Trong các mạng lõi viễn thông và các mạng truyền tải hiện nay, thông tin thoại thời gian thực đều dựa trên tiêu chuẩn G.711 (PCM 64kbps). Ngược lại, hệ thống các mạng di động tế bào (truy nhập) (GSM+EDGE (GERAN), TDMA, PDC, cdmaOne, cdma2000 and WCDMA (UTRAN)) sử dụng thoại nén. Ở ranh giới mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi, tín hiệu thoại cần được chuyển đổi giữa hai kiểu nén khác nhau này.
Thông thường, trong cuộc gọi giữa MS-MS, tín hiệu thoại được mã hóa tại MS phát, được gửi đi, được chuyển đổi theo luật A hoặc luật µ theo khuyến nghị G.711 của ITU-T, được truyền qua mạng, được chuyển đổi lần nữa, rồi gửi đến MS nhận và cuối cùng được giải mã tại MS nhận (Hình 2.12).
Theo cấu hình này có 2 bộ mã hóa (chính xác là 2 bộ mã hóa/giải mã), do đó cơ chế mã hóa thoại này gọi là "Tandem Operation" (Cơ chế mã hóa thoại có chuyển tiếp). MS/UE MS/UE PLMN A PLMN B Transcoding Function
Encoding Compressed Speech Decoding ITU-T G.711 A-Law/µ-Law Encoding Compressed Speech Decoding
Transcoding Functions
Transcoding Function
Hình 2.12: Cơ chế mã hóa thoại thông thường (có chuyển tiếp)
Ưu điểm của việc mã hóa theo G.711 là giúp cho các hệ thống truy nhập tương thích với nhau. Tuy nhiên, nó còn một số nhược điểm sau:
- Mỗi bước mã hóa làm giảm chất lượng thoại.
- Chí phí vận chuyển trong mạng lõi cao hơn.
- Mã hóa theo G.711 trong mạng lõi cản trở dòng thông tin số khác giữa các thiết bị đầu cuối.
TFO/TrFO giải quyết được tất cả các nhược điểm nêu trên. Hơn nữa, TFO/TrFO còn mang lại những lợi ích sau:
- Tăng hiệu quả sử dụng băng thông
- Chất lượng thoại giữa các di động được tăng cường - Chi phí truyền dẫn giảm
- Trễ truyền dẫn giảm
- Cơ sở cho tăng cường chất lượng thoại trong tương lai.
AMR-WB: Thích hợp cho mạng phân lớp và kiến trúc mạng MSC truyền thống (GSM and WCDMA).
¾ TFO - Tandem Free Operation
Tandem Free Operation (TFO) được sử dụng với mục đích tránh việc mã hóa thoại 2 lần từ MS tới MS (đối với GSM), từ MS tới UE (đối với GSM/3G) hoặc từ UE tới UE (đối với 3G).
Khi kết nối giữa MS phát và MS nhận sử dụng cùng kiểu mã hóa thoại, khung thoại sẽ được truyền trong suốt từ MS phát đến MS nhận mà không cần chức năng mã hóa trung gian. Cơ chế mã hóa thoại này gọi là "Tandem Free Operation".
Transcoding Function Transcoding
Function
Transcoding Functions Bypassed
MS/UE MS/UE
PLMN A PLMN B
Encoding Compressed Speech Decoding
Hình 2.13: Tandem Free Operation
Đối với các bộ mã hóa tốc độ thoại khác tốc độ AMR (Adaptive Multi Rate) như GSM_FR, GSM_EFR và GSM_HR, TFO hoàn toàn tương thích với các thiết bị thì việc xử lý ít phức tạp hơn. Trong mạng GSM, để hỗ trợ cơ chế không có tandem, BTS và BSC thêm khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ (TRAU).
Nguyên tắc của TFO đối với các bộ mã hóa thoại băng hẹp
Cơ chế Tandem Free Operation được kích hoạt và điều khiển bởi các đơn vị mã hóa. Trước khi kích hoạt TFO, các đơn vị mã hóa chuyển đổi các mẫu thoại PCM 64kbps (mã hóa theo khuyến nghị G.711 của ITU-T). Các bộ mã hóa còn chuyển đổi các bản tin TFO bằng cách gán bit có trọng số thấp nhất của các mẫu thoại 16.
Nếu các loại mã hóa thoại tương thích được sử dụng ở tất cả đầu cuối của cuộc gọi MS-MS, MS-UE, hoặc UE-UE, các bộ mã hóa sẽ tự động kích hoạt TFO. Nếu đầu cuối sử dụng các loại mã hóa thoại không tương thích thì TFO chỉ được kích hoạt khi có bộ phối hợp mã. Khi TFO được kích hoạt, các
đơn vị mã hóa chuyển đổi các khung TFO mang thông tin thoại nén và báo
hiệu trong băng.
