Mình nghĩ nếu có thảo luận thì cả mình và mọi người sẽ cùng nhau tìm ra nhìu kiến thức mới thú vị hơn.

Tiếp tục với GIAO DIỆN VÔ TUYẾN nhé các bạn.

Như đã đề cập ở phần trên, GSM sử dụng phương thức truy nhập TDMA/FDMA như hình sau

Như vây ta có 1 BTS cấu hình 2+2+2 = 6 TRX = 6 Freq sẽ như hình sau:

Sau khi các hardware trên BTS đã sẵn sàng (đầy đủ các card và đã đc cấu hình, người ta thường dùng thuật ngữ là commisionning) thì sẽ đc nối tới BSC qua dây E1/T1. Chúng ta sẽ dùng 1 phần mềm kết nối tới BSC và khai báo sự tồn tại BTS này trên BSC.

Lưu ý ở đây, mình chỉ đưa ra những cấu hình cơ bản và chỉ thuộc về thiết bị Nokia mà mình bít. Trên thực tế có nhìu loại cấu hình và có thể có sự khác nhau giữa nokia, huwai, sony erricson...

Trở lại việc cấu hình BTS trên BSC, đứng trên BSC chúng ta sẽ dùng các lệnh khai báo cho BTS này 1 ID, Name và các thông số khác. Lúc này BTS sẽ đc gọi là BCF (mình cũng chả hỉu vì sao mà tụi Nokia nó đổi cách gọi như vậy nữa) còn các sector thì tụi nó gọi là cell (!). Như vậy ở đây ta sẽ thấy xuất hiện 2 khái niệm về Cell. Cell vật lý = cái BTS thực sự của mình. Cell logic = 1 sector trong 1 BCF.

Trong 1 sector người ta thường dùng timeslot đầu tiên TS0 của TRX đầu tiên để dùng truyền các báo hiệu giữa MS và BTS. Thì báo hiệu là gì?

Để tạo 1 cuộc gọi từ MS1 tới MS2 thì ban đầu các MS và netwokr phải thiết lập kết nối bằng cách gửi các thông tin qua lại với nhau, những thông tin này đc gọi là báo hiệu. Còn sau khi thiết lập đc kết nối tức là điện thoại bên kia đổ chuông và ta bắt đầu bấm phím nghe thì lúc này báo hiệu sẽ tạm thời kết thúc để nhường cho dữ liệu thoại. Thì ta có thể hiểu là những thông tin không phải là tín hiệu thoại và giúp nhà mạng với MS thiết lập kết nối cũng như trao đổi thông tin điều khiển gọi là báo hiệu.

- Timeslot có thể mang 2 loại thông tin:

+ Signal (báo hiệu) --> thường nằm ở Timeslot 0 của TRX đầu tiên

+ Thoại -> Timeslot còn lại.

Mỗi cuộc gọi sẽ truyền dữ liệu thoại trên 1 TS có số giống nhau trên cả uplink và downlink.

Như hình trên, ta thấy khung uplink và khung downlink truyền không đồng thời và thời gian cách nhau này bằng thời gian truyền 3 timeslot. Lý do để tránh việc MS vừa nhận thông tin và truyền thông tin đi một cách đồng thời. Thời gian nghỉ này MS dùng để tính toán, xử lý, đo chất lượng sóng trong cell cũng như cell lân cận.

Một timeslot trong 1 tần số người ta gọi là 1 kênh vật lý, và dựa vào chức năng của timeslot này là truyền báo hiệu hay dữ liệu thoại thì người ta gọi bằng các tên khác nhau gọi là kênh logic. Ví dụ như ta xây 1 con đường mới trong thành phố thì con đường hiện hữu này gọi là kênh vật lý, trong năm đầu tiên ta sử dụng đường này chỉ dành riêng cho xe gắn máy thì con đường lúc này gọi là đường dành riêng cho xe gắn máy, năm tiếp theo ta mún đường này chỉ cho người đi bộ thì vẫn là con đường nhựa đó nhưng lúc này lại gọi là đường dành riêng cho người đi bộ. Như vậy tên gọi con đường tùy theo chức năng và mục đích thì gọi là kênh logic.

