９ GSM 系統簡介

GSM 系統簡介 GSM 標準由歐洲電信標準協會 (European Telecommunications Standard Institute, ETSI) 所制定 數位蜂巢式電信系統 (Digital Cellular Telecommunications System) 語音編碼和數據傳輸服務 相容的服務與國際漫遊 (International Roaming) 協定

GSM 基本需求 服務 (Services) 服務品質與安全 (Quality of Services and Security) 服務的可攜性 (Service Portability) 不同國際漫遊的區域、有線電話網路服務、不同行動能力的手機 服務品質與安全 (Quality of Services and Security) 語音品質應優於類比式行動電話系統、提供資訊加密的能力 無線電頻率的使用 (Radio Frequency Utilization) 有效率地使用無線電頻譜、在整個配置的頻帶上運作 網路 (Network) 識別碼和電話號碼的規劃依據 CCITT Recommendation 的建議、使用國際性信令標準、現存固定公共網路不應被大幅修改 成本 (Cost) 降低整體系統成本（特別是手機成本）

GSM 架構 圖9.1 GSM 手機 (Mobile Station, MS) 無線電介面 (Radio Interface) 基地台子系統 (Base Station Subsystem, BSS) A 介面 (A Interface) 行動交換中心 (Mobile Switching Center, MSC) 網路與交換子系統 (Network and Switching Subsystem, NSS)

圖9.1：GSM 架構 HLR AuC VLR NSS MSC BSS BSC BTS ME SIM MS A Interface A-bis ME SIM MS Radio Interface 圖9.1：GSM 架構

GSM 手機 使用者識別模組 (Subscriber Identity Module, SIM) 智慧卡或小卡，儲存電話名單 (Customized Dialing Numbers (Contacts))、簡訊 (Short Message)，以及其他與使用者相關的資料 以個人識別碼 (Personal Identity Number, PIN) 加以保護 2 PINs PUK (Personal Unblocking Code) for PIN unlocking 大小格式 1st Form Factor (1FF): Full-size SIM (1991) 2nd Form Factor (2FF): Mini-SIM (Late 1990s) 3rd Form Factor (3FF): Micro-SIM (2003) 4th Form Factor (4FF): Nano-SIM (2012)

手機通訊模組 (Mobile Equipment, ME) 包括一切與基地台通訊所需之無線軟體及硬體 若不配合使用者識別模組，則無法單獨使用 但緊急電話（美國之 911 或國內之 119、112）不須經由使用者識別模組

基地台子系統 基地收發台 (Base Transceiver Station, BTS) 包括發射器、接受器以及與手機通訊的無線電介面相關之信令處理 傳輸編譯碼與速率轉接器單元 (Transcoder/Rate Adapter Unit, TRAU) 負責語音編碼與解碼和速率調整 基站控制台 (Base Station Controller, BSC) 負責基地台子系統之線路交換功能，並與 MSC 相連 負責無線電通道之分配與回收，以及與手機交遞的管理 一個基站控制台可與多個基地收發台相連（A-bis 介面） 基站控制台與基地收發台可結合在一起

網路及交換子系統 提供電話線路交換及手機漫遊管理 (Roaming Management) 的功能 行動交換中心 (MSC) 經由 A 介面控制數個基地台子系統，並與公眾電話網路等其他網路連接 本籍註冊資料庫 (HLR) 客籍註冊資料庫 (VLR) 驗證中心 (Authentication Center, AuC) 閘道行動交換中心 (Gateway MSC, GMSC)

GSM 的無線電介面 GSM 的無線電連結 (Radio Link) 分頻多工 (FDMA) 分時多工 (TDMA) 下行頻道之頻帶為 935~960 MHz，上行頻道之頻帶為 890~915 MHz，切割成 124 對，每一個頻道的頻寬為 200 KHz 分時多工 (TDMA) 每個 GSM 時框 (Time Frame) 長度為 4.615 ms，每個時框再分成八個 0.577 ms 的時槽 (Time Slot) 每一對頻道中，手機上行的時槽較下行的時槽延遲三個時槽，以避免手機同時發送及接收信號 基地台每秒執行兩次時差超前 (Timing Advance) 以達成同步，以及校正距離之改變

GSM 傳送語音資料的時槽構造 圖9.2 148 位元 (0.546 ms) 之資料叢集 (Burst) 以尾 (Tailing) 欄作為起始及終止，皆為 3 位元的 0 其餘的 142 位元以一個 26 位元的訓練數列 (Training Sequence) 區分成兩個部分 每個部分包括 57 位元的資料及 1 位元的指示旗標 (Flag) 指示旗標顯示該資料部分是使用者的資料或為系統的信令，每個時槽可傳送兩個不同的訊息 8.25 位元 (0.031 ms) 之保護時間 (Guard Time)

