Introduction to
Global System for Mobile
(GSM)
Dr. Eng. Mostafa Mohamed Elgamala
RHCE, MCSA, CCNA, CCAI, PMP,ITIL,CSCU,IBDL
Dr.mostafa.elgamala@gmail.com
Facebook: Mostafa Elgamala
Mobile : 01112142266
GSM
What is meant by communication system?
Communication System consists of source, destination, channel, information
What is meant by mobile system?
Any mobile system consists of:
1. Network "connected elements"
2. Coverage any where
Communication System classifications
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 2
Connection types
مشاكل الالسلكي → Air interface problems
1) Distance يحدث فقد في قدرة اإلشارة الكهرومغناطيسية نتيجة للمسافة
ويحدث أيضا تأخير ""propagation delay
2) Shadow
نستطيع فهم مايحدث للـ EMWعن طريق الضوء فيحدث للضوء انكسار "" Refraction
و انعكاس " " Reflectionوحيود " "Diffractionوتشتت " "Scatteringوذلك نتيجة
لألجسام المحيطة وخواصها
3) Multi path
نتيجة لوجود أكثر من مسار تتخذه الموجات الكهرومغناطيسية فيمكن ان يحدث تداخل بناء او
هدام " "destructive or constructiveبين هذه المسارات وتسمى هذه الظاهرة
Multi-path effects
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 3
4) Doppler effect
نتيجة لسرعة جهاز المستقبل او المرسل يتغير تردد االشارة الكهرومغناطيسية على حسب هذه السرعة
واتجاهها
Interference Types
Multiple Accesses
1. TDMA
2. FDMA
3. CDMA
4. SDMA
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 4
Antenna types
1. Unidirectional antenna.
2. Directional antenna.
Generation of PCM signal
1. Sampling (voice B.W 300-3400 Hz)
Sampling frequency fs ≥ 2 Fm [= 8000] samples
Sampling interval = 125 micro sec
2. Quantization
3. Coding [8 bit used]
8000 (sample/sec)* 8 (bit/sample) = 64 kb/s
PCM 30 transmission system consists of 32 time slot
32*8 / 125 micro sec = 2048 kb/s
GSM versions
1. 1992 GSM phase 1 [ full rate voice 13 kb/s , 9.6 kb/s data rate ]
2. 1995 GSM phase 2 [ new services, Half rate voice 5.6 kb/s]
3. 1997 GSM phase 2+ [ GPRS , EDGE , effective full rate 12.2 kb/s]
4. Annual Releases
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 5
5. 2000 UMTS [ data rate 2 Mb/s ]
GSM Adaptations
GSM قيم الترددات الخاصة بـ
1. GSM 900 2*25 MHz [ 890-915 MHz UL , 935-960 MHz DL ]
2. GSM 1800 2*75 MHz [ 1710-1785 MHz, 1805-1880 MHz]
3. E- GSM 2*35 [ 880-915, 925-960 MHz]
4. GSM 1900 2*60 [ 1850-1910, 1930-1990] USA only
5. GSM – R 2*4 [ 876-800, 921-925] [speed 450 km/h]
6. GSM – 400 [450,4 – 457,6, 460,4 – 467,6] large Areas , rural
areas
Note: - Maximum power for mobile 2 w for GSM 900 & 1 w for GSM 1800
In GSM 900 124 carrier (freq. band)
E- GSM 900 174 carrier
GSM 1800 374 carrier
Cell types
1. Pico cell r=10m 100m
تستخدم فى الموالت وقاعات االجتماعات
2. Micro cell 100m 500 m
تستخدم فى المالعب والمطارات
3. Macro cell 500m 35 km[ GSM 900]
500m 8 km [GSM 1800]
4. Umbrella cell
المتحرك بسرعةMS بين الخاليا وبعضها بالنسبة للـhandover تستخدم لتقليل عملية الـ
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 6
5. Selective cell
خلية تغطى إتجاه معين وليس كل االتجاهات
Cell radius verification كيفية تغير حجم الخلية
1. Antenna height
ارتفاع الهوائي الخاص بالمحطة
2. Power
بزيادة الـ powerتزيد من حجم الخلية
3. Antenna tilting
ميل الـ antenna
4. BTS & MS sensitivity
5. Frequency بزيادة التردد تقل حجم الخلية
6. Antenna type
Mobile Network definitions
Cluster : عدد من الخاليا ال يتكرر فيها التردد
Frequency reuse: اعادة استخدام التردد فى خاليا اخرى
Hand over: عملية انتقال المكالمة من خلية إلى أخرى أثناء تحرك الموبيل
