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  1. Introduction to GSM

  2. 目次 • 前言 • GSM架構 • GSM無線電技術 • 位置追蹤 • 交遞 • 安全認證 • 功能層 • 簡訊系統 • GSM數據服務

  3. 1. 前言 • GSM標準 • 由歐洲電信標準協會(European Telecommunications Standard Institute,ETSI)所制定的無線數位網路標準 • 目的 • 提供一套共通的行動電話服務給歐洲所有GSM使用者

  4. Phase 1及Phase 2 • 數位蜂巢式電信系統(digital cellular telecommunications system) • Phase 2+ • 語音編碼和數據傳輸服務

  5. GSM基本需求 • 服務(services) • 服務品質與安全(quality of services and security) • 無線電頻率的使用(radio frequency utilization) • 網路(network) • 成本(cost)

  6. 服務(services) • GSM系統應提供服務可攜性(service portability),即不論在那個參與國際漫遊地區,MS都應獲得系統業者的服務 • 有線電話網路已提供的服務與專屬行動通訊服務,GSM系統都需具備 • 不論步行、車輛行走或航行船隻,GSM系統都須供應服務給所有不同行動能力的MS

  7. 服務品質與安全(quality of services and security) • GSM電話的語音品質至少需優於類比式行動電話系統 • GSM系統須在不影響一般用戶成本的考量下,提供資訊加密能力

  8. 無線電頻率使用(radio frequency utilization) • GSM系統應很有效率使用無線電頻譜,並儘可能支援現今科技上最新的用戶設備 • 系統需在整個配置的頻帶上運作,並與先前使用同一頻帶的系統並存

  9. 網路(network) • 識別碼與電話號碼的規劃應依據CCITT Recommendation E.164的建議 • 交換與行動管理需使用國際信號標準 • 現存固定公共網路不應被大幅修改 • 成本(cost) • 應從降低整體系統成本,特別是MS成本,來考量系統參數的設定

  10. 2. GSM架構 2.1 GSM手機 2.2 基地台子系統 2.3 網路及交換子系統

  11. 名詞 • NSS:網路及交換子系統 (Network and Switch Subsystem) • MSC:行動交換中心 (Mobile Switching Center) • BSS:基地台子系統 (Base Station Subsystem) • BSC:基站控制台 (Base Station Controller) • BTS:基地收發台 (Base Transceiver Station) • MS:手機 (Mobile Station) • ME:手機通訊模組 (Mobile Equipment) • SIM:使用者認証模組 (Subscriber Identity Module)

  12. GSM Location Area Hierarchy

  13. Coverage GSM Network

  14. (Operations and Maintenance Centre) OMC GMSC MSC BTS BSC HLR (Home Location Register) BSC VLR (Visitor Location Register) BTS BTS EIR (Equipment Identity Register) MS AUC (Authentication Centre) MS

  15. GSM手機(MS) • 透過無線電介面(radio interface)與基地台子系統(BSS)相互通訊 • 基地台子系統(BSS) • 以A介面(A interface)連結到行動交換中心(MSC) • 再與網路及交換子系統(NSS)相聯結

  16. 2.1 GSM手機 • GSM手機(MS)由兩部份組成 • 使用者認証模組(SIM) • 手機通訊模組(ME)

  17. 使用者認証模組(SIM) • 功用 • 用以儲存與使用者相關的資料 • SIM可儲存 • 電話名單(customized dialing numbers) • 簡訊息(short message) • 其它使用者相關資料

  18. SIM包含下列資訊 • IMSI (International Mobile Subscriber Identity) • TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) • Ki:用於驗證用戶號碼 • Kc:為暫時的系統資料(updatable by the network) • subscriber information • access control class

  19. additional GSM service • 如簡訊,快速撥號 • 為暫時的系統資料(updatable by the network) • LAI (Location Area ID) • 為暫時的系統資料(updatable by the network) • forbidden PLMN (禁用) • 為暫時的系統資料(updatable by the network)

