1. Wireless and Mobile Network Architectures Chapter 1 Introduction
Digital Media Lab.
Jin-woo Bae

2. Contents Overview PCS architecture
Cellular Telephony(high-tier digital cellular systems)
Advanced Mobil Phone Service(AMPS)
Global system for Mobil Communications(GSM)
EIA/TIA IS-139 Digital Cellular System
EIA/TIA IS-95 Digital Cellular System
Cordless Telephony and Low-tier PCS (low-tier DCS)
CT2, DECT, PHS, PACS, Unlicensed System
Third-Generation Wireless Systems
Summary

3. Overview Personal communications services (PCS)
Variety of wireless access & mobility services provided
any time, any place, any form
High-tier digital cellular systems
Global System for Mobile Communication(GSM)
Digital Advanced Mobile Phone Service(DAMPS)
IS-136 TDMA Based
Personal Digital Cellular(PDC)
IS-95 CDMA-based cdmaOne System
Low-tier telecommunication systems
CT2, DECT, PACS, PHS……
Wideband wireless systems
cdma2000, evolved from cdmaOne
W-CDMA, proposed by Europe
SCDMA, proposed by China/Europe

4. Mobile Switching Center Base station controller
1.1 PCS Architecture
Two of the most popular
Cellular telephony
Cordless and low-tier PCS telephony
consist of two parts
Radio Network
PCS
mobile stations (MSs)
base stations (BSs)
Wireline Transport Network
PSTN
mobile switching center (MSC)
Mobile Switching Center
Base station controller
PSTN
Radio Network
Mobility DB
Base station
The basic PCS network architecture

5. 1.2.1 Advanced Mobile Phone Service (AMPS)
1.2 cellular Telephony
1.2.1 Advanced Mobile Phone Service (AMPS)
Developed during the 1970s(first analog cellular system)
Service has been available since 1983
832 full-duplex(50MHz band, FDMA)
824~849MHz(R) / 869~894MHz (T)
Different cluster  frequency reuse
1.2.2 Global System for Mobile communications (GSM)
Developed by CEPT and ETSI(European countries)
Combines TDMA and FDMA
13kbps speech coding
include most features a digital switch can provide  IS-41
Point-to Point short messaging, group addressing, call waiting……

6. 1.2 cellular Telephony(cont’)
1.2.3 EIA/TIA IS-136 Digital Cellular System
DAMPS, ADC, NA-TDMA, IS-54  IS-136 (IS-54 revision C(Renamed))
capacity is around three times that AMPS
Speech coding rate : 7.95kbps(AMPS : 30Kbps)
1.2.4 EIA/TIA IS-95 Digital Cellular System
Developed by Qualcomm
Has been operating in the USA since 1996
Based on CDMA
Bandwidth is 1.25MHz(narrow CDMA system)
capacity is around ten times that AMPS

7. 1.2 cellular Telephony(cont’)

8. 1.3 Cordless Telephony and Low-Tier PCS
1.3.1 Cordless Telephone, second Generation(CT2)
CT2 was developed in Europe (since 1989)
40 FDMA channels with a 32-Kbps rate
Maximum transmit power is 10mW
1.3.2 Digital European Cordless Telephone(DECT)
Spec were published in 1992
Using TDMA(time slot transfer)
12 voice channels per frequency carrier
Dynamic channel allocation
Wireless-PBX  PSTN

9. 1.3 Cordless Telephony and Low-Tier PCS(cont’)
1.3.3 Personal Handy Phone System (PHS)
Developed by RCR
Using TDMA
77channels with 300KHz bandwidth
40ch for public systems, 37ch for home/office app
Dynamic channel allocation
1.3.4 Personal Access Communications System (PACS)
Developed by telcordia
PACS is designed for wireless local loop

10. 1.4 Third-Generation Wireless Systems
High speed, wireless Internet access, and wireless multimedia service
GPRS, EDGE ……
Wideband CDMA, cdma2000 are major

