GSM의 개요

1. GSM의 역사

1982년 CEPT(Coference of European Posts and Telegraphs)에서는 범유럽용 이동통신 시스템을 개발하기 위해 GSM(Group Special Mobile)을 조직하였다.
GSM 시스템은 아래의 조건을 만족시키는 것을 목표로 하였다.

- 높은 음성 품질
- 저렴한 사용 요금
- International Roaming 지원
- 새로운 서비스 지원
- ISDN과의 호환성

1989년에 GSM은 ETSI(European Telecommunication Standards Institute)로 이관되었고 1990년 GSM PhaseI이 발표되었다. 상용 서비스는 1991년 중반에 시작되었으며 1993년에는 전세계 22개국에 36개의 GSM 망이 구축되었다. GSM, DCS1800, PCS1900은 전세계 80개국에 보급되었으며 GSM은 Global System for Mobile로 이름이 바뀌었다.

2. GSM 서비스

GSM은 개발 단계부터 ISDN과의 호환성을 목표로 하였지만 무선상의 제약때문에 ISDN-B channel 64kbps는 지원이 불가능하다.
통신 서비스는 Teleservices, Data services, Supplementary services로 나눌수 있다. GSM의 가장 기본적인 서비스는 Telephony 서비스라고 볼수 있으며 다른 디지탈 통신과 마찬가지로 음성은 디지탈로 인코딩되어 디지탈 비트열의 형태로 전송된다.
GSM이 지원하는 서비스 중에는 Emergency Service가 있는데 가입자는 세자리의 전화번호를 이용해 긴급호를 발생시킬 수 있으며 무료로 통화할 수 있다. GSM은 POTS(Plain Old Telephone Service), ISDN(Integrated Services Digital Network), PSPDN(Packet Switched Public Data Network), CSPDN(Circuit Switched Public Data Network)에 접속되어 최대 9600bps로 통신을 할수 있으며 이때 X.25 또는 X.32등 다양한 프로토콜을 사용할 수 있다. GSM이 ISDN이나 다른 디지탈 망과 접속시에 별도의 모뎀이 필요치 않지만 아날로그 POTS와 접속시에는 Audio Modem이 필요하다. 이외 G3 팩스, SMS(Short Message Service) 기능을 지원한다. SMS는 양방향의 단문 전송 서비스로 최대 160byte까지 전송할 수 있으며 실제적으로는 170자까지 전송할 수 있다. SMS는 Point-to-point 서비스나 Cell Broadcasting 서비스로 활용될 수 있으며 SIM에 저장시킬 수도 있다.
GSM PhaseI에서는 Call Forwarding(수신자가 전화를 받을수 없을 경우 다른 전화 번호로 착신 전환하는 서비스)과 Call Barring(Incoming/Outgoing) 기능을 지원하였고 PhaseII에서는 Caller Identification(발신자의 전화번호와 이름이 표시됨), Call Waiting, Multi-party Conversation(다수의 사람이 동시에 통화할 수 있음) 등을 제공하였다.

3. GSM에 대한 일반 사항

1) 통신망의 분류

통신망은 아래의 4가지로 분류할 수 있다.

- Stationary Terrestrial Networks : PSTN, ISDN
- Cellular Networks : GSM, CDMA, DCS, PCS
- Wireless Terminals : CT1, CT2, DECT
- Satellite Based Systems : Inmarsat, Iridium

고정 유선망은 현재 가장 널리 퍼져있는 네트웍이며 아날로그 PSTN과 디지탈 ISDN으로 구분된다.(ISDN은 GSM과 LAPD 프로토콜로 연동됨)

2) 셀룰라 네트웍의 종류

GSM 계열의 망으로는 GSM900과 DCS1800, PCS1900이 있다. 이들 방식은 TDMA에 기초하고 있으며 PCS1900은 북미에서 사용되는 방식이다. DCS1800은 GSM900과 매우 유사하며 단지 운용되는 주파수 대역이 고주파라는 점만 다르다.

