调制技术的革命 GPRS向EDGE的平滑过渡

  随着不断推陈出新的移动新业务对带宽要求的持续增长,频谱利用率高的高速无线数据技术愈来愈成为移动领域关注的焦点。作为GPRS的增强型演进技术,R99规范定义的EDGE在3G频谱资源匮乏的地区或经济发展相对较慢的地区,可以作为第二代移动网络向第三代移动网络的过渡方案;EDGE可与UMTS共用核心网,将原有基站子系统BSS演变成GSM/EDGE无线接入网GERAN,与UMTS陆地无线接入网UTRAN并存,能提供“类3G”的高速数据业务,在未来可能的二、三代网络设施并存的时期内为终端用户提供实用、连续的高速数据业务。
  
  调制技术的革命
  以相同干扰受限传播环境下、4+1移动台的MMS业务为例,传送同样一份125kBytes的包含文本、高清晰度图像和MP3音频的文件,EDGE只需15秒,GPRS需要50秒;而在1分钟内,EDGE足可以传送一份480kBytes的包含文本和视频录像的文件。
  
  EDGE的“高速数据吞吐率”主要得益于采用了8PSK(8相键控)调制技术(见图1)。在2PI调制周期内定义8个均分的不同相位来区分每个传送符号,而8种不同相位则可表示3个比特的信息量(000-111),传输速率提高到GSM/GPRS系统采用的GMSK(高斯最小移频键控,为两相键控)的三倍;同时,结合不同纠、检错能力的信道编码方案,EDGE可提供9种不同的“调制编码方案——MCS”,较之使用单一调制技术的GPRS提供的四种“编码方案——CS”,EDGE可以适应更恶劣、更广泛的无线传播环境;在相同带宽内,EDGE最高可以提供6倍于GPRS的数据速率。
  
  9种MCS根据相互之间的相关特性被分为3组,即Family A(MCS-3、MCS-6、MCS-8、MCS-9)、Family B(MCS-2、MCS-5、MCS-7)和Family C(MCS-1、MCS-4)。各组内的几种编码方案的结构之间具有相互包含或被包含的关系,更易于实现编码速率的转换。实际应用中需要平衡有效信息的传递速率和有效的传递质量两项因素,传送有效信息较少而包含较多的冗余纠错比特的低速信道编码方案更适用于传输质量较差的环境,如在小区边界更适宜使用速率偏低的GMSK调制方式下的MCS1-4以补偿较差的链路质量;在传播条件较好的小区中心区域,可以采用信息速率较高的MCS。
  
  然而,不同于GMSK方式下的恒定调制功率包络,8PSK调制功率包络是变化的,平均值小于峰值;而移动台测量的网络电平以平均功率为准,降低的测量功率会缩减小区的有效业务半径,从而影响系统的综合容量。因此,为了保证网络吞吐率达到理想水平,必须将功率放大器的峰值指标提高至少3dB以抬高平均值。北电网络独有的具有业界领先线性性能的“8PSK特效功放”产品ePA和HePA不用一味地抬高峰值功率,前者可以在GMSK和8PSK两种调制方式下均提供平均值30W的发射功率,后者可以提供GMSK 60W和8PSK 45W的平均发射功率,从而确保了小区的有效业务覆盖范围,系统有效利用率较之其他参与竞争企业的EDGE系统高42%。
  
  数据重发机制的改进
  EDGE在数据发送和重发机制上采用了“链路适配”和“增量冗余”功能,数据重发成功率较之GPRS平均提高10%~20%。
  
  链路适配功能在不同MCS之间,可根据实时的无线链路质量及时调整最适合的MCS方案。在正确情况下,正常数据块传输转换可以在9种数据速率之间进行以获得传输质量与吞吐率的最佳平衡。当无线环境恶化而导致数据块错传而须重传时,编码速率可以但只能在同一组内的具有包含关系的几种MCS之间互相转换,前后数据块所携带的冗余信息因此具有足够的相关性以便于解调;而GPRS没有链路状况适配机制,且仅能按照前次CS重发,因此重发成功的概率完全被动地依赖于无线环境的变化,在多数情况下只会加重网络的负担、浪费网络资源且无法改善传输质量而导致不断重发、系统效率急剧恶化。
  
