先權模式自動切換 ...32

圖 4.1 Integration 架構 ...34

圖 4.2 Master-Slave 架構 ...36

圖 4.3 Parallel 架構 ...37

圖 4.4 RF 問題分類表 ...38

圖 4.5 PHS Channel spectrum ...40

圖 5.1 Parallel 之 Layer4 架構 ...43

圖 5.2 Master-Slave 之 Layer4 架構 ...44

圖 5.3 開機時 GSM 模組之 AT command 運作 ...45

圖 5.4 GSM 模組 AT Command 之訊號量測運作 ...46

圖 5.5 緊急電話處理規則 ...47

圖 6.1 PHS Priority Mode ...52

圖 6.2 Non-Priority 運作機制 ...54

圖 6.3 PHS 待機與 GSM 服務區外之網路搜尋機制 ...57

圖 6.4 PHS 服務區外與 GSM 待機下網路搜尋機制 ...59

圖 6.5 PHS 與 GSM 服務區外網路搜尋運作機制 ...61

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1. 緒論

1-1 背景分析

整個移動通訊系統發展從早期的1G(First Generation) 到蓬勃發展的2G(Second Generation) ，至現在標榜多媒體應用與高頻寬的3G(Third Generation)。在這麼多通訊系統標準中，有的已不符合人們需求已被市場淘汰如1G的類比行動通訊系統，有些目前正在擴大商業營運中如GSM (Global System for Mobile Communications) 與 PHS (Personal Handy phone System) 通訊系統，而目前最熱門的3G系統，

現在也已漸漸加入營運行列，在世界各個國家中也都陸陸續續開始提供3G系統服務。

手機與網路之間必須使用相同的技術語言（即所謂的

「通訊協定」），才可能彼此聯繫。例如 GSM 便是一種標準的通用型協定，如果業者使用 GSM 協定的網路，您的手機必須是 GSM 機型，才可能通話。所謂的雙模手機，指的是可支援兩種通訊協定，例如可在 GSM 網路或 PHS 網路下通訊。

一般大眾在選擇手機時，事實上也選了一個通訊系統所提供的服務。當一個系統所提供的服務品質並不能滿足使用者需求時，使用者可能會同時選擇使用兩種不同系統。當消費者同時擁有兩種不同通訊系統手機情形越來越多，不同通訊系統存在同一隻手機的需求慢慢顯現出來。雙模手機 (Dual Mode Terminal)也就這樣因應而生。

目前在台灣已經商業化運行的移動通訊系統有 PHS、

GSM/GPRS、CDMA2000 與 WCDMA 等。根據電信總局的資料，截至 2005 年第四季，我國的行動電話門號數（GSM+PHS+3G）為 2,217 萬戶。其中 90%用戶為 GSM 使用者，其餘為 3G+PHS 用戶。據台灣大眾電信也指出，截至 2006 年 6 月份， PHS 申辦戶數至本月為止，累計已超過 117 萬戶大關。因此在台灣可能會有使用 GSM 與 PHS 雙模手機的需求，原因如下:

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(1)GSM 系統基地台功率大，涵蓋率廣，因此手機移動到服務區機率低，斷訊機會也比較少，但相對地手機發射功率大，輻射也較大，是其缺點。

(2)PHS 系統採用微蜂窩方式，基地台功率小，手機發射採固定功率約 10mW 是其優點。但相對地手機處在訊號弱的地方機會也增多。

(3)在通話與資料下載費用方面，PHS 比 GSM 便宜。

(4)在資料下載速度上，PHS 比 GSM 快。

PHS 手機素有環保手機之稱，而且在通訊資費上比 GSM 更具有優勢，這些都可以補足 GSM 手機不足。

1-2 研究動機

使用 GSM/PHS 雙模手機將會有以下優點:

(1)可以根據環境或者是實際操作的需要來從中做出選擇，哪個網路技術更能發揮作用，就讓手機切換到哪種模式下去工作。如果在一種模式下，手機通信品質不高或者是出現其他不良的通信現象，可以自由移轉到另外一個網路模式上工作，它實際上就是擴大了手機的通話頻率，並大大提高通信的效率。

(2)當 PHS 網路收訊品質良好時，使用者可以選擇 PHS 通訊以節省通話費。

(3)手機只要待在任一網路系統下，就可以進行通訊，因此手機處在網路系統服務區外機會變的很低，接收網路服務的涵蓋率變大。

(4)兩網路系統可整合彼此優點讓使用者更可以靈活地運用網路資源及減少網路系統負載。

目前世界各地所採用的行動電話通訊協定各有不同，但全世界最多移動通訊用戶是 GSM 網路，根據 GSM 協會在 2006 年 6 月表示，GSM 手機用戶數量超過 20 億，中國大陸目前是

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在使用 PHS 網路系統，根據工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)的統計數據，中國大陸是目前 PHS 手機的最大市場 IEK 2005 上半年小靈通用戶達 7,975 萬戶，新增用戶數達 1,453 萬戶，預估 2005 年底小靈通用戶數將可達 9,300 萬戶，並在 2008 年成長至 13,500 萬用戶。

在同時擁有 GSM 與 PHS 網路系統的國家除了台灣與中國大陸之外，還有泰國與越南…等。因此只要這些國家中提供網路服務業者，彼此簽署漫遊協議，GSM/PHS 雙模手機皆可在這些地方使用，對於經常在不同網路之間旅行的使用者十分便利。

目前在台灣已經出現 GSM 與 PHS 雙模手機，此雙模手機電話簿不是共同使用，而是分開為 PHS 電話簿與 GSM 電話簿，再者無法進行雙待機，同一時間只能使用一種網路服務，這些都不符合使用者使用習慣。因此雙模手機應該可以被設計更符合使用者需求。

1-3 研究目的

此篇論文研究目標是探討雙模手機設計上所面對的議題包括單待機、單模通話、雙待機與雙模通話等。因此我們在雙模手機不同類型定義、單模或雙模使用條件、模式切換機制、軟硬體如何設計以及設計上可能碰到問題等將進行研究，讓雙模手機真正達到雙模同時可以使用。

1-4 論文架構

此篇論文後續分為六個章節:

第二章相關背景知識。在這部份是說明 PHS 與 GSM 系統相關知識，介紹其架構與通訊行為模式。

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第三章 GSM/PHS 雙模手機設計。說明雙模手機類型，模式切換與運作模式。

第四章 GSM/PHS 雙模手機之硬體設計。說明雙模手機在硬體設計上，幾個可能設計架構及會碰到相關問題討論。

第五章 GSM/PHS 雙模手機之通訊協定與人機介面設計。說明雙模手機軟體設計架構及會碰到相關問題討論。

第六章 GSM/PHS 雙模手機之設計議題研究。此部份是說明雙模手機在本論文中，所提到重要設計問題研究。

第七章結論與討論雙模手機未來研究方向。

在本篇論文中，所有用到的英文縮寫，依英文字母排列標示在附錄一中。

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2. 相關背景知識

2-1 PHS 系統介紹

2-1-1 概述與網路架構

PHS(（Personal Handy Phone System）是日本發展的一種移動通信系統。日本無線電研發中心 RCR （ Research &

Development Center of Radio System）負責制定PHS無線介面的標準，並於1993年通過，稱為RCR STD-28。1994年，RCR 發展為無線電產業協會 ARIB(Association of Radio Industries and Businesses)，因此PHS無線介面的標準轉而由ARIB制定。在1994年日本推出PHS系統實驗網，1995年PHS 系統正式投入商用。PHS系統可應用於專用領域和公眾領域。

