---
title: Telecommunication Networks - GSM|第十一、十二週
tags: 無線與行動網路導論
---

:::warning
全球行動通訊系統（Global System for Mobile Communications），即GSM，又稱泛歐數位式行動電話系統，是當前應用最為廣泛的行動電話標準。全球超過200個國家和地區超過10億人正在使用GSM電話。GSM標準的廣泛使用使得在行動電話業者之間簽署「漫遊協定」後使用者的國際漫遊變得很平常。GSM相較它以前的標準最大的不同是他的信令和語音頻道都是數位的，因此GSM被看作是第二代（2G）行動電話系統。GSM標準當前由3GPP組織負責制定和維護。
[By Wiki](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/GSM)
:::

# GSM

行動電話的標準，提供了很多不同的資料傳輸，像是語音、資料和簡訊等等

有三種服務的範圍

- Bearer Services
- Telematic Services
- Supplementary Services


## Bearer Services

基地台之間的通訊服務，並負責了很多服務像是終端介面的規範。

並且有兩種不同的速度用來傳輸兩種不同的訊號，分別是

- circuit switched：控制訊號
- packet switched：要傳輸的資料

將兩種訊號分開的好處就是不會搞混。

## Tele Services

就是手機跟手機之間的通訊服務，這些服務必須要遵守 cellular functions、安全評估等等。

有提供的服務像是：
- 行動電話：也就是 GSM 最主要的目的
- 緊急電話：緊急的情況使用，有最高優先權
- Multinumbering：讓使用者可以持有多支電話

此外還有一些其他的服務：
- 傳真
- 語音郵件
- 電子郵件
- 簡訊 sms

## Supplementary services

這是屬於上面那些基礎服務的額外服務，因此不可以單獨提供；會因為供應商、國家或協議而有所不同。
>跟 ISDN 服務很像，但是較低的頻寬。

重要的服務有：
- 辨識：回查電話號碼
- 反回查：防止回查
- 自動回撥
- 和七人以上通訊
- 把手機鎖起來

---

## PLMN (Public Land Mobile Network)

GSM 是個 PLMN，各個國家的供應商都依照下面的標準規範建立起行動網路。

架構分成兩個部分，元素 Element，和子系統 subsystems

### Element

可以看到一些老朋友，還有新面孔，這些在下面的圖繪比較好說明。

- MS (mobile station)：就是我們的行動裝置，也就是手機
- BS (base station)：就是我們的基地台
- MSC (mobile switching center)：這個是控制多個基地台的人，或者說機房
- LR (location register)：這個是資料庫

### Subsystems

將整個架構分成三大區域。

- RSS (radio subsystem)：
- 就是之前訊號傳播的部分，也就是我們 MS 跟 BS 的範疇
- NSS (network and switching subsystem)：
- 這裡是 MSC 搭配 LR 去做各種功能的範疇
- OSS (operation subsystem)：
- 這層是網路管理的部分，像是身分認證等等

架構圖如下：


接下來一一介紹裡面的內容

---

# GSM 的架構

下面這張圖可以看到就是分成放面提到的三大區域，手機、基地台就是屬於 RSS；資料庫，機房的部分則是 NSS；最後是營運管理的 OSS。


- 在 2、3、4、5G 概念都是分成上面三大區域。
- 但是 OSS 好像似乎通常會包含在 NSS 裡面所以會變成兩大區域。
- RSS 的部分又叫做 Radio Access network RAN；中間的 NSS 部分又叫做 Core network CN。
- 工程師們負責的工作就是定義那些 element 還有 interfaces 的名稱和功能。

再來看另一種圖：


在右上角的部分，ISDN 跟 PSTN 是以前的電話；右下角的 PSPDN CSPDN 是電話跟網路的部分
老師說 CS 就是電話、PS 是網路。

然後中間那個 SS7 很像是大腦或神經系統，由他控制電話等其他服務。並且他持有三種資料庫：

- EIR 是計費用的，記錄如何收錢，誰欠錢，用哪種方案等等。
- HLR 跟 VLR 是兩種記錄位置的資料庫，記錄手機在哪裡等等。

左邊可以看出有個向左的趨勢，分成三個階層是個樹狀的架構：

MSC → BS → MS

>不要忘記 MSC 的縮寫是 Mobile Switching Center

其中稍微不一樣的是 BS 被分成了兩個部分：

- BSC 是基地台的大腦，負責做決定
- BTS 是手腳的部分，負責接受跟傳送等操作

不過在 3、4、5G 則把兩個合在一起，並有了別的名稱

- 3G：node B
- 4G：eNB
- 5G：Gnode B

>底下 3G 可以看到 NodeB

然後可以看到有些 Element 的連接部分有畫一條線，那個代表的是「介面 Interface」，例如基地台跟手機之間是 Um 介面。
至於為甚麼叫 Um ，老師說有時候名字沒有意義，只是工程師取名的功力不好。

