曹云芳，王丽娟
天津厌这电子信息工程学院
摘 要：增强型数据业务（EDGE）是将现有第二代TDMA移动通信系统推向第三代移动通信系统平滑过渡的一种方案，主要在第二代GSM中采用了一种改进的多电平8-PSK调制方式。因此介绍了EDGE的概念，发展过程、技术标准、承载业务等，并分析了在现有GSM网中部署EDGE对原有网络系统产生的影响。
关键词：增强型数据业务；增通用分组数据业务；电路交换数据业务；第三代移动通信系统
1 引言
目前，ITU对第三代移动通信系统（IMT-2000）无线传输技术标准（RTT）的制定工作已告一段落，第三代移动通信无线传输的技术要求是：
（1）快速移动环境，速率至少达144kbit/s；
（2）室外到室内或步行环境，速率至少达384kbit/s；
（3）室内环境，速率至少达2Mbit/s。
ITU还为IMT-2000分配了专门的频段，即在2GHz频段。
对第三代系统的部署有两种方案：即建立全新的第三代移动通信网络和在现有移动通信网络的基础上逐步演进。由于目前世界上普遍使用的是第二代移动通信系统，如GSM、TDMA-136等等，而基于TDMA的系统不能支持第三代移动通信系统所要求的高速数据业务，且现有第二代系统的用户数量又巨大，仍有快速增长的态势。估计到2006年全世界移动通信用户的用户数将达到16亿，其中GSM及WCDMA制式的系统将覆盖80%以上的电信市场（包括美国也在发展GSM）。因此运营者不可能抛弃现有的网络而建立全新的第三代移动通信系统，而必然采用逐步向第三代系统演进的策略，尤其是对于已经将第三代移动通信的频段占用的美国来说更是如此。
现有的GSM系统，一般只能提供9.6kbit/s的电路型数据业务，显然无法满足移动多媒体数据通信的需要。因此，厂商们纷纷开发新的、速率更高的移动通信业务，其中最典型的就是通用分组无线业务（GPRS）和高速率电路交换业务（HCSD）。HCSD的最高速率可达到57.6kbit/s，而GPRS，在核心网中首次引入了分组交换的技术，可以向用户提供最高速率达171kbit/s的链路。虽然HSCSD和GPRS均采用的是多时隙的操作模式，但调制仍然是低频带利用率的数字无线移位键控（GMSK）的方式，与第三代移动通信系统384kbit/s速率的广域覆盖和大约2Mbit/s的数据速率相比，差距还是很大的。为了满足不断增长的对高速数据业务和市场的需要，增强现有系统的竞争力，美国的TLA（Telecommunication Industrial Association）和欧洲电信标准化学会（ETS（I：Europe Telecommunication Standand Institute）联合提出了一种基于TDMA的无线接入技术—增强型数据业务（EDGE：Enhanced Date Rates for GSM Evolution）技术。该技术由现有的GSM和TDMA-136频段（800，900，1800，1900MHz频段）来提供部分第三代的业务。因此，本文对EDGE的概念、技术标准以及引入到GSM网络中后对原有系统的影响等予以简要的介绍。
2 EDGE的技术标准
从技术上讲，EDGE主要是对无线接口做了改进，但可以将其看成是一种允许GSM网络提供新业务的系统。
2．1 EDGE无线接口的主要参数
EDGE无线接口的主要参数如表1所示。
EDGE的目的是为了在现有移动通信系统中能够提供比较高的比特率和频谱效率，特别是为了提高比特率，引入了多电平调制（8-PSK）方式，而GSM系统现使用的GMSK调制方式也可成为EDGE调制方式的一部分。因为8-PSK与GMSK两种调制方式的符号率都是271kbit/s，使得每时隙的总比特率分别为22。8kbit/s(GMSK)和69.2kbit/s（8-PSK）。因此，8-PSK调制可用于用户的数据信道，而GMSK调制则可用于GPRS200kHz载波上的所有控制信道。
