基于GSM的第三代移動通信過渡技術EDGE
發(fā)布日期：2022-04-27 點擊率：133 品牌：GS11
摘要：EDGE是GSM網(wǎng)絡的擴展方案，可充分利用現(xiàn)有的資源，稍做小的改動，并最終向第三代系統(tǒng)平滑過渡。本文介紹了EDGE的要領和發(fā)展過程，從無線接口參數(shù)、無線協(xié)議方面分析了EDGE的技術標準，提出了在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡中部署EDGE對原有系統(tǒng)可能的影響以及改進辦法。
關鍵詞：移動通信 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通信標準。由于用戶數(shù)量巨大，增長快速，運營商不可能拋棄現(xiàn)有網(wǎng)絡而建立起全新的第三代移動通信系統(tǒng)。因此只有采取逐步演進的方式，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，這樣低的數(shù)據(jù)通信速率顯然無法滿足移動多媒體數(shù)據(jù)通信的需求，因此，廠家們紛紛在開發(fā)新的、速率更快的移動數(shù)據(jù)通信技術，其中最典型的就是GPRS（通用分組無線服務）和HCSD（高速率電路交換數(shù)據(jù)）。HCSD的最高速率可達57.6kbit/s。GPRS在核心網(wǎng)絡首次引入了分級交換的方式，成為GSM向第三代網(wǎng)絡演進的必經(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（增強數(shù)據(jù)速率業(yè)務）來提高調(diào)制的有效性，它能使得用戶數(shù)據(jù)速率達到384kbit/s。這種基于第二代的無線接入技術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)務提供了可能。
本文主要介紹EDGE的技術標準，以及在GSM網(wǎng)絡中部署EDGE時對原有系統(tǒng)的影響。
2 EDGE的技術標準
2.1 EDGE的主要無線接口參數(shù)
EDGE主要是對無線接口的改進，使當前的蜂窩移動通信系統(tǒng)可以獲得更高的數(shù)據(jù)通信速率。現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡主要采用GMSK調(diào)制技術，為增加無線接口的總速率，在EDGE中引入了一個能夠提供高數(shù)據(jù)速率的調(diào)制方案，即八進制移相鍵控（8PSK）調(diào)制。由于8PSK和GMSK的信號空間從2個擴展到8個，因此每個符號包含的信息都是原來的4倍。8PSK的符合速率保持在271kbit/s，每個時隙可以得到69.2kbit/s的總速率，并且仍然能夠完成GSM頻譜屏蔽，EDGE無線接口主要參數(shù)見表1。
表1 EDGE無線接口主要參數(shù)
載波間隔 200kHz
符合速率 270.1 kilosymbols
幀長度 4.615ms
每幀時隙數(shù) 8
調(diào)制方式 GMSK 8-PSK
每個突發(fā)的有效載荷 符號數(shù) 116 116
比特數(shù) 116 348
無線接口的數(shù)據(jù)率 每時隙 22.8 kbit/s 69.6 kbit/s
每幀 182.4 kbit/s 556.8 kbit/s
EDGE通過多時隙操作（Multislot Connection）來實現(xiàn)更高的比特率，并通過鏈路自適應（Link Adaptation）和逐步增加冗余（Incremental Redundancy）來控制鏈路質(zhì)量。
所謂鏈路自適應就是能夠自動選擇調(diào)制和編碼方案來適應無線鏈路質(zhì)量的需求。鏈路自適應意味著實現(xiàn)調(diào)制和編碼的完全自動化，不需要網(wǎng)絡運營者額外管理。但在現(xiàn)實情況下，各種調(diào)制和編碼方案之間進行動態(tài)切換并不容易，它需要在接收端進行精確的SNR測量并作迅速反饋。另外，理想的交換點是移動速率的函數(shù)，這樣當干擾特性、信道特性和延遲等發(fā)生改變時，就會造成收發(fā)端來不及進行響應而引起理想交換點的偏移。為了避免這種危險性，引出了逐步增加冗余傳輸?shù)母拍睢?