## NSS


- MSC Mobile Services Switching Center
- 接了很多基地台，就是 BS 背後的 Switching controller
- 但是 4、5G 想要扁平化設計，所以會拿掉 MSC
- IWF Interworking Functions
- 是一個 gateway 的角色，負責往外接和往內接
- 是一個在內外邊緣進行交換的人，把不同的網路之間連接起來。
- 會需要透過 Gateway MSC
- ISDN (Integrated Services Digital Network) 和 PSTN (Public Switched Telephone Network)
- PSTN 是從古到今的電話系統，ISDN 就是基於他之上的上網
- PSPDN (Packet Switched Public Data Net.) 和 CSPDN (Circuit Switched Public Data Net.)
- 而現在 4、5G 改採用 IP 等其他協議的方式上網，因此才有 PSPDN 跟 CSPDN。
- HLR Home Location Register 跟 VLR Visitor Location Register
- 前面提到記錄位置用的資料庫
- HLR 是你的手機的電信公司要記得的資訊，紀錄你的手機位於哪個 VLR
- VLR要記錄你的手機現在在哪裡；這兩個搭配起來用於打電話的時候
- 這兩個資料庫一直都在，不會被扁平化，畢竟要記錄你的位置
- SS7
- 傳統電話網路的控制系統

可以看到以 MSC 為界線，左邊的是新的協議，右邊才是 SS7 的範圍。

### Control plane 跟 User plane

前面講到的，把兩種資料分開來，這樣就不會把控制的命令跟收的資料搞混，不像 IP 那些協議是混在一起的；但是最近有開始要進行分開的趨勢。

而 GSM 則是從古到今都是分開的。

## RSS

主角是我們的 BSS 跟 MS。

- BSC Base Station Controller
- 前面提到負責控制的人
- 並且負責將 Um 介面(radio channels)投射到 A 介面 (terrestrial channels)
- 也就是把 MSC 對 BS 的有線傳輸，投射到 BS 對 MS 的無線傳輸
- BTS Base Transceiver Station
- 就是前面說到負責操作的人
- BSS Base Station Subsystem
- 把 BSC 加上所有的 BTS 以及之間的連接

然後又稍微提到spatial reuse，換手等等。海岸往海上打的 BS，因為沒有遮蔽物所以會到 35 公里的範圍。

### Base Station Subsystem

BTS BSC 兩個可以看做是一個子系統，下面是他們各自做了哪些事情。
原則一樣是 BSC 負責控制，是 Switching Center，然後 BTS 負責操作


- 打 X 代表有做的事情，美國的表示方式跟我們相反。可以看到有些是兩個同時會打 X，例如 Frequency hopping，就是兩者有共同協調，其中 Hopping 的部分就是 BTS 在做的，分配頻段的是 BSC 負責的。
- 可以注意到有 paging area，就是之前提到的節能方法
- 底下就會提到了
- 而 UL signal measurement 目的是為了可以做 rate adaption。

### Mobile station

手機內部也可以看做是有一個子系統，但是手機的是分成模塊：


這種表示法在各種標準都很常出現；各種 block 都是一個抽象的概念，是一種 reference model，目的是告訴你各個功能之間要怎麼溝通；中間一條線的部分就是之間溝通使用的介面。

有了這樣的表示法，各個功能就可以給不同的團隊開發，只要之間的介面溝通有做好就好。

U~m~ 前幾頁出現過，在這裡他就是手機對外的介面。

- MT Mobile Terminal
- 主要的通訊功能都是 MT 負責的，像是別人打過來的時候要處理等等。
- TA Terminal Adapter
- 一個 Adapter
- 內部的 R 跟 S 中間用 TA 隔開來
- TE Terminal Equipment
- 一些手機的其他配備
- SIM Subscriber Identity Module
- 儲存著 security key，使用者的資料
- 但最近有 eSIM，也就是虛擬的卡