EDGE物理层有许多参数与GSM相同，载波间隔为200kHz，时隙结构也与GSM相同。在TDMA系统中，所有的数据都是以突发的小“数据包”的形式发送的，数据的特性由无线资源分配方式来决定，可以是连续分配使用的，也可以是按需分配的。显然，后者的无线资源利用率要高出许多，而且能减少干扰。EDGE突发的格式也与GSM的相似，如图1所示。
一个突发包包括一个位于突发中部用于均衡器的26比特的训练序列，其头、尾部各有3个比特，在最后还有8.25个保护比特。每个突发包括2×58个数据比特。
2．2 通信协议的设计
EDGE通信协议设计的策略是尽可能利用GSM/GPRS现有的协议。然而，由于该协议需要支持较高的速率，为了优化性能，必须对现有的通信协议进行必要的修改。EDGE协议包括一个增强的通用分组数据业务（EGPRS）和一个增强的电路交换数据业务（ECSD）模式：
（1）EGPRS模式
EGPRS的调制编码方案如表2所示。
EGPRS定义了9种调制编码方案，共分A，B，C3类（见表2）。每一类有一个基本的负荷单元，分别为37、28和22个字节，还可通过每个无线分组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A和B类，每个无线分组可传送1、2或4个有效负荷单元，而对于C类，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为2个RLC（无线链路控制协议）分组。
对于负荷单元MCS-7，在4个突发上进行交织，而对于负荷单元MCS-8和MCS-9，则在两个突发上进行交织，对于其它携带一个RLC分组（但可能有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。为了增强无线分组头部的纠错能力，编码时无线分组的头部与数据部分是分开进行的。头部计算出的8比特CRC用于错误检测，接下来的比特要进行1/3速率的卷积编码（并进行收缩）用于错误纠正。其头部共有3种格式：一种是MCS-7、MCS-8和MCS-9使用的，一种是MCS-5和MCS-6使用的，还有一种是MCS-1到MCS-4使用的。前两种采用8-PSK，第三种采用GMSK调制。
对于比特率更高并且采用了自适应编码方式的EDGE无线链路控制（RLC）协议与采用GPRS协议是不同的，主要是在链路质量控制方式上做了改进。由于信道特性是时变的，为了增强链路的强健性，有必要对链路质量进行控制。链路质量控制技术包括链路匹配和逐步增加冗余度两个方面。在链路匹配方式中，需要周期性地对链路质量进行估计，以为后面要传输的内容选择最合适的调制和编码方式和使用户的数据比特率达到最大。
适应链路质量变化的另一种方式是逐步增加冗余度，在这种方式中，刚开始传输的信息，采用纠错能力较低的编码方式，若收端解码正确，则能得到比较高的信息码率，反之，如果解码失败，则需要增加编码冗余量，直到解码正确为止。显然，编码冗余度的增加会导致有效数据速率的降低和延时的增加。
EPGRS支持以上两种组合方式。对于逐步增加编码冗余度的方式，初始编码速率的选取取决于链路质量的测量结果。如果链路质量较差，需引入较多的编码冗余度，反之，需引入较少的编码冗余度，以免资源浪费。
（2）ECSD模式
在EDGE中包括ECSD模式的目的是为了现有GSM系统中的电路交换数据业务协议尽量保持不变。与GSM一样，一个数据帧在22个TDMA帧中进行交织，增加了三种新的信道编码方式和采用了8-PSK的调制方式，其无线接口数据率的范围是每时隙3.6kbit/s～38.8kbit/s。而对于非透明业务，依然采用GSM的无线链路协议。
（3）EDGE Compact
EDGE Compact模式具有以下特点：
a.是一个卓越的高速分组数据系统；
b.在一个1/3复用模式里利用3个载波可以在600kHz的频谱范围内使用；