專用領域是指家庭或是辦公室。公眾領域是指大眾化的網路，目前PHS已在日本、中國、台灣與泰國等國家商業化使用。

圖 2.1 是 PHS 網路架構圖，圖中 PS 為用戶終端手機，RS 為 PHS 系統中繼站，CS 為 PHS 系統基站，PHS 交換中心功能為手機呼叫與交換(Handover)等。業務控制中心功能為認證與位置註冊等。

圖 2.1 PHS 網路架構圖

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2-1-2 RCR STD-28 架構

RCR STD-28 依 OSI （ Open System Interconnection Model），可分成三個層面，如圖 2.2 所示：

第一層稱為物理層，或稱傳輸層。物理層主要完成兩種功能：其一，是傳送用戶的業務資訊，包括語音和資料；其二，是在系統各實體之間傳送信令資訊。

第二層稱為鏈路層。鏈路層主要完成數位無線鏈路接入的過程，包括定址和中繼控制。

第三層稱為網路層。網路層是協定的最高層，它主要有三個功能定義：無線資源管理（RT）、移動性管理（MM）和呼叫控制（CC）。

Management

Radio Frequency Transmission

management (RT)

Mobility management

(MM)

Call control

(CC)

Protocol discriminator Layer 3

• Addressing ^• Retransmission control Layer 2

Layer 1

圖 2.2 RCR-STD28 Protocol 架構

2-1-3 空中無線介面

頻率：1884.650~1919.6(MHz)

載波間隔： 300kHz

多址方式： Multi-TDMA

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每載波通道： 4

調變方式： π/4 Shift QPSK

發射功率： 10mW－500mW

語音編碼方式： 32kbps ADPCM

空中傳輸速率： 384kbps

2-1-4 物理通道(Physical Channel)

PHS 系統採用 TDMA 機制，傳輸方式採用分時雙工（TDD）。

每一載波以 5ms 為一個 Frame，每一 Frame 又分成 8 個 Time Slot（每一 Time Slot 為 625us，可傳輸 240bits）。在上下行通道各分配 4 個 Time Slot，每一載頻可容納 4 個雙工通道。圖 2.3 所示為 Frame 與 Time Slot 結構。我們把每個 Time Slot 稱為一個 Physical Channel(物理通道)，而物理通道分為控制通道和通信通道，控制通道使用 control Slot，通信通道使用 communication Slot，其中控制通道用於信令的傳輸；通信通道用於用戶資訊的傳輸。

1 2 3 4 5 6 7 8

C S - > P S P S - > C S

F r a m e （ 5 m s ）

S l o t （ 6 2 5 u s )

C o n tr o l S l o t

C o m m u n ic a t io n S lo t 2 4 0 B i ts

圖 2.3 Frame 與 Slot 結構

2-1-5 邏輯通道(Logical Channel)

每一物理通道中可以包含一個或多個 Logical Channel(邏輯通道)。邏輯通道指具有某種功能的資料組，如

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用於用戶資訊的通信（業務）通道和呼叫控制的控制（信令）通道。這些邏輯通道再依所使用 Slot 可以分類如下:

使用 Control Slot 的邏輯通道

z BCCH (Broadcast control channel)

下行。單向傳送用於校正 PS 頻率，CS 的識別碼等公用資訊。

z PCH (Paging Channel)

下行。用於單向尋呼PS，可在一個或數個微蜂窩內同時進行。

z SCCH (Signaling Control Channel)

上下行，雙向。用於呼叫建立過程中雙向傳送系統信令，如登記、鑒權、通道分配等。

z UPCH (User Packet Channel)

上行。用於PS主叫的建立，請求分配一個SCCH通道等。

使用 Communication Slot 的邏輯通道 z TCH(Traffic channel):

上下行。雙向傳輸用戶資訊。

z SACCH (Slow Associated Control Channel):

下行。佔用部分通信時隙，雙向傳輸信令。

z FACCH(Fast Associated Control Channel):

上下行。佔用全部通信時隙，雙向傳輸信令，如進行 Handover 時，因佔用時間短，不妨礙通話。

z Synchronization burst:

上下行。使雙向通信 Slot 同步。

2-1-6 Multiple Frame 與 LCCH Super Frame

LCCH(Logical control channels)，建立邏輯控制通道

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通道的前提。為了建立終端與基站的聯繫，關鍵是同步，同步又分為頻率同步和時間同步。PHS系統控制載頻是全網統一的，基站和終端只要守候在控制載頻上，就可以方便地實現頻率同步。時間同步相對複雜，考慮到時間同步的需要，基站將邏輯通道組合成一定的形式發送。

圖 2.4 LCCH Superframe

從圖 2.4 中，當 n=20，m=12 時為公眾網路系統，相當於 240 個 Frame ，1200ms 。multipleframe 在公用系統中由 n=20 個 Frame 組成，相當於 100ms。基站在每個 multiframe 中，只選擇一個時槽發射，也就是說對一個基站而言，每 multiframe 只有一個下行控制時槽，這樣做的目的是為了減少基站之間的干擾，實現多基站複用。下行控制時槽是被廣播控制通道、尋呼通道和信令控制通道複用的，因此每一 multiframe 的下行邏輯控制通道可能是上述三種邏輯通道中的一種。

multiframe的上行邏輯控制通道只有信令控制通道，而且終端也不能隨便佔用上行邏輯控制通道，要接受基站的管理。基站有2種接收終端上行邏輯控制通道的方式。一種只是在當前下行邏輯控制通道的2.5ms後，基站接收上行邏輯控制信道，而且一個multiframe內只接收一次上行邏輯控制通

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道；另外一種是在當前下行邏輯控制通道2.5ms後，基站每隔 5ms接收一次上行邏輯控制通道，基站一個multiframe內可以接收20次上行邏輯控制通道。

Superframe 的第一個 multiframe 的下行邏輯控制通道必須為 BCCH，其餘十一個 multiframe 的下行邏輯控制通道有規律地出現，十二個 multiframe 構成一個週期，如此迴圈。

因此終端手機只要收到 BCCH，就找到了 Superfram 的起始點，實現時間同步，這就是所謂的 Superframe 同步。

尋呼通道(PCH)是 Superframe 的主要組成，尋呼通道會分成若干組，每組的尋呼通道依次稱為 P1、P2、P3、P4……在 BCCH 或 SCCH 後連續出現。BCCH 或 SCCH 與連續的尋呼通道構成一個 Superframe 的基本單位。如下參數決定 Superframe 結構：

nPCH ：基本單位中 PCH 的個數，nPCH≦7。

nSUB ：基本單位的 multiframe 個數，nSUB≧nPCH ＋ 1。

nSG ：尋呼組的重複次數，公用系統中此參數為 1 。

nGROUP ：尋呼組的因數， nPCH × nGROUP ＝ Superframe 中的尋呼通道的數量，公用系統中 nSUB×

nGROUP＝12 。圖 2.5 為 Superframe 結構的舉例。

圖 2.5 LCCH 架構之舉例

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2-1-7 通信三個協議階段

PHS 把通信過程分為三個協議階段：

第一階段為鏈路通道建立階段。主要是建立無線電空中介面 Handshaking。第二階段為服務通道建立階段。主要是建立相互 Handshaking 的基站和手機之間的呼叫連接。第三階段為通信階段。主要是進行通信和資料傳輸。如圖 2.6 所示，它們在具體的通信過程中交錯結構。

