LTE 통신 채널들 (LTE Communication Channels) 개요

서로 다른 프로토콜간의 정보 흐름을 채널과 신호라고 합니다. LTE는 여러 가지 유형의 논리 채널, 전송 채널 및 물리 채널을 사용합니다. 이들은 정보의 종류와 정보가 처리되는 방식으로 구별됩니다.

● 논리 채널 (Logical Channels) : 공중을 통해 전송되는 정보 유형을 정의합니다. 트래픽 채널, 제어 채널, 시스템 방송 등을 포함한다. 데이터 및 시그널링 메시지는 RLC 및 MAC 프로토콜간의 논리 채널을 통해 전달됩니다.

● 전송 채널 (Transport Channel) : 예를 들어, 데이터를 전송하는데 사용되는 인코딩, 인터리빙 옵션들을 어떻게 무선으로 전송되는지를 정의합니다. 말합니다. 데이터 및 시그널링 메시지는 MAC 및 물리 계층사이의 전송 채널을 통해 운반됩니다.

● 물리 채널 (Physical Channels) : 예를 들어 DL 프레임에서 처음 N개의 심볼들과 같이 공중을 통해 어디로 전송되는지를 정의합니다. 데이터 및 시그널링 메시지는 물리계층의 서로 다른 레벨 사이의 물리채널을 통해 전달됩니다.

논리 채널들 (Logical Channels)

논리 채널은 전송되는 데이터 유형을 정의합니다. 이러한 채널은 MAC 계층에서 제공하는 데이터 전송 서비스를 정의합니다. 데이터 및 시그널링 메시지는 RLC 및 MAC 프로토콜간의 논리 채널을 통해 전달된다.

논리 채널은 제어 채널과 트래픽 채널로 나눌 수 있습니다. 제어 채널은 공통 채널 또는 전용 채널일 수 있습니다. 공통 채널은 셀의 모든 사용자에게 공통적인 것을 의미하며 (Point to Multipoint), 전용 채널은 채널이 한 사용자만 ((Point to Point)) 사용할 수 있음을 의미합니다.

논리 채널은 자신이 운반하는 정보로 구별되며 두 가지 방식으로 분류될 수 있습니다. 첫째, 논리 트래픽 채널 (Logical Traffic Channel)은 User Plane에서 데이터를 전달하지만 논리 제어 채널 (Logical Control Channel)은 Control Plane에서 시그널링 메시지를 전달합니다. 다음 표는 LTE에서 사용하는 논리채널을 보여줍니다.

채널 이름	약어	제어 채널	트래픽 채널
Broadcast Control Channel	BCCH	X
Paging Control Channel	PCCH	X
Common Control Channel	CCCH	X
Dedicated Control Channel	DCCH	X
Multicast Control Channel	MCCH	X
Dedicated Traffic Channel	DTCH		X
Multicast Traffic Channel	MTCH		X

전송 채널들 (Transport Channels)

전송 채널은 물리 계층에 (Physical Layer) 의해 데이터가 전송되는 방식 및 유형을 정의합니다. 데이터 및 시그널링 메시지는 MAC 및 물리 계층사이의 전송 채널을 통해 운반됩니다.

전송 채널은 전송 채널 프로세서가 전송 채널을 조작하는 방식으로 구별됩니다. 다음 표는 LTE에서 사용하는 전송 채널을 보여줍니다.

채널 이름	약어	Downlink	Uplink
Broadcast Channel	BCH	X
Downlink Shared Channel	DL-SCH	X
Paging Channel	PCH	X
Multicast Channel	MCH	X
Uplink Shared Channel	UL-SCH		X
Random Access Channel	RACH		X

물리 채널들 (Physical Channels)

데이터 및 시그널링 메시지는 물리 계층의 서로 다른 레벨들 사이의 물리 채널을 통해 운반되며, 따라서 이들은 두 부분으로 나뉘어 집니다.

● 물리 데이터 채널 (Physical Data Channels)

● 물리 제어 채널 (Physical Control Channels)

물리 데이터 채널 (Physical data channels)

물리 데이터 채널은 물리 채널 프로세서가 물리 채널 프로세서를 조작하는 방법과 OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)에서 사용되는 심볼 및 서브 캐리어에 매핑되는 방식으로 구별됩니다. 다음 표는 LTE에서 사용하는 물리적 데이터 채널 목록입니다.

