增強型數據業務DEGE技術

2019-11-03 09:04:43

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供稿：網友

曹云芳，王麗娟
天津厭這電子信息工程學院

　　摘要：增強型數據業務（EDGE）是將現有第二代TDMA移動通信系統推向第三代移動通信系統平滑過渡的一種方案，主要在第二代GSM中采用了一種改進的多電平8-PSK調制方式。因此介紹了EDGE的概念，發展過程、技術標準、承載業務等，并分析了在現有GSM網中部署EDGE對原有網絡系統產生的影響。

　　關鍵詞：增強型數據業務；增通用分組數據業務；電路交換數據業務；第三代移動通信系統

1 引言

　　目前，ITU對第三代移動通信系統（IMT-2000）無線傳輸技術標準（RTT）的制定工作已告一段落，第三代移動通信無線傳輸的技術要求是：

（1）快速移動環境，速率至少達144kbit/s；

（2）室外到室內或步行環境，速率至少達384kbit/s；

（3）室內環境，速率至少達2Mbit/s。

ITU還為IMT-2000分配了專門的頻段，即在2GHz頻段。

　　對第三代系統的部署有兩種方案：即建立全新的第三代移動通信網絡和在現有移動通信網絡的基礎上逐步演進。由于目前世界上普遍使用的是第二代移動通信系統，如GSM、TDMA-136等等，而基于TDMA的系統不能支持第三代移動通信系統所要求的高速數據業務，且現有第二代系統的用戶數量又巨大，仍有快速增長的態勢。估計到2006年全世界移動通信用戶的用戶數將達到16億，其中GSM及WCDMA制式的系統將覆蓋80%以上的電信市場（包括美國也在發展GSM）。因此運營者不可能拋棄現有的網絡而建立全新的第三代移動通信系統，而必然采用逐步向第三代系統演進的策略，尤其是對于已經將第三代移動通信的頻段占用的美國來說更是如此。

　　現有的GSM系統，一般只能提供9.6kbit/s的電路型數據業務，顯然無法滿足移動多媒體數據通信的需要。因此，廠商們紛紛開發新的、速率更高的移動通信業務，其中最典型的就是通用分組無線業務（GPRS）和高速率電路交換業務（HCSD）。HCSD的最高速率可達到57.6kbit/s，而GPRS，在核心網中首次引入了分組交換的技術，可以向用戶提供最高速率達171kbit/s的鏈路。雖然HSCSD和GPRS均采用的是多時隙的操作模式，但調制仍然是低頻帶利用率的數字無線移位鍵控（GMSK）的方式，與第三代移動通信系統384kbit/s速率的廣域覆蓋和大約2Mbit/s的數據速率相比，差距還是很大的。為了滿足不斷增長的對高速數據業務和市場的需要，增強現有系統的競爭力，美國的TLA（Telecommunication Industrial Association）和歐洲電信標準化學會（ETS（I：Europe Telecommunication Standand Institute）聯合提出了一種基于TDMA的無線接入技術—增強型數據業務（EDGE：Enhanced Date Rates for GSM Evolution）技術。該技術由現有的GSM和TDMA-136頻段（800，900，1800，1900MHz頻段）來提供部分第三代的業務。因此，本文對EDGE的概念、技術標準以及引入到GSM網絡中后對原有系統的影響等予以簡要的介紹。

2 EDGE的技術標準

　　從技術上講，EDGE主要是對無線接口做了改進，但可以將其看成是一種允許GSM網絡提供新業務的系統。

2．1 EDGE無線接口的主要參數

EDGE無線接口的主要參數如表1所示。

　　EDGE的目的是為了在現有移動通信系統中能夠提供比較高的比特率和頻譜效率，特別是為了提高比特率，引入了多電平調制（8-PSK）方式，而GSM系統現使用的GMSK調制方式也可成為EDGE調制方式的一部分。因為8-PSK與GMSK兩種調制方式的符號率都是271kbit/s，使得每時隙的總比特率分別為22。8kbit/s(GMSK)和69.2kbit/s（8-PSK）。因此，8-PSK調制可用于用戶的數據信道，而GMSK調制則可用于GPRS200kHz載波上的所有控制信道。

