Các kênh logic và kênh vật lí

Trong phần trước ta đã xét cách truyền thông tin trên giao diện vô tuyến

GSM ở dạng các cụm chứa các bít thông tin và dãy huấn luyện xác định trước.

Ta cũng đã xét cách khôi phục các bít thông tin khi có ISI gây bởi quá trình điều

chế và bởi kênh vô tuyến. Trong phần này ta xét phương pháp ánh xạ dữ liệu

người dùng (ví dụ tiếng nói) và dữ liệu báo hiệu (ví dụ lệnh HO) lên các cụm

TDMA. MS và BS liên lạc với nhau trên cặp sóng mang cao tần cụ thể, 1 cho

đường lên và 1 cho đường xuống, và trong khe thời gian cho trước trong mỗi

khung TDMA liên tiếp. Tổ hợp này của khe thời gian và tần số sóng mang tạo

thành kênh vật lí. Một kênh cao tần sẽ hỗ trợ 8 kênh vật lí trong các khe thời gian

0-7. Dữ liệu được ánh xạ lên các kênh vật lí bằng cách xác định một số kênh

logic. Kênh logic mang thông tin 1 loại cụ thể và 1 số kênh này có thể kết hợp lại

trước khi ánh xạ lên cùng kênh vật lí. Sau đây ta xét chức năng của từng kênh

logic GSM.

Các kênh lưu lượng

GSM xác định 2 loại kênh lưu lượng (TCH). TCH toàn tốc cho phép

truyền tiếng nói với tốc độ 13 kb/s và được kí hiệu là TCH/FS. Tất cả các dạng

TCH GSM đều tuân theo qui ước đặt tên tương tự. TCH/FS cũng cho phép

truyền dữ liệu người dùng ở các tốc độ sơ cấp 9.6, 4.8 và <=2.4 kb/s kí hiệu là

TCH/F9.6, TCH/F4.8, TCH/F2.4. TCH toàn tốc sẽ chiếm toàn bộ kênh vật lí, tức

là 1 khe thời gian trong mỗi khung TDMA và trên 1 sóng mang đường lên hoặc

đường xuống.

TCH bán tốc cho phép truyền tiếng nói với tốc độ gần 7 kb/s (TCH/HS)

và dữ liệu sơ cấp với tốc độ 4.8 và 2.4 kb/s, gọi là TCH/H4.8 và TCH/H2.4.

Kênh bán tốc sử dụng 1 khe thời gian trong mỗi khung TDMA khác (trung bình),

tức là mỗi kênh vật lí có thể hỗ trợ 2 TCH/HS. Kênh bán tốc chủ yếu để hỗ trợ bộ

mã hóa tiếng nói GSM bán tốc, được hoàn thành thiết kế vào tháng 1/1995.

Các tốc độ dữ liệu ở trên được chọn trùng với các tốc độ đã sử dụng trong

PSTN. Khi tốc độ dữ liệu sơ cấp giảm, sức mạnh của mã hóa kênh tăng lên cho

kết quả BER giải mã thấp hơn (xem bảng 4.15, tốc độ MS = 50 km/h). TCH luôn

dùng cụm thường.

Các kênh điều khiển

Các kênh điều khiển mang thông tin báo hiệu giữa MS và BTS. Có vài

loại kênh điều khiển trong GSM và có thể chia thành 4 loại theo cách hỗ trợ

chúng trên giao diện vô tuyến và theo loại thông tin báo hiệu mà chúng mang.

Các kênh quảng bá được dùng để phát quảng bá thông tin đồng bộ và

thông tin chung của mạng cho tất cả các MS trong tế bào. Thông tin điều khiển

giữa MS và BTS được mang bằng sử dụng các kênh điều khiển liên kết trong

cuộc gọi, trong khi các kênh điều khiển dành riêng độc lập được sử dụng ngoài

cuộc gọi. Cuối cùng, các kênh điều khiển chung được MS sử dụng trong thủ tục

tìm gọi và truy nhập.

Các kênh quảng bá. Chỉ được phát trên đường xuống (tức là chỉ bởi BTS).

Kênh sửa tần (FCCH) là kênh logic GSM đơn giản nhất vì tất cả các bít thông tin

của nó đều bằng 0. FCCH chỉ gồm các cụm sửa tần là mẫu bít toàn 0. Sau điều

chế GMSK, các cụm này tạo nên sóng sin thuần túy tại tần số cao hơn tần số

mang cỡ 68 kHz (1625/24 kHz). FCCH được MS sử dụng trong các giai đoạn

ban đầu nhận biết BTS để sửa các nguồn tần số nội của nó và khôi phục pha sóng

mang phát của BTS.