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 7
PLMN
BTS:-
مسئولة عن الـ Amplification , Modulation , Codingوكل ما يخص التحويل من اإلشارة
الكهربية إلى الكهرومغناطيسية والعكس
BSC:-
هو الجهاز المسؤل عن التحكم في المحطات BTSمن حيث الترددات واكتشاف وإصالح االعطال ومعدل
تكبير اإلشارات ويتم توصيل الـ BTSبـ BSCعن طريق Microwave link
TRAU:-
مسئول عن Compress /decompressللصوت وأيضا يقوم بعمل Multiplexing
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 8
MSC:-
هو قلب الشبكة ويكون مسؤل عن توصيل المشتركين ببعضهم ولهذا يتصل بـ AC, EIR, VIR, HLR
المسئولين عن حفظ بيانات تخص عمالء الشبكة
GMSC:
تتصل شبكة GSMمع باقي الشبكات عن طريق هذا الـ ""MSC
PSTN:
هي شبكة التليفونات النحاسية (مثل الشركة المصرية لالتصاالت)
OMC-B, OMC-S:-
أجهزة كمبيوتر من خاللها يتم التحكم فى BSSاو MSS
#################################################################
The Functions of GSM network elements
1- MS (Mobile Station) = ME (Mobile Equipment) + SIM
ME:-
هو جهاز الموبيل والذى يقوم بوظائف اإلرسال واالستقبال ويتكون من الـ Blocksاآلتية- :
يتم إضافة bitsزائدة في مرحلة convolution codingوذلك السترجاع اى أخطاء قد تحدث أثناء
اإلرسال فى الـ .channel
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 9
ويتم عمل randomizationللـ bitsفى interleaverوذلك للتغلب على ان burst errorقد
يحدث إثناء اإلرسال حيث يحدث هذا العنصر تفريق لهذا النوع من الـ errorsبحيث يمكن استرجاعه
باستخدام convolution decoder
يتم تجهيز الصوت فى blocksثم يتم تشفيره فى الـ cipher block
SIM
تعتبر " SIMشريحة المحمول " عبارة عن ذاكرة يتم تخزين فيها مجموعة بيانات وهى
MSISDN:-
رقم الخط المعروف للمشترك مثال "20104413398"
IMSI:-
هو رقم خاص بالمشترك ويكون مسجل بـ SIMوبالشبكة فقط ويتم التعامل بين الموبيل وبين
الشبكة باستخدام هذا الرقم
TMSI:-
هو رقم عشوائي ويتم تغيره بعد كل مكالمة
PIN:-
رقم يضعة المشترك لكى يقفل الخط ""SIM
PUK:-
إذا تم إدخال رقم الـ 3 PINمرات خطأ البد أن ندخل رقم الـ PUKالموجود على أسطوانة الخط
A3, A8:-
برامج تستخدم لتشفير المكالمات
Kc, Ki
اكواد تستخدم أيضا فى التشفير
Phone book:
ذاكرة لتسجيل األرقام واألسماء
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 00
2- BSC Functions
Control & monitor of BTS's.
Radio Resource Management
Store of the BSS configurations & software
S/W backup
Connection to OMC-B
3- BTS Functions
1. Modulation /demodulation
2. Channel coding/decoding
3. Ciphering/deciphering
4. Amplification/ filtering / HF generation
5. Power control
6. Time advance
7. Synchronization " time & freq."
4- TRAU
Compress/decompress
"13 kb/s + 3 kb/s” 16 kb/s 64 kb/s
BSC MSC
5- MSC Functions
1. Call processing functions
Call setup & terminations
Billing
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 00
O&M formation support
Call monitoring
Connection path selector
2. Mobile specific functions
Location update & paging & handover
Mobile announcements
Singling with BSC, MS, NSS databases
Internet working function
6- VLR
Store user data
Semi – permanent
MS-ISDN, IMSI, services, service restrictions
Temporary
TMSI generations, LAI, IMSI attach/detach, triples,
LMSI, give cipher commands
7- HLR Functions
Central storage, routing info at MTC, sand data to VLR
Store MSISDN, IMSI, services, VLR address, SMS flags.
8- AC Functions
Generation of Triples to secure GSM network, Associate with HLR
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 02
9- EIR "optional"
The operator writes the IMEI no. in EIR if the mobile has been stolen to prevent
the stolen mobile to operate in the network.