L2,L3 L1

L1 L2 L3

L2 L3 L1

L1 L2 L3

PS CS

Link channel establishment request

Link channel assignment

Setup Call proceeding Authentication request Authentication response

M M

Radio channel disconnect Radio channel disconnect

Complete

Management Management

Link channel establishment

phase

Service channel establishment

phase

Communications phase

圖 2.6 PHS 通信三個階段

2-1-8 PHS 手機通訊狀態

在移動通訊系統下，用戶手機可能經常處於在移動中，因此手機在不同狀態下所進行未進通信事件也會不相同。如圖 2.7 所示，PHS 終端通訊狀態共有三種，說明如下:

Power off(關機狀態):當手機在關機狀態下時，手機因無法與網路進行聯絡，因此無法有任何通訊動作。

Standby(待機狀態或是空閒狀態):當手機開機後，手機將會尋找控制頻道下所有可能 CS，然後找訊號最強

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CS，進行手機註冊認證，然後駐留在此 CS 下，聽取 CS 廣播或尋呼訊息。在待機下，手機因移動而產生接收 CS 訊號強度與品質變差時，以致無法與 CS 聯絡，手機將會重新尋找新 CS，並駐留在新 CS 涵蓋區下。

Active(通話狀態):系統網路會指派 TCH 給手機進行語音與資料通訊。手機因移動中而產生接收到訊號品質變差時，手機或是網路都可發起 Handover(交替)。

圖 2.7 PHS 終端通訊狀態轉換流程

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2-2 GSM 系統介紹

2-2-1 系統網路架構

GSM 標準是由歐洲電信標準協會 ETSI 所制定的一種無線數位網路標準。發展 GSM 的目的是要結束各通訊系統不相容的問題並提供共通的服務給歐洲所有 GSM 使用者。由於系統性能優越，已在全球各地商業化使用，目前是電信市場上佔有率最多通訊系統。

GSM 系統網路架構可由圖 2.8 所示，說明如下:

圖 2.8 GSM 系統網路結構

MS:用戶行動台。

BTS:基地收發台。

BSC:基地台控制器。

MSC:執行基本的線路交換功能。

GMSC:是特殊的 MSC，連接兩個網路。

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HLR:提供用戶相關資訊，如IMSI。

VLR:提供位在特定區域內用戶相關資訊。

AUC:是認證中心，辨識認證用戶之真偽。

EIR:紀錄手機IMEI，經由EIR的認證後才能確定是合法的手機。

OMC:網路營運中心。

整個 GSM 網路架構可分成四部份:

(1)行動台(MS): GSM 手機由兩個部份所組成;第一個部份為使用者認証模組（ Subscriber Identity Module 或 SIM ），第二個部份為手機通訊模組（ Mobile Equipme 或 ME)。SIM 是一智慧卡（記憶體晶片)，專門儲存與使用者相關的資枓， ME 則包括一切與基地台通訊所需之無線軟體及硬體，包括控制模組與無線電模組。當 SIM 由手機取出後，剩下之 ME 無法單獨使用。唯一例外為緊急電話（美國之 911 或國內之 119）之撥話，緊急電話是不須經由 SIM。

(2)基地台系統(BSS ):包括基地收發台及基地台控制器。基地收發台是 GSM 網路 MS 之間的溝通管道。基地台控制器，負責基地台子系統之線路交換功能，並與 GSM 網路之行動交換中心(MSC)相連。

(3)網路與交換系統(NSS): NSS 由 MSC、GMSC、HLR、

VLR、AuC 與 EIR 等組合而成。主要功能是提供電話線路交換，客戶資料儲存及手機漫遊管理（roaming management ）的功能。 MSC 經由 A 介面（ A interface）控制數個 BSS。

(4)運作與支援系統(0SS):主要功能為移動用戶管理、移動設備管理、網路操作與維護等。

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GSM 的行動台（MS ）透過無線介面（ radio interface Um）與基地台系統（BSS）相互通訊。基地台子系統以 A 介面

（A Interface）連結到行動交換中心（MSC），與網路及交換子系統(NSS）相聯結。網路營運中心(OMC)則負責監控整體網路的運作。

2-2-2 空中無線介面

目前GSM系統，在全球各地所使用頻段可以分為GSM850、

GSM900、DCS1800與PCS1900等。在台灣所使用頻段為 GSM900與DCS1800，下面所介紹GSM相關空中介面參數將以 GSM900為主。

載波頻率: Downlink 935~960MHz Uplink 890~915MHz

載波間隔： 200kHz

進接方式： TDMA

雙工方式： FDD

雙工間隔 : 45MHz

每載波通道： 8

調變方式： 0.3 GMSK

發射功率： 0.8W~20W

語音編碼方式： RPE-LTP

空中傳輸速率： 270.8kbps

2-2-3 物理通道(Physical Channel)

如圖2.9所示，GSM的TDMA就是將每一個載波(carrier)依照時間切割成時槽(timeslot)，做為獨立傳送資料的基本單位;每8個時槽組成一個Frame ，最多可以分給8 隻手機使用，載波上不斷重覆著這些Frame，換言之，8個MS 輪流使

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用這個載波。每支手機所得到的timeslot，就稱為一個通道 channel。

這些channel不見得都用於傳送語音，有些要用於傳送控制資料。傳送語音的稱為話務通道(Traffic channel)，傳送控制訊號的稱為控制通道(Control channel) 。由於GSM所使用雙工方式為FDD，因此Uplink與Downlink所使用timeslot，

會有三個timeslot時間差。

圖 2.9 Channel 架構

2-2-4 Frame 架構

由圖 2.10 所示 GSM 系統中，每個 TDMA frame 有一個 frame 號碼。TDMA frame 號碼是以 3 小時 28 分 53 秒 760 毫秒（ 2715648 個 TDMA Frames ）為週期所編號的。每 2048×51×26 個 TDMA frame 為一個 Hyperframe ，每一 Hyperframe 又可分為 2048 superframes ，每一個 superframe 是 51×26 個 TDMA frame 的（約 6.12 秒），每個 superframe 又是由 multiframe 組成。multiframe 分為兩種類型。

26 frame 的 multiframe：它包 26 個 TDMA frame，時間長度 120ms 。 51 個這樣的 multiframe 組成一個 superframe。這種 multiframe 用於攜帶話務訊息。

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51 個 multiframe：它包括 51 個 TDMA frame，時間長度 235ms。26 個這樣的 multiframe 組成一個 superframe。這種 multifram 用於攜帶控制訊息。

圖 2.10 Frame 架構

2-2-5 Logical Channel 架構

由圖2.11所示， BTS 與MS 間用來傳送資訊的條通道稱為 physical channel，這個physical channel上依據所傳送的資訊來分類，可劃分成許多logical channels。基本上這些 logical channels可以分成traffic channel(TCH)與control channel (CCH)兩大類，說明如下:

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圖 2.11 Logical Channels

資料傳輸通道（Traffic channel或TCH）是用來傳送使用者的語音或數據資料。依據資料傳送的速率區分，分成Full Rate 與Half Rate。

控制通道（Control channel或CCH）用以傳送系統控制訊號（signaling）。控制通道又可分為數類如下所述:

z 廣播控制通道（ Broadcast Control Channel 或 BCCH）:Downlink。提供手機有關基地台的資料，手機便是利用這些資料來決定基地台的選擇及註冊程序之執行。

z 頻率校正通道（Frequency Correction Channel或 FCCH）: Downlink。由基地台傳送至手機以維持二者間之頻率同步。

z 同步通道（Synchronization Channel或SCH）:

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同步。

z 傳呼通道（Paging Channel或PCH）: Downlink。當有人要打電話給該手機，則用來呼叫手機。

z 隨機存取通道（Random Access

Channel ）:Uplink 。當手機要打電話，則手機告知基地台欲使用無線線路。

z 存取允諾通道（Access Grant Channel或AGCH）:

Downlink。基地台告知手機其所要求使用的無線線路已獲基地台同意，可以開始通話。

z 獨立專屬控制通道（Stand Along Dedicated Control Channel或SDCCH）:用以傳送系統call- setup控制訊號（signaling）及使用者之短訊息

（short message）。

z 慢速相關控制通道（Slow Associated Control Channel或SACCH）:用來傳送非緊急的資訊如能量

（power）及時差校正（time alignment）等控制資訊，以及由手機送至基地台的無線線路訊號測量結果。

z 快速相關控制通道（Fast Associated Control Channel 或FACCH）:用來傳送緊急控制信號（time- critical signaling）例如交遞（handover）的信號。

z 細胞廣播通道（Cell Broadcast Channel或CBCH）:

是由基地台下傳送至手機的單向傳播，提供短訊息的廣播服務。

2-2-6 手機開機程序

當MS 開機後，首先會掃描屬於GSM全部的頻道，計算各頻道強度，並把測量值存起來。MS 接下來會找出訊號最強的頻道，尋找FCCH並判斷是否為承載BCCH的頻道，如果是BCCH的頻道，MS 將經過SCH解碼來與BCCH同步，然後讀取BCCH系統消息，判斷看這個cell是否是所屬的PLMN，若是則將駐留在

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此cell涵蓋區中，接著MS 送出IMSI 向MSC 註冊。此時MS 進入所謂idle mode，開始測量基地台訊號強度與品質，也會測量附近基地台狀況，若發現有收訊更好的基地台，就會轉到新的基地台所涵蓋區下要求服務。

2-2-7 手機通訊狀態

在移動通訊系統下，用戶手機可能經常處於在移動中，因此手機在不同狀態下所進行未進通信事件也會不相同。如圖 2.12 所示，手機會有三種狀態，因此網路也需要對這三種狀態作相對應的處理。

power off(關機):也稱為 IMSI Detach(分離狀態)。

此時手機無法進行與網路任何聯絡。當手機在開機狀態，因關機動作回到關機時，手機向 MSC 發送分離處理請求，MSC 接收後，通知 VLR 對該 MS 對應的 IMSI 上作“分離”處理。

idle mode( 空閒狀態或待機狀態 ): 也稱為 IMSI Attach (附著狀態)。手機一旦開機後，找到網路並駐留在某一個 cell 時，手機將進入待機狀態。此時可能會有通信事件有:網路選擇、cell selection、cell re-selection、位置更新與尋呼事件等。

Active mode(通話): 系統網路給手機分配一個話務通道(TCH)用於傳送用戶語音或資料。當手機移動時，接收到訊號強度與品質變差時，網路需就手機情況進行 Handover(交替)處理。

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圖 2.12 GSM 手機狀態

2-2-8 DRX 運作機制

Paging 訊息是網路通知用戶來電的訊息。當 GSM 手機在待機狀態下,手機將聽目前所服務基地台廣播 Paging 訊息。為了降低手機電力消耗,在 GSM 通訊標準中引入不連續接收機制(Discontinuous Reception 或 DRX),即每一 GSM 手機都對應到一個專門 Paging group(尋呼組),手機只在自己所屬尋呼組廣播時間中,收聽 Paging 訊息,其餘時間可關閉 RF 元件,

以節省電源消耗。

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2-3 PHS 與 GSM 比較

PHS 與 GSM 兩系統通訊標準有很多不同地方,說明如下:

Multiple access

PHS 與 GSM 都屬於 TDMA 方式，但其雙工方式不同，PHS 為 TDD 方式，GSM 為 FDD 方式。

Frame 與 Time slot

PHS 與 GSM Frame 不同，Time Slot(時槽)也不同。PHS Frame 為 5ms，含 4 對收發時槽(1 個控制通道，3 個業務通道的 CS)；GSM Frame 為 4.615ms，含 8 個接收和發射時槽。

無線資源使用

PHS 系統頻道採用了動態通道分配方式，基站在建立通信通道時，隨機地選擇一個無干擾的頻道；而在 GSM 系統中，基地台所使用頻道因考量到基地台頻率重覆使用所以是經過網路業者事先規劃完成的。

語音編碼

PHS 與 GSM 的語音編碼不同，GSM 的語音編解碼演算法為 13kbitps 的規則脈衝激勵長期預測( RPE-LPT)，PHS 的語音編解碼演算法為 32kbitps 的 ADPCM 。

Handover

PHS 與 GSM 的 Handover(交替)不同。由於微蜂窩特點，

決定了它的 handover 為 Hard handover，在通話時需要經常進行頻繁的切換，在覆蓋良好的區域，PHS 語音品質接近固定電話，但由於每次切換都會出現語音中斷，

且容易發生斷話的現象，即使用戶不移動的情況下，由於手機與基站的功率較低，也會有反覆切換的現象發

(33)

生，這些因素都影響到了 PHS 的通話效率，而這種情況在 GSM 系統中則不存在。

Modulation

PHS 與 GSM 調變方式不同。PHS 調變方式為 π/4 相移 QPSK ，調變效率為 1.28bit/s/Hz ； GSM 調變方式為 GMSK，調變效率為 1.35bit/s/Hz。

Timing advance

GSM 與 PHS 在 timing advance 不同。PHS 系統覆蓋範圍小，多重路徑造成時間延遲對 PHS 空中介面影響不大。

因此 PHS 空中介面在大大簡化了信號處理過程，信號的傳輸速率可以提高。PHS 與 GSM 可支援的資料速率不同。GSM 最低，資料速率僅為 9.6bit/s；PHS 遠遠大於 GSM，目前可提供 32/64kbit/s 的資料速率，未來可提供 128kbit/s 資料速率。

基站覆蓋範圍

在 GSM 系統中，GSM 基站的覆蓋範圍理論最大為 35 公里，而 PHS 基地台因微蜂窩架構，基地台功率小，覆蓋範圍只有幾十米到幾百米。

(34)

3. GSM/PHS 雙模手機設計方式

關於雙模手機設計想法，在 ETSI TR 101 072[4]文獻中，對 DECT 與 GSM 雙模手機(Dual mode terminal)設計，有介紹需要考量必要條件與手機類型。在本章節中，對於 GSM 與 PHS 雙模手機類型與模式，其設計想法參考到此份文件。

GSM 與 PHS 雙模手機設計基本架構如圖 3.1 所示:

從圖中可以看出雙模手機包含了 PHS 與 GSM 兩個通訊協定模組，這兩個模組受到雙模手機中一個控制單元(Interworking Unit)控制，可以清楚知道手機現在所處狀態，進而把訊息傳給雙模手機裡相關人機界面元件例如:螢幕顯示、揚聲器 (loudspeaker) 、麥克風(microphone)與手機按鍵(Keypad) 等。當然雙模手機也可經由這些人機介面元件把使用者指令通知控制單元，再由控制單元決定進行相關動作。

GSM 與 PHS 通訊協定模組共用人機介面元件。至於雙模手機與通訊 RF(Radio Frequency)有關元件例如 Transceiver (收發機)與 Antenna(天線)是否共用，可以有幾種不同設計方式，我們將在下一章詳述。

MMI: Man Machine Interface

圖 3.1 雙模手機基本架構

G G S S M M P P H H S S

Interworking Unit

MMI

(35)

3-1 雙模手機類型

引用[4]的建議，GSM 與 PHS 雙模手機型式共分為五類，分別說明如下:

3-1-1 雙模手機類型-Type 1

此類型雙模手機定義為:

(1)在開機後，只允許 GSM 或 PHS 其中一種通訊協定模組進行註冊。

(2)雙模手機使用那一組通訊協定模組必須經由使用者手動切換決定之。

(3)在待機狀態下，當一組通訊協定模組運作時，另一組通訊協定必須是關閉狀態。

(4)當有一組通訊協定模組進行通話時，另一組通訊模組必須是關閉狀態。

這種雙模手機類型可以看待成單待機之手動切換。

(1)在開機後，只允許 GSM 或 PHS 其中一種通訊協定模組進行註冊。

(2)雙模手機使用那一組通訊協定模組是經由使用者手動切換或由雙模手機自動切換機制決定之。此自動切換機制可經由兩系統所接收基地台訊號強弱來做判斷。

(3)雙模手機在待機下，當一組通訊協定模組運作時，另一組通訊協定必須是關閉狀態。

(36)

這種雙模手機類型可以看待成單待機之自動切換。

3-1-3 雙模手機類型-Type 3 此類型雙模手機定義為:

(1)在開機後，雙模手機允許兩個通訊協定模組進行註冊。

(2)雙模手機在待機下，兩個通訊協定模組都必須遵守各自通訊協定在 idle(待機)模式下規定，因此雙模手機是雙待機。

這種雙模手機類型可以看待成雙待機之單方通話。

(1)當手機開機後，雙模手機允許兩個通訊協定模組進行註冊。

(2)雙模手機在待機下，兩個通訊協定模組都必須遵守各自通訊協定在 idle 模式下規定，因此雙模手機是雙待機。

(3)當有一組通訊協定模組進行通話時，另一組通訊模組可以聽基地台廣播訊息，但不能進行通話。

這種雙模手機類型可以看待成雙待機之單通話。

(37)

(1)當手機開機後，雙模手機允許兩個通訊協定模組進行註冊。

(2)雙模手機在待機下，兩個通訊協定模組都必須遵守各自通訊協定在 idle 模式下規定，因此雙模手機是雙待機。

(3)當有一組通訊協定模組進行通話時，另一組通訊模組也可以進行通話。

這種雙模手機類型可以看待成雙待機之雙通話。

3-2 雙模手機使用模式與切換機制

雙模手機無論是在那一類型設計下，都應該要讓使用者有設定優先權模式(或是喜愛模式)選項。當雙模手機在優先權模式條件下，不同手機類型開機運作說明如下:

(1)在 type1 與 type2 雙模手機類型，由於手機只允許一個模式註冊，當手機開機時，手機將優先選擇喜愛模式或是優先權高的模式進行註冊。

(2)在 type3~type5 雙模手機類型，由於手機可同時在兩個模式下註冊，因此當手機開機時(兩個模式都可以被思考為優先權高) ，使用者決定一種模式為優先權高的模式時，手機將優先對它進行註冊。

3-2-1 GSM 與 PHS 運作模式

雙模手機實際使用運作模式，可以分為三種:

(1)PHS 單一模式運作 (2)GSM 單一模式運作

(3)PHS 與 GSM 雙模式同時運作

此三種運作模式依據待機與通話狀態與上一節所述的五種手機類型關係，如表3-1所示:

(38)

類型待機通話

Type1 單模待機單模通話(另一模關閉) Type2 單模待機單模通話(另一模關閉) Type3 雙模待機單模通話(另一模關閉) Type4 雙模待機單模通話(另一模待機) Type5 雙模待機雙模通話

表 3.1 手機運作模式分類

雙模手機無論是在那一種模式下運作，它都必須遵守其通訊協定所規範的行為模式。當雙模手機在PHS模式時，雙模手機其通訊行為模式必須遵守ARIB Standard RCR STD-28[1]規定。同樣地，當雙模手機在GSM模式時，雙模手機通訊行為模式必須遵守3GPP TS 11.10[2]規定。

3-2-2 使用模式之切換機制:

雙模手機在進行使用模式選擇時，有下列幾種方式:

(1)手動切換操作方式(Manual Switching )。

(2)自動切換操作方式(Automatically Switching )。

(3)平行運作操作方式(Parallel Operation)。

在(1)與(2)這兩種切換方式執行後，手機將進行模式更換，模式更換規則是:舊的模式必須先關閉後，新的模式再啟動。

假若雙模手機關閉某一個通訊協定模式時，這樣如同單模手機進行關機動作。假若雙模手機從一個通訊協定模式切換到另一個通訊協定模式時，這時在另一個通訊協定模式進行啟動行為，如同單模手機進行開機動作。

手機在每一次關機後，關機前的所使用模式，將為手機下次開機預先使用模式。每一種切換方式與雙模手機類型是有一定關聯性，說明如下:

(39)

3-2-2-1 手動切換操作方式(Manual Switching )

手動切換方式可讓使用者有機會可以更改手機使用通訊協定模式，至於切換的時機，只要不是在手機進行通話中，在任何的時間都可以進行手動切換機制。

手動切換機制應該被設計在任何雙模手機類型(Type1~ Type5) 中，原因是無論是那一種雙模手機類型，應該都要有一個選項讓使用者可以選擇喜愛通訊協定模式。

手動切換機制操作方式如圖3.2所示。當手機在PHS模式時，因使用者啟動手動切換機制，雙模手機將關閉PHS模式，

然後啟動GSM模式開使尋找GSM網路並進行註冊。如果無法尋找到網路或是註冊失敗，手機必須回到原先PHS模式下。如果成功地完成手機註冊，雙模手機將待在GSM模式並遵守GSM通訊協定待機模式規定。

圖 3.2 手動切換機制

(40)

3-2-2-2 自動切換操作方式( Automatically Switching )

雙模手機執行自動切換機制時機，可分為下面幾種:

(1)當手機處在通訊協定模式之服務區外時，手機將進行自動切換機制。切換機制運作如圖3.3所示，當手機待在PHS模式下，因移動或是環境變化，造成無法與基地台聯絡，此時手機必須自動關閉PHS模式並尋找GSM網路，找到網路後，雙模手機將待在GSM模式。

圖 3.3 自動切換模式

(2) 當手機處在某一模式下並進行另一模式背景掃描

(41)

台訊號場強高於目前使用模式，手機將啟動自動切換機制進行模式更換。例如圖3.4所示，當手機目前是在PHS模式下，

經由背景掃描後，發現GSM網路訊號更好，於是進行模式切換。

背景掃描程序通常可分為三種階段:

(a)當手機處在優先權低的模式時，它會進行掃描優先權高的通訊系統網路。

(b)檢查雙模手機是否可以接收到該網路訊號及所收到訊號品值是否穩定。

(c)依檢查結果決定是否自動切換網路。

圖 3.4 背景掃描模式切換圖

(3)當手機模式處在優先權低通訊協定模式時，當進行背景掃描後，發現可以找到優先權高的通訊網路，手機將進行自動切換機制進行模式更換。切換機制運作可參考圖3.5:

(42)

Switch on

Priority mode Non-Priority

mode Is priority mode

Available?