## OSS

- AUC Authentication Center
- 就是認證的資料庫，如果手機的位置被告知更改，要確認是不是真的被更改，就會需要認證
- Equipment Identity Register (EIR)
- 前面提到負責計費的部分
- 此外還可以把手機鎖起來，用於被偷的時候，這樣小偷一旦使用就會曝光位置
- OMC
- 處理相容性的問題

---

# GSM TDMA

基本上 GSM 就是 TDMA，但是會做 slow Frequency hopping。


>好像這種圖頻率很喜歡畫斜的。

可以看到每個資料前後都有頭跟尾。

## hierarchy of frames


由上到下的階層關係

hyperframe → superframe → Multiframe → Frame → Slot

## Protocol


可以看到並沒有像OSI有七層，且高度也不一樣。

閱讀的順序是，假如是外面傳訊息到手機，就會先從 MSC 開始往下，然後繞一個彎進入 BSC 右下，然後以此類推；就方向來說很像一個轉90度的S型
可以看到上層的協議互相對應。


---

# Mobile Terminated Call / MTC

最重要的部分之一，就是人家怎麼打電話給我們，而我們的手機是終端 Terminal。


- 1.有個人從外面經由 PSTN 打電話過來
- 2.由我們的 GMSC 負責接待，也就是前面提到的 IWF 功能
- 3.然後 GMSC 去詢問 HRL，要找的人在哪
- 4.HRL 會去問 VRL，那台手機在哪個 MSC
- 5,6.VRL 會去找出來，然後把他所在的 MSC 再告訴 HRL，然後再告訴回 GMSC
- 7.現在 GMSC 知道手機所在的 MSC 了，所以她叫該 MSC 找出手機的位置
- 8,9.而 MSC 就去跟 VLR 確認那支手機現在有沒有休眠，有的話就要進行 Paging
- 10,11.透過廣播的方式告訴全部的 BSS 說有人要打電話給那台手機
- 12,13.然後那台手機所在的 BSS 聽到後就會去喚醒那台 MS，然後告知 MSC 說他在這裡
- 14,15.找到後要通話前要進行身分認證，所以要再經過 VLR 的確認，將確認結果告知 MSC
- 16,17.之後 MSC 跟 BSS 就可以著手開始設定連線了，然後就可以開始講電話

實線是真正連通的路徑，虛線是虛擬的路徑。

這裡就是 Paging 用到的地方。

# Mobile originated call / MOC

最重要的部分之二，就是我們怎麼打電話給人家；可以看出整體架構變得比較簡單，因為把人找出來比較困難。


- 1,2.手機想要打給某人，要先經過 MSC 的同意
- 3,4.然後 MSC 要先向 VRL 確認那隻手機的身分是沒問題的
- 5-8.之後就可以開始把資源先進行檢查
- 9,10.最後開始設定連線，然後就可以打電話了

:::info
Terminated 的意思就是手機是「終端」
Originated 的意思就是手機是「始端」
:::

# 連起來

上面兩種情況分別是：

- 有線電話打給手機：MTC
- 手機打給有線電話：MOC

如果是手機打給手機就是把兩張圖那個 PSTN 雲的地方重疊起來，然後拼起來。

## BS 跟 MS 之間的溝通

如果把 MTC 跟 MOC 中，MS 跟 BS 之間的溝通放大來看，會看到有各種 request 跟 response：


- 在 MTC 可以看到手機要回應 Paging response 前，還要再去先拿一些空間來傳輸這些 request 跟 response，所以會有個 Channel request。
- Paging 後就是驗證身份 authentication；驗證身分後就是決定要怎樣加密 Cipher。
- 接下來才是決定講電話的部分，要做一些 setup 的動作，設定連線的部分；最後才是開始連線講電話。
- MOC 可以看到 setup 的方向，不一樣畢竟發起 call 的人不同，也就是誰打給誰的問題。
- 除了手機基地台之間的那個 request response 表，其他部分的溝通都是屬於 SS7 的管轄。

---

# 換手 handover


1. 從其他地方回來的換手
2. 同個 BSC 不同 BTS
3. 同個 MSC 不同 BSC
4. 同個 VLR 不同 MSC

或者還可以更往下，像是同個 HLR 不同的 VLR 。
另外還有像是不同技術的換手，像是2G 3G之間換手等等。

## Handover decision


那個 HO_margin 就是之前提到過為了避免 Ping-Pong 效應的一個閾值。
但是除了要大於該值之外，還要持續一段時間都是大於該值，才會進行換手。
也就是要有一段時間確定說比原先的訊號強，才會換手。

