Introduction to GSM.

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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) 成本(cost) 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

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15 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)

16 GSM Location Area Hierarchy

17 Coverage GSM Network

18 (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

19 GSM手機(MS) 基地台子系統(BSS) 透過無線電介面(radio interface)與基地台子系統(BSS)相互通訊
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

20 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)

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

22 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

23 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) forbidden PLMN (禁用)

24 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

25 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#

26 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#

27 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)

28 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

29 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)

30 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)

31 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.

32 基站控制台(BSC) 負責 與基地收發台(BTS)相連 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

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34 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

35 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)

36 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

37 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

38 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

39 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)

40 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 k2 k3 k4 k5 k6 k1 f t c

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

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

43 Time and Frequency Multiplex
Example：GSM Advantages protection against frequency selective interference higher data rates Disadvantages precise coordination required Tapping：竊聽

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

45 頻帶 下行頻道(downlink) [BS →MS] 上行頻道(uplink) [MS→ BS]
頻帶範圍： MHz 上行頻道(uplink) [MS→ BS] 頻帶範圍： MHz 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：[( )*1024]/124=204KHz GSM使用TDMA技術，每個頻道由八位使用者共享

46 GSM Uses Paired Radio Channels
124 890MHz 915MHz 935MHz 960MHz UPLINK DOWNLINK

47 3.2 GSM時框/時槽結構 1 2 3 4 5 6 7 8 higher GSM frame structures
MHz 124 channels (200 kHz) downlink MHz uplink frequency time GSM TDMA frame GSM time-slot (normal burst) 4.615 ms 546.5 µs guard space tail user data Training S 3 bits 57 bits 26 bits 577 µs

48 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 ms)傳送語音資料的時槽(timeslot) 每個時槽內容包括burst與guard time

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

50 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

51 S burst (Synchronization Burst)
放置基地台廣播的信號，讓MS校正時間，以維持與基地台時間上的同步 A burst (Access Burst) 當手機想要打電話時，上傳A burst告知基地台欲使用無線電資源

52 Normal Burst

53 Normal burst時槽結構 每個時槽為156.25 bits (0.577ms)
148 bits (0.546ms)為資料叢集(burst)＋8.25 bits (0.031ms)為保護時間(guard time) 資料叢集以尾(tailing)欄做為起始及終止，尾欄是3 bits的0 26 bits的訓練數列(training sequence)(做為同步使用)

54 兩個Data部份 每部份包括57 bits的資料及1 bit的指示旗標(flag) 指示旗標 顯示該資料部份是使用者資料或系統信號 每個時槽的資料部份可用來傳送二個不同訊息

55 F Burst (Frequency Correction Burst)時槽結構
F burst只在FCCH (Frequency Correction Channel)上傳送，Data欄位有連續的142個0，可讓MS校正自己的頻率以維持與BTS頻率上的同步

56 S Burst (Synchronization Burst)時槽結構
在SCH (Synchronization Channel)上傳送 特別加長為64 bits的training sequence，讓MS可以校正自己的時間 這是因為S burst是第一個MS需要做demodulation的burst (F burst不須做demodulation)，因此S burst的training sequence特別長 Data欄位傳送基地台識別碼(Base Station Identity Code，BSIC)和frame number，MS可以取得BTS的frame structure以進行同步

57 A Burst (Access Burst)時槽結構
在RACH (Random Access Channel)上傳送 如手機主動打電話，則手機可在RACH上傳送A burst，告知基地台欲使用無線線路 若有兩支MS在同個RACH及同一time slot，同時送出A burst，就會發生collision

58 MS送出的A burst，是MS與BTS溝通的第一個訊號，此時MS與BTS間的同步不見得做得很好
為使A burst能被BTS正確收到，A burst中只存放最基本的資訊讓BTS瞭解，因此A burst特別短，當MS稍晚送出A burst，也能在guard time結束前，被BTS收下 然而A burst又不能太短，讓一個time slot容下兩個A burst，因此A burst占了83 bits (= bits)，比整個time slot ( bits)的一半長了一些

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60 GSM (FDMA + TDMA) frequency
BP: slot length is called a burst period (BP).

61 Traffic channel frames are transmitted in groups of 26 (26-multiframe), of length 120ms (= 26 × 8 × ms)

62 SACCH: Slow Associated Control Channel

63 時差超前 GSM使用FDD，uplink與downlink使用不同的timeslot
MS在downlink後第三個timeslot才送出uplink burst (避免MS同時發射及接收信號)，稱為traffic channel offset為3個time slots 每個MS與BS間距離不一，無線電訊號傳達時間也不等，需要時差超前(Timing Advance, TA)機制來達成同步(synchronization)效果

64 時差超前(Timing Advance，TA)
BS與MS間信號來回一次所耗費時間(round-trip delay) 若BS與MS間隔約30km，TA約為0.2ms TA由基地台子系統(BSS)根據來自MS的上行信號計算出，並將此校正值送給MS BS每秒執行兩次TA以校正距離之改變

65 因有round-trip propagation delay，MS的發送時間要提前TA
手機將三個時槽的時框延遲減去時差超前(3 timeslots-TA)，來確保BS的下行與上行時間差三個時槽

66 GSM Delays Uplink TDMA Frames
F1 - 45MHz Downlink TDMA F1MHz The start of the uplink TDMA is delayed of three time slots TDMA frame (4.615 ms) Fixed transmit Delay of three time-slots

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68 3.3 GSM邏輯通道 3.3.1 資料傳輸通道(TCH) 3.3.2 控制通道(CCH)

69 Connection

70 CM (Connection Management)
call control, short message service and supplementary service MM (Mobility Management) registration, authentication, location and handover management RR (Radio Resource Management) setup, maintenance and release of radio channels control of radio transmission quality

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72 Physical channel Logical channel BTS與MS間用來傳送資訊的通道
依據所傳送的資訊分類，可劃分成許多logical channels (邏輯通道) Logical channel GSM以多種logical channels的概念，來區分系統控制信號與使用者資料

73 GSM邏輯通道可分為 資料傳輸通道(Traffic Channel，TCH) 控制通道(Control Channel，CCH)

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75 3.3.1 資料傳輸通道(TCH) 傳送語音或數據資料 依資料傳送速率分為 全速資料傳輸通道(Full Rate TCH，TCH/F)
語音傳輸：13Kbps 數據傳輸：9.6、4.8、2.4Kbps 半速資料傳輸通道(Half Rate TCH，TCH/H) 語音傳輸：6.5Kbps 數據傳輸：4.8或2.4Kbps

76 Sub-Rating Strategy 分割(sub-rating)現有通話，替擁塞的基地台創造新通道，以供交遞使用
分割是將一個原本全速(full-rate)通道暫時分成兩個半速(half-rate)通道 其一服務已存在的通話，另一可服務交遞通話

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78 3.3.2 控制通道(CCH) 傳送系統控制信號 控制通道分為 由所有MS共享 給各別MS使用 做為像電話線路設定等訊息的專用通道
共同控制通道(Common Control Channel，CCCH) 由所有MS共享 專屬控制通道(Dedicated Control Channel，DCCH) 給各別MS使用 做為像電話線路設定等訊息的專用通道 廣播通道(Broadcast Channel，BCH)

79 3.3.2.1 共同控制通道(CCCH) 傳呼通道(Paging Channel，PCH)
隨機擷取通道(Random Access Channel，RACH) 擷取允諾通道(Access Grant Channel，AGCH)

80 共同控制通道功能 傳呼通道(Paging Channel，PCH) 隨機擷取通道(Random Access Channel，RACH)
當他人打電話給某MS，可用此通道呼叫該MS 隨機擷取通道(Random Access Channel，RACH) 當MS要打電話，可利用該通道告知BS欲使用無線電線路 若數個MS同時使用同一個隨機擷取通道的時槽向BS提出線路要求，會造成碰撞(access collisions) GSM使用Slotted Aloha協定解決碰撞問題

81 Note Aloha algorithm if you have data to send, send the data
if the message collides with another transmission, try resending "later” performance a maximum throughput of about 18.4%, or about 81.6% of the total available bandwidth was essentially wasted due to losses from packet collisions

82 Note (cont.)

83 Note (cont.) Slotted Aloha algorithm
a station can send only at the beginning of a timeslot, and thus collisions are reduced performance introduces discrete timeslots and increases the maximum throughput to 36.8%