c.基站之间实现相互时间同步；
d.在控制载波上用不连续传输（BCCH载波不用）；
e.启用新的逻辑信道配置及新的信道组合；
f.用旋转方式的逻辑信道时隙映射，使得业务模式下的相邻信道测量更加方便；
g.要求EDGE Compact终端也支持EDGE Classic以利漫游。
2．3 EDCE的承载业务
EDGE的承载业务包括分组业务（非实时业务）和电路交换业务（实时业务）。对这些业务的承载者包括如下两种：
（1）EGPRS网络可视为一个具有无线接入的Internet子网，采用Internet地址，可提供移动台到固定IP网的连接。对每个IP连接承载者，都定义了一个QoS参数空间，如优先权、可靠性、延时、最大和平均比特率等等。这些参数不同的组合所定义的承载者不同，可以满足不同应用的需要。典型的EGPRS业务将有：在线E-mail、Web浏览增强的短消息业务、视频业务、文件和资源共享、监视业务、Internet语音业务和广播业务等。由于应用的不同和用户要求的不同，使得EDGE必须能够支持更广的QoS保证空间。为此EDGE需要定义新的QoS参数空间，例如对速度为250km/h的移动台，最大码率可达144kbit/s；对移动速度为100km/h的移动台，最大码率可为384kbit/s。平均比特率和延迟等级也与GPRS的不同。
（2）电路交换业务承载者
现有的GSM系统能够支持透明和非透明的业务。对于透明业务，承载者定义了8种，提供的比特率范围是9.6kbit/s～64kbit/s。而非透明业务，承载者用无线链路协议来保证无差错的数据传输，也有8种能够提供的比特率为4.8kbit/s～57.6kbit/s。实际上，用户数据的比特率会随着信道质量的变化而变化。
电路交换业务承载者的定义并不因EDGE的引入而改变。譬如，比特率是相同的，不同的只是编码方式的不同，如表3所示（其中前面4种是标准GSM系统的，后面3种是EDGE增加的）。
例如，57.6kbit/s的非透明业务在EDGE中可以用编码方式TCH/F28.8通过占用2个时隙来实现，而同样的业务，标准GSM系统就需用TCH、F14.4，来实现，要占用4个时隙。
可见，EDGE的电路交换方式可以占用较少的时隙来实现较高速率的数据业务，进而降低了移动终端的复杂度。同时，由于各个用户占用的时隙数比标准GSM系统少，因而可以扩大系统的容量。
3 GSM系统的EDGE引入问题
在现有GSM系统中引入EDGE，必然会对原有GSM系统造成一定的影响，这可以从以下方面讨论。
3．1 对GSM系统体系结构的影响
GSM系统的体系结构如图2所示。
不断增加的EDGE比特率对GSM网络结构提出了新的要求。从表面上看A-bit接口是一个瓶颈，因为这个接口目前能支持的每业务信道速率为16kbit/s，而引入EDGE后，每个业务信道能支持的每业务信道速率能达到了64kbit/s，因而需要给每个业务信道指配多个A-bis接口时隙。然而，16kbit/s这个极限早在GPRS引入两种编码方式（CS3和CS4）时就被突破了，即最大码率可达到22.8kbit/s。因此，受A-bis限制的问题已经解决了，这是一个与GPRS有关，而与EDGE无关的修正方法。
对基于GPRS的分组业务，由于其它节点的接口都能够处理更高的比特率了，因此也不会受到影响。但对基于电路交换的业务，A接口可以处理每用户64kbit/s的业务，EDGE电路交换的承载者是不能超越的。
3.2 对GSM网络终端的影响
EDGE的引入使得空中接口必须变更，因而直接影响了基站和移动终端的设计，要使新开发的基站和移动终端必须支持8-PSK的调制方式。
8-PSK的线性调制方式对功放的线性度提出了新的要求，特别是需要有高精度功率输出要求的设备。8-PSK的调制方式不同于GMSK（恒定的）调制方式。从网络运营的角度看，具备EDGE功能的收发信机必须与标准的收发信机相一致，即EDGE收发信机的性能应该满足发送频谱和热耗的要求，当高功率的EDGE收发信机在发送一8-PSK的信号时，必须降低其平均发射功率，即比采用GMSK调制方式时的平均功率降低2kB～5dB。