11. Handset power consumption
1.5 Summary
system
High-tier cellular
Low-tier pcs
Cordless
Cell size
Large
(0.4-22mi.)
Medium
(30-300ft.)
Small
(30-60ft.)
User speed
High
(≤160mph)
(≤60mph)
Low
(≤30mph)
Coverage area
Large/continuous macrocells
Medium micro and picocells
Small/zonal picocells
Handset complexity
Handset power consumption
( mW)
(5-10mW)
(5-10 mW)
Speech coding rate
(8-13Kbps)
(32 Kbps)
(32Kbps)
Delay or latency
(≤600ms)
(≤10ms)
(≤20ms)

12. Chapter 2 Mobility Management

13. Overview VLR MSC HLR PSTN Base Station Visitor Location Register
Mobile Switching Center
Home Location Register
PSTN
PCS 망에서는 HLR (home location register)과 VLR (visitor location register)이라는 로밍관리를 위한 두 가지 형태의 데이터베이스가 있으며, PCS 망에서의 이동성은 두 가지 형태가 있다.
Handoff: 이동 사용자가 통신중일 때 MS는 BS와 무선링크로 연결되어있다. 만약 MS가 현재 BS에서 새로운 BS의 서비스 지역에 들어가면, 이전 BS와의 무선링크는 순간적으로 연결이 끊어지게 되고, 새로운 BS와의 무선링크 성립되어야 한다. 이러한 과정을 핸드오버 또는 핸드오프라고 한다.
Roaming: 이동 사용자가 한 PCS 시스템에서 다른 시스템으로 이동하게 되면 사용자의 현재 위치를 알려줘야 한다. 그렇지 않으면 모바일 사용자를 위한 서비스가 불가능하게 된다.
Handoff : when a Mobile user moves to another BS,  old BS disconnect & new BS conversation
Roaming : When a Mobile user moves to another PCS System  informed of current location of the user

14. MCHO (Mobile Controlled Handoff)
MS가 통화채널의 신호강도를 측정, MS가 handoff 여부 결정
DECT, PACS
NCHO (Network Controlled Handoff)
BS가 통화채널의 신호강도를 측정, MSC가 handoff 여부 결정
CT-2, AMPS (analog cellular system에서 사용하는 방식)
MAHO (Mobile Assisted Handoff)
MS가 통화채널의 신호강도를 측정하여 BS에 전송, MSC가 handoff 여부 결정
IS-95 CDMA, GSM

15. 2.1.1 Inter-BS Handoff MSC MSC MSC MSC x
Old BS
New BS
MSC
Old BS
New BS x
MSC
Old BS
New BS
MSC
Old BS
New BS
(a) Step 1: MS는 새로운 BS상의 현재 비어있는 채널의 신호에 의해 잠시 통신을 중단하고 핸드오프 절차를 시작
(b) Step 2 : 신호 수신 후, MSC는 선택된 새로운 채널에게 암호화된 정보를 전송, MS에게 채널을 통해 새로운 통신로를 설정. 스위치는 새로운 통신로와 이전통신로를 연결하며 MS에게 이전채널에서부터 새로운 채널로 전환하게 알리는 역할을 한다
1. MS는 새로운 BS상의 현재 비어있는 채널의 신호에 의해 잠시 통신을 중단하고 핸드오프 절차를 시작한다.
2. 신호 수신 후, MSC는 선택된 새로운 채널에게 암호화된 정보를 전송하게 되고, MS에게 채널을 통해 새로운 통신로를 설정하게 된다. 스위치는 새로운 통신로와 이전통신로를 연결하며 MS에게 이전채널에서부터 새로운 채널로 전환하게 알리는 역할을 한다.
3. 새로운 채널로의 전환을 마친 후, MS는 망에게 신호를 보내고 새로운 채널을 이용하여 통신을 다시 시작하게 된다.
4. 핸드오프 완료신호를 접수한 후, 망은 이전채널로의 자원과 통신로를 삭제한다.
(c) Step 3 : 새로운 채널로의 전환을 후, MS는 망에게 신호를 보내고 새로운 채널을 이용하여 통신을 다시 시작.
(d) Step 4 : 핸드오프 완료신호를 접수한 후, 망은 이전채널로의 자원과 통신로를 삭제.