84 Note (cont.)

85 擷取允諾通道(Access Grant Channel，AGCH)
BS透過該通道告知MS所要求的無線電線路已獲BS同意，可開始通話

86 專屬控制通道(DCCH) 獨立專屬控制通道(Standalong Dedicated Control Channel，SDCCH) 慢速相關控制通道(Slow Associated Control Channel，SACCH) 快速相關控制通道(Fast Associated Control Channel，FACCH) 細胞廣播通道(Cell Broadcast Channel，CBCH)

87 專屬控制通道功能 獨立專屬控制通道(Standalong Dedicated Control Channel，SDCCH)
傳送位置更新、認證等控制信號 傳送指定資料傳輸通道等控制信號 傳送使用者簡訊(short message) 慢速相關控制通道(Slow Associated Control Channel，SACCH) 傳送非緊急的維運資訊，如時差校正(time alignment)等控制資訊 傳送由MS送至BS的無線電線路訊號測量結果

88 快速相關控制通道(Fast Associated Control Channel，FACCH)
傳送緊急控制信號 (time-critical signaling)如 電話線路建立 用戶認証 交遞 會佔用資料傳輸通道的時槽以爭取時間，但也會因此造成使用者資料流失

89 細胞廣播通道(Cell Broadcast Channel，CBCH)
由BS下傳送至MS的單向傳播 提供簡訊的廣播服務

90 3.3.2.3 廣播通道(BCH) 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)

91 廣播通道功能 頻率校正通道(Frequency Correction Channel，FCCH) & 同步通道(Synchronization Channel，SCH) 由BS傳送至MS，維持二者間同步 FCCH提供頻率校正的資訊，可讓MS校正自己的頻率以維持BTS頻率上的同步 SCH包含Base Station Identity Code (BSIC)和frame number，讓MS可以調整自己和BTS的frame structure同步

92 廣播控制通道(Broadcast Control Channel，BCCH)
提供MS有關BS資料 MS利用該資料選擇BS及執行註冊程序

93 Uplink & Downlink邏輯通道 Uplink邏輯通道[MS→BS] Downlink邏輯通道[BS→MS]
隨機擷取通道(RACH) Downlink邏輯通道[BS→MS] 頻率校正通道(FCCH) 同步通道(SCH) 廣播控制通道(BCCH) 傳呼通道(PCH) 擷取允諾通道(AGCH)

94 Uplink/Downlink邏輯通道[MS↔BS]
獨立專屬控制通道(SDCCH) 慢速相關控制通道(SACCH) 快速相關控制通道(FACCH) 細胞廣播通道(CBCH)

95 CBCH

96 CBCH BTSMS

97 4. 位置追蹤 4.1 GSM識別碼 4.2 第七號信號系統(SS7) 4.3 手機註冊 4.4 發話與受話程序

98 4.1 GSM識別碼 GSM使用到的識別碼 Mobile Station ISDN Number (MSISDN) [門號]
Mobile Station Roaming Number (MSRN) [系統] International Mobile Subscriber Identity (IMSI) [門號] Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI) [門號] Location Area Identity (LAI) [系統] Cell Global Identity (CGI) [系統] International Mobile station Equipment Identity (IMEI) [手機]

99 MSISDN (Mobile Station ISDN Number)
係定義於CCITT Recommendation E.164 MSISDN=CC+NDC+SN，即電話號碼是由國碼(CC)-局碼(NDC)-客戶碼(SN)所組成 (15位元)

100 MSRN (Mobile Station Roaming Number)
由MSC、VLR等決定路由之用，不供一般客戶使用 MSRN = CC+NDC+SN與MSISND有相同格式 Call termination procedure

101 當call delivery時，HLR接到GMSC查詢要求後，從手機的記錄可找到該手機所在之VLR位址，並要求VLR回覆手機的路由位址(MSRN)給HLR
MSRN由MS所在的MSC產生，每個MSC會分配到許多的MSRN，可依序循環使用。當GMSC收到MSRN後，會透過此路徑去尋找MSC來建立通話 Call termination procedure

102 IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
手機的永久密碼國際行動用戶號碼 可用於HLR/VLR以找到MS的PLMN 存在SIM卡、HLR、AUC及目前所在的VLR中

103 MNC可說是network provider或PLMN (Public Land Mobile Network)的號碼
Ex：MCC=466是台灣，MNC=01是遠傳 (中華電信=92，台灣大哥大=97)

104 TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)
暫用性行動用戶識別碼係一暫用密碼，用來索引手機的永久密碼國際行動用戶號碼(IMSI) 為避免IMSI在air interface上傳送，用TMSI代替IMSI以識別MS 當MS開機完成註冊手續後，MSC/VLR記錄IMSI，然後送出TMSI做為臨時識別碼

105 TMSI是由VLR分配(assign)給MS，當MS在這個MSC/VLR服務範圍內都以此TMSI來加以識別
TMSI是用於當MS到一個new LA時，表明自己身分(取代傳送IMSI)，做registration (location update)用 當MSC想要page一個MS，也會下令LA中所有BS利用PCH廣播(broadcast)到該MS的TMSI

106 LAI (Location Area Identity)
位置區識別碼是每一個劃分尋找呼叫手機範圍(Location Area，LA)的識別碼 一個LA可能是a cell或a group of cells，一個MSC下會切割成數個LAs

107 LAI在call termination時用於找到MS所在的LA，在此LA下的所有cells都會page此MS
LAI = Mobile Country Code (3-digit) + Mobile Network Code (2 or 3-digit) + location access code (up to 16-digit) 遠傳的設定LAI = MCC (3-digit) + MNC (1-2 digits) + LAC (2 digits) Ex： 是ROC-遠傳-遠傳教育中心

108 CGI (Cell Global Identity)
CGI = LAI + CI = MCC + MNC + LAC + CI (CI：Cell Identity) 每個cell都有自己的識別碼 Ex：相鄰兩個cell的CGI= 與

109 當MS與GSM系統接通後，MS可由BS廣播的CGI中得到自己所在位置的LAI 與CI
當手機移到一個新的LA，須通知MSC/VLR，使系統得知MS所在位置 此動作稱為registration或location update

110 IMEI (International Mobile station Equipment Identity)
(SNR)

111 TAC (Type Approval Code，型號批准碼)
當GSM component通過conformance及interoperability測試，則會獲得此TAC FAC (Final Assembly Code，工廠裝配碼 ) 用來指出最後的製造商 SNR (序號碼 ) 是每一組TAC/FAC下一個獨一無二的序號，由製造商給予編號

112 Identifiers與Components的對應

113 識別碼使用時機 分辨手機用戶使用：IMSI、TMSI、MSISDN 分辨基地台使用：CGI 分辨手機搜尋範圍使用：LAI
分辨MSC使用：MSRN 在完成開機註冊程序後 VLR會建立此MS的資料，接著再向HLR註冊 HLR會更新MS的VLR欄位，並通知原VLR將此IMSI從其中消除

114 4.2 第七號信號系統(SS7) 共同通道信號 (Common Channel Signaling，CCS) 共同通道信號包括
使用頻外(out-of-band)的方式來傳遞信號 共同通道信號包括 監控功能 定址處理 提供通話資訊

115 共同通道信號的通道是用以 傳遞控制訊息，以建立及接聽電話 檢查網路狀態 控制網路傳輸量

116 Note In-band signaling
the sending of metadata and control information in the same band, on the same channel, as used for data Out-of-band signaling the exchange of call control information in a separate band of the data or voice channel, or on an entirely separate, dedicated channel (as in Common Channel Signaling)

117 4.2.1 第七號信號系統 一種共同通道信號系統(CCS)
目標：提供一種可靠的資訊轉送(information transfer)方法以支援 call control remote control operations management administration GSM uses SS7 signaling for call control, mobility management, short messages and value-added services

118 4.2.2 第七號信號系統的網路架構

119 SS7的三個重要元件

120 擷取連結(Access link，A-link)
每個SSP和SCP至少有一條信號連結連到一組 STP 一組SSP與STP間的A-link數目可達128 大部份交換機將此數目限制為16 對角線連結(Diagonal links，D-link) 不同網路間(如PCN和PSTN網路) STP的連線 兩個STP間最多可連接64組D-links