3) 셀룰라의 개념

Cell이란 하나의 기지국(BTS)가 커버하는 지역을 뜻하며 이해를 돕기 위해 통상 육각형으로 표시된다. 각 BTS는 고유의 주파수를 사용하는데 이것은 인접 셀에서의 간섭을 피하기 위한 것이다. 실제로 셀의 모양은 육각형이 아니며 가입자의 밀도나 주변 지형에 따라 다양한 형태를 가진다.

4) 여러가지 셀형태

셀은 크게 Umbrella Cell(반경 100km, 위성통신), Hyper Cell(반경 20km, 도시외곽 지역), Macro Cell(반경 1~20km, 고속도로 주변), Micro Cell(50~300m, 도심 지역), Pico Cell(~100m, 건물내)로 구분할 수 있다. Umbrella Cell은 GSM 망에서는 쓰이지 않는데 그것은 GSM900의 최대 반경이 35km이고 DCS1800의 경우 10km이기 때문이다. 나머지 네가지 형태의 셀은 GSM 망에서 모두 사용된다.

4. GSM 망의 구조

GSM 망은 Mobile Station(MS), Base Station Subsystem(BSS), Network Subsystem으로 구성된다. Network Subsystem은 교환 기능을 하는 부분이며 BSS는 MSC와 A Interface로 신호를 주고 받고 MS와 BSS은 Air Interface로 연결된다.

1) Mobile Station(MS)

MS(단말기)는 단말 장치와 Smart Card의 일종인 SIM(Subscriber Identity Module)으로 구성된다. SIM은 개인의 이동성을 제공하는 것으로 사용자는 자신의 단말기가 아니더라도 SIM만 넣으면 다른 단말기도 사용이 가능하다. 단말기는 각각 고유의 IMEI(International Mobile Equipment Identity)를 가지고 있다. IMSI(International Mobile Subscriber Identity)는 SIM에 저장되어 있으며 시스템에 접속시 인증용으로 사용된다. 다시말하면 IMEI와 IMSI는 GSM에서 개인의 이동성을 보장하기 위한 것이다. SIM Card는 PIN(Personal Identity Number)로 보호되는데 이 PIN은 4자리의 숫자로 조합된 코드이며 GSM 망 접속시 필요하다.

2) Base Station Subsystem(BSS)

BSS는 BTS(Base Transceiver Station)과 BSC(Base Station Controller)로 구성되며 BTS와 BSC는 Abis Interface를 이용하여 신호를 주고 받는다. BTS는 무선 송수신기로 구성된 장비이며 단말기와 무선 링크를 통하여 교신한다. BSC는 다수의 BTS를 관리하며 무선 채널 Setup, Frequency Hopping, Handover 처리를 담당한다. BSC는 BTS와 MSC를 연결하는 장비로 보아도 된다.

3) Network Subsystem

Network Subsystem에서 가장 중심이 되는 것은 MSC(Mobile Switching Center)이다. MSC는 PSTN의 교환기와 유사하며 이동성 관리, 위치 등록/관리, 인증, 핸드오버, 로밍등을 담당한다.
HLR(Home Location Register)와 VLR(Visitor Location Register)는 MSC와 함께 Call Routing과 Roaming 기능을 제공한다. HLR은 가입자의 정보와 단말의 위치 정보를 담고 있으며 단말의 위치 정보는 VLR의 Signaling Address에 포함되어 있다. HLR은 네트웍당 1대만 설치하며 분산 데이타 베이스의 형태로 구현된다.
VLR은 HLR의 정보중 일부(단말의 현재 위치)를 저장하고 있는데 주로 호제어와 서비스 제공에 관련된 정보들이다. VLR은 독립적으로 구현할 수도 있으나 최근에는 MSC내에 구현하는 추세이다.
또다른 Network Subsystem으로 EIR(Equipment Identity Register)와 AuC(Authentication Center)가 있다. EIR은 각 단말기의 유효성 여부를 판단하는 데이타 베이스로서 IMEI 정보를 담고있다. 만약 어떤 단말기의 IMEI가 분실 혹은 도난된 것으로 판명되면 망접속이 불허된다. AuC는 SIM Card에 수록된 인증키에 관련된 정보를 저장하고 있는 데이타 베이스로서 Authentication과 Encryption 기능을 수행한다.