Kênh đồng bộ (SCH) chứa tất cả các chi tiết về vị trí riêng của nó trong cấu trúc

khung GSM. Sử dụng thông tin cung cấp bởi SCH, MS có thể đồng bộ hoàn toàn

các bộ đếm khung của nó với các bộ đếm của BTS. Thông tin SCH được phát

bằng các cụm đồng bộ.

Ngoài thông tin đồng bộ khung, SCH còn chứa BSIC 6 bít. Trong phần

liên quan đến HO trong GSM ta sẽ thấy rằng MS phải đo cường độ tín hiệu thu

của sóng mang chuNn (beacon) đặc biệt, gọi là sóng mang BCCH. Sóng mang

được phát với công suất không đổi bởi các BTS lân cận MS. Thông tin này được

báo cáo cho mạng tại đó nó được sử dụng để xác định xem MS có được nối với

BTS thích hợp nhất hay không hoặc có cần chuyển sang BTS thích hợp hơn hay

không. MS sẽ được cung cấp 1 danh sách các tần số mang BCCH được dùng bởi

các BTS lân cận và nó sẽ báo cáo kết quả đo mức tín hiệu thu của từng tần số

sóng mang BCCH. Phải đảm bảo thông tin đo được luôn liên kết với BTS đúng.

Ví dụ, MS có thể báo cáo kết quả đo mức tín hiệu thu đối với tần số f1 mà mạng

gán cho BS cụ thể như BSA. Tuy nhiên thực tế MS có thể đang đo sóng mangBCCH của BS khác như BSB. Sự lầm lẫn này được khắc phục bằng cách yêu cầu

MS thường kì giải mã SCH của các BTS lân cận và lấy ra BSIC. Thông tin đo

lường được gửi đến mạng đi kèm với BSIC của mỗi BTS, nhờ đó đảm bảo rằng

mạng liên hệ mỗi kết quả đo với BTS đúng. Vì thế cần đảm bảo rằng 2 BTS có

thể đồng kênh được gán các BSIC khác nhau.

BSIC gồm mã màu mạng 3 bít (NCC) và mã màu trạm gốc 3 bít (BCC).

Thuật ngữ “màu” được dùng vì việc gán các mã này có thể đạt được bằng cách tô

màu các vùng trên bản đồ theo các mã đang sử dụng trong vùng cụ thể. Chỗ nào

2 mạng dùng chung băng tần và có vùng phủ trùm nhau, mỗi mạng sẽ được gán

NCC. Điều này đảm bảo rằng 2 mạng không thể có cùng BSIC. Nói chung, 2

PLMN trong cùng 1 nước sẽ dùng các băng tần khác nhau, và việc dùng NCC chỉ

trở nên quan trọng tại biên giới quốc tế là nơi mà 2 PLMN sử dụng cùng băng tần

có thể trùm nhau. BCC được dùng bởi từng nhà khai thác để bảo đảm rằng các

BTS cùng kênh có BSIC khác nhau. BCC và mã dãy huấn luyện (TSC) sẽ như

nhau đối với mỗi BTS. Có nghĩa là bằng cách giải mã BSIC của BTS cụ thể, MS

có thể xác định dãy huấn luyện cụ thể (trong 8 dãy có thể) trong các cụm thường

phát đi bởi BTS (xem bảng 4.6).

Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) dùng để phát quảng bá thông tin điều khiển

cho mọi MS trong tế bào. Thông tin này gồm các chi tiết về cấu hình kênh điều

khiển sử dụng tại BTS, danh sách các tần số mang BCCH sử dụng tại các BTS

láng giềng và 1 số tham số được dùng bởi MS khi truy nhập BTS.

Kênh quảng bá tế bào (CBCH) được dùng để phát các bản tin chữ-số ngắn cho

tất cả các MS trong tế bào cụ thể. Các bản tin này xuất hiện trên màn hình MS và

thuê bao có thể chọn thu các bản tin khác bằng cách chọn các trang khác nhau.

Cả BCCH và CBCH đều sử dụng cụm thường.