Giống như các khung GSM TRAU, các khung TFO có kích cỡ cố định:
- 160 bits (20 ms) với định dạng 8 kbit/s
- 320 bits (20 ms) với định dạng 16 kbit/s
Hình 2.14 mô tả mô hình tham chiếu các thực thể chức năng điều khiển Tandem Free Operation.
Speech Samples TFO_Messages TFO_Frames 64 kbit/s 64 kbit/s TFO_Protocol DL_TFO UL_TFO Decoder Encoder TFO_Protocol DL_TFO UL_TFO Decoder Encoder Transcoder B Transcoder A RAN B Terminal B RAN A Terminal A Encoder Decoder Encoder Decoder Digital Network
Radio Leg A Radio Leg B
IPE
IPE
Hình 2.14: Các thực thể chức năng điều khiển Tandem Free Operation Giao thức TFO và định dạng khung sử dụng chung cho các mạng PLMN.
Hình 2.15 mô tả cấu hình TFO thông thường dùng trong cùng một mạng GSM hoặc giữa hai mạng GSM khác nhau.
MS TRAU TRAU MS
BTS BSC MSC MSC BSC BTS
64 kbit/s Speech Samples carrying - TFO Frames on the LSB containing
- Compressed speech samples - Control bits
- TFO Messages
- Original PCM speech samples on the MSB
IPE IPE
Hình 2.15: Cấu hình TFO giữa các mạng GSM
Cấu hình TFO trong các mạng 3G (phát triển từ GSM) được minh họa trong hình 2.16. TC UE Node B RNC MSC Server MGw
64 kbit/s Speech Samples carrying - TFO Frames on the LSB containing
- Compressed speech samples - Control bits
- TFO Messages
- Original PCM speech samples on the MSB
TC UE Node B RNC MSC Server MGw IPE IPE TC UE Node B RNC MSC Server MGw
64 kbit/s Speech Samples carrying - TFO Frames on the LSB containing
- Compressed speech samples - Control bits
- TFO Messages
- Original PCM speech samples on the MSB
TC UE Node B RNC MSC Server MGw IPE
IPE IPEIPE
Hình 2.16: Cấu hình TFO giữa các mạng 3G
Hình 2.17 mô tả cấu hình TFO liên quan tới các mạng khác nhau (GSM và 3G).
MS TRAU TC UE
BTS BSC MSC RNC Node B
MSC Server
MGw
64 kbit/s Speech Samples carrying - TFO Frames on the LSB containing
- Compressed speech samples - Control bits
- TFO Messages
- Original PCM speech samples on the MSB
IPE IPE
MS TRAU TC UE
BTS BSC MSC RNC Node B
MSC Server
MGw
64 kbit/s Speech Samples carrying - TFO Frames on the LSB containing
- Compressed speech samples - Control bits
- TFO Messages
- Original PCM speech samples on the MSB
IPE
IPE IPEIPE
Hình 2.17: Cấu hình TFO giữa mạng GSM và mạng 3G
¾ TrFO - Transcoder Free Operation
TFO (Tandem Free Operation) là giao thức và thủ tục trong kênh 64kbps. Nó sử dụng cả trong mạng TDM (chuyển mạch kênh) và mạng ATM/IP (chyển mạch gói, PCM 64k). TFO chỉ ảnh hưởng tới việc mã hóa và một vài phần nhỏ khác trong mặt phẳng truyền tải. Mặt phẳng điều khiển không bị ảnh hưởng. Trong khi đó, OoBTC/TrFO (Out-of-Band Transcoder Control/ Transcoder Free Operation) là giao thức và thủ tục trong mặt phẳng điều khiển cuộc gọi và truyền lưu lượng cuộc gọi. OoBTC cho phép MSC-S lựa chọn loại mã sử dụng tại 2 nút M-MGw. TrFO chỉ sử dụng trong mạng truyền tải chuyển mạch gói. MSC Server và M-MGw cần được nâng cấp. OoBTC/TrFO là giải pháp cho mạng lõi phân lớp. OoBTC phối hợp các loại mã hóa trong mạng truy nhập vô tuyến (RAN) và mạng lõi, đạt được sự tương thích tối đa.
MSS 4.0 hỗ trợ cơ chế TrFO - Transcoder Free Operation, cho phép truyền thoại nén trong cuộc gọi UE – UE trong mạng WCDMA. MSS 4.1 hỗ trợ cơ chế TFO - Tandem Free operation và cơ chế phối hợp TrFO/TFO, cho phép truyền thoại nén trong cuộc gọi MS-MS trong mạng GSM.
Cả TFO và TrFO đều có thể cải thiện chất lượng thoại cho các bộ mã hóa thoại hiện tại, đồng thời tránh được việc mã hóa trên đường truyền.
Transcoder Free Operation (TrFO) có nghĩa là không có bộ mã hóa trong mạng lõi. Do đó, mã hóa từ mạng truy nhập vô tuyến đến MGW giống với mã hóa trong mạng lõi.
