投影片1 - Advanced Defense Lab

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手機通訊介紹
Introduction of Mobile Communication
DIO LEE, ADLab
December 22, 2009
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):circuitswitched 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
Next…
• UMTS
Q&A
Q&A