手機通訊介紹

DIO LEE, ADLabDecember 22, 2009

Introduction of Mobile Communication

Outline

• PSTN• PCS• Generation

– 1G– 2G– 3G– Generation Overview

• GSM• GPRS

– MM / SM– GGSN– PDP

Outline

• PSTN• PCS• Generation

– 1G– 2G– 3G– Generation Overview

• GSM• GPRS

– MM / SM– GGSN– PDP

PSTN

• 公眾電話交換網路（Public Switched Telephone Network，PSTN）就是一般的有線電話，是我們熟悉的有線電話網路，提供基本的通話服務。

PSTN 示意圖

Outline

• PSTN• PCS• Generation

– 1G– 2G– 3G– Generation Overview

• GSM• GPRS

– MM / SM– GGSN– PDP

PCS

• The term Personal Communications Services (PCS) means enabling communication with a person at anytime, at any place and in any form.

PCS Architecture

Smartphone

Outline

• PSTN• PCS• Generation

– 1G– 2G– 3G– Generation Overview

• GSM• GPRS

– MM / SM– GGSN– PDP

1G,2G,3G

• Technology• Speed up

1G (analog)

• US: AMPS(Advanced Mobile Phone System)• North Europe: NMT450(Nordic Mobile

Telephone 450)• UK: TACS (Total Access Communication

System)• JP: JTACS (Japenese TACS)

2G, cellular phone

• High Tier Digital Cellular Systems for widespread vehicular and pedestrian services

• Europe: Global System for Mobile Communication (GSM900), Digital Cellular Standard 1800 (DCS1800/GSM1800)

• US: Open:– DAMPS(Digital Advanced Mobile Phone Service): IS-54 -> IS-136– cdmaOne: IS-95(by Qualcomm)

• JP : JDC(Japanese Digital Cellular) /PDC(Pacific Digital Cellular)

2G, cordless phone

• Low Tier Cordless Telecommunication Systems for residential, business, and public cordless access applications.

• UK:Cordless Telephone Second Generation (CT2)

• Europe:Digital European Cordless Telephone (DECT)

• JP:Personal Handy phone System (PHS)

• US:Personal Access Communications System (PACS)

2.5G (GPRS)

• GPRS(General Packet Radio Service), GSM+• EDGE(Enhanced Data rates for GSM

Evolution), GSM++

3G (IMT-2000)

• IMT-2000（ International Mobile Telecommunications-2000 ）

• 初期稱為 FPLMTS （ Future Public Land Mobile Telecommunication Systems ）

• Asynchronous Transfer Mode (ATM) backbone

• EX: UMTS, SCDMA and CDMA2000.

IMT-2000 的願景

• 使用全世界共同的頻譜及最有效率的頻譜運用。

• 具備設計共通性及公開的標準。

• 具備高品質和一致性的定義。

• 具備全世界漫遊功能。

• 能提供多媒體服務。

• 提供高速傳輸，靜止時為 2Mbps 、行走時（ 3Km/hr ）為 384Kbps 、行車時（ 120Km/hr ）為 144Kbps 。

• 需符合未來寬頻服務的需求。

Generation Overview

• First Generation System: AMPS– Analog voice calls

• Second Generation Systems: GSM, IS-136, IS-95, and low-tier systems– Digital speech with low-bit-rate data services

• Third-Generation:– High-speed and wireless Internet access (up to 2Mbps)– Wireless multimedia servces (audio and video)

Generation Overview

Outline

• PSTN• PCS• Generation

– 1G– 2G– 3G– Generation Overview

• GSM• GPRS

– MM / SM– GGSN– PDP

GSM

• Global System for Mobile Communication• 泛歐式數位行動電話系統• 2G

Gsm structures

Origin

• 解決歐洲各類比系統間不相容的問題• ETSI(European Telecommunications Standard

Institute) 制定• 1999, 改由 3GPP(the 3rd Generation

Partnership Project) 負責

GSM 演進

GSM phase

• GSM phase 1 服務 : 電話轉接• GSM phase 2 服務 :SMS(Short Message

Service), 承載服務 (bearer service):circuit-switched transmission, up to 9.6kbps

GSM +

• GSM+(GSM phase 2+)– High Speed Circuit Switched Data(HSCSD)• 用電路式交換的方式傳送數據資料，同時使用多個

timeslot, up to 115.2kbps; 未更動 GSM 後端網路 .

– General Packet Radio Service(GPRS)• Packet-switched transmission: 更改上層協定及編碼 ,

up to 171.2kbps.

GSM++

• EDGE: Enhanced Data rates for GSM Evolution– 改進空中介面傳輸方式 , up to 384kbps.