121 SS7上三種重要元件 服務交換點(Service Switching Point，SSP)
信號轉送點(Signal Transfer Point，STP) 服務控制點(Service Control Point，SCP)

122 服務交換點(SSP) 即一般電話交換機 SSP以電話幹線(trunk)互連 SSP在接通電話的過程中，可能是下列三者之一的角色
主呼端(originating SSP) 被呼端(terminating SSP) 中繼端(tandem SSP) Tandem: 一前一後的

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124 SSP 在PSTN中為局用交換機(Central Office，CO)或稱為終端局(End Office，EO)
在PCN中為行動交換中心(MSC)

125 信號轉送點(STP) 用來在SS7交換機(SSP)和資料庫(SCP)間傳遞訊息的路由器

126 服務控制點(SCP) 包含提供多種服務的資料庫及應用軟體 SCP接收來自SSP的詢問，經由運算後將結果傳回給SSP
SCP serves as interface to a telephone company’s database SCP is a computer used as a front-end to a database

127 Database store information about
subscriber’s services routing of special service numbers calling card validation and fraud protection advanced intelligent network features for service creation Communication between SCP and mainframe/mini-computer that hosts the database is via X.25 links

128 Typical databases in SS7 networks
call management service database (CMSDB) local number portability (LNP) line information database (LIDB) business service database (BSDB) home location register (HLR) visitors location register (VLR)

129 Point Code 每個SS7元件會被分配到一個unique號碼，稱為point code (PC，點碼)，即SS7網路上各節點的位址
A point code can be 24 bits (North America, China) 16 bits (Japan) 14 bits (ITU standard, International SS7 network and most countries) 3-bit代表區帶名稱(全世界共分為六個區帶) 8-bit代表區/網名稱 3-bit代表此區/網內的元件

130 SS7的網路協定 SS7網路協定之基本架構和相對應的OSI層次(Layers)如下圖所示 組成元件 MTP SCCP TCAP
ISUP (ISDN-UP) OMAP和MAP架在TCAP上

131 SS7 Protocol Stack

132 MTP Message Transfer Part (訊息轉送部) SCCP Signaling Connection Control Part (信號連接控制部) NSP Network Service Part (網路服務部) TCAP Transaction Capabilities Application Part (信息交易應用部) ASE Application Service Entities (網路服務實體)

133 MAP Mobile Application Part (行動電話應用部) OMAP Operations, Maintenance, and Administration Part (營運維護管理部) ISUP Integrated Service Digital Network User Part (整體服務數位網路用戶部) TUP Telephone User Part (電話用戶部)

134 ITU-T SS7 Specifications

135 訊息傳送部 (Message Transfer Part，MTP)
MTP包含三部分，相當於OSI的最低三層 MTP Level1 (實體層) 提供signal link的bearer實體 定義電氣與功能特性、coding、time slot number、 bit rate、framing、impedance bit invert 通常使用64kbps的digital line (T1或E1) Impedance: 阻抗(交流電中電壓對電流比)

136 MTP Level2 (資料連結層) 提供直接在兩個SS7元件間傳遞信號的可靠傳輸 藉由MTP Level1收送控制信號的方式，建立相臨兩個元件間的連結

137 功能 error detection and correction flow control signal unit delimitation and alignment (信號單元之界定與調正) initial alignment (初始調正)

138 MTP Level3 (網路層) 提供關於訊息繞徑及網路管理方面的功能 message routing message discrimination message distribution network management

139 MTP的routing label包含 Originating point code (OPC)
Point code：每個SS7元件會被分配到一個unique號碼，即SS7網路上各節點的位址 MTP的routing label包含 Originating point code (OPC) Destination point code (DPC) Signaling link selection (SLS) [for load sharing among STPs]

140 為辨識incoming message的user (如SCCP或ISUP)，MTP利用一種組合欄位，結合
service indicator identify the user network indicator determine whether national or international signaling

141 MTP Layer Routing 傳送SS7的訊號，路由的功能是在MTP (Message Transfer Part)與SCCP (Signaling Connection Control Part)執行 節點包括：SSP、STP或SCP 對於MTP Level 1-3，這些信號的訊息會依據包含的DPC來傳送 OPC (Originating Point Code)代表真正的originating位址 DPC (Destination Point Code)代表真正的destination位址

142 OPC，DPC與SLS (Signaling Link Selection)都放在MTP Level 3的field中
一路上OPC與DPC都不會更改，像是source IP與destination IP CIC (Circuit Identification Code)表示voice使用的線路號碼 若目的地MTP無法瞭解，就要透過SCCP來運作

143

144 信號連結控制部 (Signaling Connection Control Part，SCCP)
SCCP provides means for end-to-end routing SCCP uses more extensive addressing than MTP SCCP提供connectionless及connection-oriented的傳輸服務 SCCP將服務分為四類 0 basic connectionless (does not guarantee in-sequence delivery) 1 in-sequence-delivery connectionless class 2 basic connection-oriented class 3 flow-control connection-oriented class

145 SCCP Layer Routing 在SCCP層的address為called party address (PC+SSN+GT)與calling party address PC is a hierarchical address consisting of cluster member network cluster network identifier

146 SSN (SubSystem Number)
identify a particular entity within a node e.g.,1-800 number service, calling card module, ISUP, etc GT (Global Title) could be dialed digits of a telephone number

147 SCCP根據GTT做較複雜的網路繞徑功能如
全域名稱轉換(Global Title Translation，GTT)，以提供MTP訊息傳送，如設立註冊和除錄等與電話線路設立無關的信號資訊 GTT (Global Title Translation) 是SCCP中的一個function 是一種利用電話號碼或像HLR/VLR的網路位址(SSN)，將訊息一層層送到與HLR/VLR相連之SS7元件的過程，在此過程中需要知道下一個hop的point code

148 在SCCP層，每個entity會有一個SSN number
SSN: identify a particular entity within a node 在SCCP層，每個entity會有一個SSN number SSN是ASE (Application Service Entity)的address 在傳送的訊號中會記錄目的地位址，就是SSN 以HLR為例，其SSN是 SSN並不是真正的實體層位置

149 以800電話為例說明整個流程的經過 MSC要處理一通800的電話，送request message給俱有GTT功能的STP
STP收到800 translation services的要求時，要找出適當的SCP的位址，而且將request轉送給此SCP

150 當STP傳送訊息時，遇到下層MTP Level 1-3無法處理的情況，SCCP會執行GTT流程
SCP會將800 xxx xxxx的免付費電話號碼轉成標準的電話號碼(directory number) SCP將話號傳回給STP STP將真正的電話號碼回傳給MSC 當STP傳送訊息時，遇到下層MTP Level 1-3無法處理的情況，SCCP會執行GTT流程

151 GTT Example 以手機新來到一個VLR，VLR要送一個訊息給手機所屬之HLR為例
VLR送request message給俱有GTT功能的STP A STP A收到封包，利用address與查詢GTT Table，找出下一個hop (GA)的point code，填入DPC中，將request封包送出 SSP GA收到封包，利用address與查詢GTT Table，找出下一個hop (GB)的point code，填入DPC中，將request封包送出

152 經過STP C的繞送(但STP C沒有做GTT)，SSP GB收到封包，利用address與查詢GTT Table，找出下一個hop (STP B)的point code， 填入DPC中，將request封包送出 STP B收到封包，利用address與查詢GTT Table，找出下一個hop (SCP B)的point code，填入DPC中，將request封包送出 整個過程稱為GTT for SCP B

153 SSP SSP

154 通訊交易應用部 (Transaction Capabilities Application Part，TCAP)
提供與電話線路設立無關之應用所需交換信號能力 Most typically used as a protocol between a switch and a network database between two network databases All the applications are transaction-oriented support (multiple) requests and responses

155 TCAP 架構圖 User CSL TSL SCCP MTP User CSL TSL SCCP MTP TCAP
REQUEST/RESPONSE User CSL TSL SCCP MTP TCAP COMPONENTS TRANSACTION MESSAGES SCCP UNIT DATA MESSAGE CLASS 0 or 1

156 TCAP has two sublayers Component Sublayer (CSL) responsible for
associating the user’s request with the responses handling all abnormalities

157 CSL operation can be viewed as procedure calls
the CSL messaging unit is called a component Transaction Sublayer (TSL) manages the message, e.g., identify the type of message, execute the message, etc.

