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第三代移动通信过渡技术——EDGE

2006/1/10/10:07 来源:慧聪通信网 作者:项子

  GSM和TDMA/136现在是全球通用的第二代蜂窝移动通信标准。当前有100多个国家的1亿多人采用GSM,有近100个国家的约9500万用户采用TDMA/136系统家族(包括ELA-553和IS-54)服务。作为介于现有第二代移动通信系统与第三代移动通信系统之间的一种过渡性数据通信技术,EDGE(Enhanced Data rate for GSM Evolution)技术能够大大提高现有GSM网络的数据服务速率。但要想充分发挥EDGE的速率优势,运营商必须要对现有的GSM系统结构和所有设备进行修改。

  出现的背景

  语音通信是第二代移动系统的主要服务,最近几年,移动通信设备则在大大增强对数据通信的支持能力,一些标准的移动通信设备当前可以提供速率达9.6kbps的数据服务。但是这样低的数据通信速率显然无法满足移动设备多媒体数据通信的需求,因此,厂商们纷纷在开发新的、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)、HSCSD(高速率电路交换数据)和EDGE。

  这三种技术都能够不同程度地解决更高数据速率的需求问题。HSCSD引进了多时隙的概念,HSCSD和GPRS技术都是一种面向非连接的技术,用户只有真正在收发数据时才需要保持对网络的连接,因此大大提高了无线资源的利用率。除此之外,许多新的核心网络组件产品将使未来的移动通信产品可以直接访问Internet/Intranet。

  HSCSD和GPRS通过多时隙操作实现了较高的比特速率。但是因为这些技术是基于高斯最小移频键控(GMSK)调制技术的,因此每个时隙能够得到的速率提高是有限的。为此,许多效率更高的调制方案纷纷出台,例如在TDMA/136+中,多时隙操作和新的调制方案8PSK(基于30kHz的载波带宽)的结合将使数据率提高大约4倍。

  第三代无线通信IMT-2000的优势主要在于能够使用宽带服务,大大改进目前在GSM和TDMA/136上提供的标准化服务。第三代移动通信系统将提供384kbps的广域数据通信服务和大约2Mbps的局域数据通信服务。新的用于码分多址访问(W-CDMA)的2GHz频段已经得到了ETSI、无线电工业与广播协会(ARIB)的支持。W-CDMA将包括IMT-2000设备所需要的所有功能。然而,向更高的数据率发展并不仅限于新的2GHz频段,EDGE技术也能够让使用800、900、1800、1900MHz频段的网络提供第三代移动通信网络的部分功能。

  在此基础上,Ericsson公司于1997年第一次向ETSI提出了EDGE的概念。同年,ETSI批准了EDGE的可行性研究,这对以后EDGE的发展铺平了道路。尽管EDGE仍然使用了GSM载波带宽和时隙结构,但它也能够用于其他的蜂窝通信系统。EDGE可以被视为一个提供高比特率、并且因此促进蜂窝移动系统向第三代功能演进的、有效的通用无线接口技术。在此基础上,统一无线通信论坛(UWCC)评估了用于TDMA/136的EDGE技术,并且于1998年1月批准了该技术。

  在现有的GSM网络中引进EDGE技术必然会对现有的网络结构和移动通信设备带来影响。要使EDGE易于被网络运营商接受和推广,EDGE必须将它现有的网络结构的影响降到最低,并且EDGE系统应该允许运营商再次利用现有的基站设备。此外,使用EDGE,运营商应该不需要修改它们的无线网络规划,而且EDGE的引入也不能影响移动通信的质量。

  EDGE主要影响网络的无线访问部分收发基站(BTS)、GSM中的基站控制器(BSC)以及TDMA中的基站(BS),但是对基于电路交换和分组交换访问的应用和接口并没有不良影响。通过移动交换中心(MSC)和服务GPRS支持节点(SGSN)可以保留使用现有的网络接口。事实上,EDGE改进了一些现有的GSM应用的性能和效率,为将来的宽带服务提供了可能。

  无线接口概览

  EDGE无线接口的主要作用是使当前的蜂窝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,为以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率的调制方案,即八进制移相键控(8PSK)调制。由于8PSK将GMSK的信号空间从2扩展到8,因此每个符号可以包括的信息是原来的4倍。8PSK的符号率保持在271kbps,每个时隙可以得到69.2kbps的总速率,并且仍然能够完成GSM频谱屏蔽(见图1)。

 

图1 GMSK和8PSK的符号座标

图1 GMSK和8PSK的符号座标

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   EDGE规范的基本指导思想是尽可能多地利用现有的GSM数据服务类型,大大提高其数据通信速率。它定义了几个信道编码方案来确保各种信道环境的鲁棒性,使用了链路自适应技术以实现编码和调制方案之间的动态转换。通过再次利用GPRS结构,分组数据服务可以实现每时隙高达11.2-69.2kbps的无线通信速率。EDGE通过使用一个高速每时隙28.8kbps的无线接口速率来支持电路交换服务。

  在EDGE方案中,支持所有服务的多时隙通信得到的速率是单时隙通信的8倍,用于分组数据服务的峰值无线通信速率可高达554kbps。

  对无线接口设备的影响

  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。

  对线性调制的影响

  新的调制方案对功率放大器的线性提出了新的要求。与GMSK不同的是,8PSK并不具有一个固定的封装。事实上,EDGE面临的最大挑战是创建一个成本经济的发射机,同时完成GSM的频谱屏蔽。