UMTS

• 3G• Universal Mobile Telecommunications System• 384kbps ~ 2Mbps

UMTS / HSDPA

• HSDPA: High Speed Downlink Packet Access– More than 10Mbps

• 因下載流量較多 , 增加 UMTS 下載封包的傳輸速度

GSM Architecture

GSM Architecture

• Mobile Station ， MS• Base Station Subsystem， BSS– BSC, BTS

• Network and Switch Subsystem， NSS

MS

• Mobile Station ， MS– Subscriber Identity Module ， SIM• Personal Identity Number, PIN, 3 times.

– PIN Unlock Key, PUK, 10 times.

– Mobile Equipment ， ME

BSC

• Base Station Controller ， BSC– 負責無線電通道的即時分配 (channel

assignment), 決定是否交遞 (handover)

BTS

• Base Transceiver Station ， BTS– 在通話過程中執行信號強度測量 (signal strength

measurement), BTS 會將自己與 MS 的信號測量數據轉交給 BSC 。

NSS

• GSM 的 core network• 使用 SS7 傳送信令• GSM MAP （ Mobile Application Part ）用於

建立通話或進行註冊或認證程序。– 架在 SS7 之上 , 軟體工作平台 .– 習慣上稱 NSS 元件間的介面通稱為 GSM MAP

NSS

• NSS includes ：– 行動交換中心（ Mobile Switching Center ， MSC ） : 執行基本

的線路交換功能，負責計費的工作。– GMSC （ Gateway MSC ） : 特殊的 MSC ，是 PCS 網路與 PSTN 等

其他網路連接的閘道。– Home Location Register ， HLR: 專門儲存訂購本系統用戶的資料。– Visitor Location Register ， VLR: 儲存移動到其負責特定區域內

的用戶相關資訊。– 設備認證資料庫（ Equipment Identity Register ， EIR ） : 紀錄手

機的型態與出廠的序號。– 認證中心（ Authentication Center ， AuC ） : 用來認證用戶 SIM

卡之真偽。

FDD

• Frequency Division Duplex: 分頻多工– 上行（ uplink ）﹕ 890-915 MHz– 下行（ downlink ）﹕ 935-960 MHz

Channel access method

• Frequency division multiple access (FDMA)• Time-division multiple access (TDMA)• Code division multiple access (CDMA)• Space division multiple access (SDMA)

GSM TDMA

• 分時多重存取（ Time Division Multiple Access ）– 先切成每個 4.615msec 的訊框（ frame ），每

一個 GSM 訊框都會有一個編號，稱為訊框號碼（ frame number ）。

– 訊框再切成長為 0.577msec 的 8 個時槽（ timeslot ）做為獨立傳送資料的基本單位。

– 週期性出現的時槽，就稱為一個 channel 。

GSM TDMA

• 一個基地台可能分配到 2 對 channel : 上行和下行

• 一對頻道內的兩個 channel 可分為 :– Traffic channel: 傳送語音– Control channel: 傳送控制訊號• 每個 BTS 需要 2 個 control channel, 其它做為 traffic

channel.

Example: downlink channel

GSM Bursts

GSM 的資料結構• 透過 GSM 傳送的資料都是以burst 的型式加以封裝，再將資料放入時槽中傳送。• 時槽內容包括burst 與 guard time 。

Burst 的種類：

Normal burst 用於傳送使用者語音或數據資料。

F 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。

S 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 是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。

GPRS & GSM Architecture

Outline

• PSTN• PCS• Generation

– 1G– 2G– 3G– Generation Overview

• GSM• GPRS

– MM / SM– GGSN– PDP

GPRS

• GPRS extends the GSM circuit switched data capabilities and makes the following services possible:

• "Always on" internet access• Multimedia messaging service (MMS)• Internet applications for smart devices through

wireless application protocol (WAP)• Point-to-point (P2P) service: inter-networking

with the Internet (IP)

GPRS core structure

GPRS & GSM & UMTS

MM / SM

• 在 PS domain 上傳送數據資料，有以下兩件重要的工作：– 行動管理（ Mobility Management ）• 由 GPRS 行動管理（ GPRS Mobility

Management ， GMM ）協定負責手機的行動管理。• Mobility Management context ， MM context

–議程管理（ Session Management ）• 協定負責手機的通話管理。• Packet Data Protocol context ， PDP Context

Mobility Management

• 當手機想要登錄 GPRS 網路使用數據傳輸服務前， MS 會向系統發出“連網”的請求（即啟動所謂 GPRS-attach 的機制）。

• 一旦手機登錄了 GPRS 網路，即便手機沒有收送任何數據資料，它仍將一直維持在連網的狀態，直到手機或網路端執行“取消GPRS 連網服務”（即 GPRS-detach ）的程序為止，這個便是所謂 GPRS “always on” 的特性

