基于GSM的第三代移动通信过渡技术——EDGE

发布: 2010-10-20 00:48 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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　　摘要：EDGE是GSM网络的扩展方案，可充分利用现有的资源，稍做小的改动，并最终向第三代系统平滑过渡。本文介绍了EDGE的要领和发展过程，从无线接口参数、无线协议方面分析了EDGE的技术标准，提出了在现有GSM网络中部署EDGE对原有系统可能的影响以及改进办法。

　　关键词：移动通信 EDGE GEPRS ECSD GSM 第三代

1 概述

　　GSM和TDMA-136是现在全球通用的第二代蜂窝移动通信标准。由于用户数量巨大，增长快速，运营商不可能抛弃现有网络而建立起全新的第三代移动通信系统。因此只有采取逐步演进的方式，而EDGE就是很好的解决方案。

　　现有GSM系统，一般仅能够提供9.6kbit/s的电路型数据业务，这样低的数据通信速率显然无法满足移动多媒体数据通信的需求，因此，厂家们纷纷在开发新的、速率更快的移动数据通信技术，其中最典型的就是GPRS（通用分组无线服务）和HCSD（高速率电路交换数据）。HCSD的最高速率可达57.6kbit/s。GPRS在核心网络首次引入了分级交换的方式，成为GSM向第三代网络演进的必经之路，可向用户提供最高速率为171kbit/s的链路，一般只为108kbit/s。HCSD（或原GSM系统）和GPRS系统都可以采用一种新的高电平调制方式的EDGE（增强数据速率业务）来提高调制的有效性，它能使得用户数据速率达到384kbit/s。这种基于第二代的无线接入技术EDGE，为GSM和TDMA-136在现有频段（800、900、1800和平共处900MHz）上发展第三代业务提供了可能。

　　本文主要介绍EDGE的技术标准，以及在GSM网络中部署EDGE时对原有系统的影响。

2 EDGE的技术标准

2.1 EDGE的主要无线接口参数

　　EDGE主要是对无线接口的改进，使当前的蜂窝移动通信系统可以获得更高的数据通信速率。现有的GSM网络主要采用GMSK调制技术，为增加无线接口的总速率，在EDGE中引入了一个能够提供高数据速率的调制方案，即八进制移相键控（8PSK）调制。由于8PSK和GMSK的信号空间从2个扩展到8个，因此每个符号包含的信息都是原来的4倍。8PSK的符合速率保持在271kbit/s，每个时隙可以得到69.2kbit/s的总速率，并且仍然能够完成GSM频谱屏蔽，EDGE无线接口主要参数见表1。

表1 EDGE无线接口主要参数

载波间隔 200kHz

符合速率 270.1 kilosymbols

帧长度 4.615ms

每帧时隙数 8

调制方式 GMSK 8-PSK

每个突发的有效载荷符号数 116 116

比特数 116 348

无线接口的数据率每时隙 22.8 kbit/s 69.6 kbit/s

每帧 182.4 kbit/s 556.8 kbit/s

　　EDGE通过多时隙操作（Multislot Connection）来实现更高的比特率，并通过链路自适应（Link Adaptation）和逐步增加冗余（Incremental Redundancy）来控制链路质量。

　　所谓链路自适应就是能够自动选择调制和编码方案来适应无线链路质量的需求。链路自适应意味着实现调制和编码的完全自动化，不需要网络运营者额外管理。但在现实情况下，各种调制和编码方案之间进行动态切换并不容易，它需要在接收端进行精确的SNR测量并作迅速反馈。另外，理想的交换点是移动速率的函数，这样当干扰特性、信道特性和延迟等发生改变时，就会造成收发端来不及进行响应而引起理想交换点的偏移。为了避免这种危险性，引出了逐步增加冗余传输的概念。

