Технологія EDGE: що це і навіщо це потрібно?

1. Еволюція стандартів стільникового зв'язку
2. EDGE - що це таке і з чим її їдять?
3. Модуляционная схема EDGE
4. кодування
5. Обробка пакетів
6. Вікно адресації (addressing window)
7. точність вимірювання
8. Контроль за швидкістю з'єднання в EGPRS
9. Інтеграція EGPRS в існуючі GSM / GPRS мережі - UMTS не за горами!

Минулий конгрес 3GSM World Congress, а слідом за ним і виставка CeBIT 2006 у Ганновері принесли з собою масу анонсів нових стільникових телефонів з підтримкою технології EDGE (Enhanced Data for Global Evolution або, як ще іноді можна почути, Enhanced Data rates for GSM Evolution). Це не випадково - хоча вендори мобільних телефонів приділяють все більше уваги підтримці стандартів третього покоління (3G), таких як CDMA2000 1x, W-CDMA і UMTS, розвиток 3G-мереж йде вкрай повільно, а інтерес до мереж другого покоління (2G) і другого з половиною (2,5G) не слабшає, а, навпаки, зростає, причому як на ринках країн, що розвиваються, так і на ринках розвинених країн.

Еволюція стандартів стільникового зв'язку

В ім'я «пропедевтики без кровопролиття» повернуся трохи в історію і розповім про те, які покоління стандартів стільникового зв'язку відомі зараз науці. Ті ж з вас, хто вже знайомий з цим питанням, можуть відразу перейти до наступного розділу, присвяченому безпосередньо технології EDGE.

iТак, стандарти першого покоління стільникового зв'язку (1G), NMT-450 (Розроблений в 1978, впроваджений в експлуатацію в 1981 році) і AMPS (Впроваджений в 1983 році), були аналоговими: низькочастотний голос людини передавався на високочастотної несучої (~ 450 МГц в разі NMT і 820-890 МГц в разі AMPS) із застосуванням схеми амплітудно-частотної модуляції. Для того, щоб забезпечити зв'язок одночасно кількох людей, в стандарті AMPS, наприклад, частотні діапазони розбивалися на канали шириною 30 кГц - такий підхід отримав назву FDMA (Frequency Division Multiple Access). Стандарти першого покоління створювалися для і забезпечували виключно голосовий зв'язок.

Стандарти другого покоління (2G), такі як GSM (Global system for mobile communications) і CDMA (Code Division Mutiple Access), принесли з собою відразу кілька нововведень. Крім частотного поділу каналів зв'язку FDMA, голос людини тепер проходив оцифровку (кодування), тобто, по каналу зв'язку, як і в 1G-стандарті, передавалася модулированная несуча частота, але вже не аналоговим сигналом, а цифровим кодом. У цьому - спільна риса всіх стандартів другого покоління. Розрізняються вони методами «ущільнення» або поділу каналів: в GSM використовується підхід з тимчасовим ущільненням TDMA (Time Division Multiple Access), а в CDMA - кодове розділення каналів зв'язку (Code Division Mutiple Access), через що цей стандарт так і називається. Стандарти другого покоління також створювалися для забезпечення голосового зв'язку, але в силу їх «цифровий природи» і в зв'язку з виниклою в ході поширення Глобальної Павутини необхідності забезпечити доступ в інтернет по мобільному телефони, надавали можливість передачі цифрових даних по мобільному телефону, як за звичайним провідного модему. Спочатку, стандарти другого покоління не забезпечували високої пропускної здатності: GSM міг надати лише 9600 біт / с (рівно стільки потрібно для забезпечення голосового зв'язку в одному «ущільненому» за допомогою TDMA каналі), CDMA - кілька десятків Кбіт / с.

У стандартах третього покоління (3G), головною вимогою до яких, згідно зі специфікаціями Міжнародного телекомунікаційного Союзу (ITU) IMT-2000, стало забезпечити відеозв'язок хоча б в дозволі QVGA (320х240), необхідно було досягти пропускної здатності передачі цифрових даних не менше 384 Кбіт / с. Для вирішення цього завдання використовуються смуги частот збільшеної ширини (W-CDMA, Wideband CDMA) або більшу кількість задіяних одночасно частотних каналів (CDMA2000). До речі, спочатку стандарт CDMA2000 не міг забезпечити необхідної пропускної спроможності (надаючи всього 153 Кбіт / с), проте з введенням нових модуляційних схем і технологій мультиплексування з використанням ортогональних несучих в «надбудови» 1х RTT і EV-DO, поріг в 384 Кбіт / з був успішно подоланий. А така технологія передачі даних, як CDMA2000 1x EV-DV так і зовсім повинна буде забезпечити пропускну здатність до 2 Мбіт / с, в той час як розробляється і просувається зараз в мережах W-CDMA технологія HSDPA (High-Speed ​​Downlink Packet Access) - до 14,4 Мбіт / с.