  为了最大限度地利用现有的GSM网络,EDGE收发机必须装在一个为标准收发机设计的基站舱中,并且EDGE收发机必须在发射频谱和热分散方面可以被人们所接受。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(SPD)在2-5dB之间。

  如何设计低功率的收发机即微基站、室内或微微基站(picobase)和移动终端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。

  在连接移动终端的地方可以采取两种调制方式。第一种是将GMSK传输用于上行链路,将8PSK用于下行链路。这样上行链路的速率将限制在GPRS的范围内,而EDGE的高速率将提供给下行链路使用。因为绝大多数服务对下行链路的速率要求都要比上行链路高,这种方案可以用一种最经济的方式满足移动终端的服务需求。第二种方式就是在上行链路和下行链路中都采取决8PSK方式进行传输。

  现有的GSM标准定义了多种移动终端,例如从具有低复杂性的单时隙设备到具有高比特性的8时隙设备等。

  对总速率的影响

  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,而只能考虑次理想的均衡器设计。根据模拟测试的结果,用于8PSK的最好的均衡器设计将只比标准的GSM均衡器稍微复杂一点。

  增强的比特率(与标准的GPRS相比)还减少了在时间分布和移动终端速率方面的鲁棒性。然而在绝大多数情况下,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度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。

  对现有GSM的影响

  EDGE对网络结构的影响

  无线数据通信速度的提高对现有GSM网络结构提出了新的要求。然而,EDGE系统对现有GSM核心网络的影响非常有限,并且由于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。

  一个明显的通信瓶颈是A-bis接口(图2),它当前只能支持每信道时隙16kbps的速率。

 

图2 EDGE对现有GSM网络结构的影响

图2 EDGE对现有GSM网络结构的影响

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   而对于EDGE,每个信道的速率将超过64kbps,这要求为每个通信信道分配多个A-bis时隙。不过,A-bis接口16kbps的限制可以通过引入两个GPRS编码方案(CS3和CS4)来突破,它能够提供每通信信道22.8kbps的速率。

  对于基于GPRS的分组数据服务,其他的节点和接口已经能够处理每时隙更高的比特率。对于电路交换服务而言,A-bis接口可以处理每个用户64kbps的速率,因此在MSC中的修改将只会影响软件部分,而不会涉及到原有的硬件设备。

  无线网络规划

  一个决定EDGE能否取得成功的重要条件是应该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用户服务将同时存在。为了将运营商的投资和成本降到最低,与EDGE相关的实现不应该要求对现有无线网络规划做广泛修改,包括信元规划、频率规划、功率级和其他信元参数的设置等。

  覆盖范围规划

  非透明无线链路协议(如包括自动重复请求APR的协议)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。与语音通信不同的是,低载波-噪声比并不会导致数据会话的丢失,而只会临时地减少用户通信速度。在GSM信元中不同的用户间存在的载波干扰,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。

  根据提供给国际标准化组织的测试结果,一个具有95%语音通信业务的EDGE系统将有30%的用户获得超过45Kbps的每时隙通信速率,而全部用户的平均速率为34Kbps。假设APD是2dB,那么平均通信速率将减少到30Kbps。

  在覆盖范围的问题上,如果网络运营商能够接受在信远边界只具有标准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分配满足比特率和错误比特率(BER)需求时的时隙数量。

  频率规划

  在绝大多数成熟的GSM网络中,频率的平均再使用次数在9-12之间,未来的移动通信系统将向着更低的频率再使用方向发展。事实上,随着跳频技术的引进,多重再使用方式(MRP)和非连续传输(DTX)将频率的再使用次数降到3是可行的,这就是说每3个基站就会发生频率被重新使用的情况。

  EDGE支持频率再使用的这种发展趋势。事实上,由于采用了链路自适应技术,EDGE可以被引入到任何频率计划,包括EDGE可以被引入到现有的GSM频率规划中,为未来更高速率的数据通信打下良好的基础。

  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)一般至少具有四种信道类型:

  1、GSM语音和GSM电路交换数据(CSD);

  2、GPRS分组数据;

  3、电路交换数据、增强电路交换数据(ECSD)和GSM语音;

  4、EDGE分组数据(EGPRS),它允许同时为GPRS和EDGE用户提供服务。

  虽然标准的GSM收发机只支持上述信道类型1和2,但EDGE收发机支持上述所有4种类型。EDGE系统中的物理信道将根据终端能力和信元需求动态定义。例如,如果几个语音用户都是活动的,那么1类信道的数量就会增加,同时减少GPRS和EDGE信道。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。

  链路自适应

  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。EDGE标准支持的链路自适应动态选择算法包括对下行链路质量的测量和报告、为上行链路选择新的调制和编码方法等。链路自适应意味着实现调制和编码的完全自动化。通过增量冗余(混合II/IIIARP)改进ARP性能的可能性也正在研究中,这样的方案可以减少在选择调制时对使用链路自适应技术的需求。

  功率控制


  当前的GSM系统使用动态功率控制来增加系统中的均等性,扩大移动终端电池的寿命。类似的策略将被用于GPRS,尽管它们实际的信令过程是不同的,但EDGE对功率控制的支持被专家们认为是GSM/GPRS很类似。因此,网络运营商在部署EDGE时只需要修改现有GSM/GPRS网络的参数设置即可。

  需要补充的是,因 EDGE用户可以从比标准GSM用户高得多的载波-干扰比中得到益处,因此EDGE的功率控制参数设置与GSM/GPRS将是不同的。

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