[GSM] Logical Channel

GSM의 Logical Channel에 대해 알아보겠습니다.

Logical Channel마다 위치하는 특정 Frame과 Timeslot에 대한 설명이 있기 때문에

아래 GSM Frame Structure에 대한 포스팅을 먼저 보시고 이 글을 읽으시길 추천드립니다.

[GSM] Frame Structure (tistory.com)

[GSM] Frame Structure

 

1. Logical Channel 이란?

 먼저 Physical Channel과 Logical 차이점이 어떤 것인지 궁금하신 분도 계실 것 같은데요,

Physical Channel은 말 그대로 물리적으로 나눠진 영역을 의미합니다.

주파수 기준으로 200kHz, 시간 기준으로 Timeslot(576.92μs) 단위로 나눠져 있죠.

이렇게 물리적으로 나눠진 Physical Channel을 용도(데이터 송수신용, 컨트롤용, 동기화용 등등)에 따라

매핑하면 Logical Channel이 됩니다.

 

[그림1] GSM Multiplexing TDMA & FDMA 출처 : https://ttistoryy.tistory.com/

 

 GSM의 Logical Channel은 Traffic Channel(TCH)과 Control Channel(CCH) 두 종류가 있습니다.

Traffic Channel은 말 그대로 데이터 전달용입니다. 그 데이터는 음성 또는 Data traffic이 될 수 있으며,

Downlink와 Uplink 모두 동일한 기능과 형식을 가집니다.

Control Channel은 기지국과 단말 간의 시그널링 및 동기화 명령을 수행하며,

특정 유형의 Control Channel은 Uplink만 지원하거나 아니면 Downlink만 지원하기도 합니다.

[그림2] GSM Logical Channel 출처 : https://ttistoryy.tistory.com/

자, 이제 Logical Channel의 역할에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

2. Traffic Channel (TCH)

 GSM Traffic Channel은 전달코자 하는 데이터가 음성 또는 Data traffic이며,

이 음성과 Data Traffic은 Full rate 또는 Half rate로 전달됩니다.

음성과 달리 Data traffic의 경우 2.4kbps, 4.8kbps, 9.6kbps의 다양한 Data rate로 전송 가능합니다.

 

1) Full rate Traffic Channel

 - 한개 Frame당 한 개의 Timeslot이 할당됩니다.

 

① TCH/FS (Full rate speech channel)

   ◦ 이 채널은 13kbps의 raw 데이터 속도로 디지털화된 사용자 "음성"을 전달합니다.

   ◦ 디지털화된 음성에 GSM 채널 코딩이 추가되면서 22.8kbps의 Data rate를 가집니다.

 

② TCH/F9.6, TCH/F4.8, TCH/F2.4 (Full rate data channel for 9.6, 4.8, 2.4 kbps)

   ◦ 각각 9.6kbps, 4.8kbps, 2.4kbps 속도의 "데이터"를 전달합니다.

   ◦ TCH/FS와 마찬가지로 채널 코딩 적용 후 22.8kbps의 Data rate로 전환됩니다.

 

2) Half rate Traffic Channel

 - 두개의 Frame당 한 개의 Timeslot이 할당됩니다.

 - 따라서 TCH/F 대비 접속 가능한 유저수는 두배로 늘고 Data는 절반으로 줄어듭니다.

[그림3] Full rate와 Half rate의 User Capability

① TCH/HS (Half rate speech channel)

   ◦ 이 채널은 6.5kbps의 raw 데이터 속도로 디지털화된 사용자 "음성"을 전달합니다.

   ◦ 디지털화된 음성에 GSM 채널 코딩이 추가고 11.4kbps의 Data rate를 가집니다.

     (Data rate이 TCH/FS의 절반이죠)

 

② TCH/H4.8, TCH/H2.4 (Half rate data channel for 4.8, 2.4 kbps)

   ◦ 각각 4.8kbps, 2.4kbps 속도의 "데이터"를 전달합니다.

     (TCH/F과 달리 9.6kbps가 없습니다.)

   ◦ 채널 코딩 적용 후 11.4kbps의 Data rate로 전환됩니다.

 

3. Control Channel (CCH)

 GSM Control Channel에는 Traffic Data가 아닌 말 그대로 기지국과 단말을 컨트롤하기 위한

(인증, 파워 컨트롤, 동기화 등등) 채널이며,

3가지 종류 (BCH, CCCH, DCCH)의 컨트롤 Channel이 있습니다.

 

1) BCH (Broadcast Channel)

 - Phase1 GSM900 기준 124개 중 34개의 ARFCN을 BCH로 정의합니다.

  (BCH 전용으로 할당된 채널이 있다는 이야기입니다.)

 - BCH는 모든 기지국(BTS)에서 송출하며, 항상 Turn on 상태에서 단말이 GSM 네트워크를 탐색하게 해주므로

   BCH는 등대나 표지판으로 비유할 수 있습니다.