  20. PIN (Personal Identity Number) • PUK (PIN Un-lock Key) • BCCH (Broadcast Control Channel) frequency list • preferred PLMN list (優先使用) • 安全程序演算法(A3,A5,A8) • 用於驗證用戶號碼

  21. PIN (Personal Identity Number) • 為個人識別碼 • 為保護SIM卡不被他人使用,每次開機時都要輸入PIN以啟動SIM • 為4到8個數字長的密碼,由使用者自由設定 • 設定方式:按**04*舊PIN*新PIN*新PIN#

  22. PUK (PIN Un-lock Key) • 若忘記PIN號碼,在嘗試輸入PIN但有三次錯誤後,SIM卡就被鎖住使門號無法使用 • 此時要向申請門號的廠商要求取得另一個數字PUK (PIN Un-lock Key),來解開被鎖住的SIM卡 • 若自行嘗試輸入10次錯誤的PUK後,SIM卡就永遠被鎖定了 • 設定方式:按**05*PUK*新PIN*新PIN#

  23. 手機通訊模組(ME) • 一切與BS通訊所需之無線軟體及硬體 • 當從MS取出SIM後,ME無法單獨使用 • 唯一例外:撥打緊急電話(如112) • 緊急電話不須經由SIM

  24. SIM必須可與不同ME相結合,只要該ME的設計可與GSM網路相容SIM必須可與不同ME相結合,只要該ME的設計可與GSM網路相容 • 當GSM MS初次和GSM網路接觸時 • ME之特徵指數(classmark)會送至GSM網路 • GSM網路則利用特徵指數提供適當的無線電介面與該MS連絡

  25. 2.2 基地台子系統(BSS) • 連接手機(MS)及交換機子系統(MSC) • 包括兩個部份 • 基地收發台(BTS) • 基站控制台(BSC)

  26. 基地收發台(BTS) • BTS包括 • 發射器(Transmitter) • 接受器(Receiver) • 處理與手機通訊之無線電介面的相關信號 (signal)

  27. TRAU (Transcoder/Rate Adapter Unit) • Transcoding (for speech channels):轉換PCM (Pulse Code Modulation,脈碼調變)編碼的資訊成GSM speech編碼的資訊 • Rate adaptation (for data channels):調整傳輸資料的速度 • TRAU • 負責BSC與MSC間進行語音資訊的速率轉換 • BTS內的傳輸編譯碼與速率轉接器單元 PCM is used to digitally represent sampled analog signals. It is the standard form for digital audio in computers and various Blu-ray, DVD and Compact Disc formats, as well as other uses such as digital telephone systems.

  28. 基站控制台(BSC) • 負責 • 基地台子系統(BSS)之線路交換功能 • 與GSM網路之MSC相連 • 無線電通道之分配及回收 • 管理MS交遞(handoff) • 與基地收發台(BTS)相連 • 一個基站控制台可透過A-bis介面,以ISDN協定與數個基地收發台相連

  29. 2.3 網路及交換子系統(NSS) • 提供電話線路交換及MS漫遊管理(roaming management)的功能 • 基本的線路交換功能係由MSC執行 • 經由A介面控制數個基地台子系統(BSS) • MSC與PSTN等其它網路連接

  30. GSM網路使用的資料庫 • 本籍註冊資料庫(Home Location Register,HLR) • 客籍註冊資料庫(Visitor Location Register,VLR) • 認證中心資料庫(Authentication Center,AuC) • 設備識別資料庫(Equipment Identity Register,EIR)

  31. 本籍註冊資料庫(HLR)與客籍註冊資料庫(VLR)用以尋找手機的位置本籍註冊資料庫(HLR)與客籍註冊資料庫(VLR)用以尋找手機的位置 • 當MS從自家系統移動到一新的系統,須向當地VLR註冊 • 該VLR會送訊息給HLR,讓HLR修改MS位置 • 認證中心(AuC)的資料庫則用來認証用戶之真偽,通常會與HLR結合在一起

