基于GSM的第三代移動(dòng)通信過(guò)渡技術(shù)——EDGE

　　摘要：EDGE是GSM網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展方案，可充分利用現(xiàn)有的資源，稍做小的改動(dòng)，并最終向第三代系統(tǒng)平滑過(guò)渡。本文介紹了EDGE的要領(lǐng)和發(fā)展過(guò)程，從無(wú)線接口參數(shù)、無(wú)線協(xié)議方面分析了EDGE的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提出了在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中部署EDGE對(duì)原有系統(tǒng)可能的影響以及改進(jìn)辦法。



　　關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信 EDGE GEPRS ECSD GSM 第三代



1 概述



　　GSM和TDMA-136是現(xiàn)在全球通用的第二代蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。由于用戶數(shù)量巨大，增長(zhǎng)快速，運(yùn)營(yíng)商不可能拋棄現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)而建立起全新的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。因此只有采取逐步演進(jìn)的方式，而EDGE就是很好的解決方案。



　　現(xiàn)有GSM系統(tǒng)，一般僅能夠提供9.6kbit/s的電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這樣低的數(shù)據(jù)通信速率顯然無(wú)法滿足移動(dòng)多媒體數(shù)據(jù)通信的需求，因此，廠家們紛紛在開發(fā)新的、速率更快的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)，其中最典型的就是GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)）和HCSD（高速率電路交換數(shù)據(jù)）。HCSD的最高速率可達(dá)57.6kbit/s。GPRS在核心網(wǎng)絡(luò)首次引入了分級(jí)交換的方式，成為GSM向第三代網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的必經(jīng)之路，可向用戶提供最高速率為171kbit/s的鏈路，一般只為108kbit/s。HCSD（或原GSM系統(tǒng)）和GPRS系統(tǒng)都可以采用一種新的高電平調(diào)制方式的EDGE（增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)）來(lái)提高調(diào)制的有效性，它能使得用戶數(shù)據(jù)速率達(dá)到384kbit/s。這種基于第二代的無(wú)線接入技術(shù)EDGE，為GSM和TDMA-136在現(xiàn)有頻段（800、900、1800和平共處900MHz）上發(fā)展第三代業(yè)務(wù)提供了可能。



　　本文主要介紹EDGE的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及在GSM網(wǎng)絡(luò)中部署EDGE時(shí)對(duì)原有系統(tǒng)的影響。



2 EDGE的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)



2.1 EDGE的主要無(wú)線接口參數(shù)



　　EDGE主要是對(duì)無(wú)線接口的改進(jìn)，使當(dāng)前的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)可以獲得更高的數(shù)據(jù)通信速率。現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)主要采用GMSK調(diào)制技術(shù)，為增加無(wú)線接口的總速率，在EDGE中引入了一個(gè)能夠提供高數(shù)據(jù)速率的調(diào)制方案，即八進(jìn)制移相鍵控（8PSK）調(diào)制。由于8PSK和GMSK的信號(hào)空間從2個(gè)擴(kuò)展到8個(gè)，因此每個(gè)符號(hào)包含的信息都是原來(lái)的4倍。8PSK的符合速率保持在271kbit/s，每個(gè)時(shí)隙可以得到69.2kbit/s的總速率，并且仍然能夠完成GSM頻譜屏蔽，EDGE無(wú)線接口主要參數(shù)見表1。



表1 EDGE無(wú)線接口主要參數(shù)

載波間隔 200kHz

符合速率 270.1 kilosymbols

幀長(zhǎng)度 4.615ms

每幀時(shí)隙數(shù) 8

調(diào)制方式 GMSK 8-PSK

每個(gè)突發(fā)的有效載荷 符號(hào)數(shù) 116 116

比特?cái)?shù) 116 348

無(wú)線接口的數(shù)據(jù)率 每時(shí)隙 22.8 kbit/s 69.6 kbit/s

每幀 182.4 kbit/s 556.8 kbit/s



　　EDGE通過(guò)多時(shí)隙操作（Multislot Connection）來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的比特率，并通過(guò)鏈路自適應(yīng)（Link Adaptation）和逐步增加冗余（Incremental Redundancy）來(lái)控制鏈路質(zhì)量。



