ahmedtaha
2011-11-03, 06:11 PM
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Chapter 1
Principles of Cellular Telecommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Principles of Cellular Telecommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–1
Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–1
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–2
Advantages of Cellular Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–2
Network Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–4
Frequency Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–6
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–6
Cell Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–8
Large Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–8
Small Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–8
The Trade Off – Large vs Small . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–8
Frequency Re-use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–10
Co-channel Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–10
Adjacent Channel Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–10
Sectorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–12
Using Sectored Sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–14
4 Site/3 Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–14
Switching and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–16
Chapter 2
Features of GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Features of GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–1
Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–2
Noise Robust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–4
Flexibility and Increased Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–6
Use of Standardised Open Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–8
Improved Security and Confidentiality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–10
Flexible Handover Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–12
ISDN Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–14
2B+D . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Enhanced Range Of Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–16
Speech Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Telephony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Emergency Calls (with/without SIM Card inserted in MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Short Message Service Point To Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Short Message Cell Broadcast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Advanced Message Handling Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Dual Personal and Business Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Data Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–20
Supplementary Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–22
Chapter 3
GSM Network Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
GSM Network Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–1
GSM Network Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–2
Mobile Station (MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–4
Mobile Equipment (ME) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–6
Subscriber Identity Module (SIM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–8
Base Station System (BSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–10
Base Station Controller (BSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–12
Base Transceiver Station – BTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–12
BSS Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–14
Transcoder (XCDR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–16
Network Switching System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–18
Mobile Services Switching Centre (MSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–20
Home Location Register (HLR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–22
Visitor Location Register (VLR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–24
Location Area Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–24
Temporary Mobile Subscriber Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–24
Mobile Subscriber Roaming Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–24
Equipment Identity Register (EIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–26
Authentication Centre (AUC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–28
Authentication Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–28
Interworking Function (IWF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–30
Echo Canceller (EC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–32
Operations and Maintenance System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–34
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–34
Network Management Centre (NMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–34
Operations and Maintenance Centre (OMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–34
Network Management Centre (NMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–36
Operations and Maintenance Centre (OMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–38
The Network In Reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–40
Chapter 4
GSM Terrestrial Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
GSM Terrestrial Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–2
2 Mbit/s Trunk 30-channel PCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–4
X.25 Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–6
ITU-TS Signalling System #7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–8
A-bis (LAPD) Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–10
Interconnections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–12
Interface Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–14
Chapter 5
Channels on the Air Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Channels on the Air Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–1
Transmission of Analogue and Digital Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–2
Modulation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–2
Transmission of Digital Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–4
Phase Shift Keying (PSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–4
Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–4
Physical and Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–6
GSM Physical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–6
GSM Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–8
Traffic Channels (TCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–8
GSM Control Channel Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–10
BCCH Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–10
CCCH Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–10
DCCH Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–10
GSM Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–12
Control Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–12
Channel Combinations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–18
Channel Combinations and Timeslots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–18
Multiframes and Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–20
The 26-frame Traffic Channel Multiframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–20
The 51-frame Control Channel Multiframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–22
The 51-frame Control Channel Multiframe (BCCH/CCCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–24
The 51-frame Control Channel Multiframe – DCCH/8 (SDCCH and SACCH) . . 5–26
The 51-frame Control Channel Multiframe – Combined Structure . . . . . . . . . . . . 5–28
Superframes and Hyperframes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–30
Mobile Activity – Transmit and Receive Timeslots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–32
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–32
GSM Basic Call Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–34
Chapter 6
Channels on the Air Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Channel Coding on the Air Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–1
GSM Bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–2
Burst Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–4
Error Protection and Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–6
Speech Channel Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–8
Channel Coding for Enhanced Full Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–10
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–10
Preliminary Channel Coding for EFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–10
Error Protection and Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–12
Control Channel Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–12
Data Channel Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–14
Mapping Logical Channels onto the TDMA Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–16
Interleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–16
Diagonal Interleaving – Speech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–18
Transmission – Speech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–20
Rectangular Interleaving – Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–22
Transmission – Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–22
Diagonal Interleaving – Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–24
Transmission – Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–24
Chapter 7
Radio Interface Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Radio Interface Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–1
Transmission Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–2
Battery Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–4
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–4
Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–4
Voice Activity Detection (VAD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–6
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–6
Discontinuous Transmission (DTX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–6
Discontinuous Reception (DRX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–8
Multipath Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–10
Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–12
Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–14
Frequency Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–16
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–16
Chapter 8
Call and Handover Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
GSM Basic Call Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–2
Mobile to Land Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–4
Land to Mobile Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–6
MS Initiated Call Clearing Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–10
Inter-BSS Handover Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–12
Location Update Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–14
Authentication and Ciphering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–16
Equipment Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–18
Chapter 9
Introduction to Microcellular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Introduction to Microcellular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
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Chapter 1
