GSM Three-Time-Slot-Delay rule

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(建構中)
一個GSM的TS ~　0.577ms, 3個TS ~ 1.731ms, 在此時間中光速可行走距離約519.3km，往返約260km，這是TA的理論極限值。即使GSM400也只做到118km而以。

如此看來，BTS無需等候3個TS，只需等2個TS即可，因為BTS與MS的實際建置距離根本不可能大於118km呀，(疑惑？？？)

參考文獻與延伸閱讀：
[-] 元智大學賴薇如教授，GSM教材，960117版。
[-] 3GPP TS 05.10 V8.12.0 (2003-08), GSM/EDGE Radio Access Network; Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Radio subsystem synchronization (Release 1999)

070720-draft
GSM, GPRS, EDGE, GSM, GPRS, EDGE,GSM, GPRS, EDGE,

MS Camped on a cell

手機實驗室裡工程師測試時經常使用的片語之一："手機camp上網路了沒？"

"手機camp上網路了沒？"

這句話到底什麼意思，筆者在四年前曾經天天聽到，卻沒有真正camped上這句話的技術內涵過，心理以為是大家都知道的常識，也不敢開口問客戶。

根據規格書[1]的解釋，當手機開機後，進行頻點掃瞄，從天線端所獲得品質最好的一組BCCH後，鎖定此BCCH以便獲取小區提供服務的過程，即是camped on a cell。

[new!!/]
[Cell Selection如何運作]
1. MS尋找FCCH burst(FCCH使用F-burst，是在某頻率週期性發送的TS，一個GSM frame中只有一個F-burst當作FCCH)，取得頻率同步
2. 然後在相同頻率找到SCH burst，取得frame同步(即時間同步)(SCH使用S-burst，與F-burst相鄰TS，一個GSM frame中只有一個S-burst)
3. MS開始接收BCCH。(BCCH使用F-burst，在S-burst相鄰TS，一個GSM frame中有數個F-burst當作BCCH。)
4. 至此MS才能開始從不同BCCH中選擇最合適的小區。
[/new!!]

有兩點值得注意：
1. 即使沒有SIM卡，不能撥打電話的MS也必須能camped on a cell，為何呢？因為MS無論有沒有SIM卡，都必須能提供"112"的緊急呼叫(美國可用的三頻手機，還必須支援"911"這組救命號碼)，因此必須能夠隨時camped on a cell。
所以對台灣的GSM用戶而言，緊急時，除了119/110以外，別忘了112是無須SIM卡、任何GSM手機開機就可以撥打的全球緊急救助號碼。

2. Camped on a cell只是MS單方面選擇最佳的網路與無線資源，在MS沒有送出Location Updating的要求之前，網路端不會知道有哪些MS駐留進來所屬的小區。此時的服務非常有限。

規格[1]還指出以下三點目的：
The purpose of camping on a cell in idle mode is threefold:

a) It enables the MS to receive system information from the PLMN.

b) If the MS wishes to initiate a call, it can do this by initially accessing the network on the control channel of the cell on which it is camped (with the exceptions defined in subclauses 3.5.3 and 3.5.4). <-- Location Updating之後才能開始撥號。 c) If the PLMN receives a call for the MS, it knows (in most cases) the registration area of the cell in which the MSis camped. It can then send a "paging" message for the MS on control channels of all the cells in the registration area. The MS will then receive the paging message because it is tuned to the control channel of a cell in that registration area, and the MS can respond on that control channel. <-- Location Updating之後才能被叫。

附圖是使用Qualcomm晶片的手機，在其螢幕的右上方或左上方，用戶可以看見一根招牌天線的圖樣以及象徵接收信號強度的指示，當出現任何接收強度時，表示手機已經camped on a cell了。

[心得]
Camped on a cell看來有兩種意義：
- 廣義是指MS選擇了一個cell，準備使用，但還未做Location Updating，未獲得授權使用，只能打緊急呼叫的狀態。

- 狹義是MS選擇了一個cell，提出Location Updating申請，也獲得授權使用各種服務的狀態。

Ref:
[1] (2002-09) Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Functions related to Mobile Station (MS) in idle mode and group receive mode(3GPP TS 03.22 version 8.7.0 Release 1999)

070721r6版本
...加強MS power-on procedure

GSM Cell Size (GSM涵蓋範圍)

[前言]
試著問一位有經驗的工程師，GSM或3G的基地台涵蓋範圍最大幾公里，獲得的答案往往不夠確定，但模糊的語義中大概可以歸納成三點：
1. 與天線高度有關
這點非常明顯，基地台的塔高越高，天線可以涵蓋的面積就越大，只要想像將電燈泡掛在越高處，室內可以照亮的角落越多。同理可知基地台的位置越高或是塔高越高，可以服務的面積越大。

2. 與發射功率有關
這點也很直覺，基地台的發射功率越高，電波就可以傳得越遠。

3. 與地形地物有關
這點需要一點想像，但是如果熟悉RF Channel model的人，對於地形與地物如何影響path loss或是產生multi-path與shadowing的效果，將不陌生，因此不難想像假設MS與BTS相同距離，例如都是10km，BTS的發射功率與天線高度固定，將此條件放在東京市與台北市，所得到的通信品質將不會一樣，這就是地形地物的效應。