　　EDGE物理層有許多參數與GSM相同，載波間隔為200kHz，時隙結構也與GSM相同。在TDMA系統中，所有的數據都是以突發的小“數據包”的形式發送的，數據的特性由無線資源分配方式來決定，可以是連續分配使用的，也可以是按需分配的。顯然，后者的無線資源利用率要高出許多，而且能減少干擾。EDGE突發的格式也與GSM的相似，如圖1所示。

　　一個突發包包括一個位于突發中部用于均衡器的26比特的訓練序列，其頭、尾部各有3個比特，在最后還有8.25個保護比特。每個突發包括2×58個數據比特。

2．2 通信協議的設計

　　EDGE通信協議設計的策略是盡可能利用GSM/GPRS現有的協議。然而，由于該協議需要支持較高的速率，為了優化性能，必須對現有的通信協議進行必要的修改。EDGE協議包括一個增強的通用分組數據業務（EGPRS）和一個增強的電路交換數據業務（ECSD）模式：

（1）EGPRS模式

EGPRS的調制編碼方案如表2所示。

　　EGPRS定義了9種調制編碼方案，共分A，B，C3類（見表2）。每一類有一個基本的負荷單元，分別為37、28和22個字節，還可通過每個無線分組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A和B類，每個無線分組可傳送1、2或4個有效負荷單元，而對于C類，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為2個RLC（無線鏈路控制協議）分組。

　　對于負荷單元MCS-7，在4個突發上進行交織，而對于負荷單元MCS-8和MCS-9，則在兩個突發上進行交織，對于其它攜帶一個RLC分組（但可能有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。為了增強無線分組頭部的糾錯能力，編碼時無線分組的頭部與數據部分是分開進行的。頭部計算出的8比特CRC用于錯誤檢測，接下來的比特要進行1/3速率的卷積編碼（并進行收縮）用于錯誤糾正。其頭部共有3種格式：一種是MCS-7、MCS-8和MCS-9使用的，一種是MCS-5和MCS-6使用的，還有一種是MCS-1到MCS-4使用的。前兩種采用8-PSK，第三種采用GMSK調制。

　　對于比特率更高并且采用了自適應編碼方式的EDGE無線鏈路控制（RLC）協議與采用GPRS協議是不同的，主要是在鏈路質量控制方式上做了改進。由于信道特性是時變的，為了增強鏈路的強健性，有必要對鏈路質量進行控制。鏈路質量控制技術包括鏈路匹配和逐步增加冗余度兩個方面。在鏈路匹配方式中，需要周期性地對鏈路質量進行估計，以為后面要傳輸的內容選擇最合適的調制和編碼方式和使用戶的數據比特率達到最大。

　　適應鏈路質量變化的另一種方式是逐步增加冗余度，在這種方式中，剛開始傳輸的信息，采用糾錯能力較低的編碼方式，若收端解碼正確，則能得到比較高的信息碼率，反之，如果解碼失敗，則需要增加編碼冗余量，直到解碼正確為止。顯然，編碼冗余度的增加會導致有效數據速率的降低和延時的增加。

　　EPGRS支持以上兩種組合方式。對于逐步增加編碼冗余度的方式，初始編碼速率的選取取決于鏈路質量的測量結果。如果鏈路質量較差，需引入較多的編碼冗余度，反之，需引入較少的編碼冗余度，以免資源浪費。

（2）ECSD模式

　　在EDGE中包括ECSD模式的目的是為了現有GSM系統中的電路交換數據業務協議盡量保持不變。與GSM一樣，一個數據幀在22個TDMA幀中進行交織，增加了三種新的信道編碼方式和采用了8-PSK的調制方式，其無線接口數據率的范圍是每時隙3.6kbit/s～38.8kbit/s。而對于非透明業務，依然采用GSM的無線鏈路協議。

