EDGE

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GSM增强数据率演进(Enhanced Data rates for GSM Evolution,EDGE)

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什么是EDGE

  EDGE全称GSM增强数据率演进(Enhanced Data rates for GSM Evolution,EDGE)又称为EGPRS,是一种数字移动电话技术,作为一个2G和2.5G(GPRS)的延伸,有时被称为2.75G。这项技术工作在TDMA和GSM网络中。EDGE是GPRS的扩展,可以工作在任何已经部署GPRS的网络上。

EDGE的典型特征

  EDGE(或EGPRS)是GPRS的直接演进。它重用GPRS的相同概念并基于GPRS的相同架构,所以EDGE的引入不会影响GPRS核心网,主要的变动都位于无线接口。

  EDGE主要是为了实现比GPRS更高的数据传输速率。它基本上是依靠新的调制方式和新CS机制并根据无线传播环境来优化数据吞吐量。协议中定义了9种调制和编码机制(MCS,ModulationandCodingScheme)用于增强分组数据的传输。EDGE可以提供的净RLC数据传输速率从8.8kbps(最恶劣无线条件下每时隙传输速率的最小值)到59.2kbps(最好无线条件下每时隙传输速率的最大值)。当数据传输速率超过17.6kbps时候,空中接口上必须采用8PSK调制来代替通常的GMSK调制。表列出了与各种MCS相关的吞吐量

  表 与调制编码机制相关的吞吐量

调制编码方式调试方式最大吞吐量(kbps)
MCS-98PSK59.2
MCS-88PSK54.4
MCS-78PSK44.8
MCS-68PSK29.6
MCS-58PSK22.4
MCS-4GPSK17.6
MCS-3GPSK14.8
MCS-2GPSK11.2
MCS-1GPSK8.8

  在GPRS业务基础上,由于有更高的数据传输速率,因此EDGE还提供了更多新业务。更重要的是,它可以提供两倍于GPRS网络的容量。尽管8PSK调制方式的比特速率是GMSK调制方式比特速率的3倍,但是由于网络载频干扰率(C/I,Carrier.to—Interferenceratio)的变化,使得EDGE的网络容量达不到GPRS容量的3倍。因为MS的位置不同,因此需要增加或多或少的信道编码以优化传输,这将导致平均吞吐量要远低于最大值。

  EDGE可以在现存的GPRS频谱上为3G业务提供一种非常节约成本的实现方式。它允许运营商通过升级现存的GSM/GPRS无线网络结构来传送新的3G业务。硬件的变动仅限于在每个小区中添加新EDGE收发单元。这些单元可以作为现存设备的补充来进行添加。EGPRS可以支持数据和多媒体业务以及GPRS无法支持的业务。这样通过无线电话就可以进行音频和视频广播了。

EDGEDE的发展

  EDGE是一种基于无线的高速移动数据标准,它可以引入到GSM/GPRS和IS-136(数字高级移动电话系统(DAMPS,Digital Advanced Mobile Phone System)的分组模式)中。在分组模式下,EDGE可以支持高达384kbps的多媒体业务。EDGE使用的频段与现存的GSM频带是一致的:800/900/1800/1900MHz。

  EDGE的中心思想就是利用现存GSM和GPRS网络节点,在200kHz的GSM无线载频上通过改变调制类型来增加数据传输速率。EDGE中引入的新的调制方式是八进制移相键控(8PSK,Eight-State Phase-Shift Keying),这是为了使对核心网的影响达到最小。

  EDGE在欧洲被看做是从2G到3G过渡的2.5代标准,而在我国则被看做是2.75代标准。由于EDGE使用现存的频谱,不需要新的频率许可,因此对于想通过GSM/GPRS网络来提供多媒体业务的运营商来说,EDGE是一种低成本但比较有效的解决方案。在一些国家,如美国,由于没有UMTS许可,所以可以通过EDGE来实现那些GPRS无法提供的多媒体业务。EDGE是一种低成本的解决方案,因此对于已经有GPRS网络和UMTS许可的运营商来说,可以在没有UMTS覆盖的区域通过EDGE来提供3G多媒体应用。

  EDGE可以看做是电路交换网络GSM、分组交换网络GPRS和D.AMPS网络的演进,因为在上述网络基础上都可以引入EDGE技术,如图所示。

  Image:不同蜂窝网络标准向EDGE网络的演进.jpg

  在高速电路交换数据(HSCSD,High-Speed Circuit Switched Data)上引入EDGE是为了在电路交换模式下在多个时隙进行数据传输。该业务的演进称为增强的电路交换数据业务(ECSD,Enhanced Circuit Switched Data)。ECSD支持当前GSM的数据传输速率(2.4/4.8/9.6/14.4kbps),由于新的调制方式和CS机制的引入,其数据传输速率每时隙可达28.8/32.0/43.2kbps。这样对于支持4时隙的ECSD用户来说,其数据传输速率最高可达172.8kbps。ECSD使用动态链路自适应技术来适应无线环境。GPRS向EDGE的演进称为EGPRS,有时也称为经典EDGE或典型EDGE。增强GPRS(EGPRS,Enhanced GPRS)是基于与GPRS相同的网络架构。对于支持8时隙的终端,EGPRS可以支持高达475kbps的数据传输速率。对于EGPRS来说,影响最大的接口就是无线接口,因为该接口引入了新的无线调制方式。它主要影响位于网络的BSS部分和MS部分。