158 應用TCAP之行動管理 IS-41中，為達到跨MSC的交遞(inter-MSC handoff)、自動漫遊(automatic roaming)及操作管理維護(operations, administration, and maintenance)的目的，定義了超過五十種 TCAP 的動作 每個 TCAP 訊息包括 通訊交易部分(transaction portion) [TSL] 記載封包型式(package type) 內容部分 (component portion) [CSL] 記載要求對方執行的動作型式和數目

159 IS-41中使用TCAP的四種不同 封包型式(Package Type)
總共五種，在此列舉四種 詢問(QUERY With Permission) 為TCAP通訊交易中的第一個訊息 回覆(RESPONSE) 為終止TCAP通訊交易的訊息

160 交談(CONVERSATION With Permission)
此訊息為通訊交易過程中的第二個至倒數第二個訊息 單向(UNIDIRECTIONAL) 唯一單向的訊息，不會有任何回覆 註：除了單向訊息外，每一個 SS7 的通訊交易都是以一個詢問訊息做為開頭，而以回覆訊息做為結尾

161 IS-41中定義的五種內容型式 (Component Type)
總共六種，在此列舉五種 呼叫(INVOKE LAST) 要求接收該訊息的SS7節點執行一個動作(operation)，如位置註冊 若訊息中包含Last，則表示此動作是此內容部分(component part)的最後一個內容(component) 回覆結果(RETURN RESULT NOT LAST) 藉著一些參數將執行結果送回 隱含尚有其它的RETURN會陸續產生

162 回覆結果(RETURN RESULT LAST)
已執行完對方呼叫的動作，並藉著一些參數將其執行結果送回 如果一個SS7節點收到一個INVOKE訊息，而且執行成功，便會回覆RETURN RESULT訊息 回覆錯誤(RETURN ERROR) 回覆對方，它所呼叫執行的動作執行失敗 例如：在INVOKE訊息中的MIN (Mobile Identification Number)並不在HLR的服務範圍內

163 拒絕(REJECT) 接收端收到此通訊交易訊息，但拒絕執行此不正確的封包或內容(如格式錯誤)
當一個SS7節點收到REJECT訊息，它會停止計時器，結束目前的工作(task)並執行錯誤修復(error recovery) 註：每個IS-41的TCAP通訊交易都伴隨著逾時(timeout)的考量。對於大多數IS-41通訊交易而言，計時器到期會被視為通訊交易錯誤(即視為收到一個RETURN ERROR的TCAP訊息)

164 IS-41 (部分)訊息格式

165

166 應用：手機註冊 利用更新手機位置(location update)的程序來解釋IS-41通訊交易的訊息流程
當一個行動電話使用者從PCN1漫遊至 PCN2 時，所需的註冊與驗證程序如下圖 假設同一PCN中的MSC與VLR透過STP相連 整個程序包含六個雙向訊息的通訊交易

167 手機註冊的 IS-41 TCAP 訊息流程

168 T1：當MSC2偵測到行動電話使用者來到它的服務範圍，它會送出一個 RegistrationNotification(INVOKE) 給VLR2，設立起通訊交易
如果MSC1和MSC2都在VLR2 的管轄範圍 VLR2會發覺此行動電話使用者先前已在其行動交換中心註冊 VLR2 除了記錄 MSC1的身份之外，不會再有進一步的動作

169 T2：如果MSC1和MSC2不都在VLR2的管轄範圍
VLR2送出一個 RegistrationNotification(INVOKE) 給行動電話使用者的HLR 由於VLR2並不能從行動電話使用者的MIN獲得HLR的實際位址，這個TCAP 訊息可能必須先做全域名稱轉換(GTT)，才能傳送到HLR 假設全域名稱轉換在STP3中執行 (即此訊息的目的地結點碼(DPC)指向STP3) 做完全域名稱轉換後，STP3 得到HLR的實際位址

170 STP3將此訊息轉送到STP2，再送到HLR
HLR執行此項註冊程序。若註冊成功則送出RegistrationNotification(RETURN RESULT)給VLR2 因為從VLR2送到 HLR RegistrationNotification(INVOKE) 訊息中的SCCP資料中含有VLR2的實際位址，傳回的訊息不需再做全域名稱轉換 通訊交易T2包含在通訊交易 T1 之中

171 T3：另一方面HLR送一個RegistrationCancellation(INVOKE) 訊息給行動電話使用者先前所在的VLR (VLR 1)，要求作廢其註冊記錄
T4：同樣的要求也被送到MSC1

172 T5：當通訊交易T2執行完畢後，VLR2為行動電話手機建立一個註冊記錄，且可能做行動電話使用者的確認，而送 QualificationRequest(INVOKE)的息給HLR
T6：VRL2可能也會送ServiceProfileRequest(INVOKE)的訊息給HLR，其中包含該行動電話使用者所訂購服務資訊 (service profile)

173 整體服務數位網路用戶部 (Integrated Service Digital Network User Part，ISUP)
a circuit-related protocol used for establishing and maintaining connections throughout a call 提供服務 基本載送服務(即call control) call set up conversation (include pure data exchange) call teardown

174 加值服務(value added service)
指定轉接(call forwarding) 直接撥入分機 顯示caller號碼(caller ID) 群內通信 user to user signal check call status trunk management

175 ISUP the choice for ISDN network support for call management call management is realized through switch-to-switch signaling (call management  switch to switch signaling) ISUP is the protocol used for switch-to-switch signaling (switch to switch signaling  ISUP protocol) ISUP entity addresses each other with the MTP addressing scheme, augmented by circuit identification, which refers to a specific trunk

176 ISUP Basic Message Categories
Forward setup (→ called party) set up a call with particular characteristics in the direction toward the called party Backward setup (→ calling party) complete the call establishment in the direction from the exchange containing the called party toward the calling party accounting and charging procedures belong to this category

177 General setup Call supervision
carry additional call-related information needed to set up a call  Call supervision notifications of events like the call being answered, the circuit being released, or the need for an international operator intervention

178 Circuit group supervision
Circuit supervision all kinds of notifications of the events related to circuits allocated for a call Circuit group supervision relate to circuit groups rather than individual circuits used for network management purposes E.g., call blocking on the indicated trunk groups, circuit group status queries, etc. 

179 In-call modification End-to-end
the messages in this group support modification of the existing call characteristics (for example, a change from a voice call to a data call) or invoking a particular medium (facility)  End-to-end the messages in this group include user-to-user signaling independent of call control messages

180 Telephone User Part (TUP)
Provides conventional PSTN telephony services across the SS7 network Defined in ITU-T Recommendations Q , which define the international telephone call control signaling functions for use over SS7

181 4.3 手機註冊 GSM利用兩層式資料庫監控手機位置 HLR VLR

182 Home Location Register (HLR)
An HLR record consists of 3 types of information mobile station information IMSI (used by the MS to access the network) MSISDN (the ISDN number －“Phone Number” of the MS) location information ISDN number of the VLR (where the MS resides) ISDN number of the MSC (where the MS resides) service information service subscription service restrictions supplementary services

183 Visitor Location Register (VLR)
The VLR information consists of three parts mobile station information IMSI MSISDN TMSI

184 location information service information MSC Number
Location Area ID (LAI) MSRN (由VLR產生，用於建立連到MS所在MSC的trunk) HON (MS做handover的次數) service information a subset of the service Information stored in HLR

185 Location Area MSC R. . GSM Network MSC Region BSC

186

187 每個或數個MSC設有一個VLR 當MS由一個LA移動到另一個LA時，透過VLR執行註冊，使HLR獲知MS所在之LA 當要尋找一MS時，查詢HLR便知MS目前所在之VLR位址

188 GSM Location Area Hierarchy

189 手機移動的三種模式 ( a ) I n t e r - L A m o v e m e n t ( b ) I n t e r - M S
H L R M S C 2 V 1 A H L R M S C 2 V 1 A 3 ( a ) I n t e r - L A m o v e m e n t ( b ) I n t e r - M S C m o v e m e n t H L R M S C 3 V 2 1 A 4 (c) Inter-VLR movemnet

190 Note 當MS在待機狀況(idle)且四處漫遊(roaming)，可能會測得鄰近之BS的訊號強度，並由其BCCH (Broadcast Control CHannel)得到CGI (包括CI和LAI) 若新的BS訊號較佳，MS會改用新BS的channel