채널 이름	약어	Downlink	Uplink
Physical downlink shared channel	PDSCH	X
Physical broadcast channel	PBCH	X
Physical multicast channel	PMCH	X
Physical uplink shared channel	PUSCH		X
Physical random access channel	PRACH		X

전송 채널 프로세서는 물리 계층의 로우 레벨 동작을 지원하기 위해 여러 유형의 제어 정보를 구성한다. 이것들은 아래 표에 나와 있습니다 :

채널 이름	약어	Downlink	Uplink
Downlink control information	DCI	X
Control format indicator	CFI	X
Hybrid ARQ indicator	HI	X
Uplink control information	UCI		X

물리 제어 채널 (Physical Control Channels)

전송 채널 프로세서는 또한 물리 계층의 저레벨 동작을 지원하는 제어 정보를 생성하고 이 정보를 물리 제어 채널의 형태로 물리 채널 프로세서에 전송합니다.

정보는 수신기의 전송 채널 프로세서까지 이동하지만 더 높은 계층에는 완전히 보이지 않습니다. 마찬가지로 물리 채널 프로세서는 물리적 신호를 생성하여 시스템의 최하위 레벨을 지원합니다.

물리 제어 채널은 아래 표에 나와 있습니다.

채널 이름	약어	Downlink	Uplink
Physical control format indicator channel	PCFICH	X
Physical hybrid ARQ indicator channel	PHICH	X
Physical downlink control channel	PDCCH	X
Relay physical downlink control channel	R-PDCCH	X
Physical uplink control channel	PUCCH		X

기지국은 또한 2개의 다른 물리적 신호를 전송하는데, 이는 이동국이 처음 스위치온한후 기지국을 검색하는 것을 돕습니다. 이들은 1차 동기 신호 (PSS) 및 2차 동기 신호 (SSS)로 알려져 있습니다.

LTE 계층들의 데이타 흐름 (LTE Layers Data Flow) 개요

아래는 다양한 계층을 통한 데이터 흐름을 묘사한 E-UTRAN 프로토콜 계층의 논리적 다이어그램입니다.

계층에서 수신한 패킷을 서비스 데이터 단위 (SDU)라고 하며 계층의 패킷 출력은 PDU (Protocol Data Unit)라고 합니다. 위에서 아래로의 데이터의 흐름을 보면 아래와 같습니다.

● IP 계층은 PDCP SDU (IP 패킷)를 PDCP 계층에 전송합니다. PDCP 계층은 헤더 압축을 수행하여 이들 PDCP SDU에 PDCP 헤더를 추가합니다. PDCP 계층은 PDCP PDU (RLC SDU)를 RLC 계층에 전송합니다.

PDCP 헤더 압축 : PDCP는 PDU에서 IP 헤더 (최소 20 바이트)를 제거하고 1-4 바이트의 토큰을 추가합니다.

● RLC 계층은 이러한 SDU들을 분할하여 RLC PDU를 만듭니다. RLC는 RLC 작동 모드에 기반한 헤더를 추가합니다. RLC는 이들 RLC PDU (MAC SDU)들을 MAC 계층에 전송합니다.

RLC 분할 : RLC SDU가 크거나, 이용가능한 무선 데이터 속도가 낮으면 (작은 전송 블록을 발생시킴), RLC SDU는 몇몇 RLC PDU들로 분할될 수 있습니다. RLC SDU가 작거나 이용가능한 무선 데이터 속도가 높으면, 다수의 RLC SDU들이 하나의 PDU로 결합될 수 있습니다.

● MAC 계층은 TTI에서 이 MAC SDU에 맞게 헤더를 추가하고 패딩을 수행합니다. MAC 계층은 물리 계층으로 MAC PDU를 전송하기 위해 물리 계층에 MAC PDU를 전송합니다.

● 물리 채널은 이 데이터를 서브 프레임의 슬롯으로 전송합니다.

LTE 무선 프로토콜 아키텍처 (LTE Radio Protocol Architecture) 개요

LTE 용 무선 프로토콜 아키텍처는 아래와 같이 Control Plane 아키텍처와 User Plane 아키텍처로 구분할 수 있습니다.

User Plane 측에서, 애플리케이션은 TCP, UDP 및 IP와 같은 프로토콜에 의해 처리되는 데이터 패킷을 생성하고, Control Plane에서, RRC (Radio Resource Control) 프로토콜은 기지국과 기지국 사이에서 교환되는 시그널링 메시지를 담당합니다. 두 경우 모두 정보는 전송을 위해 물리 계층에 전달되기 전에 패킷 데이터 컨버전스 프로토콜 (PDCP), 무선 링크 제어 (RLC) 프로토콜 및 매체 액세스 제어 (MAC) 프로토콜에 의해 처리됩니다.

