Kanały Logiczne i Fizyczne GSM

Kanały fizyczne i logiczne w GSM

W GSM komunikacja wykorzystuje fale radiowe. Dostępne widmo jest dzielone na kanały częstotliwości za pomocą FDMA, a każdy kanał częstotliwości jest dzielony na osiem szczelin czasowych za pomocą TDMA. Połączenie wybranej częstotliwości i szczeliny czasowej tworzy . Kanał fizyczny określa, kiedy i na jakiej częstotliwości seria jest przesyłana w interfejsie radiowym. Nośna GSM ma raster 200 kHz, a ośmioszczelinowa ramka TDMA powtarza się w czasie około 4,615 ms. Zwykła seria zajmuje przydzieloną szczelinę wraz z okresem ochronnym potrzebnym przy niepewności czasu propagacji.

Sieć musi także rozpoznać rodzaj informacji przypisany do tego zasobu radiowego. Może to być fragment rozmowy, polecenie kontroli mocy lub informacja systemowa z tożsamością komórki. Ten cel określa . Kanały logiczne są mapowane na kanały fizyczne zgodnie ze strukturą ramek i multiframów GSM. Jeden kanał fizyczny może więc przenosić różne kanały logiczne w różnych chwilach. Kanały ruchowe często korzystają z multiframy 26-ramkowej, a wiele układów kanałów sterujących z multiframy 51-ramkowej. Mapowanie określa pozycje serii, sekwencję treningową, kodowanie i przeplot dla każdego kanału logicznego.

Rodziny kanałów logicznych

Sieć GSM mapuje mowę, dane komutowane, dostęp, zarządzanie ruchem i sterowanie zasobami radiowymi na kanały logiczne. Tworzą one dwie główne rodziny sklasyfikowane według rodzaju przenoszonej informacji. Klasyfikacja opisuje rolę usługi lub sygnalizacji, a mapowanie fizyczne opisuje nośną, szczelinę, format serii i pozycję w multiframie wykorzystywane w eterze.

Kanały ruchowe (TCH): Kanały te przenoszą informacje użytkownika, w tym zakodowaną mowę i dane komutowane dla usług takich jak faks lub CSD. Ich przydział jest związany z określonym połączeniem mobilnym. Kodek, kodowanie kanałowe, przeplot i wybrany bearer określają sposób zamiany danych aplikacji na serie radiowe.
Kanały sterujące (CCH): Kanały te przenoszą sygnalizację i informacje kontrolne wymagane do pracy sieci. Obsługują zestawianie połączeń, aktualizację lokalizacji, dostęp, kontrolę mocy, pomiary i synchronizację. Ich ładunek stanowią informacje sterujące, a sieć planuje je zgodnie ze stanem stacji ruchomej i konfiguracją kanałów w komórce.

Kanały ruchowe (TCH)

Kanały ruchowe przenoszą mowę lub dane użytkownika. GSM definiuje konfiguracje o pełnej i połówkowej szybkości, które zapewniają różne zależności między jakością mowy, szybkością kodowania i pojemnością. Interfejs radiowy dodaje kodowanie kanałowe i przeplot, aby odbiornik mógł korygować lub ukrywać część błędów powodowanych przez zaniki i interferencję.

A. Kanał Ruchowy o Pełnej Szybkości (TCH/F)

TCH/F przydziela połączeniu jedną pozycję szczeliny czasowej w każdej ramce TDMA. W klasycznej konfiguracji mowy o pełnej szybkości strumień interfejsu radiowego wynosi $22.8 \text{ kbit/s}$ . Obejmuje bity zakodowanej mowy, bity końcowe, pola kradzieży i bity ochrony przed błędami. Szybkość wejściowa oryginalnego kodeka mowy o pełnej szybkości wynosi zwykle $13 \text{ kbit/s}$ . Zgodny bearer danych komutowanych może zapewnić do $9.6 \text{ kbit/s}$ w opisanej konfiguracji. Dokładna szybkość użytkownika zależy od bearera i wariantu kodowania. Przydział TCH/F zajmuje jedną pozycję szczeliny w każdej ramce, także wtedy, gdy źródło mowy chwilowo nie dostarcza danych użytkownika.

