TCH-EFS je kanál pro přenos hovorů v síti GSM, který využívá hlasový kodek Enhanced Full Rate pro poskytování kvalitních, okruhově přepínaných hlasových hovorů rychlostí 12,2 kbps, čímž vylepšuje původní kodek Full Rate.

Popis

Traffic Channel Enhanced Full rate Speech (TCH-EFS) je specifický typ kanálu pro přenos hovorů (TCH) v systémech GSM určený pro přenos hlasu zakódovaného kodekem Enhanced Full Rate (EFR). Kodek EFR, standardizovaný jako kodek ETSI/3GPP AMR-EFR (Adaptive Multi-Rate - Enhanced Full Rate), pracuje s pevnou rychlostí 12,2 kbps. Jde o kodek založený na ACELP (Algebraic Code-Excited Linear Prediction), který poskytuje výrazně lepší kvalitu hlasu ve srovnání s původním kodekem GSM Full Rate (FR) (13 kbps) a je srovnatelný s kvalitou kodeku Half Rate (HR), ale při vyšší přenosové rychlosti. Kanál TCH-EFS zahrnuje celý fyzický a logický řetězec pro přenos tohoto zakódovaného hlasu.

Technicky zabírá kanál TCH-EFS na rozhraní rádiového přístupu jeden celý časový slot na TDMA rámec, podobně jako TCH/F (Full Rate TCH). Hlasový signál je zpracován kodekem EFR, který vytvoří 244 bitů na 20ms hlasový rámec. Tyto bity jsou klasifikovány do tříd 1a (nejcitlivější, s ochranou CRC), 1b (středně citlivé) a 2 (nejméně citlivé). Kanálové kódování aplikuje na bity třídy 1 konvoluční kód s poměrem 1/2, čímž přidává redundanci pro ochranu proti chybám, zatímco bity třídy 2 jsou přenášeny nekódované. Výsledných 456 bitů na 20ms blok je následně prokládáno přes 8 po sobě jdoucích TDMA rámců pro potlačení úniků a shlukových chyb. Po zašifrování jsou bity modulovány pomocí GMSK a vysílány.

Kanálem TCH-EFS spravuje řídicí jednotka základnových stanic (BSC) a jednotka pro převod kodeku a přizpůsobení rychlosti (TRAU). BSC přiděluje TCH-EFS na základě vyjednání kodeku během sestavování hovoru (pomocí signalizace jako je procedura Codec Negotiation). TRAU, často umístěná mezi BSC a páteřní sítí, provádí kódování/dekódování EFR a přizpůsobuje 64 kbps PCM proud z páteřní sítě rychlosti 12,2 kbps na rozhraní rádiového přístupu. Fungování TCH-EFS je podrobně popsáno v TS 46.055, který specifikuje pravidla pro převod kodeku a kanálové kódování. Zajišťuje interoperabilitu mezi mobilními stanicemi a sítěmi podporujícími EFR a poskytuje konzistentní vysoce kvalitní hlasový zážitek.

K čemu slouží

TCH-EFS byl vyvinut, aby vyřešil omezení kvality hlasu původního hlasového kodeku GSM Full Rate (FR), který, přestože byl průlomem pro digitální buněčné sítě, vykazoval znatelné artefakty a špatný výkon v hlučném prostředí. Kodek Enhanced Full Rate, původně vyvinutý pro severoamerický standard D-AMPS (IS-136) jako kodek IS-641, byl přijat pro GSM, aby poskytoval kvalitu hlasu ‘blízkou pevné lince’. To byla klíčová konkurenční výhoda, jak mobilní sítě dospívaly a uživatelská očekávání ohledně srozumitelnosti hovorů rostla. Kanál TCH-EFS poskytl standardizovanou přenosovou vrstvu pro nasazení tohoto vylepšeného kodeku v GSM sítích po celém světě.

Hlavním řešeným problémem bylo zlepšení vnímané kvality hlasu bez nutnosti dodatečného rádiového spektra nebo změny základní struktury TDMA kanálu. TCH-EFS využívá stejné rádiové zdroje (jeden časový slot na rámec) jako TCH/F, ale používá pokročilejší kodekový algoritmus. To umožnilo operátorům sítí aktualizovat software v telefonech a síťových prvcích (TRAU) pro podporu EFR a nabídnout tak hmatatelné zlepšení kvality účastníkům. Také zlepšil výkon v podmínkách s okolním šumem a snížil únavu posluchače při dlouhých hovorech.

Historicky byl TCH-EFS součástí evoluce směrem k efektivnějšímu a adaptivnímu hlasovému kódování. Předcházel kodeku Adaptive Multi-Rate (AMR), který se stal konečným hlasovým kodekem pro GSM/UMTS. AMR dokázal dynamicky přepínat mezi více rychlostmi (včetně režimu EFR 12,2 kbps) na základě stavu kanálu, optimalizujíc poměr kvality a kapacity. TCH-EFS však zůstal specifikován jako možnost s pevným režimem pro kompatibilitu a scénáře, kde se nepoužívá vyjednávání AMR. Jeho zařazení od Release 8 v 3GPP specifikacích zajišťuje podporu v moderních sítích pro interoperabilitu se staršími systémy a testování, protože mnoho GSM sítí pokračovalo v používání EFR jako vysoce kvalitního záložního nebo preferovaného kodeku.

Klíčové vlastnosti

• Přenáší hlas zakódovaný kodekem Enhanced Full Rate (EFR) rychlostí 12,2 kbps
• Poskytuje téměř pevnou linkou kvalitu hlasu, lepší než původní GSM Full Rate
• Používá kódování založené na ACELP s propracovanými třídami ochrany proti chybám
• Zabírá jeden celý časový slot na TDMA rámec (stejně jako TCH/F)
• Zahrnuje specifické kanálové kódování a prokládání definované v TS 46.055
• Je aktivován prostřednictvím vyjednání kodeku během sestavování hovoru

Související pojmy

• TCH/F – Traffic Channel / Full Rate
• AMR – Adaptive Multi-Rate
• TRAU – Transcoder and Rate Adaptation Unit (Frame)

Definující specifikace

• TS 46.055 (Rel-19) — GSM Enhanced Full Rate Speech Codec Performance

📖 Anglický originál a plná specifikace: TCH-EFS na 3GPP Explorer