To show IMEI press “*#60#”
10- OMC Functions
Network operation & configuration & management
Error detection & correction
Performance control
Security management
3 levels of OMC
1. Network elements
2. Regional OMC
3. National OMC
#################################################################
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 03
Radio interface
تأخذ كل مكالمة time slotواحد زمنه 577 micro secويتكون كل carrierمن . time slot 8
عندما يرسل الـ MSالصوت فى الـ time slotينتظر أوال 28 microsوذلك حتى يتمكن من التحول من
حالة onالى offوالعكس .ويسمى الصوت فى حالة إرساله burst
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 04
156.25 يساوىburst فى الـbits العدد الكلى للـ
off الىon " وال يتم فيها إرسال بيانات وهو وقت التحول من000" تساوى3 bits هىtail bits
delay وهى لمعادلة الـ8.25 bit تكافئ وقتguard period
3.69 micro sec الواحدةbit زمن الـ
Normal burst
S stealing bit if it 0 0 information bits is signaling
1 1 information bits is voice
Training sequence used in matching filter to extract the channel characteristics
-: " التي تحدث إثناء المكالمات هىsignaling " إشارات التحكم
1. Power control
2. Hand over
3. Time advance
4. Call release
5. Measuring reports
(f=67.7khz) FSK والذى يعتبر مثلGMSK هوGSM المستخدم فىmodulation الـ
BW = له كى يكونsmoothing وذلك لعملGaussian filter يمر على0 الى0 واالنتقال من
"small BW" 200khz
signaling إلرسال13 رقمtime slot ويستخدم الـmultiform يمسىFrame 26 كل
يسمىsuper frame 2048 " وكل6.12sec" super frame يسمىmultiform 51 كل
وفى التشفيرfrequency hopping ويستخدم فى تكرارhyper frame
" القفز الترددي بمعنى أن كل موبيل يستخدم أكثر من تردد فى أوقات متغيرهFrequency hopping
quality averaging تغير التردد دوريا" وذلك لعمل
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 05
وذلك لمنع3 TS بمقدارuplink time يسبقdown link time أنGSM نجد فى
Oscillator واحد فقط وprocessor وذلك لوضعsimultaneous transmission / reception
واحد مما يقلل ثمن جهاز الموبيل
Logic of layer 1
"downlink" للموبيلfreq. synchronization تستخدم لعمل.0
"downlink" للموبيلtime synchronization تستخدم لعمل.2
" ومعلومات عن الشبكةFR, HR, EFR, GPRS" تحتوى على رقم الخلية وإمكانيات الخلية.3
"downlink"
"up" لهsignaling channel لطلبMS يستخدم الـ.4
"down " MS لطلب الـsignaling channel تستخدمها الشبكة لتخصيص.5
يرن " وذلك فىMS بأنه لديه مكالمة " لجعل الـMS تستخدمها الشبكة لتخصيص إلبالغ الـ.6
"down " location Area
" UP /down " LUP وSMS وcall setup تستخدم فى.7
power وtime advance مثلurgent التي ال تكونsignaling تستخدم لنقل إشارات التحكم.8
"up/down" measuring reports وcontrol
تستخدم لنقل إشارات التحكم اللحظية مثل.9
"up/down" handover, call release, IMSI-detach
FACCH & ماعداbeacon carrier فى الـzero رقمtime slot كل ما سبق يتم أرسالة على الـ
وذلك بتتابع معينSACCH
multiform فى الـ13 رقمFrame على الـSACCH يتم إرسال الـ
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 06
1 1 بـStealing bits العادى ولكن يتم تغيرFrame فى الـFACCH يتم إرسال الـ
Burst types
1. normal burst used in TCH, PCH, SDCCH, FACCH, SACCH, BCCH,
AGCH
2. FCCH burst used in FCCH channel
متتابعينzero 142 يتكون من
3. SCH burst used in SCH channel
very good channel estimation لعملtraining sequence تستخدم كـ64 bit وبه
4. RACH burst used in RACH channel
(35KM ) حتى حدود الخليةdelay compensation وذلك لعملbit ومن68,25 وفيها
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 07
BTS الىMS خطوات عمل مكالمة من
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 08
" هى نفسها نفس خطوات إنشاء مكالمة ولكن االختالفMTC" خطوات استقبال مكالمة
وترسل الشبكة رقم. location Area وتبحث فىpaging ان الشبكة ترسل إشارة