191 幾種可能狀況 new BS與old BS有相同LAI
因在相同paging area，MS不會通知MSC/VLR，只要保持與new BS的BCH (Broadcast channel)同步

192 必須進行位置更新(location update)程序或註冊(registration)，又分成以下cases
H L R M S C 2 V 1 A new BS與old BS有不同LAI 必須進行位置更新(location update)程序或註冊(registration)，又分成以下cases Inter-LA movement：新舊BSs屬於同一 MSC管轄範圍，此時只需更改VLR的資料，不會更動HLR (HLR不會記錄LAI)

193 Inter-VLR movement：新舊BSs屬於不同 VLR的管轄下，此時需更改VLR與HLR的資料，亦即MS需重新進行認證與註冊程序
Inter-MSC movement：新舊BSs屬於不同 MSC的管轄範圍但在相同VLR的管轄下， 此時需更改VLR與HLR的資料，亦即MS需重新進行認證與註冊程序 Inter-VLR movement：新舊BSs屬於不同 VLR的管轄下，此時需更改VLR與HLR的資料，亦即MS需重新進行認證與註冊程序 H L R M S C 2 V 1 A 3 H L R M S C 3 V 2 1 A 4

194 手機註冊 LA1 LA2 LA3

195 MS開機後會先掃瞄屬於GSM的所有通道， 計算各通道強度，並把測量值存起來
MS接下來會找出訊號最強的通道，判斷是否為BCCH-carrier YES → MS可取得BS資訊，查看該cell是否為所屬的PLMN NO → 繼續搜尋，直到找到可用的cell為止

196 通道的使用 利用FCCH (Frequency Correction Channel)使MS與BS同步
由SCH (Synchronization Channel)可得到BSIC (Base Station Identity Code) 由BCCH可得CGI (Cell Global Identity)編號，MS由CGI可判斷是否是所屬PLMN的cell

197 Inter-LA的註冊流程

198 步驟1 步驟2 手機送給MSC1位置更新的要求 其中包含MS的TMSI、手機原來所屬的LA (old LAI)、MSC及VLR編號
MSC1將LA位置更新的要求送給VLR1 其中包含MSC的位址、TMSI、先前的LAI、新的LAI、其他相關資訊

199 步驟3 步驟4 若LA1和LA2屬於同一個MSC1，則VLR1更改該手機在VLR1記錄上對應之LAI欄位的值 VLR1回覆位置更新成功

200 Inter-MSC的註冊流程

201 步驟1及2 步驟3 手機經基地台與MSC2將更新LA位置的訊息送到VLR1 VLR1發現LA1與LA2，皆屬於自己的管轄範圍
VLR1更新MS記錄的LAI及MSC欄位，並利用記錄中的IMSI找到MS的HLR VLR1送出訊息到HLR

202 步驟4 步驟5及6 HLR根據訊息中的IMSI找出手機記錄，更改 MSC位址欄位 回送成功的訊息
VLR1送出確認LA位置更新成功的訊息給MSC2 MSC2通知手機註冊成功

203 Inter-VLR的註冊流程 Successful registration Location update into HLR
TMSI MS IMSI & other data for authentication new TMSI Successful registration Location update into HLR Deregistration Delete VLR data TMSI, old LAI, MSC, VLR Step 1: 當手機移動至一個新的基地台的範圍，它可經由基地台的廣播控制通道（BCCH）的廣播資料(LAC, Location code)獲知是否已移動至一個新的位置區域。 若手機偵測到其位置已改變，則透過 SDCCH 通知 new VLR ，進行註冊的動作。 MS 將 Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI）及舊的VLR 住址傳送給新的VLR，進行註冊的動作。 每個註冊 MSC 送給 VLR 的資料都會有: MSC位址, TMSI, old LAI, target LAI 和其他相關資訊. Step 2: IMSI 在舊的 VLR 記錄中，因此新的 VLR 根據手機所送資料，利用公共電話網路將 TMSI 碼送至舊的 VLR ，以索取 IMSI。 新的 VLR 進行認證（authentication）的程序，此程序將在後面詳細解釋。 利用 TMSI 方式，手機的 IMSI 只在有線公共電話網路傳送，而不會在“空中”被盜取。 Step 3: 在認證完成後，新的 VLR 將手機的新位置告知 HLR 進行註冊的動作 。 VLR 是利用 IMSI 可找到 MS 的 PLMN, i.e., HLR 位址。 HLR 則將手機相關資料送回給新的VLR。 Step 4: 新的 VLR 產生一個新的 TMSI 給手機，通知手機註冊程序完成。 Step 5: 在步驟3後，HLR 會送一訊號至舊的VLR，要求將手機的記錄消除。 舊的 VLR 將手機的記錄消除後，則回覆執行完畢的訊息。

204 步驟1 當MS移動至一新BS範圍，可由BS藉BCCH所廣播的資料得知是否已移至新的LA
若MS偵測到其位置已改變，則將一暫時行動用戶識別碼(Temporary Mobile Subscriber Identity，TMSI)及舊的VLR (old VLR)住址傳送給新的VLR，進行註冊 TMSI係一暫用密碼，用來索引MS的永久密碼國際行動用戶識別碼(International Mobile Subscriber Identity，IMSI)

205 步驟2 IMSI存在舊的VLR記錄中，新的VLR將TMSI透過PSTN送至舊的VLR，以索取IMSI
MS的IMSI只在有線的PSTN傳送，避免在“空中”被盜取 新的VLR進行認證

206 步驟3 步驟4 新的VLR從IMSI獲知MS的HLR位址，並將MS的新位置告知 HLR HLR則將MS相關資料傳給新的VLR
新的VLR產生一個新的TMSI 給MS，通知MS註冊程序完成

207 步驟5 步驟3完成後，HLR會通知舊的VLR，要求刪除MS記錄 舊的VLR刪除MS記錄並回覆執行完畢

208 週期性重新註冊 MS在roaming時，藉由註冊，HLR隨時可知道手機的正確位置
GSM亦要求手機定期向網路再註冊(re-registration) 週期範圍為6分鐘至24小時

209 要求periodical registration的原因 增加GSM網路之容錯性
當VLR或HLR損毀，re-registration可加速資料庫的重建 若手機的SIM取出或關機時，手機會自動送一個IMSI detach的訊號至GSM網路，將其位置資料消除，系統便不再監控MS 如因某些原因系統沒有收到IMSI detach，MSC/VLR不曉得MS實際上已經關機，利用periodical registration的機制，若MSC/VLR沒在規定時間內收到定期註冊的訊號，就當MS已經關機

210 4.4 發話與受話程序 4.4.1 發話程序(call origination procedure)
4.4.2 受話程序(call termination procedure)

211 4.4.1 發話程序(Call Origination Procedure)

212

213

214 4.4.2 受話程序(Call Termination Procedure)

215

216

217 5. 交遞 交遞(Handoff) MS在通話過程中，可能由一BS移動到另個BS
欲使MS在移動過程中繼續通話，MS須與新BS建立無線電連結，並取消與舊BS間的無線電連結 此線路轉換由網路自動執行

218 交遞也可能發生於兩種情況 即使MS不曾移動，GSM網路也可自動轉換通道頻率，使系統之無線電干擾降至最低
將話務過重之BS的線路，移轉到別的BS

219 Handoff Procedure 在通話過程中，MS隨時量測無線電線路訊號品質及周圍BS訊號的強弱，並將量測結果送回BS
若確定要執行交遞，BS將交遞要求送至MSC

220 無線連結量測 交遞偵測是基於無線連結量測 (radio link measure) 程序，以決定是否需要交遞與轉換到新通道
常用以決定通道品質(channel quality)的三種量測值 字元錯誤指標(Word Error Indicator，WEI) 接收信號強度指標(Received Signal Strength Indicator，RSSI) 品質指標(Quality Indicator，QI)

221 字元錯誤指標(WEI) WEI指出是否MS可正確解調(demodulate)目前信號(current burst)
若WEI正確便不需handoff

222 接收信號強度指標(RSSI) 值一般介於80到100 dB之間 RSSI代表一種接收信號強度(signal strength)的量測值
不能憑單一RSSI值決定是否要做handoff