5. GSM의 무선 링크

GSM900용으로 Uplink에는 890~915MHz, Downlink에는 935~960MHz 대역이 할당되었다. Uplink란 단말기에서 기지국 방향으로의 전송 경로를 말하며 Downlink는 반대로 기지국에서 단말기로의 전송 경로를 뜻한다. GSM900용으로 모두 2 * 25MHz의 주파수 대역이 할당된 셈이다. DCS1800은 Uplink로 1710~1785MHz가 할당되었고 Downlink로 1805~1880MHz가 할당되었다.

1) 다중접속과 채널 구조

주파수 자원은 한정되어 있으므로 가급적이면 다수의 사용자가 동시에 채널을 효율적으로 이용하는 방안을 모색하게 되었고 GSM은 다중접속 방식으로 TDMA를 선택하였다.(TDMA는 FDMA의 개념을 포함하는 개념임) FDMA의 측면에서 보았을때 총 25MHz에 이르는 주파수 대역을 200KHz 대역의 채널 124개로 분할 하였다. 이렇게 분할된 채널은 다시 TDMA 방식을 이용하여 시간으로 분할되는데 TDMA에서 가장 기초가 되는 단위인 Time Slot(Burst Peroid라고도 부름)은 15/26ms의 길이를 가진다. 하나의 TDMA 프레임에는 모두 8개의 Time Slot이 있으며 하나의 논리적 채널은 하나의 Time Slot이다. TDMA에서 채널 패턴은 약 3시간마다 주기적으로 반복된다.
음성과 데이타 신호를 전송하기 위해 사용되는 채널을 TCH(Traffic Channel)이라고 한다. TCH는 26-frame Multiframe 또는 26 TDMA Frame Group으로 정의되며 26-frame Multiframe의 길이는 120ms이다. 26개의 frame중 24개는 트래픽용이고 1개는 SACCH(Slow Associated Control Channel)이며 나머지 하나는 사용되지 않는다. Uplink와 Downlink의 TCH는 3 Time Slot으로 구분되어 있으므로 단말기는 송수신을 동시에 할 필요가 없고 이는 단말기의 전기적 구조가 간단해질 수 있음을 의미한다. Full rate TCH외에 Half rate TCH가 정의되어 있으며 Half rate TCH를 사용할 경우 시스템의 용량은 2배로 증가될 수 있다.

2) 전력 제어

GSM 단말기는 최대 출력 20, 8, 5, 2, 0.8watt의 5 Class로 구분되며 20W 단말기를 Class1로 부르고 0.8W 단말기를 Class5로 부른다. Co-Channel Inteference를 최소화하기 위해 기지국과 단말기는 음성 품질을 유지하기 위한 최소의 출력으로 운용된다. 전력의 레벨은 2dB 단위로 높아지거나 낮아지며 최소 13dBm, 즉 20mW까지 조정된다. 단말기는 BER(Bit Error Rate)을 이용하여 신호의 세기와 품질을 측정하여 언제 전력 레벨을 조정해야 할지를 결정한다.

6. GSM Network

셀룰라 네트웍에서는 무선 링크를 통하여 음성과 데이타를 어느 정도의 품질을 유지하며 전송해야 한다. 서비스 지역은 셀로 지역적으로 분할되어 있으며 핸드오버가 일어난다. GSM의 경우 가입자는 International Roaming을 요구할 수 있으며 이때 등록, 인증, Call Routing등의 기능이 필요하다.
GSM의 Signaling Protocol은 세개의 계층으로 이루어져 있다. Layer1은 Physical Layer로 채널의 구조에 해당되는 부분이며 Layer2는 Data Link Layer로 Um Interface를 구성하는 부분인데 LAPD의 수정 버젼인 LAPDm이다. A interface로는 SS No.7(Signaling System No.7)의 MTP(Message Transfer Part) Layer2가 사용된다. Layer3는 3개의 Sublayer로 나뉘어지며 무선 자원의 관리, 이동성 관리를 담당한다.