（3）EDGE Compact

EDGE Compact模式具有以下特點：

a.是一個卓越的高速分組數據系統；

b.在一個1/3復用模式里利用3個載波可以在600kHz的頻譜范圍內使用；

c.基站之間實現相互時間同步；

d.在控制載波上用不連續傳輸（BCCH載波不用）；

e.啟用新的邏輯信道配置及新的信道組合；

f.用旋轉方式的邏輯信道時隙映射，使得業務模式下的相鄰信道測量更加方便；

g.要求EDGE Compact終端也支持EDGE Classic以利漫游。

2．3 EDCE的承載業務

　　EDGE的承載業務包括分組業務（非實時業務）和電路交換業務（實時業務）。對這些業務的承載者包括如下兩種：

　?。?）EGPRS網絡可視為一個具有無線接入的Internet子網，采用Internet地址，可提供移動臺到固定ip網的連接。對每個IP連接承載者，都定義了一個QoS參數空間，如優先權、可靠性、延時、最大和平均比特率等等。這些參數不同的組合所定義的承載者不同，可以滿足不同應用的需要。典型的EGPRS業務將有：在線E-mail、Web瀏覽增強的短消息業務、視頻業務、文件和資源共享、監視業務、Internet語音業務和廣播業務等。由于應用的不同和用戶要求的不同，使得EDGE必須能夠支持更廣的QoS保證空間。為此EDGE需要定義新的QoS參數空間，例如對速度為250km/h的移動臺，最大碼率可達144kbit/s；對移動速度為100km/h的移動臺，最大碼率可為384kbit/s。平均比特率和延遲等級也與GPRS的不同。

　?。?）電路交換業務承載者

　　現有的GSM系統能夠支持透明和非透明的業務。對于透明業務，承載者定義了8種，提供的比特率范圍是9.6kbit/s～64kbit/s。而非透明業務，承載者用無線鏈路協議來保證無差錯的數據傳輸，也有8種能夠提供的比特率為4.8kbit/s～57.6kbit/s。實際上，用戶數據的比特率會隨著信道質量的變化而變化。

　　電路交換業務承載者的定義并不因EDGE的引入而改變。譬如，比特率是相同的，不同的只是編碼方式的不同，如表3所示（其中前面4種是標準GSM系統的，后面3種是EDGE增加的）。

　　例如，57.6kbit/s的非透明業務在EDGE中可以用編碼方式TCH/F28.8通過占用2個時隙來實現，而同樣的業務，標準GSM系統就需用TCH、F14.4，來實現，要占用4個時隙。

　　可見，EDGE的電路交換方式可以占用較少的時隙來實現較高速率的數據業務，進而降低了移動終端的復雜度。同時，由于各個用戶占用的時隙數比標準GSM系統少，因而可以擴大系統的容量。

3 GSM系統的EDGE引入問題

　　在現有GSM系統中引入EDGE，必然會對原有GSM系統造成一定的影響，這可以從以下方面討論。

3．1 對GSM系統體系結構的影響

GSM系統的體系結構如圖2所示。

　　不斷增加的EDGE比特率對GSM網絡結構提出了新的要求。從表面上看A-bit接口是一個瓶頸，因為這個接口目前能支持的每業務信道速率為16kbit/s，而引入EDGE后，每個業務信道能支持的每業務信道速率能達到了64kbit/s，因而需要給每個業務信道指配多個A-bis接口時隙。然而，16kbit/s這個極限早在GPRS引入兩種編碼方式（CS3和CS4）時就被突破了，即最大碼率可達到22.8kbit/s。因此，受A-bis限制的問題已經解決了，這是一個與GPRS有關，而與EDGE無關的修正方法。

　　對基于GPRS的分組業務，由于其它節點的接口都能夠處理更高的比特率了，因此也不會受到影響。但對基于電路交換的業務，A接口可以處理每用戶64kbit/s的業務，EDGE電路交換的承載者是不能超越的。

3.2 對GSM網絡終端的影響

　　EDGE的引入使得空中接口必須變更，因而直接影響了基站和移動終端的設計，要使新開發的基站和移動終端必須支持8-PSK的調制方式。

　　8-PSK的線性調制方式對功放的線性度提出了新的要求，特別是需要有高精度功率輸出要求的設備。8-PSK的調制方式不同于GMSK（恒定的）調制方式。從網絡運營的角度看，具備EDGE功能的收發信機必須與標準的收發信機相一致，即EDGE收發信機的性能應該滿足發送頻譜和熱耗的要求，當高功率的EDGE收發信機在發送一8-PSK的信號時，必須降低其平均發射功率，即比采用GMSK調制方式時的平均功率降低2kB～5dB。