Principles of Cellular Telecommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Principles of Cellular Telecommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–1
Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–1
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–2
Advantages of Cellular Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–2
Network Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–4
Frequency Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–6
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–6
Cell Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–8
Large Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–8
Small Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–8
The Trade Off – Large vs Small . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–8
Frequency Re-use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–10
Co-channel Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–10
Adjacent Channel Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–10
Sectorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–12
Using Sectored Sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–14
4 Site/3 Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–14
Switching and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1–16
Chapter 2
Features of GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Features of GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–1
Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–2
Noise Robust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–4
Flexibility and Increased Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–6
Use of Standardised Open Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–8
Improved Security and Confidentiality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–10
Flexible Handover Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–12
ISDN Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–14
2B+D . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Enhanced Range Of Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–16
Speech Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Telephony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Emergency Calls (with/without SIM Card inserted in MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Short Message Service Point To Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Short Message Cell Broadcast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Advanced Message Handling Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Dual Personal and Business Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–18
Data Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–20
Supplementary Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2–22
Chapter 3
GSM Network Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
GSM Network Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–1
GSM Network Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–2
Mobile Station (MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–4
Mobile Equipment (ME) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–6
Subscriber Identity Module (SIM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–8
Base Station System (BSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–10
Base Station Controller (BSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–12
Base Transceiver Station – BTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–12
BSS Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–14
Transcoder (XCDR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–16
Network Switching System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–18
Mobile Services Switching Centre (MSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–20
Home Location Register (HLR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–22
Visitor Location Register (VLR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–24
Location Area Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–24
Temporary Mobile Subscriber Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–24
Mobile Subscriber Roaming Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–24
Equipment Identity Register (EIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–26
Authentication Centre (AUC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–28
Authentication Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–28
Interworking Function (IWF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–30
Echo Canceller (EC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–32
Operations and Maintenance System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–34
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–34
Network Management Centre (NMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–34
Operations and Maintenance Centre (OMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–34
Network Management Centre (NMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–36
Operations and Maintenance Centre (OMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–38
The Network In Reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3–40
Chapter 4
GSM Terrestrial Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
GSM Terrestrial Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–2
2 Mbit/s Trunk 30-channel PCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–4
X.25 Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–6
ITU-TS Signalling System #7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–8
A-bis (LAPD) Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–10
Interconnections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–12
Interface Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–14
Chapter 5
Channels on the Air Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Channels on the Air Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–1
Transmission of Analogue and Digital Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–2
Modulation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–2
Transmission of Digital Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–4
Phase Shift Keying (PSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–4
Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–4
Physical and Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–6
GSM Physical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–6
GSM Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–8
Traffic Channels (TCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–8
GSM Control Channel Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–10
BCCH Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–10
CCCH Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–10
DCCH Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–10
GSM Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–12
Control Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–12
Channel Combinations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–18
Channel Combinations and Timeslots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–18
Multiframes and Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–20
The 26-frame Traffic Channel Multiframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–20
The 51-frame Control Channel Multiframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–22
The 51-frame Control Channel Multiframe (BCCH/CCCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–24
The 51-frame Control Channel Multiframe – DCCH/8 (SDCCH and SACCH) . . 5–26
The 51-frame Control Channel Multiframe – Combined Structure . . . . . . . . . . . . 5–28
Superframes and Hyperframes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–30
Mobile Activity – Transmit and Receive Timeslots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–32
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–32
GSM Basic Call Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–34
Chapter 6
Channels on the Air Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Channel Coding on the Air Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–1
GSM Bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–2
Burst Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–4
Error Protection and Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–6
Speech Channel Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–8
Channel Coding for Enhanced Full Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–10
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–10
Preliminary Channel Coding for EFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–10
Error Protection and Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–12
Control Channel Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–12
Data Channel Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–14
Mapping Logical Channels onto the TDMA Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–16
Interleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–16
Diagonal Interleaving – Speech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–18
Transmission – Speech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–20
Rectangular Interleaving – Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–22
Transmission – Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–22
Diagonal Interleaving – Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–24
Transmission – Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6–24
Chapter 7
Radio Interface Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Radio Interface Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–1
Transmission Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–2
Battery Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–4
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–4
Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–4
Voice Activity Detection (VAD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–6
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–6
Discontinuous Transmission (DTX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–6
Discontinuous Reception (DRX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–8
Multipath Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–10
Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–12
Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–14
Frequency Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–16
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–16
Chapter 8
Call and Handover Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
GSM Basic Call Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–2
Mobile to Land Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–4
Land to Mobile Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–6
MS Initiated Call Clearing Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–10
Inter-BSS Handover Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–12
Location Update Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–14
Authentication and Ciphering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–16
Equipment Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–18
Chapter 9
Introduction to Microcellular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Introduction to Microcellular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9–1
Section Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
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