Mobility Management

• 在 always on 的這段期間， GPRS必須對手機進行行動管理（ Mobility Management ，MM ），追蹤手機的位置。

• 此時系統並未保留無線電的資源給手機，手機與網路端並未真正建立連線。

MM Context

• 手機登錄 GPRS 服務時，手機和 SGSN 會各自建立行動管理紀錄（ MM Context ），記錄關於手機位置或安全相關的資訊。

• 行動管理狀態（ MM state ）共有三種：閒置狀態（ idle state ）、等待狀態（ standby state ）和準備狀態（ ready state ）

Session Management

• 當手機真正要透過某一 GGSN 與外部數據網路收送資料時，此時手機就必需取得一個邏輯位址（ logic address ）做為網路層的定址。

• 例如外界數據網路是一個 IP 網路，則手機取得的便是一個 IP 位址。

• 目前的 GPRS 網路，被設計成可連往不同的封包數據網路。這個位址便被稱為 PDP 位址（ Packet Data Protocol address ， PDP address ）。

Session Management

• 除 PDP 位址外，還有描述手機與封包數據網路連接時所需要的各項參數設定，包括網路型態、服務等級、無線電優先權（ radio priority ）。這些參數合稱為議程管理記錄（ PDP context ）。

• 手機或網路端須執行所謂“啟動 PDP context 程序”（即 PDP context activation ），建立起彼此的 PDP context 。

• 手機、 SGSN 與 GGSN 都會有 PDP context ，利用 PDP context 描述整個資料傳輸的過程。

PDP Context

• 手機欲使用訂購的 GPRS 服務時，必須先執行登錄服務程序和建立 PDP Context 程序， GPRS 系統會在手機、 SGSN 和 GGSN 各建立一個 PDP Context ，儲存關於手機及該收送服務特性相關的資訊。

• GPRS 用戶可能訂購使用不同的服務，因此GPRS 系統可能同時會有用戶許多的 PDP Context 。– 但只會有一個 MM Context 。

PDP Context

• GPRS 會分配 PDP 位址（ PDP address ）給手機以收送數據資料。– 即是網路層位址（如： IPv4 、 IPv6 、 X.25 ）。

• 參數 PDP 狀態（ PDP state ）用來描述 PDP 位址是否已經啟用作為資料的傳輸。

• PDP 狀態有兩種：– 不活動（ Inactive ）– 活動（ Active ）

Gateway GPRS Support Node (GGSN)

• The GGSN is the anchor point that enables the mobility of the user terminal in the GPRS/UMTS networks. In essence, it carries out the role in GPRS equivalent to the Home Agent in Mobile IP. It maintains routing necessary to tunnel the Protocol Data Units (PDUs) to the SGSN that service a particular MS.

GGSN

• The GGSN is responsible for IP address assignment and is the default router for the connected user equipment (UE). The GGSN also performs authentication and charging functions.

Packet Data Protocol基本流程 :1. MS 對 SGSN發出 PDP Context 的要求。 2. SGSN確認該 PDP Context 要求的內容，例如所要求的 QoS參數，並可根據服務品質來決定收費。由 SGSN把相關的資訊轉送到GGSN ，並且在 SGSN 與 GGSN 之間建立一條 tunnel ，以便之後用來傳送使用者資料。

3. GGSN 與 ISP業者的 RADIUS(Remote Authentication Dial-In User Service)伺服器連結，通過認證並取得配置給目前使用者行動設備的 IP 位址。

4. 使用者行動設備取得 IP 位址，並且可以開始收送網路封包資料了。

IP Assignment

透過 RADIUS伺服器取得 IP 位址，是取得 IP 的方法之一，目前共有三種可以取得 IP 位址的途徑 :

1. 靜態 IP使用者行動設備有專屬的 IP 位址，儲存在

HLR 。每次當使用者啟動 GPRS 服務，就透過 SGSN向 HLR 取得相關資料來進行設定。

2. 動態 IP透過系統業者 GGSN 的 DHCP伺服器，動態的配置 IP 位址給使用者行動設備。

3. 動態 IP由系統業者的 GGSN向外部的 ISP業者取得IP ，該 ISP 可以為行動系統業者或是其他合作廠商。

Access point

• An access point is:– An IP network to which a mobile can be

connected.– A set of settings which are used for that

connection.– A particular option in a set of settings in a mobile

phone.

APN

• Access point name (APN) identifies an IP packet data network (PDN), which a mobile data user wants to communicate with.

• a label according to DNS naming conventions describing the access point to the external packet data network.

GPRS attach PDP Sequence Diagram

• http://www.eventhelix.com/RealtimeMantra/Telecom/gprs_attach_pdp_sequence_diagram.pdf

中華電信• http://blog.yam.com/dllee/article/18763489

2008年底• http://www.mobile01.com/topicdetail.php?f=

18&t=231353 2006年底

• http://www.emome.net/channel?chid=139

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