  EDGE也可以从IS一136标准演进。美国运营商已经商用了D-AMPS网络,很多运营商想引入2.5G或3G业务。这些运营商想通过与D-AMPS相同的频段(800MHz)引入EDGE业务。但是该频段已被划分成了多个用于语音业务的30kHz无线频带。EDGE的引入需要释放多个30kHz的频带以组成必需的200kHz频带。这些载频一旦分配给EDGE,将无法再提供语音业务(GSM/EDGE并不是这样)。为了使整个网络的语音容量不受到很大影响,只需将800MHz频谱的一小部分释放即可,这就需要对EGPRS版本的频谱效率进行标准化。它必须支持384kbps的数据业务,但是只需最小的频谱释放,这对于那些频谱资源有限的运营商是非常有利的。该概念称为紧凑型EDGE,这是EGPRS的一种自适应。紧凑型EDGE仅限于分组交换模式,它不涉及电路交换模式。

  D-AMPS和EDGE的共存需要在GSM标准中引入新的无线需求。由于以前EDGE表示增强数据传输速率的GSM演进业务(Enhanced Data Ratesfor GSM Evolution),但是由于不同途径的演进,所以EDGE更加广义的定义应该是增强数据传输速率的全球演进业务(Enhanced Date Rates for Global Evolution)。紧凑型EDGE标准由通用无线通信公司(UwCC,Universal Wireless Communications Corporation)、ETSI和3GPP共同进行标准化。但是,从美国多数运营商来看,那些采用了紧凑型EDGE技术的运营商很多都决定利用GSM/GPRS/EDGE技术来代替他们的D-AMPS网络。这就是紧凑型EDGE模式不被广泛应用的原因。

  EDGE现在是“Enhanced Data Ratesfor Global Evolution”的英文缩写。但在推广之初,EDGE是指“Enhanced Data Rates for GSM Evolution”,一字之差,也暗示了EDGE在全球移动市场中发展的轨迹。最初EDGE市场的目标客户是全球的GSM运营商,但真正热衷于EDGE的大部分运营商却是来自美洲地区(包括南、北美洲和拉美地区)的TDMA运营商和模拟运营商。然后,随着3G(WCDMA)在全球商用的进一步延迟,EDGE才逐渐进入美洲以外地区GSM运营商和3G运营商的视野,并引起了广泛的关注。因此“Global Evolution”显得更加贴切,同时也预示了EDGE具有更为广阔的生存空间。EDGE的概念最早是由Ericsson于1997年向ETSI提出的,同年ETSI批准了EDGE的可行性研究,这为EDGE以后的发展铺平了道路。此后,EDGE标准先后受到ITU、ETSI、GSM协会、3GPP、GSA和3GAmericas等国际组织的认可。其中以GSA和3GAmericas在推动EDGE市场化过程中最为积极主动。GSA组织全称是“Globalmobile Suppliers Association”,这是一个由GSM技术及设备提供商组成的团体,主要成员包括NokiaEricssonAlcatelSiemens朗讯;而3GAmericas则是一个以推动美洲GSM系列标准的区域性组织,由泛美的运营商和设备商构成,主要成员包括Cable & WirelessCingular WirelessT-MobileNokia、Ericsson、北电网络等。受此影响,在EDGE的发展过程中显现了两个突出的特征:一是以设备商为主要的推动力量;二是以美洲为基地最先开始繁荣。

EDGE的技术优势

  EDGE之所以能够逐渐受到运营商的重视,与其本身所具有的技术优势是密切相关的,特别是因为它能够弥补GPRS的不足。虽然GPRS的理论峰值速率可以达到171.2kbps,但是在实际环境中却只有35~45kbps,而CDMA2000lx在实际环境中能够达到50~70kbps,显然要优于GPRS。前面也提到EDGE的理论最高速率为473kbps,所以它的出现使GSM标准系列在100kbps的数量级上具有了和CDMA2000标准系列相抗衡并取得优势的筹码。从基本的结构来看,从GPRS升级到EDGE不需要对网络结构进行大规模的调整,从下图所示EDGE网络升级示意图可以看出改变的部分仅涉及接入网和终端部分,只要将GPRS忉、议转换成为EDGE的协议即可,EDGE可以继续使用GSM/GPRS的频谱及规划。

  Image:EDGE网络升级示意图.jpg

  协议转化的核心是改变信号调制的方式。GSM/GPRS使用的是GMSK的调制方式,但是EDGE还使用了多电平调制方式(8PSK调制方式),因此它能够提供更高的比特率和频谱效率。因为8PSK可以将GMSK的信号空间从2扩展到8,所以每个符号可以包括的信息含量是原来的3倍。GMSK和8PSK这两种调制方式的符号率都是171ksps,每时隙的总比特率分别为22.8kbps(GMSK)和59.2kbps(8PSK)。GPRS中3个用于数据传输的时隙所携带的数据才相当于EDGE中1个时隙所携带的数据。所以理论上来说,如果运营商不改变网络配置,继续使用3个时隙来传输数据,则EDGE的数据传输能力约是GPRS的3倍。EDGE的理论用户峰值速率最终能够达到473.6kbps,平均速率一般为80~130kbps。来自CingularWireless的情况显示,EDGE网络在运营中支持的峰值速率达到了170kbps,实际的平均速率在75~135kbps。而根据AT&TWireless室外测试的结果,每时隙平均数据传输速率为34kbps,如果配置3个时隙来传输数据,则EDGE的网络速率能够轻松达到100kbps的水平。

  除了数据传输速率得到大大提升以外,EDGE在服务质量(QoS,QualityofService)机制上也有进一步的加强,能够保证用户在获得各种业务的同时得到不同的带宽。QoS对于先进的数据业务,如流媒体服务来说十分重要,因此EDGE的引入有利于开通一些新的对QoS有较高要求的移动数据服务。同时,EDGE还具有“永远在线”的能力。就像DSL和有线宽带,EDGE能够提供持续的互联网链接。此外,EDGE还具有数据通信和语音通信同时进行的功能,这是其与GSM技术进行区别的重要特征。

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