　　所謂鏈路自適應(yīng)就是能夠自動(dòng)選擇調(diào)制和編碼方案來(lái)適應(yīng)無(wú)線鏈路質(zhì)量的需求。鏈路自適應(yīng)意味著實(shí)現(xiàn)調(diào)制和編碼的完全自動(dòng)化，不需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者額外管理。但在現(xiàn)實(shí)情況下，各種調(diào)制和編碼方案之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換并不容易，它需要在接收端進(jìn)行精確的SNR測(cè)量并作迅速反饋。另外，理想的交換點(diǎn)是移動(dòng)速率的函數(shù)，這樣當(dāng)干擾特性、信道特性和延遲等發(fā)生改變時(shí)，就會(huì)造成收發(fā)端來(lái)不及進(jìn)行響應(yīng)而引起理想交換點(diǎn)的偏移。為了避免這種危險(xiǎn)性，引出了逐步增加冗余傳輸?shù)母拍睢?BR>


2.2 無(wú)線協(xié)議的修改



　　EDGE包括一個(gè)分組交換傳輸模式（EGPRS）和一個(gè)電路交換傳輸模式（ECSD）。由于要支持更高的比特率和優(yōu)化性能，因此必須對(duì)現(xiàn)有無(wú)線協(xié)議進(jìn)行必要的修改。



（1）分組交換傳輸方式（EGPRS）



　　EGPRS定義了9種調(diào)制編碼方案，共分A、B、C 3類，見表2。每一類各有一個(gè)基本的有效負(fù)荷單元，分別為37、28和22字節(jié)，每一類中又通過(guò)在每個(gè)無(wú)線分組上傳送不同數(shù)目的有效負(fù)荷單元來(lái)獲得不同的編碼速率。對(duì)于類別A和B，每個(gè)無(wú)線分組可傳送1、2或4個(gè)有效負(fù)荷單元；對(duì)于類別C，每個(gè)無(wú)線分組僅可傳送1或2個(gè)有效負(fù)荷單元。當(dāng)一次傳送4個(gè)有效負(fù)荷單元（MCS-7、MCS-8、MCS-9）時(shí)，這4個(gè)有效負(fù)荷單元被分成2個(gè)RL分組。對(duì)于MCS-7，在4個(gè)突發(fā)上進(jìn)行交織；對(duì)于MCS-8和MCS-9，這些分組在2個(gè)突發(fā)上進(jìn)行交織，所有其他攜帶一個(gè)RLC分組（但可能由1或2個(gè)有效負(fù)荷單元組成）的MCS都是在4個(gè)突發(fā)上進(jìn)行交織。



表2 EGPRS的調(diào)制編碼方案

方案 編碼速率 調(diào)制方式樣 一個(gè)無(wú)線分 類別 頭部編 數(shù)據(jù)率

組包括的 碼速率 (kbit/s)

RLC分組數(shù)

MCS-1 0.53 GMSK 1 C 0.51 8.8

MCS-2 0.66 GMSK 1 C 0.51 11.2

MCS-3 0.85 GMSK 1 C 0.51 14.8

MCS-4 1.0 GMSK 1 C 0.51 17.6

MCS-5 0.37 8-PSK 1 C 1/3 22.4

MCS-6 0.49 8-PSK 1 C 1/3 29.6

MCS-7 0.76 8-PSK 2 C 0.36 44.8

MCS-8 0.92 8-PSK 2 C 0.36 56.4

MCS-9 1.0 8-PSK 2 C 0.36 59.2



　　為了增強(qiáng)無(wú)線分組頭部保護(hù)能力，無(wú)線分組的頭部與數(shù)據(jù)部分是分開進(jìn)行編碼的。由頭部計(jì)算出的8比特CRC用于錯(cuò)誤檢測(cè)，接下來(lái)進(jìn)行1/3速率的卷積編碼（并進(jìn)行收縮）用于錯(cuò)誤糾正。頭部共有3種格式：一種是MCS-7、MSC-8和MCS-9使用的；一種是MCS-5和MCS-6使用的；還有一種MCS-1到MCS-4使用的；前兩種采用8-PSK，第3種采用GMSK。



（2）電路交換傳輸方式（ECSD）



　　ECSD是基于HCSD的傳輸和信令機(jī)制，所以對(duì)當(dāng)前規(guī)范修改較少。ECSD支持透明（T）業(yè)務(wù)和非透明（NT）業(yè)務(wù)。在第1階段的規(guī)范中，數(shù)據(jù)速率限制在64kbit/s，這意味著與現(xiàn)有的GSM相比，最大數(shù)據(jù)速率并沒(méi)有增加，但是同樣的業(yè)務(wù)可用更少的時(shí)隙數(shù)和相對(duì)簡(jiǎn)單的移動(dòng)臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，由于各個(gè)用戶占用的時(shí)隙數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)GSM系統(tǒng)時(shí)要少，從而可以增加系統(tǒng)的容量。