2.2 无线协议的修改

　　EDGE包括一个分组交换传输模式（EGPRS）和一个电路交换传输模式（ECSD）。由于要支持更高的比特率和优化性能，因此必须对现有无线协议进行必要的修改。

（1）分组交换传输方式（EGPRS）

　　EGPRS定义了9种调制编码方案，共分A、B、C 3类，见表2。每一类各有一个基本的有效负荷单元，分别为37、28和22字节，每一类中又通过在每个无线分组上传送不同数目的有效负荷单元来获得不同的编码速率。对于类别A和B，每个无线分组可传送1、2或4个有效负荷单元；对于类别C，每个无线分组仅可传送1或2个有效负荷单元。当一次传送4个有效负荷单元（MCS-7、MCS-8、MCS-9）时，这4个有效负荷单元被分成2个RL分组。对于MCS-7，在4个突发上进行交织；对于MCS-8和MCS-9，这些分组在2个突发上进行交织，所有其他携带一个RLC分组（但可能由1或2个有效负荷单元组成）的MCS都是在4个突发上进行交织。

表2 EGPRS的调制编码方案

方案编码速率调制方式样一个无线分类别头部编数据率

组包括的码速率 (kbit/s)

RLC分组数

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

　　为了增强无线分组头部保护能力，无线分组的头部与数据部分是分开进行编码的。由头部计算出的8比特CRC用于错误检测，接下来进行1/3速率的卷积编码（并进行收缩）用于错误纠正。头部共有3种格式：一种是MCS-7、MSC-8和MCS-9使用的；一种是MCS-5和MCS-6使用的；还有一种MCS-1到MCS-4使用的；前两种采用8-PSK，第3种采用GMSK。

（2）电路交换传输方式（ECSD）

　　ECSD是基于HCSD的传输和信令机制，所以对当前规范修改较少。ECSD支持透明（T）业务和非透明（NT）业务。在第1阶段的规范中，数据速率限制在64kbit/s，这意味着与现有的GSM相比，最大数据速率并没有增加，但是同样的业务可用更少的时隙数和相对简单的移动台来实现，同时，由于各个用户占用的时隙数比标准GSM系统时要少，从而可以增加系统的容量。

　　GSM中可达到的电路交换型无线接口速率和ECSD中可达到的无线接口速率见表3，ECSD无线接口速率分别是29.0kbit/s、32.0kbit/s和43.5kbit/s，对应的单时隙用户速率分别为28.8kbit/s、32.0kbit/s和43.2kbit/s其中，28.8kbit/s的数据速率可用于透明业务和非透明业务（通过单时隙或多时隙配置）；32.0kbit/s仅用于提供64kbit/s ECSD透明业务（通过2个时隙配置）；43.2kbit/s仅用于ECSD非透明业务。

表3 ECSD的调制编码方案

信道编码速率(kbit/s) 调制方式无线接口速率(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网络中的部署问题及改进办法

3.1 网络结构

　　无线数据通信速率的提高对现有GSM网络结构提出了新的要求，但由于GPRS节点、SGSN和网关GPRS支持节点（GGSN）或多或少地独立于用户数据通信速率，因此EDGE将不需要部署新的硬件。GSM/GPRS体系结构如图1所示。

　　一个明显的通信瓶颈是A-bis接口，它当前只能支持每信道时隙为16kbit/s的速率。而对于EDGE，每个信道的速率将超过64kbit/s，这要求为每个通信信道分配多个A-bis时隙。不过，A-bis接16kbit/s的限制可以通过引入两个GPRS编码方案（CS3和CS4）来突破，它能够提供的最大码率为22.8kbit/s。