Setup الطالب فى رسالة
Code & Identity
MSISDN = CC + NDC + SN
IMSI = MCC+MNC+MSIN = 3+2+10 digit
LAI = MCC+MNC+ LAC
CGI= MCC+ MNC+LAI+CI
MCC 3 digit
MNC 2 digit
CC 2 or 3 digit
CI 2 byte
GSM Security Features
1. Authentication & Encryption
A3 (ki, Rand) = SRES
A8 (Ki, Rand) =Kc
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 09
يطلب الـ VLRمجموعة من triplesللمشترك فى حالة عمل مكالمة أو SMSأو حتى LU
يتم قطع Randمن الـ tripleو أرسالة للمشترك الذي يقوم بحساب SRESويرسلها الى الشبكة
لعمل Authenticationحيث يتم المقارنة بينها وبين القيمة الموجودة فى الشبكة ,ثم يتم التشفير
باستخدام Kcو يتم استخدام بروتوكول A5للتشفير
A5 (Kc, TDMA Frame no.) = CS
Ciphered text = CS * data
يتم إرسال Kcمن VLRالى BTSلفك التشفير
2. IMSI allocation
يتم استخدام TMSIلمنع التصنت على IMSIويتم تغيره في أثناء عمل المكالمة
IMSI = LAC + TIC
"3. IMEI check "optional
Recognize stolen, faulty ME
وذلك لجعل الموبيل المسروق ال يعمل على الشبكة
"IMEI NO = TAC "24 bit" + FAC "8 bit" + SNR "24 bit" + SVN "4bit
Type Final Serial no Software
approval assembly version
code code no
Location update
فى حالة تركيب الشريحة للمرة األولى تحدث عمليةة location updateباسةتخدام , IMSIوبعةد اول
استخدام الشؤيحة للمرة االولى تتم العملية باستخدام الـ TMSI
يتم عمل Location Updateفى ثالث حاالت
1. Normal
وذلةك فةى حالةة عبةور الةـ MSبةين أكثةر مةن location Areaويعةرف الةـ MSهةذا عةن
طريق استماعه لـ CGIالموجودة في الـ Broadcast messages
2. Periodic
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 20
وتحدث كل نصف ساعة إذا لم تسمع الةـ BTsرسةالة LUيصةب الةـ MSبالنسةبة للشةبكة
unreachable
3. IMSI attach/Detach
فى حالة قفل MSاو فتحه يتم ارسال )location update message (LU
ال يحدث LUاثناء المكالمات
يةتم التعامةل مةع LUمثةل اى مكالمةة فيحةدث authenticationو cipherو assign new
TMSI
فى حالة تغير LAيتم كتابة الرقم " "recordفى new VLRويتم تغيير رقم الـ VIRفةى HLR
حتى يعكس المكان الجديد للـ MS
MTC
فى حالة وصةول مكالمةة مةن شةبكة اخةرى الةى الةـ MSتصةل المكالمةة الةى GMSCالةذى يطلةب مةن الةـ
HIRرقم MSRNالذى به عنوان الـ MSCالموجود به المشترك " "MSويسمى .VMSC
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 20
يطلب الـ HLRمن VLRالموجود به رقم الـ MSقيمة MSRNوقبلها يرسةل اليةه رقةم IMSIالخةاص
بـ . MSيجيب الـ VLRويرسل MSRNالى HLRالذى يرسلها الى GMSC
يطلب GMSCمن VMSCعمل مكالمة فيرسل VMSCرسالة Pagingالى LAالموجود بها الـ MS
وتبدا خطوات المكالمة من authenticationو cipherكما شرحنا سابقا.
OACSU
تستخدم هذه الطريقة في حالة وجود أحمال كبيرة على الـ radio resourcesويتم تخصيص الـ channel
فقط عند الرد على المكالمة فقط وليس في وقت إنشاء المكالمة مما يوفر في TCHوتستثنى في المكالمات
الدولية و data callومكالمات الطوارئ
يوجد 4أنواع من Handover
1. intra – cell داخل الخلية الواحدة
تحدث لوجود تداخل على الـ channelوال يتدخل بها MSC
2. intra- BSS
تحدث بين الـ cellsوال تدخل بها MSC
3. intra – MSC
تحدث بين الـ BSC
4. intra – MSC
تحدث بين MSC'sوتكون معقده
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 22
-: بناء على المعايير اآلتيةhandover ويتم اتخاذ قرار الـ
1. Received signal strength
2. Quality of received signal
3. Distance "time advance"
4. Signal strength of surrounding cells
5. Interference
"112-911-122" مكالمات الطوارئ
IMSF والIMEI check والauthentication تةةتم مكالمةةةات الطةةةوارئ بةةةدون تشةةةفير أو
وذلك للسرعة واالستجابة للطوارئSIM وال حتى وجودreallocation
وهةوSMS- service center ويةتم تخزينهةا فةيsignaling on. واسةتقبالها علةىSMS يتم إرسةال
لكةي يةتمHLR, VLR فةيflag يةتم عمةلMS detach وفةى حالةةSMS جهاز كمبيوتر خةاص بةـ
MS بعد فت الـSMS إرسال
Dr. Eng. Mostafa Mohamed -RHCE-CCNA-CCAI-MCSA-LDP-PMP 04441411111 23