## 圖示

下圖可以看到有新舊的 BSC ，但是相同的 MSC，所以可以知道是第 3 種換手。


其實到底要不要換手是由網路做決定的，也就是中華電信做決定的；而手機能做的是發現訊號的情況，將量測結果上傳上去，再交由電信公司決定

換手當然不是突然斷掉，是等另一方，也就是 MSC 先叫新的 BSC 準備好資源後才叫那台手機連上來，再斷開原本的連結。

並且連上去之後，會再傳一個 Complete 的回應，叫原先的基地台清掉原本的資料；如果忘記設這個指令，會有一堆垃圾資料留存。或者可以設置一個過期時間，來避免這個情況。

:::info
但其實換手不一定都是由網路做決定的，像是 802.11 就是手機做決定的。
不過現在這種 4、5 G 的通信都還是電信公司做決定。
:::

---

# Security in GSM

簡單的介紹 Security 。

1. access control/authentication
- 第一個是驗明正身，確認身分。
3. confidentiality
- 第二個是訊息要加密，也就是剛剛的 Ciphering
- 會有一個 session key，避免太長使用 SIM 卡的密碼而變得容易被破解
5. anonymity
- 第三個是匿名，就是有些時候希望有些隱私
- 像是某些政治人物打給某些政治人物，就會不希望被別人知道

## 三種加密演算法

SIM 卡，每個卡都有一個燒進去的 Key，這個 Key 基地台那裏也知道。
這兩個都是硬體的號碼，是固定的ID，與之相對的是暫時的 ID，也就是上面匿名會用的 TMSI

這三個演算法，名字看起來像是牛肉等級或是機捷站名：

- A3 產生驗證身分的 Key
- A5 使用 A8 產生的 Key 將訊息加密
- A8 產生加密的 Key

### 驗明正身


雙方持有的 Key 不會直接傳輸來做驗證，避免被攔截。而是傳送一個隨機數字 RAND，接著兩者各自使用 A3 演算法算出答案後來對答案，一樣的話代表確認無誤。

### 訊息加密


跟驗證身分的步驟很像，一樣是傳輸隨機數字 RAND，但是這次是透過 A8 演算法生成 session key，再用這個 key 透過 A5 演算法去加密資料。

---

# GPRS / General Packet Radio Service

GSM 當中資料傳輸的部分，前面是結構的部分。

# Elements

請見下圖


- GSN (GPRS Support Nodes)
- 就是 GPRS 架構中的 Node，分成兩種
- GGSN (Gateway GSN)
- 如其名，就是一個交換員，跟前面的 GMSC 類似
- 負責 GPRS 和 PDN 之間的交換。
- SGSN (Serving GSN)
- 就是負責服務的部分，跟前面的 MSC 類似
- GR (GPRS Register)
- 就是資料庫的部分

## Protocol


要記得的是，要有新功能就是建立新的 Element，有些時候會需要設置 Gateway。
總之他長得比較像現代的網路架構。

---

# 3G 網路 和 UMTS

:::warning
通用行動通訊系統（Universal Mobile Telecommunications System，縮寫：UMTS）是當前最廣泛採用的一種第三代（3G）行動電話技術。它的無線介面使用W-CDMA技術，由3GPP制定，代表歐洲對ITU IMT-2000關於3G蜂窩無線系統需求的回應。

UMTS有時也叫3GSM，強調結合了3G技術而且是GSM標準的後續標準。UMTS封包交換系統是由GPRS系統所演進而來，故系統的架構頗為相像。
[By wiki](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%80%9A%E7%94%A8%E7%A7%BB%E5%8A%A8%E9%80%9A%E8%AE%AF%E7%B3%BB%E7%BB%9F)
:::

## 架構


就三個部分

- UTRAN (UTRA Network)
- UE (User Equipment)
- CN (Core Network)

## domains and interfaces

如果把上圖拆得更細，可以看到如下圖


- User Equipment Domain
- 給單一使用者的，以存取 UMTS 的服務
- Infrastructure Domain
- 所有使用者都有的部分

可以注意分出三個大區塊的 U~u~ 跟 I~u~

- USIM Universal Subscriber Identity Module
- 就是之前 SIM 卡的部分，提供 Key
- C~U~ 是 SIM 卡的部分
- Mobile Equipment
- 負責傳輸的部分，類似於之前的 MT
- Access Network
- UTRAN 的部分，存取網路。
- Core Network
- CN 的部分，分成三個 Domain
- Serving Network
- 網路的服務，現在大多是通訊
- Home Network
- 似乎是位置的服務