User Plane

e-Node B와 UE 사이의 User Plane 프로토콜 스택은 다음의 하위 계층들로 구성됩니다 :

● PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

● RLC (radio Link Control)

● Medium Access Control (MAC)

User Plane에서, 코어 네트워크 (EPC)의 패킷은 특정 EPC 프로토콜로 캡슐화되고 P-GW와 eNodeB간에 터널링됩니다. 인터페이스에 따라 다른 터널링 프로토콜이 사용됩니다. GPRS 터널링 프로토콜 (GTP)은 eNodeB와 S-GW 간의 S1 인터페이스와 S-GW와 P-GW 간의 S5/S8 인터페이스에서 사용됩니다.

수신 패킷은 서비스 데이터 유닛 (Service Data Unit, SDU)라고 불리는 반면, 출력 패킷은 프로토콜 데이터 유닛 (Protocol Data Unit, PDU)에 의해 참조되고 IP 패킷은 User Plane에서 위에서 아래로 이동합니다.

Control Plane

Control Plane은 하위 계층을 구성하는 역할을 하는 무선 자원 제어 계층 (RRC)을 추가적으로 포함합니다.

Control Plane은 유휴 상태 (Idle Mode) 또는 연결 상태 (Connected Mode)의 두 가지 상태를 포함하는 사용자 장비의 상태에 의존하는 무선 특정 기능을 처리합니다.

● Idle Mode : 사용자 장치는 무선 링크 품질, 셀 상태 및 무선 액세스 기술과 같은 요소가 고려되는 Cell Selection 또는 Cell Reselection 프로세스 후에 셀에 Camp On합니다. UE는 또한 페이징 채널을 모니터링하여 착신 호출을 검출하고 시스템 정보를 획득합니다. 이 모드에서 Control Plane 프로토콜에는 Cell Selection 및 Cell Reselection 절차가 포함됩니다.

● Connected Mode :

UE는 E-UTRAN에 다운 링크 채널 품질 및 인접 셀 정보를 제공하여 E-UTRAN이 UE에 가장 적합한 셀을 선택할 수 있게 합니다. 이 경우, Control Plane 프로토콜은 무선 링크 제어 (RRC) 프로토콜을 포함합니다.

UE와 MME 사이의 Control Plane에 대한 프로토콜 스택은 아래와 같습니다. 스택의 회색 영역은 액세스 계층 (Access Stratum, AS) 프로토콜을 나타냅니다. 하위 계층은 Control Plane에 대한 헤더 압축 기능이 없다는 점을 제외하고는 User Plane과 동일한 기능을 수행합니다.

LTE OFDM 기술 (LTE OFDM Technology)

UMTS에서 사용 가능한 다중 경로 페이딩 문제의 영향을 극복하기 위해 LTE는 다운 링크에 대해 직교 주파수 분할 다중화 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)를 사용합니다. 즉 전체 5MHz 대역폭에 하나의 신호를 확산시키는 대신에 기지국에서 단말기로 각각 180KHz의 많은 협대역 통신망을 통해 데이터를 전송합니다. OFDM은 다중 반송파 전송을 위해 다수의 협대역 부반송파를 사용하여 데이터를 운반합니다.

직교 주파수 분할 다중화 (OFDM)는 디지털 다중 반송파 변조 방식으로 사용되는 주파수 분할 다중화 (FDM) 방식입니다.

OFDM은 스펙트럼 유연성을 위한 LTE 요구 사항을 충족시키고 높은 피크 속도의 매우 넓은 반송파를 위한 비용 효율적인 솔루션을 구현합니다. 기본적인 LTE 다운링크 물리적 자원은 아래 그림과 같이 시간-주파수 그리드로 볼 수 있습니다.

OFDM 심볼들은 리소스 블록들로 그룹화됩니다. 리소스 블록은 주파수 영역에서 전체 크기가 180kHz이고 시간 영역에서 0.5ms입니다. 각 1ms 전송 시간 간격 (TTI)은 두 개의 슬롯 (Tslot)으로 구성됩니다.

각 사용자는 time.frequency 그리드에 소위 리소스 블록의 번호가 할당됩니다. 사용자가 얻는 리소스 블록이 많을수록 리소스 요소에 사용되는 변조가 높을수록 비트 전송률이 높아집니다. 특정 시점에서 어떤 리소스 블록과 사용자가 발생하는지는 주파수 및 시간 차원에서의 스케줄링 메커니즘에 따라 다릅니다.