 - BCH는 각 프레임의 첫 번째 Timeslot (TS0)에서만 전송됩니다.

 - 주로 Synchronizition 및 Frequency Correction을 담당하며,

   기지국이 여러 단말로 동시에 전송 (Point-to-Multipoint)하는 유일한 채널입니다.

 

① BCCH (Broadcast Control Channel)

   ◦BCCH는 Cell 및 네트워크 아이덴티티, 셀의 동작 특성 (ex. 현재 Control Channel의 구조, 채널 가용성, 혼잡도 등)이

     실린 채널입니다

   ◦BCCH는 또한 Cell내에서 현재 사용되고 있는 채널 목록을 알려줍니다.

   ◦Control Multframe에서 Frame #2,#3,#4,#5 (51개의 Frame 중 4개)는 BCCH로 사용됩니다.

    (앞서 설명드린 것과 같이 BCH는 8개의 Timeslot으로 구성된 Frame에서 첫 번째 Timeslot만 사용합니다.)

 

② FCCH (Frequency Correction Channel)

   ◦FCCH는 단말이 기지국 기준으로 주파수 동기화할 수 있도록

     Frequency Standard 정보를 전송하는 채널입니다.

   ◦51개의 Frame으로 구성된 Control Multiframe에서 첫 번째 Frame_#0에 위치하고 있으며

     이후 매번 10번의 Frame마다 반복해서 실립니다.

    (Frame#0, #10, #20, #30, #40에 위치하며, 이 Frame의 첫 번째 Timeslot을 사용합니다.)   

   ◦이 FCCH용으로 할당된 Timeslot의 Burst는 변조되지 않은 캐리어를 나타내기 위해

     "all zeros" bits로 전송됩니다. 이렇게 모두 0 bit 데이터를 GMSK로 변조하게 되면

     각 symbol 기간 동안 -90도의 일정한 위상 회전이 발생하며, Carrier 중심 주파수보다

     67.7kHz (1625/24 kHz) 높은 사인파를 가지게 됩니다.

   ◦이 FCCH 신호를 받은 단말은 FCCH에서 67.7kHz만큼 뺀 주파수로 기지국 주파수를 알게 됩니다.

[그림4] BCCH의 Power spectrum과 FCCH 출처 : https://www.fishercom.xyz

③ SCH (Syncronization Channel)

   ◦각 모바일이 기지국과 프레임, 시간 동기화 하는데 사용됩니다.

   ◦SCH는 10개의 프레임 간격으로 실리며, FCCH 프레임 바로 다음 프레임에 위치합니다.

     (즉 Frame #1, #11, #21, #31, #41에 위치하며, 이 Frame에서 첫 번째 Timeslot(TS0)에 위치합니다.)

   ◦0~2,715,647 (26 Frames X 51 Multiframes X 2,048 Superframes)의 번호를 가지는

      FN(Frame Number)와 identity code (BSIC)와 함께 전송됩니다.

 

2) CCCH (Common Control Channel)

 - BCH를 통해서 단말이 네트워크와 동기화되고 나면, 이제 단말과 기지국 간 Call을 하겠죠.

  이때 Call Orgination(단말에서 기지국으로 콜검) 또는 Call Paging(기지국에서 단말로 콜검)이 필요하며,

  이를 위해 컨트롤하는 Channel이 CCCH입니다.

 - CCCH는 BCH 또는 IDLE 프레임이 사용하지 않는 모든 GSM 프레임의 첫 번째 Timeslot을 차지하며,

   CCCH는 세 가지 종류의 Channel을 가집니다.

 

① PCH (Paging Control Channel)

   ◦기지국이 단말에 Page 할 때 사용하는 채널입니다.

     (따라서 Downlink 전용 Channel입니다.)

   ◦IDLE 상태의 단말은 언제 기지국에서 콜이 올지 모르기 때문에 항상 PCH를 모니터링합니다.

 

② RACH (Random Access Channel)

   ◦단말이 콜을 걸거나 기지국 Page에 응답할 때 사용하는 Channel입니다.

     (따라서 Uplink 전용 Channel 입니다.)

   ◦단말에서 기지국으로 보내는 첫 번째 메시지입니다.

   ◦이 단계에서 단말은 Path Delay를 모르는 상태입니다. 그래서 인접 Burst의 Overlap을 피하기 위해

     Short Burst를 사용합니다.

     (Burst 관련하여서는 이후 자세히 포스팅하겠습니다.)

 

③ AGCH (Access Grant Channel)

   ◦단말이 보낸 RACH에 기지국이 응답하여 보내는 Channel 입니다.

   ◦인증 처리 또는 통신 시작을 위해 기지국에 할당된 Timeslot 및 사용될 전용 ARFCN에 대한 정보가 실립니다.