Nguyên tắc chính của TFO/TrFO được minh họa trong hình 2.18 và hình 2.19, một dùng cho kiến trúc mạng phân lớp và một dùng cho kiến trúc mạng sử dụng MSC truyền thống. Trong kiến trúc WCDMA R5/GSM R12, các nút MSC Server và M-MGw thuộc mạng lõi và BSC/TRC thuộc phân hệ trạm gốc đều bị ảnh hưởng.
Hình 2.18: TFO/TrFO trong kiến trúc mạng phân lớp
Đối với kiến trúc mạng sử dụng MSC truyền thống thì chỉ dùng giải pháp TFO.
Hình 2.19: TFO trong kiến trúc mạng sử dụng MSC truyền thống
TrFO – Cuộc gọi UE tới UE
Hình 2.20: Cơ chế TrFO MSC-S thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Nhận thông tin mã hóa của di động
- Tạo danh sách mã hóa
- Lựa chọn mã truy nhập thông dụng như UMTS_AMR2 (Set 1) hoặc UMTS_AMR2 (Set 7)
TrFO Connection, AMR end-to-end H.248
Nb over ATM or IP Transport
UE UE Iu Iu BICC (OoBTC) RANAP MSC-S MSC-S MGw MGw RNC RNC
TrFO Connection, AMR end-to-end TrFO Connection, AMR end-to-end H.248
Nb over ATM or IP Transport
UE UE Iu Iu BICC (OoBTC) RANAP MSC-S MSC-S MGw MGw RNC RNC
MSC-S đảm bảo liên kết TrFO được duy trì trong hầu hết các trường hợp cơ bản như chuyển giao cuộc gọi thuộc cùng MSC, chuyển hướng cuộc gọi, định tuyến, chờ hay giữ cuộc gọi và các dịch vụ IN…
Mã hóa tại rìa - Các cuộc gọi từ mạng ngoài (PSTN, PLMN)
Khi không thực hiện được kết nối không bộ mã hóa (Transcoder Free Link) từ đầu cuối đến đầu cuối, ví dụ, trong các trường hợp cuộc gọi xuất phát từ mạng PSTN/ISDN với truy nhập TDM, thì thêm bộ mã hóa trong mạng lõi. Khi đó, thoại nén được truyền qua mạng lõi gói và việc mã hóa thực hiện tại ranh giới của PLMN.
Hình 2.21: Mã hóa tại rìa mạng PSTN
Cơ chế mã hóa tại rìa giảm băng thông sử dụng cho cuộc gọi từ mạng WCDMA tới mạng ngoài và ngược lại.
Nếu vận chuyển theo IP, tín hiệu thoại được mã hóa PCM yêu cầu tốc
độ xấp xỉ 158kbps, trong khi đó tốc độ UMTS_AMR2 khoảng 23kbps với
cùng điều kiện truyền tải. Nếu vận chuyển theo ATM, tín hiệu thoại mã hóa PCM trong lớp vận chuyển ATM (AAL2) yêu cầu tốc độ cỡ 85kbps, trong khi đó tốc độ UMTS_AMR2 khoảng 11kbps. ISUP External Network PSTN, ISDN, PLMN TDM
AMR to the edge of the network PCM coded speech
H.248
Nb over ATM or IP Transport
UE Iu BICC (OoBTC) MSC-S MSC-S MGw MGw RNC Codec ISUP External Network PSTN, ISDN, PLMN External Network PSTN, ISDN, PLMN TDM
AMR to the edge of the network
AMR to the edge of the network PCM coded speechPCM coded speech
H.248
Nb over ATM or IP Transport
UE Iu BICC (OoBTC) MSC-S MSC-S MGw MGw RNC Codec Codec
TFO/TrFO Interworking
Hầu hết các mạng lõi thế hệ mới hiện nay đều đã hỗ trợ TFO/TrFO. Vì trong mạng lõi chuyển mạch gói chỉ truyền thoại mã hóa tốc độ AMR hoặc EFR nên tiết kiệm được chi phí truyền dẫn. Tandem Free Operation (TFO) hoạt động giữa BSC và MGw thông qua truyền tải 64k PCM, trong khi thoại mã hóa tốc độ AMR hoặc EFR chỉ truyền giữa các MGw trong mạng lõi chuyển mạch gói. Vì vậy, tiết kiệm được chi phí truyền dẫn thực tế trong mạng lõi.
TFO/TrFO Interworking dựa trên cơ chế Out-of-Band Transcoder Control (OoBTC) và Tandem Free Operation (TFO).
Hình 2.22: Thủ tục TFO/TrFO trong cuộc gọi GSM tới GSM
Giữa BSC and MGw: Thoại mã hóa tốc độ AMR được truyền trên các khung TFO.
Bộ transcoder trong MGw đóng gói lại và chỉ AMR được truyền trong mạng lõi.
MGw ở phía thu tái tạo khung TFO từ AMR và chuyển tới BSC. BSC đóng gói lại AMR và chuyển tới thiết bị thu.