223 RSSI量測受到下列衰減的影響 距離相關衰減(distance dependent fading or path loss)
occurs when the received signal becomes weaker due to increasing distance between MS and BS 遮蔽衰減(Shadow Fading或稱Log-Normal衰減) occurs when there are physical obstacles (e.g., hills, towers, and buildings) between the BS and the MS, which can decrease the received signal strength

224 多路徑衰減(Multipath Fading)或稱雷力衰減 (Rayleigh Fading)
occurs when two or more transmission paths exist (due to signal being reflected off buildings or mountains) between the MS and BS

225 RSSI的量測 手機須量測 目前傳送和接收中的通道信號 可能使用的所有通道，以尋找合適交遞的候選通道
例：TDMA系統量測所有可能通道約需時100至500ms

226 改進做法 手機針對每個基地台僅考慮數個最佳候選通道，藉此增加候選基地台的量測頻率 與其根據瞬間功率量測總和來作交遞決定，不如根據連續量測，以平均一長時期所接收的信號強度

227 品質指標 (QI) QI是無線電信號對雜訊/干擾的比 QI和interference、noise、dispersion (散佈，消散)有關
SIR: Signal to Interference Ratio SNR: Signal to Noise Ratio SINR: Signal to Interference & Noise Ratio QI和interference、noise、dispersion (散佈，消散)有關

228 量測指標分析與比較 在決定是否要執行交遞 使用WEI比RSSI更可靠 量測WEI需要一段時間，量測RSSI則立即可知
handoff的channel comparison是根據WEI，RSSI和QI的測量結果

229 量測程序的速度與無線電系統的TDMA時框結構相關
該程序依序查巡每個通道 將無線通道依所量測的訊號強弱排序，作為交遞用候選通道的優先順序

230 以PACS無線電系統為例，每個時框(frame)期間為2.5ms
對一個具有25個通道的系統而言，相當於必需於每62.5ms，來回巡查各個通道一次(做完一次handoff量測)

231 在RSSI與QI的量測過程中應使用過濾(filtering)技術
視窗平均法(window averaging) 漏桶整合法(leaky-bucket integration)

232 視窗平均法 手機計算過去w次量測值(w為視窗大小) 手機對每個新量測值以下列程序實現 Sk= Mk + Mk-1 + … Mk-(w-1)
Sk：時間點k的量測總和 Mk：時間點k的量測值 手機須維護目前取樣與前w-l個取樣記錄

233 漏桶整合法 手機執行下列計算 Sk = aSk-1 + Mk a < 1 為一“遺忘因子(forgetting factor)”常數

234 GSM Handoff 基站控制台內交遞(Intra-BSC handoff) 基站控制台間交遞(Inter-BSC handoff)
新舊BTS連接到同一BSC 基站控制台間交遞(Inter-BSC handoff) 新舊BTS各自連接到不同BSC，而這兩個BSC連接到同一MSC 跨行動交換中心交遞(Inter-MSC handoff) 新舊BTS自連接至不同MSC

235 Handover Decision

236 交遞策略 手機掌控交遞(Mobile Controlled Handoff，MCHO) 由手機控制交遞的方法
網路掌控交遞(Network Controlled Handoff，NCHO) 由網路控制交遞的方法 手機輔助交遞(Mobile Assisted Handoff，MAHO) 由網路控制但由手機協助執行無線通道的量測

237 手機掌控交遞 MCHO的運作 手機持續監測目前正在通訊或未來有機會通訊之基地台的信號強度與品質
當符合交遞要件時，手機會查尋最佳候選基地台，以尋找一可用通道，並提出交遞要求

238 使用系統：低階無線通訊系統(TDMA系統)
用閒置的idle time-slot測量其它頻道的強度 歐洲的DECT (TDMA/TDD) 所需handoff時間：100ms-500ms 北美的PACS (TDMA/FDD) 所需handoff時間：20ms-50ms MCHO用在低階無線通訊系統 手機會比較複雜比較貴 相對系統網路就比較容易實作(implement)

239 手機品質維護程序 ALT: Automatic Link Transfer TST: Time Slot Transfer

240 量測 決策 持續量測與處理量測資料 藉手機量測目前下行(downlink)通道品質
同基地台的上行(uplink)通道品質，可在基地台量測後，經下行通道將品質量測資訊(依WEI格式)回傳給手機 決策 利用手機所處理的量測資料檢測是否觸發決策機制並決定是否需要執行交遞

241 選擇 選擇新通道以供交遞使用 執行 執行交遞(藉由手機與網路設備間的信號協定)

242 當所使用的頻道不佳時，手機在決定handoff時有兩種有兩種狀況
ATL (Automatic Link Transfer) 不同基地台間的交遞 選用新基地台的一個適合通道及time slot TST (Time Slot Transfer) 同基地台不同通道間交遞 使用相同基地台，但更換成另一更合適頻率的通道

243 因由手機決定，當有兩支手機使用相同頻率時，會有一支手機被block

244 網路掌控交遞 基地台監測來自手機的信號強度與品質 當指標惡化低於某個臨界值，網路將安排手機交遞到另一個基地台
網路(MSC)要求所有附近的基地台量測來自該手機的信號，並取回量測結果 網路選擇一交遞用的基地台並通知新基地台與手機 (經由舊基地台)，交遞便可執行

245 各元件間的配合 手機 扮演被動者角色 基地台 藉RSSI的量測可監測所有目前連結的品質 行動交換中心 每隔一段時間下令給周圍基地台進行無線電通道量測 基於這些量測，MSC決定於何時何地進行交遞

246 使用系統(FDMA系統) 手機無法轉移到其它頻率測量，只好由網路進行測量的工作 低階的CT2+ 高階的AMPS蜂巢式無線系統

247 NCHO需較長的交遞時間 因由網路控制所有基地台測量所有手機訊號，決定所有手機是否要交遞及如何交遞？
收集資訊常耗費龐大的網路信號 (signaling)交通量，所以網路訊務(指各MSC間的traffic)很大(heavy)，且速度較慢 NCHO系統交遞約需10秒或更多的時間

248 NCHO的改進方法 為減少網路的信號負載，MSC附近基地台並不連續傳送量測報告回MSC，因此無法立即得知是否RSSI已低於特定臨界值
基地台缺乏足夠資源對無線電通道進行經常性量測，其準確度會降低

249 手機輔助交遞 使用系統：GSM等高階蜂巢式系統 程序 網路要求手機量測附近基地台信號 舊基地台回報量測結果
網路根據這些資料決定是否需要交遞且與那個基地台交遞

250 各元件間的配合 手機 對附近基地台的信號進行量測 GSM中，手機每秒回傳兩次量測結果到基地台 網路端(基地台與MSC) 決定何時何地執行交遞

251 NCHO和MAHO有個MCHO沒有的缺點
手機自行測量訊號好壞，可降低網路(BS)負擔 由網路端決定是否要交遞，可讓MSC做到global optimization，協調不同手機使用不同頻率 NCHO和MAHO有個MCHO沒有的缺點 MSC決定handoff，但此時若手機已跨越到別的cell，原先的radio link會因訊號太差而中斷，導致MSC找不到手機而結束通訊

252 交遞失敗的原因 交遞要求遭網路拒絕 缺乏資源 例如：無橋接線路(bridge)與無適合通道
手機在一段期間內超過允許的最多交遞要求次數 (HON)

253 網路在啟動交遞後太慢完成設定 交遞執行時，目標連結斷訊 網路利用快要斷線的通道，傳送信號以知會手機執行交遞
該信號可能在被傳送到手機前就斷訊，迫使通話中斷 交遞執行時，目標連結斷訊

254 GSM: Mobile-Assisted Handover (MAHO)

255 6. 安全認證 GSM安全措施的兩面考量 手機認證時機 手機認証(authentication) 用以防止他人假冒手機以盜用GSM服務
訊號加密(encryption) 避免他人竊聽無線電線路的通話 手機認證時機 電話設立、註冊 MS位置改變 新增或減少服務

256 認證 認證過程係利用一秘密鑰匙(secret key) Ki 認證手機程序 只存在於GSM的AuC及手機的SIM
AuC (Home System)產生一個128位元的隨機碼 (random number)，稱為RAND AuC將RAND送至MS，此時AuC及MS都使用Ki及RAND來執行一個A3演算法