由于希望不改变发射机的体系结构，使非线性调制达到最优化，因此，对室内型、微蜂窝、微微蜂窝和移动终端的低功率收发信机的设计必须认真对待。EDGE移动终端大致可以用两大类标准来区分：
（1）上行采用GMSK、下行采用8-PSK的调制方式
采用这种方式，上行数据比特率会受限于GPRS，而下行则可提供EDGE的数据比特率。因为目前在多数情况下，下行数据的速率要远大于上行数据速率，所以这种方式的复杂程度是最小的，并能对用户产生最大的吸引力。
（2）上下行全部采用8-PSK的调制方式
如今，GSM标准已经包括了好几种类型的终端，如从单时隙、低复杂度的到多时隙、提供高数据比特率的等等。而引入EDGE技术的新型移动终端，需是多种调制方式的组合，并具备多时隙处理的能力。
3．3 对GSM网络规划的影响
网络运营者能够逐步引入EDGE，在很大程度上取决于GSM网具备EDGE设施的先决条件，特别是在EDGE没有开放的地区作为标准GSM/GPRS收发信机而存在。这样就会使支持GSM、GPRS、EDGE的用户在同一个频段上共存。
为了减少网络运营者的费用和工作量，GSM网络的规划（包括小区规划、频率规划、以及功率调协和其它小区参数）不需做较大的修改。下面将对EDGE在网络规划方面的影响进行讨论，特别是讨论对非透明业务的影响。
（1）覆盖方面的规划
覆盖方面的规划包括履行自动重传请求的非透明无线链路的协议，使较低的无线链路质量传输较低的比特率。因此，低信道干扰不会引起掉话，只会引起用户比特率的暂时降低。
透明业务承载者一般提供一个恒定的比特率，因为链路质量控制必须与资源指配相结合，以使动态指配的时隙数与比特率及误比特率的要求相适应，而且要使前面定义的透明业务承载者能够在整个GSM小区中使用。当然，在小区中心地带使用时，需要的时隙数是比较少的（因为这里可以采用8-PSK调制方式）。
（2）频率规划
在现有的GSM系统中，频率利用系数一般为9，当然也有朝更小方向发展的趋势。如果运用跳频、多种频率再用图样或不连续的发射技术（DTX），频率再用系数小于3也可以。因为EDGE支持多种再用图样，如采用链路质量控制手段，EDGE是可以在灵活的频率规划中引入的。所以，EDGE可以在现有的GSM频率规划中采用，并用它来支持在更紧凑的频率再用方案基础上形成的未来高容量的解决方案。
（3）信道管理
引入EDGE后，基站将有两种收发信机，即标准GSM收发信机和EDGE收发信机，每个物理信道（时隙）都可以看成是以下几种信道：
a.GSM语音和电路交换数据（CSD）；
b.GSM分组数据（GPRS）；
c.GSM语音和电路交换数据（GSD和ECSE）；
d.分组数据（GPRS和EGPRS）。
标准的GSM收发信机只支持上面前两种信道类型，而EDGE则支持所有四种信道。物理信道可以根据需要在基站动态定义，例如，如有许多语音用户正在通话，就需增加第一、三种信道的数量，但这会减少GPRS和EGPRS信道的数量。因此南非要强调的是，为了避免把信道分成静态组合，信道的管理过程应该是自动的。如果将信道分成静态的组合的话，不但会严重降低信道的利用率，还会使网络运营商同对一个费时、费力的分组问题。
4 结束语
由于GSM系统的用户市场极大，在现有的GSM网络中引入EDGE会有很大潜力的，而且引入EDGE后能够较好地照顾到系统运营商和用户各方面的利益，这是一种由第二代向第三代移动通信过渡的较好演进方式。
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摘自 天津通信技术
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