GSM 技術
GSM 行動電話起源
GSM行動電話網路系統
系統網路架構
GSM 手機架構
基地台與GSM交換系統之服務
MSC (Mobile Switching Center)
GSM的界面
交通頻道與控制頻道
呼叫流程
GSM 行動電話漫游
漫游 - 通話過程
漫游 - 路由選擇
安全防護
| GSM 行動電話起源 |
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GSM 的發展始於西元 1980 年初
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新一代的 DCS 1800 和 PCS 1900 系統，已從歐洲大陸快速地向全世界擴散開來，
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CEPT
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自西元 1982 年起，在歐洲郵電管理會議(CEPT)中組成一個包含 26 個
國家的電信管理委員會，
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整合各國行動通訊系統二項重要決議
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第一項是組成 GSM 研究團隊
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第二項是在 900MHz 的頻道內定出二段頻 率給系統使用。
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1986 哥本哈根備忘錄
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三十個不同國家的電信業者在哥本哈根簽定備忘錄，加速 GSM 系統的發展，
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1992 年第一個 GSM 網路展開商業運轉
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| GSM行動電話網路系統 |
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Subsystems
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| 交換系統(SS) | 中繼站系統(BBS) |
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Components
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| 行動電話交換中心(MSC) |
控制其他網路系統的電話或資訊呼
叫，包括 PSTN、TSDN 和 PLMN。
| 訪客位置登錄器(VLR)
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儲存位於行動電話交換中心區域
內，現有全部的行動電話用戶資訊，當行動電話移到新的行動電話交
換中心區域內，連接在行動電話交換中心的訪客位置登錄器，會向行
動電話所登的主要位置登錄器(HLR)，索取資訊暫存其中。
| 主要位置登錄器(HLR)
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每一個網路經營業者，會將其行動電話用戶登
錄其中，包括認證參數、密碼和個人附加服務。
| 認證中心(AUC)
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連接在 HLR 上，提供 HLR 密碼和認證，主要是基於安全的考量。
| 設備身分登錄器(EIR)
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包括所有行動電話設備的硬體身分登錄於此。
| 中繼站控制器(BSC)
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負責一群中繼站(BTS)的管理，移動換手(Handover)
和頻道分配。
| 中繼站(BTS)
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每個細胞(Cell)有一個中繼站，負責一組無線頻道的運
轉。
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| 系統網路架構 |
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GSM900 頻率範圍
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| 上鏈(Uplink) | 890M ~ 915MHz | 由行動電話發射向中繼站的頻率
| 下鏈(Downlink)
| 935M ~ 960MHz
| 由中繼站射向行動電話的頻率
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DCS1800 頻率範圍
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| 上鏈(Uplink) | 1710M ~ 1785MHz
| 下鏈(Downlink)
| 1805M ~ 1880MHz
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TDMA (Time Division Multiple Access)
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每一個載頻劃分成 8 個時槽(Time Slot)，
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行動電話傳送或接收都在相同位置的時槽內，
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但分別位在上鏈和下鏈的頻率上，
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多工後 在相同的載頻上可同時允許 8 條線通話。
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GSM 之網路架構
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| 行動台 | (Mobile station)
| 基地台次系統
| (Base Station Subsystem)
| 網路次系統
| (Network Subsystem)
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基地台次系統(Base Station Subsystem)與行動台經
Um 界面連結，即為一般的空中界面，而行動通訊交換中心與基地台
次系統經 A 界面連結。
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行動台
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行動台主要包括無線收發機、顯示器、數位信
號處理器與用戶認證模組 SIM(Subscriber Identity Module)，用戶認證模
組基本上已提供個人移動性之通訊，可以讓用戶在任何 GSM 話機上
進行通訊或存取服務。
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每個用戶的 SIM 卡上均含有不同的國際行動用戶識別碼