  “增量冗余”是EDGE在重发信息中加入更多的冗余信息从而提高接收端正确解调的概率。当接收端检测到故障帧时,GPRS会删除收到的故障数据块,并要求发送端再次重发相同的数据块(使用相同的CS),即简单的混合自动重发请求(HARQ)类型一。HARQ结合了简单的前向纠错机制FEC和接收端只检错的自动重发机制ARQ,类型一即前后信息伴随的冗余比特之间没有相关性。得益于同组MCS之间的包容性,EDGE采用的重发机制实际上就是全增量混合重发请求——HARQ类型二,即在前后相继的若干个数据块中加入的冗余纠错比特具有部分相关性,因此EDGE会在接收端存储故障数据块而不是删除,发送端重发一个使用同组内不同MCS数据块,接收端综合前次故障数据块中的信息比特、冗余信息,本次信息比特、冗余信息等多方信息进行综合纠、检错分析后作相关解调接收,以“冗余”的信息量提高接收成功率。
  
  另外,数据传输的信息窗口大小也是影响数据重发效率的一个重要因素。GPRS仅能提供最大值为64的RLC窗口,当传播环境急剧恶化时,如快速移动环境下,对于多时隙能力的MS便会出现窗口迟后效应,导致大量的重发现象。EDGE可以提供基于不同时隙支持能力的MS所分配的时隙数而定义相应的数据重传窗口大小,变化范围从对应于一个业务时隙的最大64个RLC块到对应于8个业务时隙的1024个RLC块,弱化了快速移动时对数据吞吐速率的影响。
  
  网络实施方面的考虑
  GPRS向EDGE的平滑过渡
  北电网络设计的独有的分组数据业务信道可以同时被EDGE和GPRS业务动态共享,允许实际网络中MS渗透率从偏重GPRS平滑地逐步过渡到偏重EDGE,在不影响话音业务的前提下稳步提高数据吞吐率。分组控制单元PCU通过识别终端的业务支持能力、小区配置、收发信机TRX支持EDGE与否,配合BSC结合当前资源使用状况合理分配分组无线信道,EDGEMS将被首选分配在支持EDGE的信道上;EDGEMS也可以根据当前服务小区的支持能力自动选择工作在EGPRS或GPRS(无EDGE服务时)模式下。
  
  增加的数据速率对传输网络的影响
  如何高效率地调整陆地链路的时隙分配,也是支持EDGE引入更高数据速率的重要因素之一。高速的数据还要求网络提供相应于空中接口速率的链路承载能力,EDGE需要更新Abis和Agprs(如北电网络使用独立PCU单元节点情况下)等陆地链路接口的时隙分配管理机制。话音或低速的GPRSCS1/2每TRX业务量最大可能映射到两个64k的PCM时隙上传输;而EDGE每TRX业务量最大可能映射到8个64k的PCM时隙上传输。北电网络的“动态Abis接口链路管理机制”中采用定义每基站动态公共时隙的办法降低EDGE所带来的增加的数据量对Abis接口链路配置的影响。另外,北电网络“动态Agprs接口链路管理功能”以PCM为单位,将其所对应的所有无线信道动态共享,将最大限度地降低GPRS/EDGE对Agprs链路配置的影响。综合二者,将最大限度地提高陆地传输链路的利用率。
  
  设备支持能力
  新的调制技术和先进线性放大技术要求更换全新的基站收发信机设备。新的链路管理和无线资源分配机制需要更新BSC能力。EDGE的演进虽然不涉及核心网,但配合智能化的核心网可以将EDGE的效能发挥到极致。
  
  手机等移动终端设备也要支持EDGE,截至2004年上半年已有近二十种支持EDGE的终端设备面世。
  
  EDGE全球应用现状及展望
  从过去及未来若干年的用户发展分析及预测可以看到,数据用户的增长速率是话音用户增长速率的6~7倍。虽然即将到来的3G网络的巨额投资可能会淡化GSM运营商对EDGE的接受程度,然而在恰当的商业模式运作之下,EDGE可以为部分运营商以较低的成本投资换取高容量的宽带数据服务而与UMTS系统相辅相成。北美市场由于3G频段缺乏的限制,促使EDGE成为连接2G(GSM/TDMA)和3G(UMTS)的桥梁;其主要的TDMA运营商已决定向GSM转型并实施GSM/GPRS/EDGE。而在欧洲3G频谱虽已具备,但EDGE可以在现有GSM/GPRS覆盖的基础上、UMTS全面铺开之前为终端用户提供质量较好的数据服务体验,欧洲各主要运营商亦打算将EDGE作为UMTS的有效补充。至2004年5月中旬,53个国家的78个运营商已承诺将会开通EDGE,16个运营商已开通EDGE商用网。可以预见,EDGE将在全球范围加快商用的步伐。