Các kênh logic trong GSM như sau

- Traffic channel (TCH) kênh truyền dữ liệu thoại, chia ra 2 loại theo tốc độ là fullrate và halfrate. Tốc độ halfrate được sử dụng để tăng số lương thuê bao lên và tất nhiên chất lượng thoại sẽ giảm xuống. Lúc này 1TS sẽ đc dành cho 2 thuê bao. Chú ý các timeslot này phân chia theo thời gian và truyền theo khung = 8 TS nên 2 user phải lần lượt sử dụng so le các khung nên tốc độ bit sẽ giảm còn 1 nữa -> chất lượng thấp.

- Signal channel: báo hiệu điều khiển giữa MS và mạng. Các bạn lưu ý là các khái niệm này chúng ta đang nói trên giao diện vô tuyến hey. Không vài bữa nhảy qua giao diện dây Abis thì lại nhầm lung tung cả lên. 

Như ở trên có nói thì tất cả các kênh báo hiệu này thường đc cấu hình trên duy nhất 1 kênh vật lý là TS0 của TRX đầu tiên trong sector và tất nhiên chúng cũng phải đc truyền lần lượt tương tự như thằng kênh thoại (TCH) truyền halfrate. Để mấy TS còn lại nhường cho kênh thoại (TCH).

+ Nhóm kênh BROADCAST --> thông tin quảng bá từ nhà mạng

FCCH: Chỉ dùng downlink. Truyền thông tin giúp MS đồng bộ tần số

SCH: downlink. Giúp MS đồng bộ khung, thông tin về trạm BTS

BCCH: downlink. Cung cấp các thông tin chung về mạng, và cell mà MS đang đứng

+ Nhóm kênh COMMON CONTROL --> dùng chung cho tất cả các thuê bao

PCH: downlink. Tìm gọi MS2

RACH:uplink. MS gửi thông tin yêu cầu dịch vụ lên cho mạng (yêu cầu thiệt lập cuộc gọi chẳng hạn)

AGCH: downlink. Trả lời cho kênh RACH, cấp cho MS thông tin kênh SDCCH hoặc TCH mà nó đc quyền sử dụng

+ Nhóm kênh DEDICATED CONTROL --> đc sử dụng riêng cho mỗi thuê bao

SDCCH: uplink & downlink. Thiết lập kết nối giữa MS và mạng: IMSI attach, check IMEI, authentication, ciphering, location update ...

SACCH: uplink & downlink. Dùng để truyền báo hiệu khi đang trong cuộc gọi vì lúc này SDCCH đã đc giải phóng nên SACCH đc dùng như 1 kênh kết hợp với TCH. Thông tin trên kênh này thường là tin nhắn, đo công suất.

FACCH: uplink & downlink. Giống như kênh SACCH nhưng thông tin FACCH thường mang tính chất cấp bách như handover chẳng hạn. Handover mình xin nói qua là quá trình chuyển từ cell phục vụ này sang cell phục vụ khác mà ko làm drop cuộc gọi. Khi cần handover thì phải truyền báo hiệu nên TCH lúc này trở thành FACCH ngay tức thì để đáp ứng nhu cầu đó và sau đó trở lại làm TCH. Còn SACCH thì ko cần gấp nên nó đổi từ TCH theo chu kỳ.

Hôm nay mình xin nói về cách mapping giữa kênh vật lý với kênh logic, hay nói nôm na là cái cách người ta sử dụng kênh vật lý như thế nào.

Nhắc lại 1 lần nữa, dữ liệu chúng ta sẽ truyền theo khung TDMA = 8 timeslot. Các khung cứ lần lượt đc truyền từ MS lên mạng và ngược lại. Để đảm bảo cho việc truyền các báo hiệu một cách hiệu quả và đầy đủ thì người ta quản lý các khung này theo kiểu phân cấp. 