257 執行A3後會產生一個簽署結果(SignedResult (or SignedResponse)，SRES)
MS回傳SRES給AuC，與AuC所產生之SRES做比較 若結果相符則通過認證，否則MS的要求會被駁回

258

259 加密 執行A3時，MS與AuC同時執行A8演算法 A8所產生的結果稱為Kc，用做無線通道上資料加密鑰匙(encryption key)
AuC將Kc送至MS所在BS，而BS會將其TDMA時框號碼(frame number)送至MS TDMA時框號碼是個22位元，介於0到 間的數值，取自當時時框計數器(frame counter)

260 MS及BS同時使用加密鑰匙(Kc)及時框號碼，執行加密與解密演算法A5
送出資料時加密 接收資料時解密 所有GSM系統均使用相同的A5演算法

261

262 手機認證及資料加密

263 演算法 認證演算法 A3 用於認證的函數 只存於AuC和SIM卡中，用戶無法取得

264 加密演算法 A8 用於產生加密鑰匙(encryption key)，Kc 只存於AuC和SIM卡中，用戶無法取得 A5
存於手機與所有的visited system (如BSS， VLR) 用於資料的加密(ciphering)與解密 (deciphering)

265 使用Triplets認證 Ki只存於AuC，會造成AuC的負擔過重 當MS移動到一個新的VLR，會向AuC要多重認證碼組(triplet)
Triplet包含3項資料：RAND、SRES與Kc HLR任意產生RAND，計算SRES與Kc，合稱為一個triplet Triplet：三個一組

266 認證時，VLR可直接送RAND給MS，用triplet中的SRES與MS送回之SRES進行比對
認證成功，VLR送Kc給BTS，而手機可自行產生Kc

267 7. 功能層 GSM功能層(Functional Plane)描述GSM元件應如何運作以達到通話的目的 規劃各GSM元件應具備那些功能
元件間在達成特定功能時應如何互動

268 GSM Functional Plane Connection
GSM functional plane 用來描述在各個 GSM sites 間透過 interface 做 GSM 通訊時詳細的操作. 利用 OSI model 的概念, 將不同的功能整合成一個一個的 functional planes, 像堆積目一樣堆在一起. GSM functions 被 model 成 5 個 functional planes. 最底層提供各 entities 間實體資料傳輸 (physical transmission) 最上層提供從 external users 角色的觀點 下層 (lower layer) 提供服務給上層 (upper layer). 基本上, lower layer 是屬於比較 short time scale, 而 upper layer 是屬於比較 long time scale. Ex: bit modulation in Transmission plane 的時間是用 microseconds 計算. 在每一層, 各entity 透過訊息的交換 (透過 signaling protocol), 相互合作, 以實現提供 function. 各個 GSM functional plane 是包含於 OSI 各個 layer 的 protocol 的功能中, 但也包含一些 function 並沒有被描述於這些 protocol. Example: CM 有出現於 Q.931 (layer 3), 但是 CM 也有些功能在 Q.931 找不到, 而且會控制到 layers 1,2. 如一些 signals 的傳送與接收, CM 便會直接控制到 physical layer. GSM functional plane 是在各 GSM sites 以 OS calls 或 program 來實作. 對 programmer, designer 而言 GSM function planes 之間的 operations 是很重要的.

269 GSM Entities and Functional Plane
MS BTS BSC MSC/VLR HLR GMSC CM MM RR Transmission 這張圖在說明各個 GSM entity 是如何共同完成某一層 functional plane 的工作. 綠色的條紋與黃色調紋的交集, 代表此一 entity 會參與到此 function.

270 Transmission Plane Transmission plane includes
modulation, coding, multiplexing, format data ensure proper sequencing correct errors through repetitions route information through network Transmission plane includes two independent functions provide the means to carry user information provide the means to carry signaling messages between entities

271 Radio Resource Management
無線電資源管理(Radio Resource management，RR) RR管理無線電資源，負責建立MS到MSC間的連結(connection) 建立或釋放無線電鏈結 接收MS的無線電信號強度資料訊息的報告 大部份RR的功能在MS與BSC執行，而MSC 則在inter-MSC handover時提供RR所需功能

272 Mobility Management 行動管理(Mobility Management，MM) MM是行動通訊特有的功能層
管理用戶的資料庫，特別是位置資訊 負責認證等安全事項 HLR、AuC、SIM都與MM有關 MM在CM的下層，代表MM與真實建立電話無關，且MM的完成(追蹤用戶位置)並不保證會建立通訊

273 Connection Management
連結管理(Connection Management，CM) CM為使用者間建立電話或其他通訊服務，維護並在最後釋放資源 CM分為三個子層 通話控制(Call Control，CC) 增補服務管理(Supplementary Service management，SS) 簡訊服務(Short Message Service，SMS)

274 通話控制(CC) 增補服務管理(SS) 簡訊服務(SMS) 選擇適當的傳輸路徑與方式，負責建立電話的所有事宜
HLR、MSC/VLR與GMSC皆與CC相關 增補服務管理(SS) 為GSM在基本電話服務外，提供如電話轉接或話中插撥等服務，可控制使用者電話進行方式 簡訊服務(SMS) 利用GSM的信號控制通道，傳送使用者資料

275 Summary SMS為CM上的一個子系統，所有簡訊不論在無線電通道或GSM核心網路上，都透過信號(signal)系統傳送
RR支援SDCCH (Standalong Dedicated Control Channel)等通道的使用 網路端資料則在GSM MAP (Mobile Application Part)上傳送

276 SMS Connection Management (CM) Mobility Management (MM) Radio Resource (RR) Management

277 Operations, Administration & Maintenance
營運管理維護(Operations，Administration & Maintenance，OA&M) OA&M管理各個傳輸設備，提供系統營運者監督，控制與操作系統的方法 觀察及控制系統目前通話流量 測試備用的機器是否能立刻啟動 追蹤進行電話的狀態 Operation and Support Subsystem (OSS)、Base Station Subsystem (BSS)與Network and Switching Subsystem (NSS)都會參與OA&M

278

279 Request for Connection Establishment
Scenario: MS要求BSS給予一條dedicated control channel dedicated control channel只做channel assignment，因此只到RR層次 event 1發生前 MS一直處在idle state，並listen to BCCH event 1 (Establish MM connection) 在CM的sublayer CC啟始整個動作 CM要求建立一個call，傳送的資料包括一些參數，如指出此為一般call還是emergency call

280 Establish MM connection
CM service request RR IMM ASS RR channel request

281 event 2 (CM service request)
MM提出要求建立一條RR connection 在此CM service request中包含MS ID及其他information event 3 (RR channel request) MS的RR要求給與一條BSS與MS間的dedicated control channel 透過RACH送交BSS，並上傳給BSS的RR layer

282 event 4 (RR IMM ASS) BSS的RR收到要求，分配頻道給MS 透過AGCH送交MS，並回傳到MS的RR layer
MS RR回覆MM關於RR connection的建立

283 8. 簡訊系統 8.1 Short Message Service (SMS) 8.2 SMS架構

284 8.1 Short Message Service (SMS)
簡訊透過控制通道(主要是SDCCH，偶而搶SACCH)來傳送簡訊 使用儲存與轉送(store and forward)的技術 每則簡訊只能有140個位元組(char)的資料量，超過該長度可利用下列兩種方式 SMS concatenation：以連續數個SMS傳送，再組合在一起 SMS compression：利用壓縮技術

285 SMS利用signal bandwidth傳送data
low capacity cheaper best effort non real-time

286 8.2 SMS架構 BTS：Base Transceiver Station BSC：Base Station Controller MSC：Mobile Switch Center GMSC：Gateway MSC IWMSC：Interworking MSC SM-SC：SMS center B T S C M - G I W n e t w o r k O r i g i n a l M S S h o r t M e s s a g e S e n d e r G S M n e t w o r k T e r m i n a t i n g M S

287 SM-SC (Short Message Service Center)
簡訊服務中心 儲存簡訊的設備 負責store and forward簡訊 IWMSC (Interworking MSC) 接收MS送來的short message，並轉送給SM-SC 與SMS GMSC基本上都是GMSC，均具備收送SMS的功能