IMSI(International Mobile Subscriber Identity)，而行動終端僅由國際行動
設備識別碼 IMEI(International Mobile Equipment Identity)加以識別其有
效性，IMEI 與 MISI 兩者之間則相互獨立。
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基地台次系統
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包含基地收發台 BTS(Base Transceiver Station)與
基地台控制器 BSC(Base Station Controller)兩個部份，
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基地台收發台 BTS 上有無線收發器，負責細胞
之涵蓋與處理與行動台間之無線連結，基地台控制器 BSC 負責管理一
或數個基地收發台，並進行頻道分配、回收與移動換手等作用。
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基地台控制器基地上即負責在行動台與行動服務交換中心
MSC(Mobile service Switching Center)間建立連結，使無線頻道傳輸的
GSM 之 13Kbps 語音傳送到 PSTN 之 ISDN 的 64Kbps 頻道上。
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行動服務交換中心
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網路次系統的中心部份，即為行動服務交換中心，並以第七號信號連接有
線網路系統，作用與一般交換機相同，主要提供呼叫之註冊、認證、
位置變更、移動換手與漫游轉接等。
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行動服務交換中心上提供 HLR(Home Location Register)與 VLR(Visitor
Location Register)提供聯網漫游與異地傳呼等資料。
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HLR 中含有用戶之
相關資訊及行動台目前位置，無論其資料庫為分散或集中，基本上一
個 GSM 網路只具有一個 HLR。
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VLR 因為必須對現有區域內行動台有所掌握，因而含有 HLR 之部份資訊
以利傳呼控制與服務提供。
為了方便作信號控制，目前設備中通常將一個行動服務交換中心搭配
一個 VLR，故每一個 MSC 區域即由一個 VLR 進行控制。
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此外尚有
EIR(Equipment Identity Register)，儲存網路中所有行動設備之資料，認
證中心 AC(Authentication Center)則負責儲存每一 SIM 卡上之密碼。
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| GSM 手機架構 |
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元件
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| 使用者認証模組 | SIM(Subscriber Identity Module)
| 手機通訊模組
| ME(Mobile Equipment)
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SIM
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是一種智慧卡其面積小於一般的信用卡， 專門儲存與使用者相關的資料
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SIM 之使用由個人密碼或 PIN(Personal Identity Number)啟動
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PIN 號碼由使用者選擇
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SIM 可存電話號碼(Customized Dialing Numbers)、簡短回訊(Short
Message：當有人打電話給該手機，使用者不在時，SIM 可自動回答簡
單訊息)，以及其他使用者相關資料。
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部份 SIM 資料可以由使用者自行改變
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手機通訊模組(ME)
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包括一切基地台通訊所需之無線硬體及軟體
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當 SIM 由手機取出後，剩下之ME 無法單獨使用
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唯一例外為緊急電話，如美國之 911 或國內之 119 之撥話，
緊急電話不須經由 SIM。
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SIM 可與不同之 ME 結合，不同設計的 ME 可與 GSM 網路相容
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當 GSM 手機初次和 GSM 網路接觸時，ME 之特徵指數(Classmark)會送至
GSM 網路，
而 GSM 網路則採用來提供適當的無線界面與手機連絡。
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| 基地台與GSM交換系統之服務 |
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| BTS | (Base Transceiver Station) | 包括調變器、解調器及無線界面相關之信號處理
| BSC
| (Base Station Controller)
| BSC 則負責基地台之線路交換並與 GSM 網路之交換機相連
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BSC 任務
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負責基地台之線路交換
| 與 GSM 網路之交換機相連
| 無線頻道之分配(Assignment)、回收(Release)
| 線路移動換手(Handover)
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一個 BSC 可與數個 BTS 相連
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以 A-bis 界面經 ISDN 之協定與 BTS 交談
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在高話務量的地區如城市鬧區，BSC 僅與一個 BTS 連接
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在此情況 BTS 與 BSC 將結合而不需 A-bis 界面