- Báo hiệu 

51 frame TDMA = 1 Multiframe <-- chủ yếu quan tâm thằng này trc đã

26 Multiframe = 1 superframe

2048 superframe = 1 hyperframe

- Thoại

26 frame TDMA = 1 Multiframe <-- chủ yếu quan tâm thằng này trc đã

51 Multiframe = 1 superframe

2048 superframe = 1 hyperframe 

Vậy thì người ta chia như vậy để làm cái búa gì và hiệu quả ở điểm quái nào ?

Giả sử trong sector ta cấu hình (có nhìu cách combine khác nhau nghen)

- TS0 = FCH + SCH + BCCH + CBCH + SDCCH + SACCH

bổ sung CBCH là kênh trong nhóm BROADCAST, downlink, truyền tin nhắn tới thuê bao như: thời tiết, kết quả đá banh, tư vấn tùm lum từa lưa gì đó.

- TS1 = SDCCH + SACCH

- TS2 -> TS7 = TCH

Downlink lúc này:

Và Uplink:

Giờ ta thấy rằng 51 frame báo hiệu và 26 frame thoại dường như là 1 chu kỳ truyền báo hiệu của nó. 

Sau khi nắm đc hoạt động các kênh logic gồm thoại và báo hiệu. Phần tiếp chúng ta sẽ tìm hiểu trong 1 timeslot sẽ có những bit gì, nó đc mã hóa như thế nào và tốc độ truyền ra sao.

Bắt đầu từ điện thoại nhé.

Chúng ta nói vào micro, làm rung một màng rung được nối với nam châm có các cuộn dây đồng mà nói chung nó sẽ cho ra 1 tần số tương ứng với giọng nói của ta  . Tín hiệu lúc này đc gọi là tín hiệu tương tự (analog). GSM là lại truyền dữ liệu số (digital) nên tín hiệu này phải qua bộ chuyển đổi ADC. Như chúng ta đã bít giọng nói ta nằm trong khoảng 300khz - 3400khz nên tín hiệu sẽ đc qua 1 bộ lọc

Theo định lý Nyquist (cái này quen này) thì tần số lấy mẫu >= 2 Fmax.

Suy ra Fm >= 2 x 3.4 khz

Người ta chọn Fm = 8Khz -> 8000 mẫu / giây

Mỗi mấu đc lượng tử hóa = 13 bit.

Suy ra tốc độ bit (bit rate) = 13bit x 8000 = 104 kbps

Với tốc độ 104kbps thì tương đối lớn nên người ta nghĩ cách để giảm tốc độ bit này xuống nhưng vẫn đảm bảo chất lượng thoại có thể nghe tốt đc. Dữ liệu (lúc này là số) đc đi qua bộ mã hóa thoại (speech encoder) có tên là LPC/RPE. Chú ý là dữ liệu vẫn đang đc xử lý trong MS nghe. Bộ này hoạt động khá phức tạp nên mình chỉ nói qua thôi (thật sự chả bít bộ này nó hoạt động cụ thể như thế nào) hehe

Trong bộ LPC, 160 mẫu (mỗi mẫu 13 bit) từ bộ ADC đc lưu vào bộ nhớ tạm để xử lý, mỗi mẫu mất 125us -> 160 mẫu = 20ms. Lúc này mỗi khối audio 20ms = 2080 bit. LPC/RPE có khả năng mô phỏng cơ quan phát âm của con người, nó phân tích dữ liệu và loại bỏ những bit dư thừa trong khối dữ liệu (móa, bộ encoder này đỉnh vãi). Và kết quả thật ngạc nhiên là khối audio 20ms = 2080 bit này đc giảm xuống còn 260 bit (!).

20ms = 260 bit -> bit rate = 260/20 = 13kbps <<< 104kbps.