YES NO

Background Scan

Loss of coverage

圖 3.5 優先權模式自動切換

雙模手機自動切換操作方式可被設計於Type2~Type5手機。

3-2-2-3 平行模式運作方式(Parallel Operation )

此平行模式運作方式可以被設計在type3~type5手機類型上。由於允許兩個通訊協定模式進行註冊，因此雙模手機兩個通訊協定模式都必須遵守其通訊標準在idle模式下通訊行為。以下說明雙模手機在各個狀態下之行為:

(43)

(1)服務區外

當手機有某一通訊模式處在服務區外時，手機將自動執行此模式背景掃描，一旦發現處於服務區外通訊模組，能重新接收到網路訊號時，手機將恢復其通訊狀態。

(2)開機

當雙模手機開機時，由於手機兩種通訊模式都可以進行註冊，因此手機將以優先權較高模式進行先註冊，其後才是優先權較低模式做註冊。

(3)通話

當雙模手機進行撥出電話時，手機將優先使用優先權高的模式進行通話，當優先權高的模式無法進行通話動作，手機將自動啟動另一模式進行撥出電話。

在type5手機類型下，當雙模手機已經通話中時，另一模式若有來電時，手機應該有一選項，可以讓使用者接其來電或是拒接此通來電。

(4)待機

雙模手機在兩個通訊模式都進行完註冊程序後，手機將進入待機，也就是idle mode。當其中有一通訊模式進行通話時，另一通訊模式的通訊動作為:

(a)Type3手機，進行通訊模式關閉狀態。

(b)Type4與Type5手機，將繼續遵守在idle mode下通訊行為，例如:收聽基地台廣播訊息等。

(44)

4. GSM/PHS 雙模手機之硬體設計

在上一章中，我們說明了 GSM/PHS 雙模手機的五種手機類型操作模式與切換機制等。接下來，我們要說明的是雙模手機在設計上會遭遇的問題。這些問題我們把它歸類成硬體設計與通訊協定(含人機介面)兩大部份。本章探討硬體設計部份的議題。第五章探討通訊協定(含人機介面)議題。

4-1 硬體架構

雙模手機在硬體上可能的設計架構有三種：

(1)整合(Integration)硬體架構 (2)主從(Master-Slave)硬體架構 (3)平行(Parallel)硬體架構

這三種硬體架構設計優缺點分述如下：

4-1-1 Integration 硬體架構

如圖 4.1 所示，此架構是把 GSM 基頻與 PHS 基頻整合到一個 SOC（System-on-Chip ）。其優缺點分別說明：

圖 4.1 Integration 架構

GSM PHS dual RF

P P HS H S/ /G GS SM M B B B B

MMI

GSM /PHS L1/L2/L3 SW

LCD

Keypad board

Speaker

&

Receiver Dual Antenna

(45)

優點：

(1)把 PHS 基頻與 GSM 基頻整合在同一基頻上，這樣可以分享共通元件（如人機介面上 Keypad control 等），

如此整合後的基頻有利製造面積小與成本低的雙手機。

(2)在基頻的整合上，由於 PHS 與 GSM 分屬不同通訊標準且其解碼差異很大，適合採用 DSP 晶片來完成，目前在 GSM 手機上大都採用 DSP 來解碼，PHS 手機大都使用 ASIC。如 PHS 手機亦採用 DSP 架構將有一些好處:

DSP 可以完成訊息通道參數的分析，針對訊息通道的不同統計特性，選擇相應預存的處理程式，與核心網路的互動可以分析終端的位置和預測基地台的可靠度，可為 Handover 提供較可信的依據，因此 DSP 架構的 PHS 手機在收訊性能上遠遠優於 ASIC 核心的手機。

(3)PHS 與 GSM 基頻後，兩通訊模組所需要電力可以使用同一個 PM（Power Management）控制。所以此架構雙模手機可以更省電。

缺點

大部份 GSM 開發廠商如德州儀器（TI)，並沒有 PHS 開發經驗；PHS 開發廠商如東芝(Toshiba）並沒有 GSM 開發經驗。因此要開發雙模手機 BB(Base band)與 RF 是需要很長開發與整合時間（而一般研發一套成熟的晶片至少需要兩年到三年左右的時間），可能無法滿足目前雙模手機的市場需求。

(46)

4-1-2 Master-Slave 硬體架構

第二種硬體架構設計，如圖 4.2 所示:

圖 4.2 Master-Slave 架構

此雙模手機硬體架構是把 PHS 手機與 GSM 手機硬體模組放在同一個 PCB 上。由其中一個模組擔任 Master 的角色，另一個模組擔任 Slave 角色。人機介面上的週邊元件如（LCD、Keypad..等）是由 Master 控制，Slave 可用 UART 與 Master 來溝通。這樣架構優缺點如下所述。

優點

開發快。可以利用目前 PHS 與 GSM 手機晶片來設計，是一個可以馬上滿足現階段市場需求的技術實現方案。

缺點

G G S S M M B B B B ( ( m m a a s s t t e e r r ) )

LCD

P P H H S S B BB B ( ( s s la l av ve e) )

PHS RF

GSM RF

UAUARRTT UART

Keypad board Speaker

&

Microphone

(47)

（1）手機包含兩系統 BB 與 RF 晶片，成本高。

（2）手機包含兩系統 BB 與 RF 晶片，手機體積大。

（3）手機電源將提供兩系統所需，因此耗電量較大，須要更高容量的電池。

(4) 假若我們把 PHS 手機與 GSM 手機放入同一個機殼裡，

可以想像得到是此手機一定無法滿足目前手機市場上輕薄短小的主流需求。

4-1-3

Parallel 硬體架構

第三種硬體架構設計，如圖 4.3 所示:

圖 4.3 Parallel 架構

此雙模手機架構是把 PHS 與 GSM 都當成 modem，也就是都是 Slave，而 Master 是另一個主控平台且擁有運算能力很強的處理器(例如 ARM9)，兩個 Slave 通訊模組透過 UART 與 Master 主控平台連結與溝通。由於大部份通訊工作在兩通訊模組上，主空平台運算器可專心處理各種 Application，所以此架構可以應用於雙模 PDA 手機設計。

PHS Modem

GSM Modem UART

UART UART

LCD

Keypad board

Speaker Microphone CPU

(48)

優點

開發快。可以利用現成智慧型手機平台（如 TI /OMAP）

來設計實現並滿足雙模智慧型手機市場需求。

缺點

成本高、手機體積大、耗電量大、需高容量電池。

4-2 RF(Radio Frequency)

雙模手機在 RF 方面所面臨問題，可以分類如圖 4.4 所示:

圖 4.4 RF 問題分類表

在 PHS 與 GSM 頻段上，因 Transceiver 與 Antenna 設計所引發問題探討如下:

4-2-1 頻段衝突

PHS 工作頻段:1884.650~1919.6(MHz) GSM 工作頻段:

– GSM850: uplink: 824~849(MHz)

(49)

– GSM900: uplink: 880~915(MHz) downlink: 925~960(MHz)

– GSM1800: uplink: 1710~1785(MHz) downlink: 1805~1880(MHz) – GSM1900: uplink: 1850~1910(MHz) downlink: 1930~1990(MHZ)

在工作頻段，GSM1900 與 PHS 頻段互相衝突。雙模手機在這部份解決方案為:

– 可以用 type1 手機類型設計，手動切換網路服務，

以解決此干擾問題。例:雙模手機在美國漫游，可以把 PHS 關掉，使用 GSM 模式以完成手機通訊。

4-2-2 Transceiver

4-2-2-1 Dual Transceiver

在前述硬體架構 Master-Slave 與 Parallel 中，GSM 與 PHS 兩個通訊模組各自有其 Transceiver，可以同時做收發工作，因此可以滿足 Type3~Type5 手機的設計(例如雙待機 )。

兩個 Transceiver 要放在同一手機上，勢必會有彼此干擾問題。此干擾問題可以分為電路與工作頻段兩部份，說明如下：

電路:兩個 Transceiver 及周邊線路在同一手機 PCB (Printed Circuit Board) 上，因此可以透過電路 Layout 技術，做好隔離（isolation），防止干擾出現。