3.2 无线接口设备

　　EDGE对GSM网络原有无线接口的修改将直接影响基站和移动终端的设计，人们必须采用新的终端和基站收发机才能收发使用EDGE调制的信息。

　　与GMSK不同，8PSK不是恒包络调制，并不具有一个固定的封装，这种新的调制方案对功率放大器的线性提出了新的要求。设计上面临的一个挑战是实现一个低成本、同时完成GSM的频谱屏蔽的发射机，为了最大限度地利用现有的GSM网络，EDGE收发现一般装在一个为标准收发机设计的基站舱中，并且在发射频谱和散热方面可以被接受。一般地，高性能的EDGE收发机在发射8PSK时可能需要减少它的平均发射功率，与GMSK相比，平均功率降低2-5dB。如何设计低功率的收发机和移动终端将会带来进一步的挑战，比如在EDGE系统中就不能再使用针对非线性调制优化的发射机结构。

3.3 总速率

　　接口总速率越高，技术就越复杂，EDGE接口的高速率无法通过最理想的均衡器结构来处理，而只能考虑较理想的均衡器设计。从模拟测试的结果来看，用于8PSK的最理想的均衡器设计将只比标准的GSM均衡器稍微复杂一点。在绝大多数情况下，EDGE服务将被相对静止的用户使用，这意味着移动终端的高速移动和过渡的时间分布是不可能的。另外，当移动速度和时间分布超出EDGE的能力时，还是需要使用GMSK调制的。

3.4 无线网络规划

　一个决定EDGE能否取得成功的重要条件是能够允许网络运营商逐步引入EDGE。具有EDGE功能的收发机最早应该部署在最需要EDGE覆盖的地方，以补充现有的标准GSM收发机，因此在一个相同的频段，电路交换、GPRS和EDGE用户将同时存在。为了将运营商的投资和成本降到最低，与EDGE相关的实现不能对现有无线网络规划做大的修改。

（1）覆盖规划

　　非透明无线链路协议的一个重要特点是较差的无线链路质量会导致更低的比特率，低信噪比不会引起掉话，但会引起暂时的用户比特率的降低。一个EDGE信元将同时包括具有不同通信速率的用户，在接近信元中心的地方通信速率高，在接近信元边界的地方通信速率限制在标准GPRS的范围内。

　　在覆盖范围的问题上，如果网络运营商能够接受在信元边界只具有标准GPRS数据通信速率，那么现有的GSM站点已经提供了EDGE足够使用的覆盖范围。对于一般需要持续比特率的透明数据服务来说，则必须使用链路自适应技术来动态指配时隙数。

（2）频率规划

　　现有GSM系统中，频率利用系数一般在9-12之间。未来的移动通信系统将向着更低频率再使用方向发展。通过运用跳频和多重再使用方式（MPR）以及不连续发射技术（DTX），频率再用系数<3也是可行的，即每3个基站就会发生频率被重新使用的情况。EDGE支持频率再使用，事实上，通过采用链路自适应技术，EDGE可以在任意的频率规划中被引入，包括可以在现有的GSM频率规划中被采用。

（3）信道管理

　　引入EDGE以后，一个信元将包括两类收发机：标准GSM收发机和EDGE收发机。信元中的每个物理信道（时隙）一般至少具有4种信道类型：GSM语音和GSM电路交换数据（CSD）；GPRS分组数据；电路交换数据、增强电路交换数据（ECSD）和GSM语音；EDGE分组数据（EGPRS），它允许同时为GPRS和EDGE用户提供服务。

　　标准GSM收发信机只支持以上信道的前面两种信道类型，而EDGE则支持所有4种信道类型，并且物理信道可以根据需要在基站动态定义。显然，在EDGE系统中必须能够实现上述4种信道的自动管理，否则将大大削弱EDGE系统的效率。

4 结束语

　　EDGE估计于2002年投入商业运营，由于GSM和TDMA-136系统的用户数较大，彻底革新换代是不可能的，而EDGE能在现有网络中逐步引入，改动也很小，较好地照顾了运营商和用户的利益。另外，通过修改调制方式，EDGE最终能平滑过渡到UMTS（第三代）。估计在不久的将来，EDGE将给我们带来更多的无线应用，如无线多媒体、无线E-mail、Web休息和无线视频会议。

摘自《电信技术》