260 bit này được chia thành 2 lớp dựa theo độ quan trọng trong việc tái tạo lại tín hiệu thoại. Lớp I là lớp quan trọng hơn và được chia thành 2 lớp con.

Lớp Ia này được bảo vệ bởi mã vòng (cyclic code) <-- cái này ace tự tìm hiểu, mình đọc mà ko hiểu lắm hehe

Sau lớp Ib đc chèn thêm 4 bit giá trị (0000) cần thiết khi đi qua bộ convolutional coding.

189 bit lớp I này sẽ đc qua bộ convolutional coding, cứ 1 bit đi vào sẽ cho ra 2 bit. 1 bit tạo thêm này nhằm dự phòng --> output = 189 x 2 = 378 bit.

Tổng cộng ta sẽ đc 456 bit đã đc mã hóa 1 cách kỹ lưỡng. Nhưng để mún tăng khả năng an toàn người ta tiếp tục chia 456 bit này thành 8 sub-block = 8 x 57 bit. Các sub-block của block 456 bit này đc xáo trộn qua lại với nhau và cứ mỗi 2 sub-block = 57 + 57 = 114 bit được truyền trên 1 timeslot. Kỹ thuật này gõi là xen rẽ (interleaving). Mục đích thì giống như mạng internet chuyển mạch gói của ta, nếu có mất mát thì chỉ 1 phần của tín hiệu.

Cuối cùng trong 1 timeslot gồm các bit

- 3 bit Tail đầu + 3 bit Tail cuối

- 2 x 57 bit dữ liệu thoại được mã hóa và xen rẽ

- 28 bit chuỗi huấn luyện

- 8.25 bit bảo vệ

Tổng cộng = 3 + 3 + 57 + 57 + 28 + 8.25 = 156.25 bit/ 1 timeslot giao diện vô tuyến

Giờ thì dữ liệu đã đc đc giải phóng ra khỏi MS roài đó.

Có 68.25 guard time, vì trong trường hợp khi MS mới attach vô mạng hoặc mới handover qua cell khác chẳng hạn thì khoảng cách giữa MS và BTS là chưa xác định đc nên khi truyền sẽ không đồng bộ và có khả năng chống lấn lên TS rất cao.

Trên thực tế, mặc dù các MS đc đồng bộ khung TDMA với nhà mạng nhưng do khoảng cách mỗi MS tới BTS là khác nhau nên các MS ở xa hơn phải phát trước 1 khoảng thời gian. Khoảng thời gian này phụ thuộc vào khoảng cách xa hay gần, càng xa càng phát trước. Ví dụ cả nhóm hẹn tập trung đi chơi tại cổng Đống Đa trường Khoa Học lúc 4h. Bạn A ở bên cạnh trường thì đúng 4h đi cũng kịp lúc. Bạn B ở bên Bắc Sông Hương thì phải đi lúc 3h30 thì mới qua tới trường kịp 4h. Bạn C ở ngoài Sịa thì đi trc cả tiếng mới tới kịp 4h. Tương tự như vậy, các MS phát tín hiệu trước 1 khoảng thời gian để kịp lúc với TS trong khung TDMA gọi là timing advance.

Vậy với 68.25 guard bit này thì khoảng cách tối đa cho phép MS đồng bộ đc là bao nhiu ?

Ta có 1 TS = 156.25 bit = 0.577 ms

--> tốc độ truyền 1 bit mât = 0.577 / 156.25 = 0.00369 ms = 3.69 us (micro second)

--> thời gian truyền 68.25 bit = 68.25bit x 3.69us = 252 us

Sóng truyền với vận tốc ánh sáng v = 3.10exp8 m/s

Khoảng cách tối đa là S = v x t = 3.10exp8 x 252 us = 75.6 Km

Lưu ý ở đây mình chỉ nói về cấu hình cơ bản thôi nghen, vì với một số BTS có những feature mở rộng cho phép mở khoảng cách phục vụ lên >100km.