圖9.2：GSM 傳送語音的時槽結構 3 1 57 bits 26 bits 8.25 bits Burst (148 bits or 0.546 msec) Time Slot (156.25 bits or 0.577 msec) Tailing Data Flag Training Guard

GSM 邏輯通道 (Logical Channel) 資料傳輸通道 (Traffic Channel, TCH) 用來傳送使用者的語音或數據資料 全速資料傳輸通道 (Full Rate TCH, TCH/F) 半速資料傳輸通道 (Half Rate TCH, TCH/H) 控制通道 (Control Channel, CCH)（共同通道） 用以傳送系統控制信令 頻率校正通道 (Frequency Correction Channel, FCCH) 同步通道 (Synchronization Channel, SCH) 廣播控制通道 (Broadcast Control Channel, BCCH) 傳呼通道 (Paging Channel, PCH) 隨機擷取通道 (Random Access Channel, RACH) 上行，時槽 Aloha 協定 (Slotted Aloha Protocol) 擷取允諾通道 (Access Grant Channel, AGCH)

專屬控制通道 (Dedicated Control Channel, DCCH) 給個別手機使用，做為電話線路設定等訊息之專用溝通管道 獨立專屬控制通道 (Standalone Dedicated Control Channel, SDCCH) 用以傳送位置更新、驗證與指定資料傳輸通道等系統控制信令，以及使用者之簡訊 (Short Message) 慢速相關控制通道 (Slow Associated Control Channel, SACCH) 用來傳送非緊急的維運資訊（時差校正資訊、訊號量測結果等） 快速相關控制通道 (Fast Associated Control Channel, FACCH) 用來傳送緊急控制信令 (Time-Critical Signaling)（建立、交遞等） 細胞廣播通道 (Cell Broadcast Channel, CBCH) 由基地台傳送至手機的單向傳播，提供簡訊廣播服務

位置追蹤 註冊程序（圖9.3） 重新註冊 (Re-registration) 廣播控制通道 (BCCH) 國際行動用戶識別碼 (International Mobile Subscriber Identity, IMSI) 暫時行動用戶識別碼 (Temporary Mobile Subscriber Identity, TMSI) 重新註冊 (Re-registration)

圖9.3：手機註冊程序 MSC NEW VLR HLR OLD 1 2 3 4 5

手機被呼程序 圖9.4 手機 ISDN 號碼 (Mobile Station ISDN Number, MSISDN) 手機漫遊號碼 (Mobile Station Roaming Number, MSRN)

圖9.4：手機被呼程序 MSC VLR HLR other switches 1 2 3 GMSC

交遞 手機輔助交遞 (MAHO) 三種不同交遞情況 手機量測訊號品質，基地台決定是否交遞 基站控制台內交遞 (Intra-BSC Handoff) 新舊基地收發台皆連接至同一個基站控制台 基站控制台間交遞 (Inter-BSC Handoff) 新舊基地收發台連接至不同的基站控制台，而這兩個基站控制台連接到同一個行動交換中心 跨行動交換中心交遞 (Inter-MSC Handoff) 新舊基地收發台連接至不同的行動交換中心

安全驗證 手機驗證 (Authentication) 訊號加密 (Encryption) 圖9.5 A3 演算法：使用者身分驗證、金鑰交換 RAND: 128 bits, Ki: 128 bits SRES: 32 bits A8 演算法：金鑰產生 A5 演算法：以串流加密器作訊息加密／解密 Kc: 64 bits, TDMA Frame Number: 22 bits

圖9.5：手機驗證及資料加密

GSM 資料傳輸 GSM Phase 2 標準 GSM Phase 2+ 標準 簡訊服務 (Short Message Service, SMS) 送遞訊息服務 (Bearer Service) 數據電路雙向傳輸 (Data Circuit Duplex) 數據分封雙向傳輸 (Data Packet Duplex) GSM Phase 2+ 標準 高速電路交換數據 (High Speed Circuit Switched Data, HSCSD) 一般封包式無線電服務 (General Packet Radio Service, GPRS)

高速電路交換數據 (HSCSD) 電路交換式傳輸協定 (Circuit-Switching) 可同時使用八個時槽來傳輸資料 應用程式指定所需要的最大與最小容量 基地台可彈性分配無線電資源 使用資料壓縮 (Data Compression) 技術 HSCSD 系統架構（圖9.6） 終端設備 (Terminal Equipment, TE) 終端改編功能 (Terminal Adaption Function, TAF) 跨網轉換功能 (Interworking Function, IWF)