　　由于希望不改變發射機的體系結構，使非線性調制達到最優化，因此，對室內型、微蜂窩、微微蜂窩和移動終端的低功率收發信機的設計必須認真對待。EDGE移動終端大致可以用兩大類標準來區分：

（1）上行采用GMSK、下行采用8-PSK的調制方式

　　采用這種方式，上行數據比特率會受限于GPRS，而下行則可提供EDGE的數據比特率。因為目前在多數情況下，下行數據的速率要遠大于上行數據速率，所以這種方式的復雜程度是最小的，并能對用戶產生最大的吸引力。

（2）上下行全部采用8-PSK的調制方式

　　如今，GSM標準已經包括了好幾種類型的終端，如從單時隙、低復雜度的到多時隙、提供高數據比特率的等等。而引入EDGE技術的新型移動終端，需是多種調制方式的組合，并具備多時隙處理的能力。

3．3 對GSM網絡規劃的影響

　　網絡運營者能夠逐步引入EDGE，在很大程度上取決于GSM網具備EDGE設施的先決條件，特別是在EDGE沒有開放的地區作為標準GSM/GPRS收發信機而存在。這樣就會使支持GSM、GPRS、EDGE的用戶在同一個頻段上共存。

　　為了減少網絡運營者的費用和工作量，GSM網絡的規劃（包括小區規劃、頻率規劃、以及功率調協和其它小區參數）不需做較大的修改。下面將對EDGE在網絡規劃方面的影響進行討論，特別是討論對非透明業務的影響。

（1）覆蓋方面的規劃

　　覆蓋方面的規劃包括履行自動重傳請求的非透明無線鏈路的協議，使較低的無線鏈路質量傳輸較低的比特率。因此，低信道干擾不會引起掉話，只會引起用戶比特率的暫時降低。

　　透明業務承載者一般提供一個恒定的比特率，因為鏈路質量控制必須與資源指配相結合，以使動態指配的時隙數與比特率及誤比特率的要求相適應，而且要使前面定義的透明業務承載者能夠在整個GSM小區中使用。當然，在小區中心地帶使用時，需要的時隙數是比較少的（因為這里可以采用8-PSK調制方式）。

（2）頻率規劃

　　在現有的GSM系統中，頻率利用系數一般為9，當然也有朝更小方向發展的趨勢。如果運用跳頻、多種頻率再用圖樣或不連續的發射技術（DTX），頻率再用系數小于3也可以。因為EDGE支持多種再用圖樣，如采用鏈路質量控制手段，EDGE是可以在靈活的頻率規劃中引入的。所以，EDGE可以在現有的GSM頻率規劃中采用，并用它來支持在更緊湊的頻率再用方案基礎上形成的未來高容量的解決方案。

（3）信道管理

　　引入EDGE后，基站將有兩種收發信機，即標準GSM收發信機和EDGE收發信機，每個物理信道（時隙）都可以看成是以下幾種信道：

a.GSM語音和電路交換數據（CSD）；

b.GSM分組數據（GPRS）；

c.GSM語音和電路交換數據（GSD和ECSE）；

d.分組數據（GPRS和EGPRS）。

　　標準的GSM收發信機只支持上面前兩種信道類型，而EDGE則支持所有四種信道。物理信道可以根據需要在基站動態定義，例如，如有許多語音用戶正在通話，就需增加第一、三種信道的數量，但這會減少GPRS和EGPRS信道的數量。因此南非要強調的是，為了避免把信道分成靜態組合，信道的管理過程應該是自動的。如果將信道分成靜態的組合的話，不但會嚴重降低信道的利用率，還會使網絡運營商同對一個費時、費力的分組問題。

4 結束語

　　由于GSM系統的用戶市場極大，在現有的GSM網絡中引入EDGE會有很大潛力的，而且引入EDGE后能夠較好地照顧到系統運營商和用戶各方面的利益，這是一種由第二代向第三代移動通信過渡的較好演進方式。

參考文獻

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摘自　天津通信技術

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