Крім того, в Японії, Південній Кореї та Китаї зараз ведуться роботи над стандартами наступного, четвертого покоління, які зможуть, в перспективі, забезпечувати швидкість передачі і прийому цифрових даних понад 20 Мбіт / с, ставши, таким чином, альтернативою дротових широкосмугових мереж.

Однак, незважаючи на всі перспективи, які обіцяють мережі третього покоління, перейти на них поспішають далеко не всі. Причин тому багато: це і дорожнеча телефонних апаратів, викликана необхідністю повернути вкладені в дослідження і розробки кошти; і дорожнеча ефірного часу, пов'язана з високою вартістю ліцензій на частотні діапазони і необхідністю переходу на несумісне з існуючою інфраструктурою обладнання; і малий час автономної роботи через надмірно високою (у порівнянні з апаратами другого покоління) навантаження при передачі великих обсягів даних. Одночасно з цим, стандарт другого покоління GSM в силу спочатку закладеної в нього можливості глобального роумінгу і меншої вартості апаратів і ефірного часу (тут політика ліцензування головного постачальника CDMA-технологій, компанії Qualcomm, зіграла з нею злий жарт), отримав воістину глобальне поширення, і вже в минулому році число абонентів GSM перевищувало 1 млрд. чоловік. Не скористатися ситуацією було б неправильно як з точки зору операторів, яким хотілося б збільшити середню виручку з одного абонента (ARPU), і забезпечити надання сервісів, конкурентоспроможних з сервісами 3G-мереж, так і з боку користувачів, яким хотілося б мати мобільний доступ в інтернет. Те ж, що сталося з цим стандартом в подальшому, цілком можна назвати невеликим дивом: був придуманий еволюційний підхід, кінцевою метою якого було перетворити GSM в стандарт третього покоління, сумісний з UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

Строго кажучи, мобільний доступ в інтернет був доступний давно: технологія CSD (Circuit-Switched Data) дозволяла здійснювати модемне з'єднання на швидкості 9600 біт / с, але, по-перше, це було незручно через малій швидкості, а по-друге - через щохвилинної тарифікації. Тому спочатку була придумана і впроваджена технологія передачі даних GPRS (General Packet Radio Service), що ознаменувала початок переходу до пакетного підходу, а потім - технологія EDGE. До слова, є ще альтернативна GPRS технологія HSCSD (High-Speed ​​Circuit Switched Data), але вона менш поширена, тому що теж має на увазі похвилинну тарифікацію, в той час як в GPRS враховується трафік - пересилання пакетів. У цьому - головна різниця між GPRS і різними технологіями на базі CSD-підходу: в першому випадку абонентський термінал пересилає в ефір пакети, які йдуть довільними каналами до адресата, у другому - між терміналом і базовою станцією (працює як маршрутизатор) встановлюється з'єднання типу точка -точка з використанням стандартного або розширеного каналу зв'язку. Стандарт GSM з технологією GPRS займає проміжне положення між другим і третім поколіннями зв'язку, тому нерідко називається другим з половиною поколінням (2,5G). Називається він так ще й тому, що GPRS знаменує собою половину шляху GSM / GPRS-мереж до сумісності з UMTS.

Технологія EDGE, як неважко здогадатися з її назви (яке можна перевести як «поліпшені швидкості передачі даних для еволюції GSM-стандарту») грає відразу дві ролі: по-перше, забезпечує більш високу пропускну здатність для передачі і прийому даних, а по-друге , служить ще одним кроком на шляху від GSM до UMTS. Перший крок - впровадження GPRS, вже зроблений. Не за горами і другий крок - впровадження EDGE вже почалося в світі і в нашій країні.

EDGE - що це таке і з чим її їдять?

Технологія EDGE може впроваджуватися двома різними способами: як розширення GPRS, в цьому випадку її слід називати EGPRS (enhanced GPRS) або як розширення CSD (ECSD). З огляду на, що GPRS поширена набагато ширше, ніж HSCSD, зупинимося на розгляді EGPRS.

1. EDGE не є новим стандартом стільникового зв'язку.

Однак, EDGE має на увазі додатковий фізичний рівень, який може бути використаний для збільшення пропускної здатності сервісів GPRS або HSCSD. При цьому, самі сервіси надаються точно так же, як і раніше. Теоретично, сервіс GPRS здатний забезпечувати пропускну спосность до 160 Кбіт / с (на фізичному рівні, на практиці ж підтримують GPRS Class 10 або 4 + 1/3 + 2 апарати забезпечують лише до 38-42 Кбіт / с і то, якщо дозволяє завантаженість мережі стільникового зв'язку), а EGPRS - до 384-473,6 Кбіт / с. Для цього необхідно використання нової модуляційної схеми, нових методів кодування каналів і корекції помилок.

2. EDGE, по суті, є «надбудовою» (вірніше, підстроюванням, якщо вважати, що фізичний рівень знаходиться нижче інших) до GPRS і не може існувати окремо від GPRS. EDGE, як уже було сказано вище, має на увазі використання інших модуляційних і кодових схем, зберігаючи сумісність з CSD-сервісом голосового зв'язку.