Trở lại 75.6 km, vậy khoảng cách tối đa cho BTS lúc này là 75.6 km mà MS vẫn đồng bộ đc là đúng ko. SAI 

Chúng ta phân tích kỹ thêm tí nữa

Giả sử ta có 1 MS ở vị trí cách BTS khoảng cách 75.6 km thì lúc này BTS gửi burst Syn trên kênh SCH cho MS để thông báo về Frame number và BSIC (cái này là thông tin về trạm BTS). Thì thời gian sẽ mất 252 us

Lúc này MS mới bắt đầu gửi cụm ACCESS theo kênh RACH lên BTS, và nó cũng mất thời gian 252us để đến đc BTS

Vậy tổng cộng thời gian đồng bộ bị trễ lên tới 504us chứ ko phải 252us đâu nha

Số bit bị trễ sẽ = 68.25 x 2 = 136.5 bit

Vậy khoảng cách tối đa phục vụ cho BTS để đảm bảo động bộ đc là = 75.6 / 2 = 37.8 km

Trong GSM, người ta lấy chuẩn là 35km.

Vì sao 35km mà ko phải 37.8km pà con ?

Như ta bít timing advance (TA) là thời gian yêu cầu MS truyền sớm hơn để có thể động bộ khung TDMA đc. và TA do hệ thống BSS chỉ thị xuống cho MS sau khi nhận đc ACCESS burst. Vì lúc này nó đã tính đc độ trễ và khoảng các của MS so với BTS roài. Nó tính như sau.

BSS = BTS + BSC nghen pà con.

BSS dựa vào thời gian trễ khi nó nhận bit đầu tiên của dãy Synch trong cụm ACCESS mà MS gửi lên. Như tính toán ở trên 1 bit = 3.69 us

Trong BSS nó sẽ lưu giá trị TA cho mỗi thằng MS, cứ 1 bit trễ TA tăng lên 1. Và quy định ở BSS giá trị TA MAX là 63 tương ứng trễ 63 bit (khác 68.25 bit) nên khoảng cách chính xác chuẩn ở đây là 35 km chứ ko phải 37.8 km.

TA rất quan trọng vì như ta thấy Normal Burst chỉ 8.25 guard bit nên nếu mất đồng bộ thì khả năng chồng lấp TS là rất cao. Giờ trở lại với đa khung 26 TCH, luôn có kênh SACCH ở giữa đa khung mục đích ngoài công suất, chất lượng tín hiệu thì còn quản lý TA khi đang gọi đt để MS luôn đồng bộ với mạng đc.

Vậy là xong phần ACCESS Burst và Timing Advance

- FREQUENCY CORRECTION BURST

+ Dùng kênh FCCH, giúp MS có thể điều chỉnh để bắt chính xác tần số của kênh BCCH

+ Tail và guard như normal burst

+ Data = 142 bit toàn giá trị 0. Với dãy bit toàn 0 thì khi đưa vô bộ Mod/Demod GMSK thì sẽ cho ta 1 tín hiệu tương tự có tần số + 67.7 Khz so với BCCH. Mình chỉ bít như vậy thôi, chắc phải đọc lại GMSK mới hiểu rõ đc , ace nào bít thì pót lên nha.

- DUMMY BURST

+ Một loại dành cho báo hiệu như trên, đc dùng trong các Idle TS trong 51 khung báo hiệu (ko hiểu vì sao có IDLE TS nữa)

+ Một loại có cấu trúc như Normal Burst nhưng ko mang thông tin, dùng trong chế độ truyền DTX khi đang thoại

DTX = discontinoulsy transmit

DTX là 1 feature. Khi trong cuộc thoại nếu tín hiệu thoại ko đủ lớn, giả sử ta im lặng chẳng hạn thì MS sẽ truyền bằng những burst Dummy này với công suất rất nhỏ để tiết kiệm pin cho MS.