# Spreading and scrambling of user data

類似之前提到的使用 Chipping Sequency 展平訊號，但是這裡的不太一樣。


1. 使用固定的 Chipping rate 3.84 M chip/s
2. 使用不同的 Spreading factors 就可以支援不同的傳輸速度
- 切的越大塊，傳輸速率越快
- 越小塊，或者說越細，傳輸速率越慢
4. 使用 unique, quasi orthogonal scrambling codes
- 使用者並不會因為這個 Code 被分開
- 管理 Code 更加容易；各個 BS 可以使用相同的 Code
- 不需要精準地同步，因為 scrambling codes 會保持 quasi orthogonal

## OSVF code ： Coding for Spread Spectrum


可以看到，每一階 Factor 的上面分支是將自身複製一次，下面分支是將自身複製一次後乘以-1。

- 例如最上面的 1111：
- 上面分支變成 1,1,1,1,1,1,1,1
- 下面分支變成 1,1,1,1,-1,-1,-1,-1
- 最下面分支 1,-1,-1,1
- 上面分支變成 1,-1,-1,1,1,-1,-1,1
- 下面分支變成 1,-1,-1,1,-1,1,1,-1

# UTMS FDD frame 結構



可以看到在同個時間內，傳輸三種不同速率和頻率的資料。

這張表可以看到一些功能跟之前功能大表格，類似的架構

下圖是常見的 UL 傳輸速率


## W-CDMA 表


可以看到上面提到的 OSVF code 的影子，因為 WCDMA 就是使用 OSVF code。

---

# UTRAN architecture

由於是衍伸自 GMS，所以兩者的架構十分類似：


MSC 變成 RNC，BSC 跟 BST 則被合併成了 NodeB。
可以看到一個子區域叫做 RNS Radio Network Subsystem；然後虛線跟以前一樣切在線之間，代表介面。

跟 GSM 比較一下：


下面是有重疊版本的圖


## CN Protocol

可以看到在 CN 的範圍，有許多之前 GPRS 有的東西，因為 UMTS 其實是可以從 GPRS 演進的(By Wiki)。


## CN architecture

從架構圖更可以一目了然，CN 根本就是 GSM。


>而且這個圖還連了之前 GSM 的 BSS。

從上圖中 CN 的部分，可以大致看出分成上下兩個區域。

- 上半部：Circuit Switched Domain (CSD)
- 也就是傳輸控制訊號的部分
- 下半部：Packet Switched Domain (PSD)
- 傳輸資料的部分，因此可以發現跟 GPRS 一模一樣

而 UMTS 的 Release 99，透過 GSM/GPRS 網路新增，只需要新增 RNS 的部分，可以快速的布置 3G 網路，並省下了很多錢。

# Protocol


# Macro diversity

可以注意到，不管是前面的圖還是下面的圖， NodeB 都連了很多基地台，然後基地台中間的 UE 是使用者。


在 UMTS 中，支援上下行的 Multicasting，也就是說：

- UL：多台 NodeB 可以同時接收一個 UE 的資料
- DL：多台 NodeB 可以同時在多個 Cell 傳輸資料

# handover

首先 UTMS 支援不同通訊協議間的換手，像是 GSM 跟 UTMS 之間，畢竟在早期他們的普及率不會很高，如果不這樣做就不會有人用了。

## RNS 之間的換手

這時候分成兩種 RNS

- SRNS Serving RNS
- 也就是你原先所在的 RNS
- DRNS Drift RNS
- 也就是你要換過去的 RNS

End-to-end 的連接只會透過 SRNS 跟 CN 之間的 I~u~介面


然後跟前面 GSM 的換手一樣，可以分成很多情境，如下圖


- UE~1~：同個 NodeB 不同 BS
- UE~2~：同個 RNC 不同 NodeB
- UE~3~：同個 3G MSC(同個協議) 不同 RNC
- UE~4~：不同協議

---

# Cell Breathing

在 GSM 中因為手機收到的都是不同的訊號 exclusive signal，所以手機數量並不會影響 cell size

但是到了 UMTS 則跟 cell capacity 非常有關。
而 SINR 決定了 capacity，SINR 的來源是干擾 interference，像是其他 Cell 或同個 Cell的其他使用者的干擾。
因此在邊緣的手機，因為已經達到傳輸的最大功率了，所以無法再增加輸出，因此掉出 Cell。
所以要限制 Cell 有的使用者數量。