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| MSC (Mobile Switching Center) |
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執行基本的線路交換功能
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經由 A 界面控制數個 BSC
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與 PSTN 公眾電話交換網路連接
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Database in MSC
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| HLR | (Home Location Register)
| VLR
| (Visitor Location Register)
| AuC
| (Authentication Center) 認証中心
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AuC 可與 HLR 結合
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| GSM的界面 |
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Interface
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MS(Mobile Station)與基地台次系統 BSS 以無線界面相互通訊，
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而基地台則以 A 界面經由行動交換機 MSC與網路及交換次系統
NSS(Network and Switch Subsystem)互相連結。
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| 上鏈(Uplink) | 890M ~ 915MHz | (由行動電話發射向基地台的頻率)
| 下鏈(Downlink)
| 935M ~ 960MHz
| (由基地台射向行動電話的頻率)
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GSM 頻寬切割成 124 對頻道，每頻道 200KHz
| 在每一個頻道內使用 TDMA 之技術， 8 way multiplexing
| 每個 Time Frame 的長度為 4.615ms
| 每個 time frame 則而分成 8 個時槽(Time Slot)
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Synchronization
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每一對頻率上鏈(Uplink)的時框較下鏈(Downlink)的時框延遲三個時
槽，以達遲延同步(Synchronization)的效果。
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延遲同步可避免手機同時發射及接收信號
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也由於每個手機與基地台之間距離不固定，無線信
號傳達時間也各異，因此需要有特殊裝置來達成延遲同步的效果，此
特殊裝稱為時差超前 TA(Timing Advance)。
TA 原理是經一時差超前值之校正，來確保下鏈(Downlink)與上鏈
(Uplink)之間的 3 個時槽差。
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該時差超前值是由基地台根據所收到上鏈 (Uplink)的信號計算出來，
基地台秒執兩次計算以校正距離之改變。
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每個時槽由 148bit(0.546ms)之突發(Burst)及
8.25bits(0.031ms)之保護時間(Guard Time)所構成，
每個突發以三個尾部位元(tail bits)為起始及終止。
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其餘的 142bits 則以尾部序列(Training Sequence)26bits區分成兩個部
份，每個部份包括 57bits 的資料及 1bit 的旗標。而旗是用以指示該資
料部份是使用者的資訊或為系統的信號，每個時槽的資料部份可用來
傳送 2 種不同的邏輯頻道(Logic Channels)。
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| 交通頻道與控制頻道 |
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(1) TCH
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全速率(Full Rate)TCH (或 TCH/F)
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傳輸速 率為 13Kb/s 語言(Voice)12、 6、3.6Kb/s 數位資料(Data)
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半速率(Half Rate)TCH (或 TCH/H)
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提供 7Kb/s 語音傳輸或 6、3.6Kb/s 數位資料傳輸
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每個 TCH 皆伴隨一個控制(Control)頻道傳送
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故每個時槽可同時傳送使用者資料及系統信號
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CCH 一般控制線路 (Common Control Channel)
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控制頻道 CCH(Control Channel)係用以傳送系統控制信號
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| 頻率相關頻道(Frequency Correction Channel，FCCH)� 同步頻道 (Synchronization Channel，SCH)， | 由基地台傳送至手機以維持兩者之同
步
| 廣播控制頻(Broadcase Control Channel，BCCH)
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提供手機有關基地台
的資料。手機可用此資料來決定基地台的註冊及選擇程序之執行
| 傳呼通道(Paging Channel，PCH)
| 用來呼叫手機
| 存取廣大通道 (Access Grant Channel，AGCH)
| 告知手機其所要求使用的
無線頻道已獲基地台同意
| 隨機存取頻道(Random Access Channel，RACH)
| 告知基地
台個手機欲使用無線頻道。
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MAC