LTE의 스케줄링 메커니즘은 HSPA에서 사용되는 스케줄링 메커니즘과 유사하며 다양한 무선 환경에서 다양한 서비스에 대해 최적의 성능을 제공합니다.

OFDM의 장점

● 단일 캐리어 방식에 비해 OFDM의 주된 이점은 복잡한 이퀄라이제이션 필터가 없는 심각한 채널 조건 (예 : 긴 구리선의 고주파 감쇠, 협대역 간섭 및 다중 경로로 인한 주파수 선택적 페이딩)을 처리할 수 있다는 점입니다.

● OFDM은 하나의 고속으로 변조된 광대역 신호보다는 오히려 많은 저속으로 변조된 협대역 신호를 사용하는 것으로 볼 수 있기 때문에 채널 이퀄라이징이 단순화됩니다.

● 심볼율이 낮으면 심볼간 가드 인터벌을 사용할 수 있으므로 ISI (Inter Symbol Interference)를 제거할 수 있습니다.

● 이 메커니즘은 단일 주파수 네트워크 (SFN)의 설계를 용이하게 하는데, 여러 개의 인접한 송신기가 동일한 주파수에서 동일한 신호를 동시에 보내는 경우, 여러 개의 원거리 송신기의 신호가 전통적인 단일 반송파 시스템에서 일반적으로 발생하는 것처럼 간섭되지 않고 효과적으로 결합될 수 있습니다 .

OFDM의 단점

● 높은 Peak-To-Average 비율

● 주파수 오프셋에 민감하므로 도플러 시프트에도 영향을 미침

SC-FDMA 기술

LTE는 업링크에서 SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access)라고 불리는 프리코딩된 OFDM 버전을 사용합니다. 이것은 정상적인 OFDM의 단점을 보완하기 위한 것으로 PAPR (Peak to Average Power Ratio)이 매우 높습니다.

높은 PAPR은 비싸고 비효율적인 선형성에 대한 요구가 높은 전력 증폭기를 필요로 하므로 터미널 비용이 증가하고 배터리가 더 빨리 소모됩니다.

SC-FDMA는 전력 증폭기에서 선형성 및 전력 소비의 필요성을 줄이는 방식으로 리소스 블록을 그룹화하여 이 문제를 해결합니다. 낮은 PAPR은 또한 커버리지 및 Cell-Edge 성능을 향상시킵니다.

LTE 프로토콜 스택 계층 (LTE Protocol Stack Layer)

E-UTRAN 프로토콜 스택에서 사용 가능한 모든 레이어를 자세히 살펴보면 아래의 다이어그램과 같습니다.

물리 계층 - Physical Layer (Layer 1)

물리 계층은 공중 인터페이스를 통해 MAC 전송 채널로부터 모든 정보를 운반합니다. RRC 계층에 대한 링크 적응 (AMC), 전력 제어, 셀 검색 (초기 동기화 및 핸드 오버 목적) 및 기타 측정 (LTE 시스템 내부 및 시스템간)을 담당합니다.

매체 액세스 계층 - Medium Access Layer (MAC)

MAC 계층은 논리 채널들과 전송 채널들 간의 매핑을 담당하고, 하나 또는 다른 논리 채널로부터 전송 채널상의 물리 계층으로 전달되는 전송 블록 (TB)으로의 MAC SDU의 다중화, 하나 또는 다른 논리 장치로부터의 MAC SDU의 다중화 스케줄링 정보보고, HARQ를 통한 오류 정정, 동적 스케쥴링에 의한 UE들 간의 우선 순위 처리, 하나의 UE의 논리 채널들 간의 우선 순위 처리, 논리 채널 우선 순위화 (logical channel prioritization)를 담당합니다.

무선 링크 제어 - Radio Link Control (RLC)

RLC는 Transparent Mode (TM), Unacknowledged Mode (UM) 및 Acknowledged Mode (AM)의 세 가지 작동 모드로 작동합니다.

RLC 계층은 상위 계층 PDU의 전송, ARQ (AM 데이터 전송 전용)를 통한 오류 정정, RLC SDU의 Concatenation, 세그먼트화 및  재구성 (UM 및 AM 데이터 전송에만 해당)을 통한 오류 수정을 담당합니다.

RLC는 또한 RLC 데이터 PDU의 재분할 (AM 데이터 전송 전용), RLC 데이터 PDU의 재배열 (UM 및 AM 데이터 전송 전용), 중복 검출 (UM 및 AM 데이터 전송 전용), RLC SDU 폐기 (UM 및 AM 데이터 전송에만 해당), RLC 재구성 및 프로토콜 오류 감지 (AM 데이터 전송에만 해당)도 담당합니다.