1) Radio Resource Management(RR)

Radio Resource Management(RR)은 단말기와 MSC간의 무선 링크의 설정을 담당하며 여기에는 MS, BSS, MSC가 관련되어 있다.
셀룰라 네트웍에서는 호가 기설정된 채널에서 다른 채널로 이동하는 경우가 많으며 이를 핸드오버(Handover)라고 부른다. 핸드오버는 셀간을 이동할때 발생되는데 핸드오버의 측정과 수행은 RR 계층의 주요 기능중 하나이다.
GSM에는 다음 네가지의 핸드오버가 있다.

- 동일 셀내에서 채널, 즉 Time Slot간의 핸드오프
- 동일 BSC내의 핸드오프
- 동일한 MSC내에서 서로 다른 BSC간의 핸드오프
- 서로 다른 MSC간의 핸드오프

위의 네가지 Type중 처음 두가지 핸드오프를 Internal Handoff라고 하며 BSC의 제어를 받는다. 핸드오프의 측면에서 보았을때 셀은 단말기가 적정한 신호 세기와 품질을 유지하며 음성이나 데이타를 수신받을 수 있는 지역을 의미하는데 만약 어떤 셀에서 통화중인 단말기가 이동중에 신호의 세기가 약해짐을 감지하면 이를 BTS 및 BSC로 보고하여 다른 셀로의 전환을 요구하게 된다. Internal Handoff에서는 핸드오프에 사용되는 신호 처리를 간소화하기 위해 BSC는 핸도오프의 수행 결과만을 MSC로 보고한다.
나머지 두가지의 핸드오프는 External Handoff라고 부르며 MSC의 제어를 받는다. External Handoff는 MSC나 단말기에 의해 Initiate될 수 있는데 Idle Time Slot 동안 단말기는 최대 16개 인접셀의 Broadcast Control Channel을 탐색하고 수신된 신호의 세기를 측정하여 핸드오프를 위한 6개의 Best Candidate를 선택한다. 이 정보는 BSC를 거쳐 MSC로 보고 되며 최소 1초에 한번 보고되어 핸드오버 알고리즘으로 사용된다.
GSM의 권고안에는 핸드오프에 대한 규정이 없다. GSM에서 핸드오프로 주로 사용되는 방법에는 두가지가 있는데 모두 전력 제어와 관련된 것이다. 그중 하나가 Minimum Acceptable Performance 알고리즘으로 핸드오버 이전에 전력 제어를 수행하는 방식이다. 즉, 어떤 특정값 이하로 신호가 약화될 때 단말기의 출력을 우선 높이고 그래도 신호 품질이 개선되지 않을때만 핸드오버를 한다. 이 방식은 매우 단순하여 많이 사용되지만 셀의 경계 지역에서 단말기가 최대 출력으로 전송중에 다른 셀로 이동해 버리면 핸드오프가 되지 않는 문제점이 발생한다.
또 다른 방식은 Power Budget이라는 방식으로 신호의 출력을 적정 수준으로 유지하거나 개선하기 위해 핸드오버를 이용하는 방식이다. 다시 말하면 전력 제어 이전에 핸드오버가 수행되는 방식이다. 이 방식은 셀의 경계에서도 원활한 핸드오프가 이루어질 수 있도록 하며 인접 채널로 부터의 간섭을 줄여 주지만 복잡하여 구현하기 어렵다는 단점이 있다.

7. 맺음말

GSM과 DCS1800은 PCS를 서비스하는데 있어 완벽한 Solution을 제공한다. SIM의 개념은 단말의 이동성 뿐만 아니라 개인의 이동성을 제공하는 첫번째 시도이며 International Roaming을 가능케 한다. 음성 통화외에도 GSM은 데이타 서비스, 팩스 서비스, SMS와 다른 부가 기능을 제공하므로 PCS의 개념에 가장 근접한 기술이라 볼수 있다. GSM은 비록 매우 복잡한 기술이지만 이것은 저렴한 가격에 좋은 품질의 서비스를 제공하기 위한 것일 뿐이다