B. Kanał Ruchowy o Połówkowej Szybkości (TCH/H)

TCH/H pozwala współdzielić tę samą pozycję szczeliny przez dwa kanały mowy o połówkowej szybkości. Każde połączenie korzysta z tej pozycji w naprzemiennych ramkach TDMA, więc w przykładowej sekwencji użytkownik A może używać ramek 1, 3, 5, a użytkownik B ramek 2, 4, 6. W klasycznej konfiguracji mowy o połówkowej szybkości każde połączenie otrzymuje około $11.4 \text{ kbit/s}$ przepływności interfejsu radiowego, a oryginalny kodek mowy pracuje w pobliżu $5.6 \text{ kbit/s}$ . Taki układ zwiększa możliwą pojemność mowy przy niższej szybkości kodowania i innym profilu ochrony przed błędami. Obie rozmowy zachowują niezależny kontekst sygnalizacji i kodowania, więc zysk dotyczy organizacji pojemności, a jakość zależy od warunków radiowych.

Kanały sterujące (CCH)

Kanały sterujące przenoszą sygnalizację potrzebną do zestawiania połączeń, przekazywania informacji komórki, dostępu i utrzymania aktywnego łącza radiowego. Dzielą się na trzy grupy według kierunku i funkcji. Kanały rozgłoszeniowe i wspólne są współdzielone w obrębie komórki, natomiast kanały dedykowane są przydzielane jednej stacji ruchomej do zadania sygnalizacyjnego lub skojarzonego połączenia ruchowego.

I. Kanały rozsiewcze (BCH): informacje systemowe w downlinku

Kanały rozsiewcze są kanałami downlinku nadawanymi przez Stację Nadawczo-Odbiorczą (BTS) do Stacji Ruchomych (MS) w komórce. Stacja ruchoma w trybie bezczynności monitoruje je, aby otrzymywać informacje o sieci i komórce. Rodzina BCH składa się z trzech kluczowych kanałów:

Rozsiewczy kanał sterujący (BCCH): BCCH przenosi informacje systemowe potrzebne do wyboru komórki, dostępu i pracy w trybie bezczynności. Stacja ruchoma odczytuje odpowiednie komunikaty informacji systemowych przed wyborem komórki i korzysta z ich parametrów przy reselekcji lub dostępie. Obejmują one:
- Kody identyfikacyjne sieci i komórki (PLMN, LAI, CI).
- Listę częstotliwości używanych przez sąsiednie komórki, co jest niezbędne do przygotowania przełączeń (handover).
- Szczegółowe zasady dostępu do sieci w tej komórce, takie jak dostępne kanały sterujące i parametry Kanału Dostępu Losowego (RACH).
Kanał korekcji częstotliwości (FCCH): FCCH przenosi zdefiniowaną serię korekcji częstotliwości o stałym wzorcu bitowym. Po modulacji GSM seria tworzy znany ton korekcji częstotliwości. Stacja ruchoma wykorzystuje go do oszacowania błędu częstotliwości nośnej i dostrojenia własnego wzorca częstotliwości przed dekodowaniem kolejnych kanałów. FCCH wspiera akwizycję nośnej komórki i nie przenosi głosu ani dowolnego ładunku danych.
Kanał synchronizacyjny (SCH): Po korekcji częstotliwości stacja ruchoma dekoduje serię synchronizacyjną SCH i jej sekwencję treningową. SCH przenosi Kod Identyfikacyjny Stacji Bazowej (BSIC) oraz numer ramki TDMA, co pozwala odbiornikowi wyrównać czas ramki komórki i zidentyfikować odebrane informacje synchronizacyjne. FCCH i SCH są więc zwykle przetwarzane jako sekwencja akwizycji przed odczytem zwykłej informacji rozgłoszeniowej.

