基于GSM的第三代移動通信過渡技術EDGE
發布日期：2022-04-27 點擊率：151 品牌：GS11
摘要：EDGE是GSM網絡的擴展方案，可充分利用現有的資源，稍做小的改動，并最終向第三代系統平滑過渡。本文介紹了EDGE的要領和發展過程，從無線接口參數、無線協議方面分析了EDGE的技術標準，提出了在現有GSM網絡中部署EDGE對原有系統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是現在全球通用的第二代蜂窩移動通信標準。由于用戶數量巨大，增長快速，運營商不可能拋棄現有網絡而建立起全新的第三代移動通信系統。因此只有采取逐步演進的方式，而EDGE就是很好的解決方案。
現有GSM系統，一般僅能夠提供9.6kbit/s的電路型數據業務，這樣低的數據通信速率顯然無法滿足移動多媒體數據通信的需求，因此，廠家們紛紛在開發新的、速率更快的移動數據通信技術，其中最典型的就是GPRS（通用分組無線服務）和HCSD（高速率電路交換數據）。HCSD的最高速率可達57.6kbit/s。GPRS在核心網絡首次引入了分級交換的方式，成為GSM向第三代網絡演進的必經之路，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）和GPRS系統都可以采用一種新的高電平調制方式的EDGE（增強數據速率業務）來提高調制的有效性，它能使得用戶數據速率達到384kbit/s。這種基于第二代的無線接入技術EDGE，為GSM和TDMA-136在現有頻段（800、900、1800和平共處900MHz）上發展第三代業務提供了可能。
本文主要介紹EDGE的技術標準，以及在GSM網絡中部署EDGE時對原有系統的影響。
2 EDGE的技術標準
2.1 EDGE的主要無線接口參數
EDGE主要是對無線接口的改進，使當前的蜂窩移動通信系統可以獲得更高的數據通信速率。現有的GSM網絡主要采用GMSK調制技術，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據速率的調制方案，即八進制移相鍵控（8PSK）調制。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無線接口主要參數見表1。
表1 EDGE無線接口主要參數
載波間隔 200kHz
符合速率 270.1 kilosymbols
幀長度 4.615ms
每幀時隙數 8
調制方式 GMSK 8-PSK
每個突發的有效載荷 符號數 116 116
比特數 116 348
無線接口的數據率 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）來控制鏈路質量。
所謂鏈路自適應就是能夠自動選擇調制和編碼方案來適應無線鏈路質量的需求。鏈路自適應意味著實現調制和編碼的完全自動化，不需要網絡運營者額外管理。但在現實情況下，各種調制和編碼方案之間進行動態切換并不容易，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，這樣當干擾特性、信道特性和延遲等發生改變時，就會造成收發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的概念。
2.2 無線協議的修改
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化性能，因此必須對現有無線協議進行必要的修改。
（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，每一類中又通過在每個無線分組上傳送不同數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個突發上進行交織；對于MCS-8和MCS-9，這些分組在2個突發上進行交織，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個突發上進行交織。
表2 EGPRS的調制編碼方案
方案 編碼速率 調制方式樣 一個無線分 類別 頭部編 數據率
組包括的 碼速率 (kbit/s)
RLC分組數
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據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，所以對當前規范修改較少。ECSD支持透明（T）業務和非透明（NT）業務。在第1階段的規范中，數據速率限制在64kbit/s，這意味著與現有的GSM相比，最大數據速率并沒有增加，但是同樣的業務可用更少的時隙數和相對簡單的移動臺來實現，同時，由于各個用戶占用的時隙數比標準GSM系統時要少，從而可以增加系統的容量。
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的數據速率可用于透明業務和非透明業務（通過單時隙或多時隙配置）；32.0kbit/s僅用于提供64kbit/s ECSD透明業務（通過2個時隙配置）；43.2kbit/s僅用于ECSD非透明業務。
表3 ECSD的調制編碼方案
信 道 編碼速率(kbit/s) 調制方式 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網絡中的部署問題及改進辦法
3.1 網絡結構
無線數據通信速率的提高對現有GSM網絡結構提出了新的要求，但由于GPRS節點、SGSN和網關GPRS支持節點（GGSN）或多或少地獨立于用戶數據通信速率，因此EDGE將不需要部署新的硬件。GSM/GPRS體系結構如圖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機才能收發使用EDGE調制的信息。
與GMSK不同，8PSK不是恒包絡調制，并不具有一個固定的封裝，這種新的調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是實現一個低成本、同時完成GSM的頻譜屏蔽的發射機，為了最大限度地利用現有的GSM網絡，EDGE收發現一般裝在一個為標準收發機設計的基站艙中，并且在發射頻譜和散熱方面可以被接受。一般地，高性能的EDGE收發機在發射8PSK時可能需要減少它的平均發射功率，與GMSK相比，平均功率降低2-5dB。如何設計低功率的收發機和移動終端將會帶來進一步的挑戰，比如在EDGE系統中就不能再使用針對非線性調制優化的發射機結構。
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調制的。
3.4 無線網絡規劃
一個決定EDGE能否取得成功的重要條件是能夠允許網絡運營商逐步引入EDGE。具有EDGE功能的收發機最早應該部署在最需要EDGE覆蓋的地方，以補充現有的標準GSM收發機，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相關的實現不能對現有無線網絡規劃做大的修改。
（1）覆蓋規劃
非透明無線鏈路協議的一個<