 

④ CBCH (Cell Broadcast Channel)

   ◦Broadcast 할 메시지를 Cell내의 모든 단말로 전송하기 위해 사용합니다.

   ◦기지국과 Call이 걸리고 본격적으로 통신을 하기 시작하면 단말은 더 이상 CCCH를 모니터링하지 않습니다.

      따라서 기지국이 콜 중인 단말에 Broadcasting 하기 위해 이후 설명드릴 DCCH를 통해 메시지를 전송하지만,

      Cell내의 모든 모바일이 메시지를 수신할 수 있기 때문에 CBCH를 CCCH로 간주합니다.

 

3) DCCH (Dedicated Control Channel)

 - CCCH가 Call을 걸기 위한 Trigger 같은 채널이라면 DCCH는 Call Setup과 Call 중에 사용하는 채널입니다.

   (Call 걸려서 통신하면 단말은 더 이상 CCCH를 모니터링하지 않습니다.)

 - 콜 셋업, 암호화, 단말 파워 컨트롤, 단말의 수신 세기, 핸드오버, 로밍 등의 데이터를 주고받습니다.

 - TCH와 동일하게 Uplink와 Downlink 모두 존재하며, BCH ARFCN의 TS0를 제외한

   임의의 Timeslot 및 임의의 ARFCN에 존재할 수 있습니다.

 

① SDCCH (Stand-Alone Dedicated Channel)

   ◦BCH와 TCH 사이의 디딤돌 역할을 합니다.

   ◦TCH 할당 전 1.Call setup, 2.인증, 3.Location 업데이트, 4.암호화를 위해 사용합니다.

   ◦SMS도 이 Channel을 통해 송수신됩니다.

 

② SACCH (Slow Associated Channel)

   ◦Full rate Traffic 기준, SACCH는 26개의 Frame(1개의 Traffic Multiframe)당 한 번의 Burst 주기로 전송됩니다.

     (SACCH는 BCH에 속하지만 Control Multiframe이 아닌 Traffic Multiframe에 사용됩니다.)

   ◦Downlink에 사용되는 SACCH는 기지국이 단말을 컨트롤하기 위한 정보들로

      1.단말이 송신해야할 파워 레벨, 2.Timing Advance 정보가 담겨있습니다.

   ◦Uplink에 사용되는 SACCH는 단말의 상태에 대한 정보를 기지국에 전달하는 채널이며,

      1.단말이 기지국으로부터 받는 수신 세기, 2.수신 품질, 3.인접셀의 BCH 파워에 대한 정보를 보냅니다.

   ◦느리지만 계속 변화하는 데이터를 전송하는데 사용되다 보니 네이밍에 Slow가 붙었습니다.

 

③ FACCH (Fast Associated Channel)

   ◦FACCH는 SACCH처럼 지정된 Frame나 Timeslot 위치가 없습니다.

     그냥 깡패처럼 기존 TCH 자리를 뺏고 FACCH 정보를 보냅니다.

   ◦TCH 자리를 뺏고 보낼 정도로 급한 정보로는 Handover를 위한 긴급 메시지입니다.

     (FACCH도 TCH 자리를 뺏어 사용하므로 Traffic Multiframe에 있습니다.)

 

3. Multiframe

 GSM Frame Structure 관련 포스팅에서 말씀드린 것과 같이 Multiframe은 2종류입니다.

Traffic Multiframe (=26개의 Frame)과 Control Multiframe (=51개의 Frame)이죠.

이제 앞서 말씀드린 Logical Channel에 대한 이해를 바탕으로 Multiframe의 구성에 대해 알아보겠습니다.

 

1) Traffic Multiframe (=26개의 Frame)

 - 26개의 Frame 중 24개의 TCH와 1개의 SACCH 그리고 1개의 IDLE로 구성되어 있습니다.

  (FACCH가 없을 때 기준입니다.)

 - Uplink와 Downlink 동일한 구조입니다.

[그림5] Traffic Multiframe 구조 출처 : https://ttistoryy.tistory.com/

 

2) Control Multiframe (=51개의 Frame)

 - Downlink의 경우 Frame#0,#10,#20,#30,#40에 FCCH가, 그리고 FCCH 바로 뒤에

   Frame#1,#11,#21,#31,#41이 SCH에 있습니다.

   BCCH는 Frame#2,#3,#4,#5 4개에 있으며, 마지막 Frame인 Frame#50에는 IDLE이 위치합니다.

   그 외 Frame은 모두 CCCH로 구성됩니다.

 - Uplink의 경우 단말이 Call이 안 붙은 IDLE 상태일 때 기지국에 단말의 존재를 알리기 위해

   RACH만 주구장창 쏩니다.

[그림6] Control Multiframe 구조 출처 : https://ttistoryy.tistory.com/

 

다음 포스팅에선 GSM Burst에 대해 자세히 알아보겠습니다.