II. Wspólne kanały sterujące (CCCH): wspólny dostęp

Grupa CCCH obsługuje początkowy dostęp, przywołanie i przydział zasobów. Kanały te są współdzielone przez stacje ruchome w komórce i zapewniają sygnalizację przed przydzieleniem kanału dedykowanego.

Kanał przywołania (PCH) (Downlink): Gdy sieć ma połączenie lub wiadomość dla stacji ruchomej w trybie bezczynności, nadaje komunikat przywołania przez PCH. Komunikat wykorzystuje tymczasową tożsamość związaną z procedurą przywołania, co pozwala urządzeniu obudzić się i odpowiedzieć. Grupy przywoławcze i odbiór nieciągły pozwalają urządzeniu bezczynnemu monitorować zaplanowane chwile zamiast dekodować każdy blok downlink.
Kanał dostępu losowego (RACH) (Uplink): Stacja ruchoma wysyła serię dostępową na RACH, aby zażądać początkowego połączenia lub odpowiedzieć na przywołanie. Kilka stacji może nadawać w tym współdzielonym kanale w nakładających się chwilach, dlatego procedura dostępu wykorzystuje parametry rozsiewane w komórce, referencję żądania, reguły czasowe i ponowienie po nieudanej próbie. Sieć zwraca przydział natychmiastowy lub odpowiedź związaną z niepowodzeniem, a ponowna próba podlega parametrom dostępu rozsiewanym w komórce.
Kanał przydziału dostępu (AGCH) (Downlink): Po przetworzeniu żądania dostępu sieć wysyła przez AGCH komunikat Immediate Assignment. Przydział przekazuje stacji ruchomej tymczasowy zasób dedykowany, zwykle SDCCH lub TCH, oraz informacje o częstotliwości i szczelinie czasowej. Stacja ruchoma opuszcza wtedy procedurę wspólnego dostępu i korzysta z opisu przydzielonego kanału.

III. Dedykowane kanały sterujące (DCCH): sygnalizacja punkt-punkt

Po procedurze początkowego dostępu przez CCCH sieć przydziela DCCH jednej stacji ruchomej do określonego zadania sygnalizacyjnego. Kanał przenosi przypisane informacje sterujące punkt-punkt.

Niezależny dedykowany kanał sterujący (SDCCH): SDCCH przenosi sygnalizację po Immediate Assignment, w tym zestawianie połączenia, aktualizację lokalizacji, uwierzytelnianie i sterowanie szyfrowaniem. W komutowanej domenie GSM może także transportować procedury SMS oraz inną sygnalizację, która nie wymaga TCH. Dokładna ścieżka SMS zależy od procedury radiowej i konfiguracji domeny rdzeniowej. Po zakończeniu dedykowanej fazy sygnalizacji SDCCH jest zwykle zwalniany albo zastępowany przydziałem kanału ruchowego.
Wolny skojarzony kanał sterujący (SACCH): SACCH jest skojarzony z TCH lub SDCCH i przenosi okresowe informacje sterowania łączem. Należą do nich polecenia kontroli mocy, informacje o wyprzedzeniu czasowym oraz raporty pomiarowe komórki obsługującej i komórek sąsiednich, wykorzystywane przez procedury zasobów radiowych. Bloki sygnalizacyjne SACCH występują rzadziej niż bloki skojarzonego kanału ruchowego. Regularne raporty dostarczają sieci danych do utrzymania łącza i oceny potrzeby handoveru.
Szybki skojarzony kanał sterujący (FACCH): FACCH przenosi sygnalizację wymagającą szybkiej obsługi podczas aktywnego połączenia TCH, na przykład polecenie handoveru. Sieć tymczasowo zastępuje blok kanału ruchowego blokiem FACCH i ustawia flagi kradzieży w serii normalnej. Odbiornik wykorzystuje te flagi, aby zdekodować blok jako sygnalizację FACCH zamiast mowy lub danych użytkownika. Zastąpiony blok ruchowy obsługuje powiązana procedura ukrywania lub odtwarzania błędów mowy albo danych.