Các kênh điều khiển liên kết. Khi MS đang gọi, một lượng thông tin báo hiệu

nhất định phải truyền trên giao diện vô tuyến để duy trì cuộc gọi. Chẳng hạn MS

liên tục báo cáo mức thu các sóng mang BCCH của các BTS láng giềng. Loại

báo hiệu này được hỗ trợ bằng các kênh logic điều khiển chiếm cùng kênh vật lí

như dữ liệu lưu lượng. Thông tin không khNn cấp như số liệu đo lường, được

phát đi bằng kênh điều khiển liên kết chậm (SACCH). Kênh này luôn luôn có mặt

khi đường dành riêng giữa MS và BTS là tích cực, và cứ 26 khe thì nó chiếm 1

khe. Các thông báo SACCH có thể được gửi đi cứ 480 ms 1 lần i.e xấp xỉ every

2s. Thông tin khNn hơn như lệnh HO được gửi đi bằng các khe thời gian “đánh

cắp” từ kênh lưu lượng. Kênh này được gọi là kênh điều khiển liên kết nhanh

(FACCH) vì khả năng truyền thông tin của nó giữa MS và BTS nhanh hơn nhiều

SACCH. Khối báo hiệu FACCH được dùng để thay thế chính xác một khối tiếng

nói 20 ms và thông báo FACCH đầy đủ có thể gửi đi 1 lần trong 20 ms. Cả

SACCH và FACCH đều dùng cụm thường và chúng là kênh 2 hướng (lênxuống).

Kênh điều khiển dành riêng độc lập Trong 1 số trường hợp thông tin báo hiệu

cần truyền đi giữa mạng và MS khi không có cuộc gọi, ví dụ khi cập nhật vị trí.

Điều này có thể thực hiện bằng cách phân TCH/FS hoặc TCH/HS hoặc dùng

SACCH hoặc FACCH để mang thông tin. Song điều này làm lãng phí tài nguyên

vô tuyến hữu hạn vì các yêu cầu truyền giao dữ liệu của quá trình như cập nhật vị

trí ít hơn nhiều các yêu cầu truyền tiếng nói. Vì thế, kênh dữ liệu tốc độ thấp hơn

đã được xác định và có dung lượng cỡ 1/8 TCH/FS. Kênh này được gọi là kênh

điều khiển dành riêng độc lập (SDCCH). Kênh được gọi là “độc lập” vì nó có thể

tồn tại độc lập với TCH bất kì và được gọi là “dành riêng” vì nó chỉ được sử

dụng bởi 1 MS cụ thể, tức là nó được dành riêng cho MS cụ thể.

Các kênh điều khiển chung Các kênh này có thể được sử dụng bởi MS bất kì

trong tế bào. Kênh tìm gọi (PCH) là kênh chỉ đường xuống được hệ thống sử

dụng để tìm gọi MS cụ thể, như khi có cuộc gọi đến. Có 2 PCH khác nhau là

PCH toàn tốc và PCH giảm tốc để dùng trong tế bào có dung lượng hạn chế.

Cụm thường luôn được dùng trên kênh PCH. Kênh cho phép truy nhập (AGCH)

dùng chung tài nguyên vô tuyến với PCH, tức là khe thời gian cụ thể có thể được

dùng bởi 1 trong 2 kênh (không đồng thời). Như tên gọi của nó, AGCH được

mạng sử dụng để cho phép hoặc từ chối MS truy nhập mạng bằng cách cung cấp

cho nó các chi tiết của kênh dành riêng (TCH hoặc SDCCH) để sử dụng cho liên

lạc tiếp theo. AGCH là kênh chỉ đường xuống và dùng cụm thường. Kênh truy

nhập ngẫu nhiên (RACH) là kênh chỉ đường lên được MS sử dụng để truy nhập

ban đầu vào mạng, ví dụ khi thiết lập cuộc gọi hoặc trước lúc cập nhật vị trí. Nó

được gọi là “ngẫu nhiên” vì không có cơ chế để đảm bảo rằng không có nhiều

hơn 1 MS phát trong mỗi khe RACH và có xác suất hữu hạn rằng 2 MS cùng cố

gắng truy nhập cùng 1 RACH cùng lúc. Điều này dẫn đến chỗ không có dự định

truy nhập nào là thành công vì 2 tín hiệu đụng độ nhau tại BTS. Nếu MS không

thu được trả lời từ BTS, nó sẽ cố gắng truy nhập lại BTS sau khi đợi thời gian

nhất định. Nếu khoảng thời gian này là như nhau với mọi MS, thì một khi đụng

độ xảy ra giữa 2 MS, nó sẽ tiếp tục xảy ra trong mỗi lần truy nhập tiếp theo. Do

đó, độ trễ giữa các lần truy nhập được ngẫu nhiên hóa để giảm xác suất va chạm

tại BTS. MS luôn phát cụm truy nhập trên RACH.