2.2 無線協(xié)議的修改
EDGE包括一個分組交換傳輸模式（EGPRS）和一個電路交換傳輸模式（ECSD）。由于要支持更高的比特率和優(yōu)化性能，因此必須對現(xiàn)有無線協(xié)議進行必要的修改。
（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。每一類各有一個基本的有效負荷單元，分別為37、28和22字節(jié)，每一類中又通過在每個無線分組上傳送不同數(shù)目的有效負荷單元來獲得不同的編碼速率。對于類別A和B，每個無線分組可傳送1、2或4個有效負荷單元；對于類別C，每個無線分組僅可傳送1或2個有效負荷單元。當一次傳送4個有效負荷單元（MCS-7、MCS-8、MCS-9）時，這4個有效負荷單元被分成2個RL分組。對于MCS-7，在4個突發(fā)上進行交織；對于MCS-8和MCS-9，這些分組在2個突發(fā)上進行交織，所有其他攜帶一個RLC分組（但可能由1或2個有效負荷單元組成）的MCS都是在4個突發(fā)上進行交織。
表2 EGPRS的調(diào)制編碼方案
方案 編碼速率 調(diào)制方式樣 一個無線分 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
為了增強無線分組頭部保護能力，無線分組的頭部與數(shù)據(jù)部分是分開進行編碼的。由頭部計算出的8比特CRC用于錯誤檢測，接下來進行1/3速率的卷積編碼（并進行收縮）用于錯誤糾正。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的傳輸和信令機制，所以對當前規(guī)范修改較少。ECSD支持透明（T）業(yè)務和非透明（NT）業(yè)務。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)速率并沒有增加，但是同樣的業(yè)務可用更少的時隙數(shù)和相對簡單的移動臺來實現(xiàn)，同時，由于各個用戶占用的時隙數(shù)比標準GSM系統(tǒng)時要少，從而可以增加系統(tǒng)的容量。
GSM中可達到的電路交換型無線接口速率和ECSD中可達到的無線接口速率見表3，ECSD無線接口速率分別是29.0kbit/s、32.0kbit/s和43.5kbit/s，對應的單時隙用戶速率分別為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)務和非透明業(yè)務（通過單時隙或多時隙配置）；32.0kbit/s僅用于提供64kbit/s ECSD透明業(yè)務（通過2個時隙配置）；43.2kbit/s僅用于ECSD非透明業(yè)務。
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)絡中的部署問題及改進辦法
3.1 網(wǎng)絡結(jié)構
無線數(shù)據(jù)通信速率的提高對現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡結(jié)構提出了新的要求，但由于GPRS節(jié)點、SGSN和網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點（GGSN）或多或少地獨立于用戶數(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)構如圖1所示。
一個明顯的通信瓶頸是A-bis接口，它當前只能支持每信道時隙為16kbit/s的速率。而對于EDGE，每個信道的速率將超過64kbit/s，這要求為每個通信信道分配多個A-bis時隙。不過，A-bis接16kbit/s的限制可以通過引入兩個GPRS編碼方案（CS3和CS4）來突破，它能夠提供的最大碼率為22.8kbit/s。
3.2 無線接口設備
EDGE對GSM網(wǎng)絡原有無線接口的修改將直接影響基站和移動終端的設計，人們必須采用新的終端和基站收發(fā)機才能收發(fā)使用EDGE調(diào)制的信息。
與GMSK不同，8PSK不是恒包絡調(diào)制，并不具有一個固定的封裝，這種新的調(diào)制方案對功率放大器的線性提出了新的要求。設計上面臨的一個挑戰(zhàn)是實現(xiàn)一個低成本、同時完成GSM的頻譜屏蔽的發(fā)射機，為了最大限度地利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡，EDGE收發(fā)現(xiàn)一般裝在一個為標準收發(fā)機設計的基站艙中，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)機在發(fā)射8PSK時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。如何設計低功率的收發(fā)機和移動終端將會帶來進一步的挑戰(zhàn)，比如在EDGE系統(tǒng)中就不能再使用針對非線性調(diào)制優(yōu)化的發(fā)射機結(jié)構。
3.3 總速率
接口總速率越高，技術就越復雜，EDGE接口的高速率無法通過最理想的均衡器結(jié)構來處理，而只能考慮較理想的均衡器設計。從模擬測試的結(jié)果來看，用于8PSK的最理想的均衡器設計將只比標準的GSM均衡器稍微復雜一點。在絕大多數(shù)情況下，EDGE服務將被相對靜止的用戶使用，這意味著移動終端的高速移動和過渡的時間分布是不可能的。另外，當移動速度和時間分布超出EDGE的能力時，還是需要使用GMSK調(diào)制的。
3.4 無線網(wǎng)絡規(guī)劃
一個決定EDGE能否取得成功的重要條件是能夠允許網(wǎng)絡運營商逐步引入EDGE。具有EDGE功能的收發(fā)機最早應該部署在最需要EDGE覆蓋的地方，以補充現(xiàn)有的標準GSM收發(fā)機，因此在一個相同的頻段，電路交換、GPRS和EDGE用戶將同時存在。為了將運營商的投資和成本降到最低，與EDGE相關的實現(xiàn)不能對現(xiàn)有無線網(wǎng)絡規(guī)劃做大的修改。
（1）覆蓋規(guī)劃
非透明無線鏈路協(xié)議的一個<
