Kanały Logiczne i Fizyczne GSM

Kanały ruchu (TCH), kanały sterowania (BCCH, CCCH, DCCH) i ich funkcje.

Rzeczywistość Fizyczna a Cel Logiczny: Wprowadzenie do Kanałów GSM

W systemie GSM komunikacja odbywa się drogą radiową. Wcześniej dowiedzieliśmy się, że dostępne widmo radiowe jest dzielone na kanały częstotliwości (za pomocą FDMA), a każdy z tych kanałów jest dalej dzielony na osiem szczelin czasowych (za pomocą TDMA). Połączenie określonej częstotliwości i określonej szczeliny czasowej tworzy . Można myśleć o kanale fizycznym jak o fizycznym, powtarzalnym "pojemniku" lub "rurze", która może przenosić mały pakiet danych, zwany serią.

Jednak samo posiadanie pojemnika nie wystarczy. Sieć musi wiedzieć, co się w nim znajduje. Czy jest to fragment rozmowy telefonicznej? Czy polecenie dla telefonu, aby zwiększył moc? A może ogłoszenie sieciowe informujące wszystkie telefony o tożsamości komórki? Cel lub rodzaj informacji przenoszonej przez kanał fizyczny jest zdefiniowany przez . W istocie, podczas gdy kanał fizyczny jest "rurą", kanał logiczny jest "treści

Dwie Rodziny Kanałów Logicznych

Mnogość zadań, które musi wykonywać sieć GSM, od przenoszenia Twojego głosu po zarządzanie zasobami sieciowymi, jest realizowana przez mapowanie ich na różne kanały logiczne. Kanały te są ogólnie podzielone na dwie główne rodziny, wyróżniające się swoim podstawowym celem.

Kanały Ruchowe (TCH): Jedynym celem tych kanałów jest przenoszenie informacji specyficznych dla użytkownika. Jest to "ładunek" sieci, zawierający scyfryzowaną mowę z rozmowy telefonicznej lub dane komutowane w usługach takich jak faks czy wczesny mobilny internet (CSD).
Kanały Sterujące (CCH): Ta zróżnicowana rodzina kanałów przenosi wszystkie informacje sygnalizacyjne i kontrolne niezbędne do funkcjonowania sieci. Są one układem nerwowym GSM, obsługując wszystko, od zestawiania połączeń i aktualizacji lokalizacji po kontrolę mocy i synchronizację. Nie przenoszą one głosu ani danych użytkownika.

Szczegółowa Analiza: Kanały Ruchowe (TCH)

Kanały Ruchowe są powodem istnienia sieci: transportują rozmowę lub dane użytkownika. GSM definiuje dwa główne typy TCH, aby zrównoważyć jakość głosu i pojemność sieci.

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

TCH/F to standardowy kanał dla pojedynczej rozmowy głosowej lub połączenia danych. Wykorzystuje jedną całą szczelinę czasową w każdej ramce TDMA do przesyłania swoich informacji. Kanał o pełnej szybkości zapewnia surową przepływność $22.8 \text{ kbit/s}$ . Ten surowy strumień zawiera nie tylko scyfryzowaną mowę, ale także znaczną ilość kodowania korygującego błędy, aby chronić sygnał przed zakłóceniami radiowymi. Po uwzględnieniu narzutu na korekcję błędów, netto przepływność dostępna dla rzeczywistej informacji głosowej wynosi $13 \text{ kbit/s}$ . Uznano, że ta prędkość jest wystarczająca do zapewnienia głosu o "jakości telefonicznej", czyli porównywalnej z tradycyjnym połączeniem stacjonarnym. Dla danych TCH/F może obsługiwać prędkości do $9.6 \text{ kbit/s}$ .

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

Gdy sieci GSM stały się bardziej popularne, operatorzy potrzebowali sposobu na zwiększenie liczby jednoczesnych połączeń, które może obsłużyć komórka. Rozwiązaniem był kanał o połówkowej szybkości. TCH/H wykorzystuje sprytną sztuczkę: pozwala dwóm różnym użytkownikom na współdzielenie jednej szczeliny czasowej. Odbywa się to poprzez nadawanie przez każdego użytkownika tylko co drugiej ramki TDMA. Na przykład Użytkownik A używałby szczeliny w ramkach 1, 3, 5 itd., podczas gdy Użytkownik B używałby tej samej szczeliny w ramkach 2, 4, 6 itd. To skutecznie podwaja pojemność głosową komórki. Kompromisem jest niższa przepływność na użytkownika, około $11.4 \text{ kbit/s}$ surowej, co daje netto prędkość głosu około $5.6 \text{ kbit/s}$ . Wymaga to bardziej zaawansowanych algorytmów kompresji mowy, i chociaż jakość głosu jest ogólnie akceptowalna, jest nieco niższa niż w kanale o pełnej szybkości.

Szczegółowa Analiza: Kanały Sterujące (CCH)

Kanały sterujące to cisi bohaterowie sieci GSM. Zarządzają złożonym tańcem sygnalizacji wymaganym do działania sieci. Są one dalej podzielone na trzy podkategorie w oparciu o ich funkcję i sposób użycia.