4.3.7 Ánh xạ các kênh logic lên kênh vật lí

Các kênh logic khác nhau miêu tả ở trên có thể kết hợp theo 1 trong 6

cách khác nhau trước khi được ánh xạ lên 1 kênh vật lí. Ánh xạ đơn giản nhất là

kênh TCH/FS và SACCH của nó. Khi được kết hợp, các kênh này vừa khớp vào

1 kênh vật lí. Lưu ý rằng ánh xạ giữa TCH và kênh vật lí là như nhau bất kể TCH

được dùng để mang tiếng nói hay dữ liệu người dùng. Một kênh vật lí cũng sẽ hỗ

trợ 2 kênh TCH/HS và các SACCH của chúng hoặc 8 SDCCH và các SACCH

liên kết của chúng. Ba tổ hợp kênh logic còn lại ít phức tạp hơn và được giải

thích sau.

Tổ hợp kênh điều khiển chung và kênh quảng bá cơ bản gồm một FCCH, SCH và BCCH trên đường xuống, cùng với PCH toàn tốc và AGCH toàn tốc.

Đường lên hoàn toàn dành riêng cho RACH, vì lí do này ta gọi là RACH toàn

tốc. Loại cấu hình kênh này thường được dùng trong các tế bào dung lượng trung

bình và lớn khi mà dung lượng truy nhập của kênh PCH, AGCH và RACH toàn

tốc được biện minh. Tổ hợp kênh điều khiển này chỉ có thể xuất hiện trên khe

thời gian 0 của sóng mang. Sóng mang hỗ trợ các kênh này tại BTS được gọi là

sóng mang BCCH và nó là duy nhất trong mỗi tế bào, hoặc sectơ, tức mỗi BTS sẽ

chỉ có 1 sóng mang BCCH.

Trong các tế bào dung lượng nhỏ hơn, tức là các tế bào có số sóng mang

cao tần nhỏ hơn, dung lượng của PCH, AGCH và RACH có thể không được biện

minh. Vì lí do này tổ hợp thứ 2 của các kênh truy nhập được sử dụng. Đường

xuống tiếp tục hỗ trợ FCCH, SCH và BCCH; tuy nhiên tốc độ của PCH và

AGCH đường xuống được giảm còn khoảng 1/3 toàn tốc của chúng. Các khe phụ

được tạo ra nhờ sự giảm tốc này trên đường xuống được dùng để hỗ trợ 4

SDCCH và các SACCH liên kết của chúng. SDCCH cũng chiếm 1 số khe đường

lên và số khe phân cho RACH trên đường lên bị giảm tương ứng. Hiệu quả của

việc này là khoảng 1 nửa số khe dành cho RACH. Tổ hợp kênh điều khiển này

chỉ có thể xuất hiện trên khe thời gian 0 của sóng mang BCCH.

Tổ hợp kênh điều khiển cuối cùng được xác định để dùng trong các tế bào

dung lượng lớn nơi mà dung lượng truy nhập của một PCH, AGCH và RACH là

không đủ. Tổ hợp này gồm BCCH và PCH, AGCH toàn tốc trên đường xuống và

RACH toàn tốc trên đường lên. Tổ hợp này chỉ có thể xuất hiện trên khe 2, hoặc

các khe 2 và 4, hoặc các khe 2, 4 và 6 của sóng mang BCCH. Lí do của sự hạn

chế này sẽ được giải thích sau khi xét cơ chế sớm thời gian. Ta lưu ý rằng mỗi

BTS chỉ phải phát 1 FCCH và SCH, do đó các kênh này không được chứa trong

tập kênh mở rộng. Mỗi tập mở rộng chứa BCCH của mình vì 2 lí do. Thứ nhất,

BCCH chưa thông tin chỉ áp dụng cho RACH chiếm cùng khe thời gian trong

khung TDMA, thứ hai là MS theo dõi các cụm chiếm cùng kênh vật lí dễ hơn.

Các tổ hợp kênh khác nhau vừa miêu tả ở trên được tổng kết trong bảng 4.16.

Lưu ý rằng CBCH đã được bỏ qua. Nếu yêu cầu kênh này thì nó có thể thay thế 1

SDCCH.