工作頻段：GSM1800 downlink 1805~1880(MHz) 與 PHS 1884.650~ 1919.6(MHz)，兩個工作頻段相近，而且都屬於高頻工作狀態，因此當 PHS 進行

(50)

發射時，將會干擾到 GSM1800 的接收。這問題解決建議方案如下:

(1)在 PHS RF 發射電路上，多加一個 BPF (Band Pass Filter) ，把 out of PHS band 的 power 盡量地去掉，

以減少對 GSM1800 接收干擾。

(2)由圖 4.5 所示，PHS 在 Channel 1 所發射出來 power(X 軸為 Frequency，Y 軸 Power)，絕大部份發射能量會落在 Channel 1 中心附近，對於在左邊所輻射出來能量，應盡量利用 BPF 去掉，否則這些能量對 GSM1800 接收而言，是非常大干擾源，將會對 GSM1800 接收時產生干擾。

圖 4.5 PHS Channel spectrum

(51)

4-2-2-2 Single Transceiver

如前述 Integration 硬體架構所示，當 PHS 與 GSM 使用同一個 Transceiver 時，由於同一時間無法進行兩個系統同時收發，在這樣情況下對於兩系統無線資源使用可能會有衝突，無法進行 Type4 與 Type5 雙模手機設計。

當設計 Type3 雙模手機時，若使用單一 Transceiver，

手機在 idle mode 時，會有使用 Transceiver 資源衝突產生。可能導致遺失 Paging 訊息。

4-2-3 Antenna（天線）

在 Single Antenna 所面臨問題與 Single Transceiver 是相同的，設計 Type3 雙模手機時，在待機狀態下，使用 antenna 將會產生資源衝突，建議解決方式將在第六章討論。

在 Dual Antenna 是指 PHS 與 GSM 各自使用自己天線。如此做效率當然比共用一隻天線來的好，缺點是成本會比只使用一隻來的高，所佔用體積也比較大，手機外觀也不相同，現在手機設計趨勢是小而美，因此體積與外觀也是設計手機時一大考量因素。

在採用 Dual Antenna 時，建議可以一個使用外露天線，用於 PHS。另一個採用隱藏式天線，用於 GSM。

4-3 Power

雙模手機電池因為要提供給 PHS 與 GSM 兩系統使用，所以耗電量大，使用時間短，必須經常充電以維持電力，一般改善雙模手機耗電量大的方法如下:

(52)

(1)增加手機電池容量:一般手機電池容量 600mA/hr，雙模手機電池容量可能要到 900~1000mA/hr，缺點是增加手機成本。

(2)如採用前述 Master-Slave 或 Parallel 硬體架構設計模式下，無論是在通話中或是在待機下，都可根據現行手機狀態，關掉不需要的硬體元件與線路，以減少電力消耗。

(3)RF 元件上所消耗電力是非常大的，因此除了在通話時必需一定得使用 RF 元件，如待機時在不影響網路連結下，

可以盡量減少 RF 元件使用，將減少很多電力消耗。

再者，雙模手機若是處在服務區外時，太頻繁尋找網路，將會消耗額外電力。這部份問題的建議解決方案將在第六章討論。

(53)

5. GSM/PHS 雙模手機通訊協定與人機介面

5-1 軟體架構

雙模手機無論是在單待機或是在雙待機條件下，PHS 與 GSM 都必須完全遵守自己通訊標準所制定規定，因此雙模手機在 PHS 與 GSM 通訊協定上，該如何溝通呢?

5-1-1 Parallel 架構

在 Parallel 硬體架構設計模式下，PHS 與 GSM 兩系統是利用 UART 來與主控平台做連接與互通，因此雙模手機可以採用如圖 5.1 所示軟體架構。

圖 5.1 Parallel 之 Layer4 架構

(54)

5-1-2 Master-Slave 架構

在 Master-Slave 硬體架構設計模式下，PHS 與 GSM 兩系統是利用 UART 來做連接與互通，其中有一模組當 Master，

因此雙模手機可以採用如圖 5.2 所示軟體架構。

GSM BB PHS BB

PHS GSM

L1 L2 L3

L4 MMI

UART

圖 5.2 Master-Slave 之 Layer4 架構

5-1-3 Layer4 架構

Layer4可以使用PHS與GSM兩個通訊協定AT command集合來與這兩個模組溝通。在GSM標準中，AT command有詳盡定義與規範(ETSI TS 100 916 [11])。在PHS標準中並無AT command 規範，因此雙模手機在 PHS 部份，參考 GSM 標準來進行 AT command設計。

Layer4 利用這些指令集，來瞭解 PHS 與 GSM 通訊協定運作狀態，並依其狀態來下達適合指令。Layer4 也把來自 PHS 與 GSM 運作的相關事件傳至 MMI，MMI 再將結果通知使用者。

(55)

我們以圖 5.3 為例來說明 Layer4 實際運作情形。圖 5.3 所示為一個在 Parallel 硬體架構下採用 Layer4 軟體設計的運作狀況。雙模手機在開機後，人機介面元件將尋找網路需求傳達至 L4(Layer4)，L4 經由 AT+CFUN=1 指令設定 GSM 完整通訊功能後，再經由 AT+COPS=0 指令，進行自動尋找網路並註冊。當註冊成功後，L4 將成功訊息通知 MMI，MMI 可以在手機畫面上顯示出網路名稱與訊號強度。

如圖 5.4 所示，當雙模手機在 GSM 待機模式下，也可經由 AT+CSQ 指令得知在所處 cell 下，訊號品質與強度，然後通知雙模手機更新畫面訊號強度指示。

圖 5.3 開機時 GSM 模組之 AT command 運作

(56)

圖 5.4 GSM 模組 AT Command 之訊號量測運作

5-2 緊急電話的處理

雙模手機在處理緊急電的話設計，可以說明如下：

(1)雙模手機在單待機情況下，使用目前待機模式，撥出緊急電話。

(2)雙模手機在雙待機情況下，當有緊急電話要撥出，先選用 GSM 網路來執行緊急電話撥出，因 GSM 基地台涵蓋範圍比 PHS 廣大。

(3)雙模手機在網路服務區外時，使用 GSM 網路。

(4)當在某一模式下，在緊急電話無法成功連上網路時，必須自動啟動另一個模式以撥出緊急電話。

緊急電話處理的規則可參考圖 5.5：

(57)

圖 5.5 緊急電話處理規則

5-3 人機介面

5-3-1 模式指示

雙模手機目前運作是單待機或是雙待機，是通話中或是服務區外，這些雙模運作狀態，必須清清處處透過 MMI 來顯示告訴使用者。

在 TYPE1 或 TYPE2 手機設計模式下，雙模手機必須有一個切換介面，來讓使用者手動切換網路。

在 TYPE3~TYPE5 手機設計模式下，雙模手機必須有一個切換設定，來讓使用者設定其喜好模式或是優先權模式。

(58)

5-3-2 電話簿共用

雙模手機中，若 GSM 和 PHS 擁有各自的電話簿，使用者在使用時會不習慣。畢竟雙模手機也是一隻手機，共享電話簿的設計會比較符合使用者習慣。

現行 GSM 手機其電話簿是存在 SIM 卡上，PHS 手機無 SIM 卡，目前是存在 Memory 中，因此雙模手機若要共用同一個電話簿，必須在 PHS 模式下也有機會能存取 SIM 卡。

具體實現方式是在上一節所提到 Layer 4 中，藉由 UART 把 AT 指令傳送到 GSM，進而存取 SIM 卡中電話簿。

(59)