  32. 當有電話來時,此電話會先接到所謂的閘道行動交換中心(Gateway MSC,GMSC) • GMSC會向HLR詢問手機位置 • GMSC包含MS位置資訊,並可將電話轉接到使用者目前所在的MSC

  33. 3. GSM無線電技術 3.1 多重擷取技術 3.2 GSM時框/時槽結構 3.3 GSM邏輯通道

  34. 3.1 多重擷取技術 • GSM的無線電連結(radio link)使用下列混合技術 • 分頻多重擷取(Frequency Division Multiple Access,FDMA) • 分時多重擷取(Time Division Multiple Access , TDMA)

  35. k1 k2 k3 k4 k5 k6 c f t Frequency Multiplex • Separation of the whole spectrum into smaller frequency bands • A channel gets a certain band of the spectrum for the whole time • Advantages • no dynamic coordination necessary • works also for analog signals • Disadvantages • waste of bandwidth if the traffic is distributed unevenly • inflexible

  36. k1 k2 k3 k4 k5 k6 c f t Time Multiplex • A channel gets the whole spectrum for a certain amount of time • Advantages • only one carrier in themedium at any time • throughput high even for many users • Disadvantages • precise synchronizationnecessary

  37. k1 k2 k3 k4 k5 k6 c t Time and Frequency Multiplex • Combination of both methods • A channel gets a certain frequency band for a certain amount of time

  38. Time and Frequency Multiplex • Example:GSM • Advantages • protection against frequency selective interference • higher data rates • Disadvantages • precise coordination required

  39. GSM combines FDMA and TDMA • bandwidth is subdivided into channels of 200KHz, shared by up to eight stations, assigning slots for transmission on demand

  40. 頻帶 • 下行頻道(downlink) [BS →MS] • 頻帶範圍:935-960MHz • 上行頻道(uplink) [MS→ BS] • 頻帶範圍: 890-915MHz • 頻帶切割成124對上行與下行的頻道,每個頻道的頻寬為200KHz註:[(960-935)*1024]/124=204KHz • GSM使用TDMA技術,每個頻道由八位使用者共享

  41. UPLINK DOWNLINK 890MHz 915MHz 935MHz 960MHz 0 124 0 124 GSM Uses Paired Radio Channels

  42. 935-960 MHz 124 channels (200 kHz) downlink frequency 890-915 MHz 124 channels (200 kHz) uplink higher GSM frame structures time GSM TDMA frame 5 7 8 1 2 3 4 6 4.615 ms GSM time-slot (normal burst) userdata S tail tail userdata S Training guard space guard space 1 1 57 bits 3 3 bits 57 bits 26 bits 546.5 µs 577 µs 3.2 GSM時框/時槽結構

  43. 透過GSM傳送的資料都是以資料叢集(burst)的型式加以封裝,再將資料放入時槽(timeslots)中傳送透過GSM傳送的資料都是以資料叢集(burst)的型式加以封裝,再將資料放入時槽(timeslots)中傳送 • 每個GSM時框(time frame)的長度為4.615ms • 每個時框再分成8個0.577ms (= 0.546ms + 0.031ms)傳送語音資料的時槽(timeslot) • 每個時槽內容包括burst與guard time

  44. Tailing Data Flag Training Flag Data Tailing Guard 3 57 bits 1 26 bits 1 57 bits 3 8.25 bits Normal Burst Tailing Fixed Bits Tailing Guard 3 142 bits 3 8.25 bits Frequency Correction Burst Tailing Data Training Data Tailing Guard 3 39 bits 64 bits 39 bits 3 8.25 bits Synchronization Burst Tailing Synch. Seq. Data Tailing Guard 3 41 bits 36 bits 3 68.25 bits Access Burst GSM Bursts

  45. Burst的種類 • Normal burst • 用於傳送使用者語音或數據資料 • F burst (Frequency Correction Burst) • 放置基地台廣播的信號,讓MS校正頻率,以維持與基地台頻率上的同步