　　GSM中可達(dá)到的電路交換型無(wú)線接口速率和ECSD中可達(dá)到的無(wú)線接口速率見表3，ECSD無(wú)線接口速率分別是29.0kbit/s、32.0kbit/s和43.5kbit/s，對(duì)應(yīng)的單時(shí)隙用戶速率分別為28.8kbit/s、32.0kbit/s和43.2kbit/s其中，28.8kbit/s的數(shù)據(jù)速率可用于透明業(yè)務(wù)和非透明業(yè)務(wù)（通過(guò)單時(shí)隙或多時(shí)隙配置）；32.0kbit/s僅用于提供64kbit/s ECSD透明業(yè)務(wù)（通過(guò)2個(gè)時(shí)隙配置）；43.2kbit/s僅用于ECSD非透明業(yè)務(wù)。



表3 ECSD的調(diào)制編碼方案

信 道 編碼速率(kbit/s) 調(diào)制方式 無(wú)線接口速率(kbit/s)

TCH/F2.4 0.16 GMSK 3.6

TCH/F4.8 0.26 GMSK 6.0

TCH/F9.6 0.53 GMSK 12.0

TCH/F14.4 0.64 GMSK 14.5

e-TCH/F28.8(NT+T) 0.419 8-PSK 29.0

E-TCH/F32(T) 0.462 8-PSK 32.0

E-TCH/F43.2(NT) 0.629 8-PSK 43.5



3 EDGE在GSM網(wǎng)絡(luò)中的部署問(wèn)題及改進(jìn)辦法



3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)



　　無(wú)線數(shù)據(jù)通信速率的提高對(duì)現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了新的要求，但由于GPRS節(jié)點(diǎn)、SGSN和網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）或多或少地獨(dú)立于用戶數(shù)據(jù)通信速率，因此EDGE將不需要部署新的硬件。GSM/GPRS體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。



　　一個(gè)明顯的通信瓶頸是A-bis接口，它當(dāng)前只能支持每信道時(shí)隙為16kbit/s的速率。而對(duì)于EDGE，每個(gè)信道的速率將超過(guò)64kbit/s，這要求為每個(gè)通信信道分配多個(gè)A-bis時(shí)隙。不過(guò)，A-bis接16kbit/s的限制可以通過(guò)引入兩個(gè)GPRS編碼方案（CS3和CS4）來(lái)突破，它能夠提供的最大碼率為22.8kbit/s。



3.2 無(wú)線接口設(shè)備



　　EDGE對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)原有無(wú)線接口的修改將直接影響基站和移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)，人們必須采用新的終端和基站收發(fā)機(jī)才能收發(fā)使用EDGE調(diào)制的信息。



　　與GMSK不同，8PSK不是恒包絡(luò)調(diào)制，并不具有一個(gè)固定的封裝，這種新的調(diào)制方案對(duì)功率放大器的線性提出了新的要求。設(shè)計(jì)上面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)低成本、同時(shí)完成GSM的頻譜屏蔽的發(fā)射機(jī)，為了最大限度地利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，EDGE收發(fā)現(xiàn)一般裝在一個(gè)為標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)的基站艙中，并且在發(fā)射頻譜和散熱方面可以被接受。一般地，高性能的EDGE收發(fā)機(jī)在發(fā)射8PSK時(shí)可能需要減少它的平均發(fā)射功率，與GMSK相比，平均功率降低2-5dB。如何設(shè)計(jì)低功率的收發(fā)機(jī)和移動(dòng)終端將會(huì)帶來(lái)進(jìn)一步的挑戰(zhàn)，比如在EDGE系統(tǒng)中就不能再使用針對(duì)非線性調(diào)制優(yōu)化的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。



3.3 總速率



　　接口總速率越高，技術(shù)就越復(fù)雜，EDGE接口的高速率無(wú)法通過(guò)最理想的均衡器結(jié)構(gòu)來(lái)處理，而只能考慮較理想的均衡器設(shè)計(jì)。從模擬測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，用于8PSK的最理想的均衡器設(shè)計(jì)將只比標(biāo)準(zhǔn)的GSM均衡器稍微復(fù)雜一點(diǎn)。在絕大多數(shù)情況下，EDGE服務(wù)將被相對(duì)靜止的用戶使用，這意味著移動(dòng)終端的高速移動(dòng)和過(guò)渡的時(shí)間分布是不可能的。另外，當(dāng)移動(dòng)速度和時(shí)間分布超出EDGE的能力時(shí)，還是需要使用GMSK調(diào)制的。