6. GSM/PHS 雙模手機之設計議題

6-1 Paging 訊息

在 Type3~Type5 雙模手機類型中，當手機開機並完成兩個通訊模組註冊認證後，手機將進入雙待機模式。在雙待機狀態下，兩個通訊模組都須要聽基地台 Paging 訊息，明瞭網路是否傳送來電訊息，以便接聽電話。兩個通訊模組聽 Paging 訊息條件與時機，說明如下:

6-1-1 PHS Paging Channel 運作機制:

在第 2.1 章節中提到，PCH 可以分成不同 Paging group (尋呼組)，這些尋呼組數量由 Superframe 的參數 nPCH x nGROUP 決定。每一 PHS 手機，該屬於那一個尋呼組，將與其 PHS 號碼(PS number)有關，有以下計算公式可以算出:

Paging Group = (PS number) mod (nPCH x nGROUP)+1 因此 PHS 手機只需要在所屬尋呼組廣播時間接收訊息，

其餘時間可以關閉 Transceiver，以節省電源消耗。在 PHS 公用網路系統下，superframe 是由 12 個 multiframe 所組成，一個 multiframe 所需時間為 100ms，所以 PHS 手機每隔 1.2sec 收聽自己所屬尋呼組的尋呼訊息。

6-1-2 GSM Paging Channel 運作機制:

在 2.2 章節中提到，DRX 運作機制與 GSM 用戶尋呼組有關， GSM 用戶屬於那一尋呼組可由 IMSI 透過以下計算公式可算出:

用戶所屬 Paging Group = (IMSI mod 1000) mod N

(60)

其中 N = (51-frame 的 multiframe 中 PCH 數量)XBS_PA_MFRM

， BS_PA_MFRMS 參數為掃描尋呼組所需要 51-frame 的 multiframe 數量，用 3bits 表示，取值範圍 2~9 。例如 BS_PA_MFRMS=5 時，表示有 5 個 51-frame 的 multiframe。

GSM 網路端 Paging 訊息是利用 PCH 向用戶手機廣播，PCH 屬於 CCCH，multiframe 為 235ms 所以 GSM 手機在待機狀態下，

接收基地台廣播 Paging 訊息時間可能性有:

DRX=2: 0.47 Sec DRX=3: 0.71 Sec DRX=4: 0.94 Sec DRX=5: 1.18 Sec DRX=6: 1.41 Sec DRX=7: 1.65 Sec DRX=8: 1.89 Sec DRX=9: 2.12 Sec

其中，DRX = BS_PA_MFRMS

6-1-3 Paging 訊息遺失

GSM 與 PHS 兩個通訊模組在待機狀態下，雙方聽基地台 Paging 訊息時間並不相同。當雙模手機在兩個通訊模組擁有各自 Transceiver(或 Antenna)條件下，在屬於自己的尋呼組來臨時，兩個模組將使用各自 Transceiver(或 Antenna)與網路端互動，收聽 Paging 訊息，除了外在環境所造成訊號不良，無法解碼訊息外，整個 Paging Channel 運作機制將正常無誤。當雙模手機在兩個通訊模組共享單一 Transceiver 或 Antenna 條件下，在屬於自己的尋呼組來臨時，如兩個模組都要使用 Transceiver(或 Antenna)來收聽 Paging 訊息，此時將會產生資源使用衝突。當資源衝突發生時，如果雙模手

(61)

個模組上都無法收聽 Paging 訊息，換言之，手機接聽網路端的來電接通率將變低。

雙模手機遺失 Paging 訊息，除了造成來電接通率變低外，還會影響網路端信令(signaling)傳送增多，原因是網路端傳送 incoming call(來電)時，如果得不到手機回應，網路在發送 Paging 都會有重傳機制，一旦重傳機制啟動，網路信令大幅變多，將會影響網路端運作負載。

對於雙模手機使用單一 Transceiver(或 Antenna)所產生出遺失 Paging 訊息問題，我們提出改善方案說明如下

6-1-4 改善方案 A:

雙模手機在雙待機發生資源衝突時，可以採用 Priority 模式來解決。也就是說當 PHS 與 GSM 都在聽網路 Paging 訊息時，有優先權的通訊模組將可以使用此資源，而另一系統自動放棄使用權。

雙模手機在待機下運作機制如圖 6.1 所示，說明如下:

此方案是採用 PHS 為 Priority 模式。

(1)手機使用兩個 timer 與一個旗標。兩組 timer(PHS 1.2sec timer 與 GSM DRX timer)分別用於同步 PHS 與 GSM 模組在接收 Paging 訊息時間。一個旗標 (RF_IN_PHS)用於表示資源(Transceiver 或 Antenna) 使用在 PHS 模組。

(2)當手機在雙待機模式下，如任一兩 timer 到達計數標準，將產生 time out 事件通知手機收聽網路 Paging 訊息。

(3)當在以 PHS 為優先條件下，雙模手機用旗標來保護資源不被 GSM 所使用，因此當在 GSM 模組收聽 Paging 訊息時，將先確認資源是否已由 PHS 使用，若是將放棄聽 Paging 訊息，若不是將收聽 Paging 訊息以確知網路是否傳送來電訊息。

(62)

此運作機制將保證有優先權的模組不遺失 Paging 訊息，

對於無優先權的模組，將因遺失 Paging 訊息，而使得網路負載變高。

1: Start PHS 1.2s Timer 2: Start GSM DRX Timer 3: Set RF_IN_PHS = OFF

Receive PHS Paging message

PHS Incoming call ? Set RF_IN_PHS= ON

Receive GSM Paging message

GSM Incoming call ?

PHS Call GSM Call

DMT Dual Standby mode

RF_IN_PHS = ON

?

NO

Set RF_IN_PHS= OFF

YES YES NO

NO

GSM DRX Timer Time out PHS 1.2s Timer

Time out

YES

t OGTu{thZ mWGE08902019 H GY O h EQ ~ K Study of Dual Mode Terminal Design for GSM and PHS DGGSMPPHS]ps h j

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目：GSM 與 PHS 雙模手機設計研究

Study of Dual Mode Terminal Design for GSM and PHS

系 所 別：資訊工程學系碩士班 學號姓名：E08902019 王 信 欽 指導教授：嚴 力 行 博 士

中華民國 九十五 年 八 月

摘要

Abstract

誌謝辭

目錄

圖目錄

1. 緒論

1-1 背景分析

1-2 研究動機

1-3 研究目的

1-4 論文架構

2. 相關背景知識

2-1 PHS 系統介紹

2-2 GSM 系統介紹

2-3 PHS 與 GSM 比較

3. GSM/PHS 雙模手機設計方式

G G S S M M P P H H S S

Interworking Unit

3-1 雙模手機類型

3-2 雙模手機使用模式與切換機制

4. GSM/PHS 雙模手機之硬體設計

4-1 硬體架構

P P HS H S/ /G GS SM M B B B B

G G S S M M B B B B ( ( m m a a s s t t e e r r ) )

P P H H S S B BB B ( ( s s la l av ve e) )

4-1-3

LCD

4-2 RF(Radio Frequency)

4-3 Power

5. GSM/PHS 雙模手機通訊協定與人機介面

5-1 軟體架構

5-2 緊急電話的處理

5-3 人機介面

6. GSM/PHS 雙模手機之設計議題

6-1 Paging 訊息

中華大學碩士論文

系所別：資訊工程學系碩士班學號姓名：E08902019 王信欽指導教授：嚴力行博士

中華民國九十五年八月