16. 2.1.1 Inter-BS Handoff(cont’)
Channel assignment schemes
Reserved channel scheme
Similar to the nonprioritized scheme
Some channels in each BS are reserved for handoff calls
Queueing priority scheme
Overlapped area(handoff area)
New BS buffers the handoff request in a waiting queue
Subrating scheme
Creates a new channel for a handoff call by sharing resources with an existing call
Divided into two channels at half the original rate
Call / handoff request
Reserved channel scheme : BS내의 일부 채널이 핸드오프 요청을 위해 예약된 것을 제외하고 무순위계획과 유사하다.
Queueing priority scheme : BS의 서비스지역이 인접지역의 BS의 서비스지역과 중첩되어있는 형태를 기반으로 한다. 그래서 양쪽 BS에서 통신이 다뤄져야 하는 지역을 생각할 수 있다. 이런한 지역을 핸드오프 지역이라 한다. 만약 핸드오프 도중 새로운 BS에서 가용한 채널이 없다면, 새로운 BS는 핸드오프 주문을 waiting queue에 버퍼링 한다. MS는 새로운 BS의 채널이 가용할 때까지나 핸드오프 지역을 빠져나갈 때까지 이전 BS의 채널을 사용하게 된다.
Subrating scheme : 새로운 BS에 가용한 채널이 존재하지 않는다면 현재의 사용중인 채널을 공유하여 새로이 채널을 생성하는 방식이다. Subrating은 채널 전체를 사용하는 것을 임시적으로 원래의 채널을 반으로 나눠 두개의 채널을 만드는 것을 말한다. 둘 중 하나의 채널은 기존의 통신을 지원하며, 또 다른 하나는 핸드오프 요청에 응한다. 채널이 다시 가용하게 되면, 나뉘어졌던 채널은 즉시 원래대로 전 (full-rate)채널을 사용한다.

17. 2.1.2 Intersystem Handoff PSTN PSTN MSC A MSC B MSC A MSC B
BS BS2
Base Stations
BS BS2
Base Stations
PSTN
PSTN
MSC A
Trunk
MSC B
MSC A
Trunk
MSC B
(a) Before the handoff
(b) After the handoff
1. MSC A가 MSC B에게 진행중인 호의 핸드오프 측정치를 알려주기를 요구한다. MSC B는 가용한 BS인 BS2를 선정, BS2에게 진행중인 호의 신호상태 매개변수 (signal quality parameters)를 묻게된다. MSC B는 신호상태매개변수와 그와 관련된 다른 정보들을 받아 MSC A에게 전해준다.
2. MSC A는 MS가 최근 핸드오프를 빈번히 했는지, 또는 시스템간의 경로가 가용하지 않는지를 체크한다. 만약 그렇다면, MSC A는 수행절차에서 빠져 나오게 된다. 하지만 그렇지 않다면, MSC A는 MSC B에게 음성채널을 준비할 것을 요구한다. BS2상에서 음성채널이 가용하다면, MSC B는 MSC A에게 무선링크로 전환할 것을 명령한다.
3. MSC A가 MS에게 핸드오프 명령을 보낸다. MS는 BS2와 동기를 맞춘다. MS가 BS2와 연결된 후, MSC B는 MSC A에게 핸드오프가 성공했음을 알린다. MSC A는 MSC B와의 트렁크를 연결하고 핸드오프 절차를 마치게 된다.

18. Visitor Location Register Los Angeles, California
2.2 Roaming Management
MS registration procedure
Home Location Register : network database
Visitor Location Register
NEW
VLR
HLR
OLD
VLR 2 4 1 3
사용자가 PCS 망에 가입하게 되면, 시스템의 database에 그에 대한 기록이 생기게 되고, 이른바 HLR (home location register)이 생성된다. 이 HLR은 이동 사용자의 home system으로 불리게 된다.
HLR은 특정동작의 이동단말에 대한 기록을 저장하고 관리하는 network database이다.
기록을 목적으로 MS에게 할당된 directory number, profile information, 현재위치, 유효기간등의 location register이다.
이동단말의 사용자가 home system이 아닌 다른 PCS 망에 방문하였을 때 이동단말 사용자를 위한 임시기록이 visited system의  VLR에 생성된다.
VLR은 임시로 방문사용자를 위한 가입정보를 저장하여 사용자단말에 관련된 MSC가 서비스를 제공할 수 있도록 한다.
1. 이동단말은 새로운 시스템의 VLR에 등록하여야 한다.
2. 새로운 VLR은 이동사용자의 HLR에게 이동사용자의 현재 위치 (새로운 VLR의 주소)를 알린다. HLR은 이에 MS의 정보를 새로운 VLR에게 보내는 응답에 실어 보내다.
3. 새로운 VLR은 MS에게 성공적인 등록을 알린다.
Morristown, New Jersey
Los Angeles, California
New York City, New York