但是這樣的答案太過於普遍性，幾乎可以應用於任何無線系統，例如FM, GSM, 3G, WLAN或是WiMAX等等，以致於無法用來判斷系統性能的真實極限。

GSM的涵蓋範圍到底有多大？WiMAX說可以遠傳50km算是很厲害嗎？真的有比GSM厲害嗎？

根據TA的先天限制，GSM Cell Size(涵蓋範圍)如下：
- GSM涵蓋範圍理論上可以到達半徑34公里(GSM400例外)
- GSM400涵蓋範圍理論上可以到達半徑118公里

WiMAX宣稱理論上可以到達半徑50公里，其實並不特別，GSM400的涵蓋範圍是其兩倍有餘


(建構中)

070707-draft

GSM Timing Advance獲得程序

[前言]
Timing Advance (TA)是GSM/GPRS手機一個很重要的參數，最初用來表示MS與BTS之間的空中傳輸延遲(細節上是BTS-->MS-->BTS的距離)，讓手機使用SDCCH時可以確實遵守three-time-slot-delay的上傳規矩，後來在研究手機定位的技術時非常依賴此參數來推算MS的經緯度，於是TA變得越來越重要。

筆者一直很好奇TA的估算方式以及MS獲得TA的過程，底下是筆者的研究心得，目前只清楚GSM MS獲得TA的過程。

[GSM MS獲得TA的過程]
圖一與圖二是MS獲得TA的過程，共有8個步驟，說明如下：
狀態:MS開機後，進入Idle Mode
step 1: BTS對小區廣播，內容是: a) Frequency correction Bursts 與 b) Synchronization Bursts.

step 2: GSM MS因為某種理由(Establish Cause)，需要建立專屬通道，因此由RACH發出RR:Channel Request給BSC。

step 3: BTS解碼RR: Channel Request之後，將Request Reference中的IE:Establish Cause(理由)以及IE:Random Reference(隨機碼)放入BTSM:CHAN_RQD訊息中;並根據由BCCH(DL)到RACH(UL)的時間來估算TA，將此數值以IE:Access Delay加入，一併通知BSC。
(說明:筆者目前還不清楚此TA計算的細節如何進行。)

step 4: BSC命令BTS在空中界面建立一條SDCCH專屬通道給MS使用，並參數化描述此SDCCH的特性。

step 5: BTS回報BSC此SDCCH已經建立。

step 6: BSC送出RR:Immediate Assignment給MS，通知MS具備哪些參數特性的SDCCH已經建立，要求MS立即根據此參數來更改通道的組態。當然TA也包含在其中。

step 7: MS在AGCH根據Request reference中的理由以及隨機碼(甚至Frame Number)來辨識網路給自己的RR:Immediate Assignment訊息，因此獲得TA。
說明：如果有許多MS同時提出專屬通道的申請，網路也會同時發出許多RR: Immediate Assignment，MS必須從其中挑出給自己的訊息，才能正確改變通道組態。

step 8: MS使用此SDCCH之後，BTS定期估算TA，固定每480ms藉由BTSM:MEAS_RES訊息向BSC回報更新TA。
說明：其實程序到此MS才剛擁有SDCCH以及取得TA，接下來才要開始作"正事"呢，例如在SDCCH提出LU或是呼叫服務等等，但是本文只關心TA的取得過程，所以程序就此打住。

When the BTS detects an access burst transmission on RACH or PRACH, it shall measure the delay of this signal relative to the expected signal from an MS at zero distance under static channel conditions. (How to do that?)

This delay, called the timing advance, shall be rounded to the nearest symbol period and included in a response from the BTS when applicable.

When the MS receives a new value of TA from the BTS on the SACCH, it shall implement the new value of TA at the first TDMA frame belonging to the next reporting period (as defined in 3GPP TS 05.08), after the SACCH frame containing the new TA value. The MS shall signal the used TA to the BTS on the SACCH.

理論上pico-BTS無須測量TA，但是某些必要的時候，還是需要送出一個值，這時無論是真實測量的、或是程式產生的TA數值都可以。

[心得]
1. RR的某些訊息與BTSM息息相關，所以對BTS而言，RR不完全是通透的，有些RR訊息BTS必需須先解碼才能執行或是複製部分IE參數寫入BTSM訊息中。
2. BTS到底如何計算出TA的程序，有待未來持續深入了解。

參考文獻與延伸閱讀：
[-] Gunnar Heine, GSM Networks: Protocols, Terminology, and Implementation, Artech House Publishers, 1999.
[-] 3GPP TS 05.10 V8.12.0 (2003-08) Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Radio subsystem synchronization (Release 1999)

070625r4版本
GSM, GPRS, EDGE, GSM, GPRS, EDGE, GSM, GPRS, EDGE, GSM, GPRS, EDGE,

GSM的手機狀態與動作

[GSM MS基本狀態]

MS有兩種狀態：關機(NULL狀態)與開機(power-on)
MS開機後又有兩種模式：Idle Mode和Dedicated Mode.