圖9.6：HSCSD 架構

一般封包式無線電服務 (GPRS) 分封數據交換協定 (Packet-Switching) GPRS 系統架構（圖9.7） 點對點 (point-to-point) 和單點對多點服務 GPRS 系統架構（圖9.7） GPRS 網路 (GPRS Network) GPRS 支援節點 (GPRS Support Node, GSN) GPRS 服務支援節點 (Serving GPRS Support Node, SGSN) GSN 閘道 (Gateway GPRS Support Node, GGSN) 以 IP 為基礎的網路 在每個 GPRS 網路中，數據資料的路由方式是以網路內部各個 GSN 的 IP 位址來決定的

圖9.7：GPRS 架構

兩手機間通訊路由的範例 圖9.8 協定數據單元 (Protocol Data Unit, PDU) 包裝 (Encapsulate) 隧道 (Tunneling) 解包裝 (De-capsulate)

圖9.8：兩手機間通訊路由的範例

GPRS 傳輸協定 圖9.9 GPRS 隧道協定 (GPRS Tunnel Protocol, GTP) 透過附加路由資訊（包裝）的方式，將 GTP 上層的 X.25 或 IP 的協定數據單元，經由 GPRS 骨幹網路來傳送，並依據應用程式的需求，提供不同服務品質 (Quality of Service, QoS) 在 GTP 之下的則是採用 TCP 或 UDP 及 IP 路由的方式，作為傳輸的骨幹 GGSN 之中具有上下兩個 IP 層 上層 IP 對應的是手機以及終端主機各自的 IP 位址 下層 IP 則是供 GPRS 網路內部路由辨認時所需要的 IP 位址，做為路徑上每一個 GSN 決定資料流向的依據

子網路依據收斂協定 (Subnetwork-Dependent Convergence Protocol, SNDCP) 邏輯連結控制層 (Logic Link Control, LLC) 基地台 GPRS 協定 (BSS GPRS Protocol, BSSGP) 無線電連結控制層 (Radio Link Control, RLC) 選擇性重送 (Selective ARQ) 媒介擷取控制層 (Medium Access Control, MAC) 時槽 Aloha 型保留協定 (Slotted Aloha Based Reservation Protocol) 實體層 (Physical Layer) 實體連結子層 (Physical Link Sublayer, PLL) 實體無線電子層 (Physical RF Sublayer, RFL)

圖9.9：GPRS 協定

GPRS 無線電介面協定 RLC/MAC 層的功能就是要讓許多用戶共享這些數據通道，透過無線電介面的實體層來傳送資料 分封數據邏輯通道

分封數據邏輯通道 分封廣播控制通道 (Packet Broadcast Control Channel, PBCCH) 分封共同控制通道 (Packet Common Control Channel, PCCCH) 分封傳呼通道 (Packet Paging Channel, PPCH) 分封隨機擷取通道 (Packet Random Access Channel, PRACH) 分封擷取允諾通道 (Packet Access Grant Channel, PAGCH) 分封通知通道 (Packet Notification Channel, PNCH)

分封傳輸通道 (Packet Traffic Channel, PTCH) 分封數據通道 (Packet Data Channel, PDCH) 分封相關控制通道 (Packet Associated Control Channel, PACCH)

範例： 上行分封數據通道取得流程 圖9.10 分封通道要求 (Packet Channel Request) PRACH 分封即刻分配 (Packet Immediate Assignment) PAGCH 分封資源要求 (Packet Resource Request) PACCH 分封資源分配 (Packet Resource Assignment)

圖9.10：上行分封數據通道取得的流程 MS Network Packet Channel Request Packet Immediate Assignment Packet Resource Request Packet Resource Assignment PRACH or RACH PAGCH or AGCH PACCH (Optional)

範例： 下行分封數據通道取得流程 圖9.11 分封傳呼要求 (Packet Paging Request) PPCH 分封通道要求 (Packet Channel Request) PRACH 分封即刻分配 (Packet Immediate Assignment) PAGCH 分封傳呼回應 (Packet Paging Response) PACCH 分封資源分配 (Packet Resource Assignment) PACCH, or PAGCH

圖9.11：下行分封數據通道取得的流程 MS Network Packet Channel Request Packet Immediate Assignment Packet Paging Response Packet Resource Assignment PRACH or RACH PAGCH or AGCH PACCH PACCH or PAGCH or AGCH Packet Paging Request PPCH or PCH

GPRS 特色 提供四種通道編碼方式 單向、短暫的傳輸 非對稱性 (Asymmetric)、高速率數據傳輸服務 傳輸速率為 9.05 Kbps、13.4 Kbps、15.6 Kbps 與 21.4 Kbps 當使用同一頻道上八個時槽（或 PDCH）來同時傳送資料，最大傳輸速率可達到 171.2 Kbps 單向、短暫的傳輸 非對稱性 (Asymmetric)、高速率數據傳輸服務 上、下行通道獨立運作，動態配置通道

結論 GSM 系統 GSM Phase 2+ 之高速數據傳輸服務 GSM 標準由 ETSI 所制訂 HSCSD GPRS