288 Short Message Service Gateway MSC (SMS GMSC)
簡訊閘道行動交換中心 接收SM-SC的要求  對MS定位  找出所在的MSC  轉給MSC要發送的short message MSC broadcast SMSs to all its BSSs BTS page the MS

289 SM-SC 所有簡訊都需經過SM-SC，做store-and-forward 須scalable、available、reliable
可接到許多GSM networks 可接到一個GSM network中的許多SMS GMSC

290 SM-SC通常為一台很強大的電腦 SM-SC提供的其它介面 Sema SM-SC：Compaq Alpha Server
Ericsson SM-SC：Sun SPARC Nokia SM-SC：HP 9000 SM-SC提供的其它介面 TCP/IP (如此可由Internet傳送簡訊) WAP (Wireless Application Protocol)

291 Mobile Originating BTS：Base Transceiver Station BSC：Base Station Controller MSC：Mobile Switch Center GMSC：Gateway MSC IWMSC：Interworking MSC SM-SC：SMS center

292 MS送short message給其它MS的步驟
[Step 1] MS送出的short message先被送到IWMSC (Inter-working MSC)

293 [Step 2] short message被送到SM-SC (Short Message Service Center)儲存 SM-SC在收到簡訊後，根據該簡訊的需要而傳遞回應至發訊者 [Step 3] 檢查short message的目的地，再分別送出

294 Mobile Terminated BTS：Base Transceiver Station BSC：Base Station Controller MSC：Mobile Switch Center GMSC：Gateway MSC IWMSC：Interworking MSC SM-SC：SMS center B T S C M - G I W n e t w o r k h s a g d O i l m

295 SM-SC送short message到MS的步驟
[Step 1] SM-SC透過SMS GMSC將該簡訊傳送至目的地的GSM網路 [Step 2] GMSC找出MS所在的MSC，並將此short message轉送到MSC

296 [Step 3] MSC要求BSS下所有BTS將short message以broadcast方式傳送 [Step 4] MS必須有特殊的software才能解碼儲存簡訊

297 9. GSM數據服務 9.1 Data Service 9.2 HSCSD 9.3 GPRS 9.4 EDGE 9.5 USSD

298 GSM對提供資料傳輸(data communications)的幾種方法
HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data) GPRS (General Packet Radio Service) EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)

299 9.1 Data Service GSM Phase 2支援兩種資料傳輸服務 Bearer service
簡訊息服務(Short Message Services) 遞送訊息服務(Bearer Services) Bearer service 一種類似data circuit duplex服務 最高的傳輸速度：9.6Kbps Notebook或PDA透過PC card與手機相連，便可要求GSM提供此類服務

300 GSM網路端會在手機與公共電話網路之介面閘道間，建立一條電路交換式連線(circuit-switching connection)，以傳送資料
該連線的無線電通道與有線線路會一直保留，直到使用者終止服務 GSM Phase 2並未提供分封交換式傳輸(packet-switched transmission)

301 GSM Phase 2+ ETSI提出 GSM Phase 2+或稱為GSM+ 目標：提供有效率的數據服務(data service)以支援
高速檔案傳輸 行動視訊(mobile video) 電子郵件 WWW

302 兩種數據交換技術 高速電路交換數據(High Speed Circuit Switched Data，HSCSD) 仍為circuit-switching 一般封包式無線電服務(General Packet Radio Service，GPRS) 採用packet switching技術 較能符合數據傳輸的bursty特性

303 9.2 HSCSD 目的：為高速檔案傳輸與多媒體應用而制定的電路交換式傳輸協定
手機同時最多可擴增到8個時槽來做資料傳輸，使資料傳輸速率大幅增加 利用資料壓縮(data compression)技術，增加傳輸速率

304 = number of timeslots  data rate of one timeslot
無線電介面 與目前GSM系統相同 改進後之HSCSD的無線電連結協定(Radio Link Protocol，RLP)可支援多個時槽(timeslot)運作 資料傳輸速率(data rate) = number of timeslots  data rate of one timeslot

305 HSCSD系統架構

306 系統運作流程 使用者在如電腦的終端設備(Terminal Equipment，TE)進行資料運算，並與手機相連
利用手機上的終端調適功能(Terminal Adaptation Function，TAF)，將終端設備的資料轉換成手機的一般無線電傳輸，以無線電介面傳送到基地台子系統 連結到交換機行動交換中心，以跨網功能(InterWorking Function，IWF)將資料做協定轉換並送到外界網路(PSTN、PSDN、ISDN)

307 9.3 GPRS GSM網路無法提供封包傳送模式，須有自己的傳輸網路(transport network)
GPRS的無線電連結協定(Radio Link Protocol) 規定手機與基地台間，Physical層、MAC層及RLC層彼此間在相互通訊時所須遵守的協定 確保在MSs和BSs間資料傳輸時能達到快速連線設定(fast call setup procedure)及低位元錯誤率(low-bit error rate)的目的

308 Physical層 RLC/MAC層 GPRS利用現有的GSM physical channels，建立自己的logic channels
讓許多用戶共享這些數據通道，透過空中介面(air interface)的 physical層來傳送資料 GPRS透過一至八個channels最高可支援100位使用者

309 GPRS傳輸協定架構

310 GPRS隧道協定(GPRS Tunnel Protocol，GTP)
GPRS網路上，封包發送端與接收端的兩個GPRS支援節點(SGSN & GGSN)間所使用的協定 功能 透過附加路由資訊(封裝)的方式，將上層之X.25或IP應用程式的協定數據單元(PDU)，經由GPRS骨幹網路傳送 並依據應用程式的需求，提供不同服務品質(Quality of Service，QoS)

311 9.4 EDGE EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution
可視為GSM或美國TDMA系統的一個3G演進 GSM → GSM GPRS (in GSM+) → EDGE (in GSM++) → UMTS → UMTS/HSDPA(更高容量的語音與資料傳輸)

312

313 GSM+ GSM++ 提出HSCSD與GPRS 提供有限的數據服務 為EDGE
利用不同的調變技術，coding scheme來提高其在空中的傳輸速率與效率，使得在一個timeslot中可傳送更多資料

314 EDGE 並未更動許多core network部份，是比較cost-efficient的migration EDGE提供的服務可用在舊系統
E-GPRS (packet data service) E-HSCSD (circuit-switched service) 提供與WCDMA相似的QoS能力

315 9.5 USSD USSD (Unstructured Supplementary Service Data)
目的：讓GSM系統業者快速提供新的服務(supplementary services)，如透過手機查詢股票、期貨、外匯資訊等

316 系統流程 使用者鍵入電話號碼  按下撥號鍵  MS解讀該命令並開始工作
當MS無法解讀鍵入的text string(通常為電話號碼)，MS則使用USSD將該文字傳送到網路端(without understand the text) 位於網路端的USSD service node (i.e.資料庫)則會試圖解讀該text string，並提供相對應的服務 Ex：遠傳的*128*股票代號#可查詢股價市值，回傳給MS的資訊，則是透過SMS機制

317 使用USSD如同輸入一串命令，命令可自由設計傳送訊息的內容與訊息長度
MS透過SS7 signaling (非voice或data)傳送message給USSD service node (或USSD gateway) 使用USSD如同輸入一串命令，命令可自由設計傳送訊息的內容與訊息長度 基本上有一定的格式與規範 uses all digits 0-9 plus “＊” and “＃” keys typically 2 or 3 digits followed by several parameters

318 the whole string ends with “＃”, e.g.
if we specify command code 159 for call forwarding the USSD string *159* # is sent by the MS the network will forward all incoming calls to

319 USSD系統架構 GSM MAP TCP/IP

320 USSD提供一個MS、MSC、VLR、HLR間溝通的介面
如USSD service node在MSC，則USSD message只在(1)MS-MSC間傳送 如USSD service node在VLR，則USSD message透過(1)(2)在MS-MSC-VLR間傳送 如USSD service node在HLR，則USSD message透過(1)(2)(3)在MS-MSC-VLR-HLR間傳送

321 以即時股票查詢系統為例，若將USSD service node放在HLR上
缺點：因會增加HLR的負擔，HLR不大可能做股票查詢的服務點 須獨立出此USSD service node，形成如圖中架構

322 USSD gateway翻譯USSD message且轉送給適當的Application Server做stock query
溝通介面 USSD gateway與HLR透過GSM MAP USSD gateway與application server透過TCP/IP