3.4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃



　一個(gè)決定EDGE能否取得成功的重要條件是能夠允許網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商逐步引入EDGE。具有EDGE功能的收發(fā)機(jī)最早應(yīng)該部署在最需要EDGE覆蓋的地方，以補(bǔ)充現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)GSM收發(fā)機(jī)，因此在一個(gè)相同的頻段，電路交換、GPRS和EDGE用戶將同時(shí)存在。為了將運(yùn)營(yíng)商的投資和成本降到最低，與EDGE相關(guān)的實(shí)現(xiàn)不能對(duì)現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃做大的修改。



（1）覆蓋規(guī)劃



　　非透明無(wú)線鏈路協(xié)議的一個(gè)重要特點(diǎn)是較差的無(wú)線鏈路質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致更低的比特率，低信噪比不會(huì)引起掉話，但會(huì)引起暫時(shí)的用戶比特率的降低。一個(gè)EDGE信元將同時(shí)包括具有不同通信速率的用戶，在接近信元中心的地方通信速率高，在接近信元邊界的地方通信速率限制在標(biāo)準(zhǔn)GPRS的范圍內(nèi)。



　　在覆蓋范圍的問(wèn)題上，如果網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠接受在信元邊界只具有標(biāo)準(zhǔn)GPRS數(shù)據(jù)通信速率，那么現(xiàn)有的GSM站點(diǎn)已經(jīng)提供了EDGE足夠使用的覆蓋范圍。對(duì)于一般需要持續(xù)比特率的透明數(shù)據(jù)服務(wù)來(lái)說(shuō)，則必須使用鏈路自適應(yīng)技術(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)指配時(shí)隙數(shù)。



（2）頻率規(guī)劃



　　現(xiàn)有GSM系統(tǒng)中，頻率利用系數(shù)一般在9-12之間。未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)將向著更低頻率再使用方向發(fā)展。通過(guò)運(yùn)用跳頻和多重再使用方式（MPR）以及不連續(xù)發(fā)射技術(shù)（DTX），頻率再用系數(shù)<3也是可行的，即每3個(gè)基站就會(huì)發(fā)生頻率被重新使用的情況。EDGE支持頻率再使用，事實(shí)上，通過(guò)采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)，EDGE可以在任意的頻率規(guī)劃中被引入，包括可以在現(xiàn)有的GSM頻率規(guī)劃中被采用。



（3）信道管理



　　引入EDGE以后，一個(gè)信元將包括兩類收發(fā)機(jī)：標(biāo)準(zhǔn)GSM收發(fā)機(jī)和EDGE收發(fā)機(jī)。信元中的每個(gè)物理信道（時(shí)隙）一般至少具有4種信道類型：GSM語(yǔ)音和GSM電路交換數(shù)據(jù)（CSD）；GPRS分組數(shù)據(jù)；電路交換數(shù)據(jù)、增強(qiáng)電路交換數(shù)據(jù)（ECSD）和GSM語(yǔ)音；EDGE分組數(shù)據(jù)（EGPRS），它允許同時(shí)為GPRS和EDGE用戶提供服務(wù)。



　　標(biāo)準(zhǔn)GSM收發(fā)信機(jī)只支持以上信道的前面兩種信道類型，而EDGE則支持所有4種信道類型，并且物理信道可以根據(jù)需要在基站動(dòng)態(tài)定義。顯然，在EDGE系統(tǒng)中必須能夠?qū)崿F(xiàn)上述4種信道的自動(dòng)管理，否則將大大削弱EDGE系統(tǒng)的效率。



4 結(jié)束語(yǔ)



　　EDGE估計(jì)于2002年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，由于GSM和TDMA-136系統(tǒng)的用戶數(shù)較大，徹底革新?lián)Q代是不可能的，而EDGE能在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中逐步引入，改動(dòng)也很小，較好地照顧了運(yùn)營(yíng)商和用戶的利益。另外，通過(guò)修改調(diào)制方式，EDGE最終能平滑過(guò)渡到UMTS（第三代）。估計(jì)在不久的將來(lái)，EDGE將給我們帶來(lái)更多的無(wú)線應(yīng)用，如無(wú)線多媒體、無(wú)線E-mail、Web休息和無(wú)線視頻會(huì)議。







摘自《電信技術(shù)》