19. 2.2 Roaming Management(cont’)
Call delivery procedure
PSTN
HLR 1 1
VLR 2 2 1
Routable Address
MSC 3
trunk(voice circuit) 3
만약 무선전화가 이동가입자에게 전화를 건다면, call은 PSTN의 originating switch에게 전해지고, 그 스위치는 현재 MS의 VLR을 알기 위해 HLR에게 물어본다.
HLR은 VLR에게 MS에게 전해질 수 있는 라우트 주소를 물어본다. 만약 originating switch가 HLR에게 물어볼 수 없다면 (이동성을 지원하지 않는 장비이면), call은 PSTN을 통해 가입자의 gateway인 MSC에게 라우트 된다.
2. VLR은 HLR을 통해 라우트주소를 originating switch에게 보낸다.
3. 라우트 주소에 의해, originating switch에서 MS에게 이르는 경로가 성립된다

20. 2.3 Roaming Management under SS7
SS7 is a Common channel signaling(CCS) system
CCS(Common Channel Signaling)
Provides control & management func. in the telephone network
Consists of supervisory functions, addressing and call information provisioning
Uses a separate out-of-band signaling network to carry signaling messages
SS7(Singalling System No. 7)
Signaling between a PCS network and the PSTN are achieved by SS7 network
CCS (Common channel signaling)는 전화망내에서 제어와 관리를 제공하는 시그널링 방법이다.
CCS는 supervisory function, addressing, 그리고 call 정보 공급 등의 기능들로 구성된다.
CCS채널은 call의 성립과 종료, 망의 상태 결정, traffic의 양 조절 등의 관여되는 메시지를 운반한다.
CCS는 signaling 메시지를 운반하기 위해 별개의 signaling network을 이용한다. SS7은 전화사업자의 요구를 만족시키기 위해 발전된 CCS 시스템이다.
PCS network과 PSTN 사이의 signaling은 SS7 network에 의해 이루어진다.

21. 2.3 Roaming Management under SS7(cont’)
Signaling
Links
STP
STP
SCP
HLR
(SCP)
SSP(Service Switching Point)
Perform call processing
STP(Signaling Transfer Point)
Relays SS7 messages
SCP(Service Control Point)
Contains databases
SSP
MSC
Trunk
PSC 망과 PSTN 사이의 상호연결에 관련된 network 요소를 나타낸다.
SSP (Service Switching Point): SS7 links로 연결된 telephone switch. SSP들은 node에서의 originate call, tandem call, terminate call 등의 call 프로세싱을 수행한다. SSP는  PSTN에서 central office 또는 end office가 될 수 있다. 또한 PCS 망에서는 MSC로 불린다.
STP (Signal Transfer Point): network switch와 database 사이에 SS7 메시지를 전달하는 switch이다. SS7 메시지의 address fields를 이용, STP는 적절한 signaling links로 메시지를 라우트한다. 엄격한 신뢰도 요구에 있어 STP는 짝을 이뤄 제공된다.
SCP (Service Control Point): 강화된 서비스 제공을 위한 데이터베이스를 포함한다. SCP는 SSP로부터의 질의를 받고 SSP에게 요구된 정보를 보낸다. 이동망에서 SCP는 HLR 또는 VLR을 포함한다.
PSTN
PCN (PCS Network)