무선 자원 제어 - Radio Resource Control (RRC)

RRC 부계층의 주된 서비스 및 기능은 Non-Access Stratum (NAS)에 관련된 시스템 정보의 브로드 캐스트, Access Stratum (AS)과 관련된 시스템 정보의 브로드 캐스트, UE 및 E-UTRAN사이의 RRC 연결의 페이징, 설정, 유지 보수 및 릴리스, 종단간 무선 베어러의 키 관리, 설정, 구성, 유지 및 릴리스를 포함하는 보안 기능을 담당합니다.

패킷 데이터 컨버전스 제어 - Packet Data Convergence Control (PDCP)

PDCP 계층은 IP 데이터의 헤더 압축 및 압축 해제, 데이터 전송 (User Plane 또는 Control Plane), PDCP 시퀀스 번호 유지 (SN), 하위 계층의 재구성시 상위 계층 PDU의 순차 전달, 복제 RLC AM에 매핑된 무선 베어러에 대한 하위 계층의 재설정시 하위 계층 SDU의 중복 제거, User Plane 데이터 및 Control Plane 데이터의 암호화 및 풀기, Control Plane 데이터의 무결성 보호 및 무결성 검증 등을 담당합니다.

Non Access Stratum (NAS) 프로토콜

Non Access Stratum (NAS) 프로토콜은 사용자 장비 (UE)와 MME 사이의 Control Plane의 최상위 계층을 형성한다.

NAS 프로토콜은 UE와 PDN GW 간의 IP 연결을 설정하고 유지하기 위해 UE의 이동성과 세션 관리 절차를 지원합니다.

IMS/SIP 규격 개요

IMS는 서로 혼동을 불러 일으키는 서로 다른 많은 스펙 세트로 구성되어 있습니다. 다음은 주요 사양일 뿐이고 각 IMS 애플리케이션의 세부 정보를 찾으려면 추가 사양 (예 : LTE Radio Specfication, ITU 사양 등)을 참조해야 합니다.

최근 (2017년 3월 현재), 대부분의 기본 IMS 기능 (예 : REGISTRATION, VoLTE, SRVCC, SUPPLEMENTARY SERVICE)은 3GPP 사양으로 마무리되었습니다. 다른 사양에서 명확한 의미를 부여하기가 쉽지 않습니다. IMS에 관한 3GPP 사양조차도 무선 프로토콜 사양만큼 명확하지 않은 경우가 많이 있지만, 여전히 3GPP 설명이 훨씬 더 분명해 보입니다.

여기에서 3GPP 사양에 대한 몇 가지 가이드를을 제시하여 작업중인 특정 IMS 응용 프로그램과 관련된 정보를 찾을 수 있도록 관련 사양을 보여줍니다.

TS 23.167 - IP Multimedia Subsystem (IMS) emergency sessions

TS 23.204 - Support of Short Message Service (SMS) over generic 3GPP Internet Protocol (IP) access; Stage 2

TS 23.216 - LTE; Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC);Stage 2

TS 23.228 - IP Multimedia Subsystem (IMS) ; Stage 2

TS 23.237 - IP Multimedia Subsystem (IMS) Service Continuity; Stage 2

TS 24.173 - IMS Multimedia telephony service and supplementary services; Stage 3

TS 24.229 - IP Multimedia callcontrol protocol based on SIP and SDP; Stage 3

TS 24.237 - IP Multimedia Subsystem (IMS) Service Continuity; Stage 3

TS 24.341 - Support of SMS over IP networks; Stage 3

TS 24.604 - CDIV and IM Core Network(CN) subsysteml Protocol Specification

TS 26.114 - IP Multimedia Subsystem (IMS); Multimedia telephony; Media handling and interaction

TS 29.292 - Interworking between the IP Multimedia (IM), Core Network (CN) subsystem (IMS), and MSC Server for IMS Centralized Services (ICS)

TS 31.103 - Characteristics of the IP Multimedia Services Identity Module (ISIM) application

TS 34.229-1 SIP and SDP ; Part 1 : UE Protocol Conformance Specification

TS 36.508 - Section 4.5A Other generic procedures (4.5A.3,4.5A.4,4.5A.5,4.5A.6,4.5A.7)

TS 36.523-3 Section 4.2.5, 4.2.4.6.2

GSMA IR.64 - IMS Service Centralization and Continuity Guidelines

GSMA IR.92 - IMS Profile for Voice and SMS