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數個手機可以同時要求而造成存取碰撞(Access Collisions)
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GSM 使用 slotted Aloha 協定來解決碰撞問題
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FCCH、SCH、BCCH、PCH、AGCH 及 CBCH 係由網路端經下鏈(Downlink)
傳送至手機
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而 RACH 則由手機經上鏈(Uplink)送至網路
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專用控制線路
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GSM 提供專門控制通道(Dedicated Control Channel)給個別手機使用
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| I. Slow Associated Control Channel(SACCH) | 用來傳送非緊急的資
訊，如能量(Power)及時差校正(Time Alignment)控制資料，以及由
手機送至基地台的無線頻道信號量測結果。
| II. FastAssociated Control Channel (FACCH)
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用來傳送緊急的控制信號 (Time Critical Signaling)，
例如電話線路設定，手機驗証
(Authentication) 以及移換手(Handover)。
| 佔用的時槽，會造成使用者資料之流失。 GSM 也可在 SDCCH 之時槽提供短訊息廣播服 務(Short Message Service)。 該線路稱為封包廣播服務(Cell Broadcast Channel，CBCH)，由基地台經由下載傳送至手機。 III. Stand Along Dedicated Control Channel(SDCCH)
| 用以傳送系統控制
信號以及使用者之短訊息(short message)
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| 呼叫流程 |
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上圖是PSTN的用戶撥叫一個行動電話用戶的呼叫流程，總共有14個步驟
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1. PSTN 用戶鍵入 MSISDN(行動電話的電話號碼)，經過 PSTN 的
本地交換機分析後，確認是 GSM 網路的用戶，即設定連接至
GMSC(Gateway MSC)。
| 2. GMSC 分析 MSISDN 後發現 MS 所登錄的 HLR，並詢問 HLR
呼叫的 MS 所在的 MSC/VLR。
| 3. HLR 將 MSISDN 轉換 IMSI，並找到 MS 所在的MSC/VLR。
| 4. HLR 會向 MS 所在的 MSC/VLR 要求一個漫遊號碼(MSRN)，
MSRN 視為 MSC/VLR 的身分字號。
| 5. MSC/VLR 發出一個 MSRN，經由 HLR 給 GMSC。
| 6. GMSC 直接將電話轉給 MSC/VLR。
| 7. MSC/VLR 找出 MS 所在的區域(LA)，隨後發出一個呼叫訊息給
控制 LA 的 BSC。
| 8. BSC 再呼叫訊息傳至 BTS。
| 9. BTS 利用 PCH(呼叫頻道)傳送呼叫訊息至空中。
| 10. 當 MS 偵測到呼叫訊息，並提出一個信號頻道(SDCCH)的需求。
| 11. BSC 提供一個 SDCCH，並利用 AGCH 告知。
| 12. 此時 MS 利用 SDCCH，完成一些呼叫程序設定。
| 13. 一個 PCH 分配給 MS 做通話使用，SDCCH 交換給 BSC。
| 14. 最後行動電話鈴響，用戶接起電話連接完成。
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| GSM 行動電話漫游 |
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利用兩種資料庫來監控手機的位置
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GSM 系統對於每個使用者
建立一個永久記錄，該記錄存放在 HLR(Home Location Register)內。
記錄內容包括使用者手機以及資料的位置。
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GSM 之服務範圍分割成許多區域。
每區域則設有一個 VLR(Visitor Location Register)。
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當手機由一區移動至另一區域，由 VLR 之幫助執行註冊動作，
使 HLR 得知手機所在之域。
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註冊程序如下圖所示。
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其動作則敘述如下所述。
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當手機移動至一個新的基地台的範圍，可以經由基地台所廣播的 BCCH
資料獲知，是否已移動到一個新的區。
| 若手機偵測到其位置已改變，則將暫用密碼 TMSI(Temporary Mobile
Subscriber Identity)與舊的 VLR 任址傳送給新的 VLR。
| 永久密碼 IMSI(International Mobile Subscriber Identity)，
是存在舊 VLR 的記錄中，新的 VLR 根據手機所送資料，
利用公眾網路將 TMSI 送至舊的 VLR 用以取得 IMSI。
| 利用 TMSI 方式，手機的 IMSI 只在 PSTN 公眾電話網路傳送，
而不會在空中被盜取。
| 新的 VLR 由 ISMI 獲知手機之 HLR 的位置，並將手機新的位置告知 HLR。
| HLR 則將手機相關資料送回給新的 VLR。新的 VLR 產生一個新的
TSM 送給手機。
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HLR 則送一信號至舊的 VLR 將手機的記錄消除。
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經由上述的註冊程序，HLR 隨時可知道手機的正確位置。
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當手機 SIM 取出或關機時，手機會自動送一個 ISMI detach 信號至
GSM 網路將其消除。
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手機也可定期向網路再註冊。定期再註冊係用來增加 GSM 網路之偵錯性。
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| 漫游 - 通話過程 |
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當任何人打電話給一個 GSM 使用者，首先撥號該使用者之手機號碼
MSISDN(Mobile Station ISDN Number)。該號碼可用來找尋手機的 HLR
位置，而經由 HLR 則可找到手機的真正位置。