I. Kanały Rozsiewcze (BCH) - Komunikacja "Jeden do Wielu"

Kanały rozsiewcze są jak publiczny system nagłośnieniowy miasta. Są jednokierunkowe, przesyłane tylko od Stacji Nadawczo-Odbiorczej (BTS) w dół do wszystkich Stacji Ruchomych (MS) w komórce (downlink). Telefon w trybie bezczynności stale nasłuchuje tych kanałów, aby być na bieżąco z informacjami o sieci. Rodzina BCH składa się z trzech kluczowych kanałów:

Rozsiewczy Kanał Sterujący (BCCH): BCCH to główna tablica ogłoszeń komórki. Ciągle transmituje strumień informacji systemowych, których telefon potrzebuje do poprawnego działania. Te kluczowe informacje obejmują:
- 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 działa jak precyzyjny kamerton dla telefonu komórkowego. Przesyła specjalną Serię Korekcji Częstotliwości, która składa się z długiej sekwencji samych zer. Tworzy to czystą, niemodulowaną falę sinusoidalną o dokładnej częstotliwości nośnej komórki. Słuchając FCCH, telefon może skalibrować swój wewnętrzny syntezator częstotliwości, zapewniając idealne dostrojenie do częstotliwości sieci i niezawodny odbiór innych kanałów.
Kanał Synchronizacyjny (SCH): Zaraz po skorygowaniu częstotliwości za pomocą FCCH, telefon nasłuchuje SCH. Ten kanał przesyła Serię Synchronizacyjną zawierającą długą, predefiniowaną sekwencję treningową. Pomyślne zdekodowanie tej sekwencji pozwala telefonowi na osiągnięcie dokładnej synchronizacji czasowej ze strukturą ramki TDMA sieci. SCH przenosi również Kod Identyfikacyjny Stacji Bazowej (BSIC) oraz bieżący numer ramki TDMA, co pozwala telefonowi wiedzieć dokładnie "kiedy" jest w cyklu czasowym sieci i z którą stacją BTS się komunikuje.

II. Wspólne Kanały Sterujące (CCCH) - Współdzielone Ścieżki Publiczne

Grupa CCCH obejmuje kanały używane do początkowego kontaktu i procedur zestawiania połączeń. Są one zasobem współdzielonym, dostępnym dla wszystkich telefonów w komórce, które nie są aktualnie w trakcie rozmowy. Służą jako publiczne lobby systemu komunikacyjnego.

Kanał Przywołania (PCH) (Downlink): Kiedy otrzymujesz połączenie przychodzące lub wiadomość tekstową, sieć musi znaleźć Twój telefon. Ponieważ Twój telefon jest w trybie bezczynności, aby oszczędzać baterię, sieć używa PCH, aby go "przywołać". Nadaje komunikat zawierający tymczasową tożsamość Twojego telefonu, alarmując go, aby się obudził i odpowiedział.
Kanał Dostępu Losowego (RACH) (Uplink): Jest to pierwszy kanał, którego Twój telefon używa, aby skontaktować się z siecią. Kiedy decydujesz się zadzwonić lub gdy musisz odpowiedzieć na przywołanie, Twój telefon wysyła bardzo krótką Serię Dostępową na kanale RACH. Nazywa się go "dostępem losowym", ponieważ nie ma koordynacji; wiele telefonów może próbować użyć RACH w tym samym momencie. System jest zaprojektowany do obsługi wynikających z tego kolizji i pozwala telefonom próbować ponownie.
Kanał Przydziału Dostępu (AGCH) (Downlink): Po pomyślnym odebraniu Twojego żądania na RACH, sieć musi przenieść Cię na prywatną linię, aby kontynuować proces zestawiania połączenia. Sieć wysyła komunikat na AGCH, przypisując Twojemu telefonowi tymczasowy, dedykowany kanał sterujący (SDCCH) i informując go, jakiej częstotliwości i szczeliny czasowej ma użyć.

III. Dedykowane Kanały Sterujące (DCCH) - Prywatne Linie Komunikacyjne

Gdy początkowy kontakt za pośrednictwem CCCH zostanie nawiązany, sieć przydziela DCCH pojedynczemu telefonowi do wykonania określonego zadania. Są to dedykowane kanały punkt-punkt, niewspółdzielone z innymi użytkownikami.

Niezależny Dedykowany Kanał Sterujący (SDCCH): SDCCH to prywatna linia przydzielana telefonowi na czas procesu zestawiania połączenia, po początkowym komunikacie na AGCH. Cała późniejsza sygnalizacja, taka jak wysyłanie wybieranego numeru, uwierzytelnianie użytkownika i ustawianie klucza szyfrującego, odbywa się na tym kanale. Jest on również używany do usług, które nie wymagają pełnego kanału ruchowego, a przede wszystkim do wysyłania i odbierania wiadomości SMS.
Wolny Skojarzony Kanał Sterujący (SACCH): Ten kanał jest zawsze "skojarzony" z kanałem TCH lub SDCCH. Jest to wolny, ciągły strumień informacji kontrolnych, który jest wymieniany podczas rozmowy lub sesji na SDCCH. SACCH służy do przesyłania niezbędnych informacji konserwacyjnych, takich jak polecenia kontroli mocy i raporty o sile sygnału sąsiednich komórek, które są kluczowe dla decyzji o przełączeniu. Nazywa się go "wolnym", ponieważ przesyła swoje dane znacznie rzadziej niż TCH, z którym jest sparowany.
Szybki Skojarzony Kanał Sterujący (FACCH): FACCH to kanał "awaryjny", używany do pilnej sygnalizacji podczas aktywnej rozmowy. SACCH jest zbyt wolny dla poleceń krytycznych czasowo, jak ostateczna instrukcja dla telefonu, aby przełączył się do nowej komórki podczas handoveru. Aby wysłać takie polecenie, sieć tymczasowo "kradnie" serię z kanału ruchowego, która normalnie byłaby używana dla głosu. Ustawia "flagi kradzieży" w serii normalnej, aby poinformować odbierający telefon, że ładunek danych zawiera nie głos, ale wiadomość FACCH o wysokim priorytecie.