- Idle Mode，通常是指手機開機後，排除通話、傳送簡訊與上網的時候，用戶沒有使用任何服務的空白狀態。有兩種特性:
1. Searching BCH狀態：MS搜尋信號品質最好的BCCH，這時MS 會測量signal strength 與BER of theserving BTS，隨時若發現有收訊更好的cell，就會轉到此cell要求服務。
2. BCH狀態：MS與某一個BCCH同步，隨時可以透過RACH執行隨機接取的程序。
在Idle Mode的MS並不佔有任何專屬通道，除了聽BCCH以外，同時還聽CCCH以便接收呼叫(Paging)。

- Dedicated Mode，通常是指手機開機後進入通話、傳送簡訊或上網的時候，也就是用戶使用服務的狀態。也有兩種特性:
1. Tuning DCH狀態：MS授權後擁有一個實體層通道，並試圖保持與此通道的同步。
2. DCH狀態：MS開始建立專屬邏輯通道，進行上層的通訊。
在Dedicated Mode的MS佔有實體通道，並與BTS間保持最少兩條專屬邏輯通道的狀態，其中有一條是SACCH。

當MS開機之後的短短一分鐘之間，MS內部就如同上午10點剛開張的上海某百貨公司一樣，客人還沒上門，內部已經忙成一團，專櫃小姐剛吃完早點正在補妝，特價品的牌子堆在推車上需要人手更換，週年慶的綵帶剛剛札好，彩色氣球躺在地上充氣，準備中午升空招財...

同樣地這時候的MS雖然處於Idle Mode，卻一點都不"Idle"，看看規格書[4]的經典敘述：
When an MS is switched on, it attempts to make contact with a GSM public land mobile network (PLMN). The particular PLMN to be contacted may be selected either automatically or manually.

The MS looks for a suitable cell of the chosen PLMN and chooses that cell to provide available services, and tunes to its control channel. This choosing is known as "camping on the cell". The MS will then register its presence in the registration area of the chosen cell if necessary, by means of a location registration (LR), GPRS attach or IMSI attach procedure.

If the MS loses coverage of a cell, it reselects onto the most suitable alternative cell of the selected PLMN and camps on that cell. If the new cell is in a different registration area, an LR request is performed. If the MS loses coverage of a PLMN, either a new PLMN is selected automatically, or an indication of which PLMNs are available is given to the user, so that a manual selection can be made.

[GSM MS開機程序]

手機被用戶開機之後的一兩分鐘內，忙著下面的幾件事：

- PLMN Selection 或 Network Selection (網路選擇)<-- 每次必做
- Cell Selection (小區選擇) <-- 每次必做
- Cell Re-selection (小區重選)<-- 有條件
- Location Updating (位置更新)<-- 有條件

(這四個程序未來我們會個別詳細研究。)

請注意以上這四個程序不一定只在手機開機後才做，附圖說明其互動關係。

談到這裡，筆者漸漸感覺到，MS的狀態受到三個重要因素的控制：
地理位置(Location)、使用服務(Service)與時間(Time)。
如果寫成數學方程式，應該可以表示成:

state machine of MS := MS(Location, Service, Time)

以開機而言為例，同一隻手機在不同國家或地區的開機程序，可能不同；同一隻手機在相同地區相隔一段長時間(例如說一年後)的開機程序，可能不同；同一隻手機在關機前所使用的服務，可能會影響到下次開機的程
序。正因為條件如此多變，所以手機的技術會顯得如此複雜難懂，也是理所當然。:-)

[心得]
研究到此，筆者不得不承認一點，Idle Mode與Dedicated Mode這個名稱與定義很容易引起誤解，請讀者務必要小心判斷。

尤其是MS執行LU(Location Updating)程序的時候最難判斷。當用戶開機後沒有使用任何服務，表面上MS應該乖乖處於Idle Mode，其實不然也，MS會週期性或因為移動而自動向網路提出LU的申請，尤其當開車的時候最明顯，原本安靜的MS會突然忙錄起來，電波耦合到汽車音響偶爾發出刺耳嘟-嘟-嘟的聲音，此時即是MS暫時切換到Dedicated Mode，執行LU的程序。

對有GPRS功能的MS而言，有些設計成一開機即向網路要求一個IP，直到關機才釋放，這也是從Idle Mode自動切換到Dedicated Mode的例子。

所以MS的Idle Mode與Dedicated Mode似乎不應該以用戶是否使用MS來判斷，而應該以MS內部是否使用專屬通道的狀態來區分。

Ref:
[1] Joerg Eberspaecher and Hans-Joerg Voegel, GSM:Switching Services and Protocols, 1999.
[2] 3GPP TS 44.018, Radio Resource Control Protocol.
[3] 張威, GSM網路優化 – 原理與工程, 人民郵電出版社, 2004.
[4] (1999-11) Digital cellular telecommunications system (Phase 2+);Functions related to Mobile Station (MS)in idle mode and group receive mode(GSM 03.22 version 7.2.0 Release 1998)

070620r4版本