22. 2.3.1 Roaming Management under SS7
Registration
PSTN
deregistration
(HLR4) 5
reg. acknowledgement
SCP 4
Global
Title
Translation
PSTN
PSTN
MIN? (Mobile Identification Number)
STP2
STP3 3
STP4 2 2 1
SCP
1. MS가 MSC 제어권내로 진입한다. MSC3는 STP2를 통해 자신의 VLR에게 등록을 위한 질의를 시작한다. VLR2와 MSC2는 붙어있지 않는 것으로 가정한다.
2. VLR2는 MS의 HLR에게 등록 메시지를 보낸다. VLR2가 HLR의 정확한 주소를 모를 수 있다. VLR2는 MS를 식별하는 MIN (Mobile Identification Number)을 포함한 메시지를 STP3에게 보낸다. STP는 MIN을 HLR 주소로 전환할 수 있다.
3. STP3에서 GTT (global title translation)로 불리는 table-lookup 기술에 의해 MIN-to-HLR 주소전환 작업이 수행된다. 그 후 STP3은 등록메시지를 HLR에게 보낸다.
4. 등록을 마친 후, HLR은 VLR2에게 ack를 보낸다. VLR2의 주소를 확인된 후에, ack는 STP3를 거치지 않고 최단경로를 이용해 전달될 것이다.
5. Step3 이후, HLR은 등록취소 메시지를 VLR1에게 보내 MS에 대한 이전의 기록들을 취소시키게 한다. VLR1은 취소에 대한 응답을 한다.
SCP
table-lookup  MIN-to-HLR
Registration query
MSC1
MSC2
(VLR1)
(VLR2)

23. 2.3.1 Roaming Management under SS7(cont’)
Reduce the deregistration traffic
Implicit deregistration
Obsolete VLR records aren’t deleted until the database is full
If the database is full, a record is deleted
No deregistration messages
Periodic re-registration
MS periodically reregisters to the VLR
Only creates local message traffic between MSC and VLR
No SS7 signaling message are generated if the VLR is co-located with the MSC

24. 2.3.1 Roaming Management under SS7(cont’)
Reduce the registration traffic (a pointer forwarding scheme)
Move operation (registration)
A pointer is created from
the old VLR to new VLR
No registration to the HLR is required
Find operation (call delivery)
After the find operation,
the HLR points directly to destination VLR
MSC
SCP
(VLR)
SCP(VLR)
Move operation (registration) : MS가 지금의 VLR에서 다른 VLR로 이동할 때, old VLR에서 새로운 VLR으로 포인터가 만들어지면, HLR에게 등록을 하지는 않는다.
Find operation (call delivery) : HLR call delivery를 위해 MS의 위치를 알아내려고 할 때, pointer chain을 추적하게 된다. 찾는 작업이 끝난 후, HLR은 목적지 VLR을 직접적으로 가리키게 된다.
MSC
SCP
(VLR)
SCP(VLR) x

25. 2.3.2 Call Delivery Call Delivery
Maintain the cache in the STP that performs GTTs 3
SCP
(HLR)
Global
Title
Translation
PSTN
PSTN
PSTN
STP3 3
STP
STP
STP 1 1 2
캐시엔트리는  MS의 MIN과 현재 MS가 방문한 VLR의 주소 등의 두 가지 영역으로 나뉜다. 
캐시는 MS가 SSP를 최근 억세스한 MS의 목록을 포함한다.
MS에게 전화가 걸려올 때, SSP는 우선 캐시엔트리에서 MS가 존재하는지를 확인하게 된다.
SCP
MSC
MSC
(VLR)

26. Roaming Management for CT2
Basic Public CT2 System (One-Way Calling)
Did not support call delivery
CT2 control system
Bear the responsibility for monitoring and billing
Be connected indirectly to the BSs through the PSTN
Utilized the paging system to provide call delivery
CT2 Control
System
CT2의 제어시스템은 PSTN을 통해 BS들에 간접적으로 연결되어
요금청구, 모니터링의 기능을 책임지며, CT2의 제어시스템과 BS들 간에 메시지는 PSTN을 통해 전송된다.
call delivery를 제공하기 위해 페이징 시스템을 이용한다.
무선전화 사용자 A가 CT2 사용자 B에게 전화를 걸기를 원한다면,
A는 먼저 페이징 시스템을 이용해 B를 페이징 한다.
페이징 메시지를 통해 B는 A의 전화번호를 알게 되고, CT2 시스템을 통해 전화를 걸게 된다.
이런 단순한 방법의 이점은 CT2 구조의 변경이 필요 없다는 점이다. 이 방법의 불리한 점은 페이징 시스템을 이용함으로 인한 불편이라는 것이다.
PSTN
switch BS BS
switch
switch
handset