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上圖其動作敘述如下。
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假如發話者為公眾電話網路使用者，如同一般的撥號；MSISDN 撥號
會送到公眾電話網路之交換機。
| 一般的電話交換機沒有能力處理 MSISDN，所以撥號要求會被送到一
特殊交換機處理。該交換機為 INEX(Interrogating Exchange) or
GMSC (Gateway MSC)。
| 經由 INEX
之解讀獲得 HLR 之位置，並送信號至 HLR 來查詢手機位置。
| HLR 接
到查詢要求後，由手機的記錄找到該手機所在之 VLR。
| 收到查詢要求
後，VLR 找到手機的 MSRN(Mobile Station Roaming Number)，並將該
MSRN 送回到 INEX。
| MSRN 指示手機所在之 MSC 位置。
| 接收到 MSRN 後，INEX 則根據
MSRN 將電話線路，架設至該 MSC 與手機相通。
| 當手機接到受話信
號時，可能正和他人通訊，若手機有電話插撥服務則可同時和數條線
路通訊。
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| 漫游 - 路由選擇 |
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移動換手(Handover)
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手機在通訊的過程中，可能由一個基地台移動至另一個基地台。如手
機在移動過程繼續通話，則新的基地台必須與手機建立一個無線網
路，並將舊的無線頻道取消。此線路轉換由網路自動執行。該過程稱
之為移動換手(Handover)。
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移動換手亦可能在兩種情況發生
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即使手機不曾移動，GSM 網路可能自動轉換線路，以使整個系統之無線干擾降
至最低，將話務基地台的通路轉移至別的基地台。
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線路轉換的過程
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在通話的過程中，手機隨時會量測無線頻道信號的品質以及周圍基地
台信號之強弱。
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量測的結果則送到基地台。基地台根據此量測報告以
及本身下鏈(Downlink)品質結果，決定是否要做下載的動作。
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若確定要執行銜接，則基地台將連接要求送至 MSC。
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有三種不同的情況 (假設手機由 BTS1 連接至BTS2)
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1. Inter-MSC 移動換手(Handover)，新舊 BTS 接至不同的 MSC。
| 2. Inter-BSC 移動換手(Handover)，新舊 BTS 接至不同的 BSC，而
這兩個 BSC 則接到同一個 MSC。
| 3. Intra-BSC 移動換手(Handover)，新舊 BTS 皆接至同一個的
BSC。
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當中以 Inter-MSC 的連接方式最複雜，其過程如下圖所示。假設手機
由 MSC A 移動自 MSC B 如下圖(a)所示。則 MSC A 在線路連接後，
仍然在通話線路中如下圖(b)所示。
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如果手機再 MSC B 移動回到 MSC A，如上圖(c)所示，則 MSC A 與
MSC B 之間的幹線(Trunk)將被取消。
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若手機由 MSC B 再移動至第三
個 MSC C，如上圖(d)所示，則 MSC B 與 MSC C 則再以有線線路銜
接。
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| 安全防護 |
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GSM 的安全措施由兩個方向來考慮
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| 手機認證(Authentication) | 用以防止他人假冒手機以盜用 GSM 服務
| 信號加密(Encryption)
| 避免他人竊聽無線頻道的通話
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認證過程利用機密鑰 Ki(Secret Key Ki)。
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Ki 存在兩個地方
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| GSM 的認證中心(AuC) | 手機的 SIM， |
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使用者並不知道 Ki 的值。
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手機驗證
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AuC 先產生一個 128bits 的隨機碼(RAND, Random Number)
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AuC 將 RAND 送至手機如下圖所示。
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AuC 及手機使用 Ki 及 RAND 來執行 A3 的演算法。
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A3 的執行產生之結果稱 SRES(Signed Result)。
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手機所產生之 SRES 將被送回 AuC，與 AuC 所產生之 SRES 做比較。
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如結果相符則驗證成功。
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在執行 A3 時，手機與 AuC 也同時執行另一種演算法 A8。
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A8 所產生的結果稱為 Kc，是用來做無線頻道之加密。
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AuC 將 Kc 送至基地台，基地台
將其 TDMA 的時框號碼送往手機，而基地台及手機則使用 Kc 及時框
號碼執行演算法 A5，將傳至對方的資料加密，並且將收到的資料解
密。
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