Таким чином, з точки зору клієнтського терміналу, з впровадженням EDGE не повинно змінитися нічого. Однак, інфраструктура базової станції зазнає деяких змін (див. Рис. 1), хоча і не такі вже серйозні. Крім збільшення пропускної здатності для передачі даних, впровадження EDGE збільшує ємність мережі стільникового зв'язку: в один і той же тайм-слот можна тепер «упакувати» більшу кількість користувачів, відповідно, можна сподіватися не отримувати повідомлення «мережа зайнята» в самі невідповідні моменти.

Таблиця 1 ілюструє різні технічні характеристики EDGE і GPRS. Хоча і в EDGE, і в GPRS в одиницю часу вирушає однаковою число символів, завдяки використанню інший модуляционной схеми, число біт даних в EDGE втричі більше. Відразу обмовимося тут, що наведені в таблиці значення пропускної здатності і швидкості передачі даних відрізняються один від одного через те, що в першій також враховуються заголовки пакетів, користувачеві непотрібні. Ну, а максимальна швидкість передачі даних в 384 Кбіт / с (необхідна для відповідності специфікаціям IMT-2000) виходить в тому випадку, якщо використовується вісім тайм-слотів, тобто, на кожен тайм-слот доводиться по 48 Кбіт / с.

Модуляционная схема EDGE

У стандарті GSM застосовується модуляційна схема GMSK (Gaussian minimum shift keying, кодування по зрушенню гауссова мінімуму), що є різновидом фазової модуляції сигналу. Для пояснення принципу схеми GMSK розглянемо фазову діаграму рис. 2, на якій зображена дійсна (I) і уявна (Q) частина комплексного сигналу. Фаза переданих логічних «0» і «1» відрізняються один від одного фазою p. Кожен переданий в одиницю часу символ відповідає одному біту.

В технології EDGE застосовується модуляційна схема 8PSK (8-phase shift keying, зсув фази, як видно з малюнка, дорівнює p / 4), використовуючи всі ті ж специфікації структури частотних каналів, кодування і ширини смуг, як в GSM / GPRS. Відповідно, сусідні частотні канали створюють рівно ті ж взаємні перешкоди, як і в GSM / GPRS. Менший зрушення фази між символами, в які тепер кодується не один біт, а три (символи відповідає комбінаціям 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 і 111), робить задачу детектування складніше, особливо якщо рівень сигналу невисокий. Втім, в умовах високого рівня сигналу і стабільного прийому, дискримінувати кожен символ не складає великих труднощів.

кодування

У GPRS можливе застосування чотирьох різних схем кодування: CS1, CS2, CS3 і CS4, в кожній з яких використовується свій алгоритм корекції помилок. Для EGPRS розроблено дев'ять схем кодування, MCS1..MCS9, відповідно, призначення яких також в забезпеченні корекції помилок. Причому в «молодших» MSC1..MSC4 використовується модуляційна схема GMSK, в «старших» MSC5..MSC9 - модуляційна схема 8PSK. На малюнку 3 представлена ​​залежність швидкості передачі даних від використання різних модуляційних схем укупі з різними схемами кодування (швидкість передачі даних змінюється в залежності від того, як багато необхідної для роботи алгоритмів корекції помилок надлишкової інформації закладається в кожен кодується пакет). Неважко здогадатися, що чим гірше умови прийому (відношення сигнал / шум), тим більше доводиться закладати надлишкової інформації в кожен пакет, а значить, тим менше швидкість передачі даних. Невелика відмінність у швидкості передачі даних, що спостерігається між CS1 і MCS1, CS2 і MCS2, і т. Д., Пов'язане з різницею у величині заголовків пакетів.

Втім, якщо співвідношення сигнал / шум невелика, не все втрачено: в старших модуляційно-кодових схемах EGPRS MCS7, MCS8, MCS9 передбачена процедура «накладання»: так як стандарт здатний відправляти групи пакетів на різних несучих (всередині частотного діапазону), для кожної з яких умови (і перш за все - «зашумленность») можуть бути різними, в цьому випадку повторної передачі всього блоку можна уникнути, якщо знати, в якій групі стався збій і повторно транслювати саме цю групу. На відміну від старшої кодової схеми GPRS CS4, де не використовується аналогічний алгоритм корекції помилок, в EGPRS MCS7, MCS8, MCS9 різні блоки даних «накладаються» один на одного, тому при збої в одній з груп (як показано на малюнку), повторної пересилання підлягає лише половина пакетів (див. рис. 4).

Обробка пакетів

Якщо з якихось причин пакет, відправлений з використанням «старших» схем кодування, що не був коректно прийнятий, EGPRS дозволяє його ретранслювати заново з використанням «зниженою» кодувальної схеми. В GPRS такої можливості, названої «ресегментаціей» (resegmentation), передбачено не було: некоректно прийнятий пакет відправляється знову по тій же модуляційно-кодувальної схемою, що і в попередній раз.

Вікно адресації (addressing window)

Перш ніж послідовність кодованих (тобто, в які закодовані «слова», що складаються з декількох біт) пакетів (фрейм) може бути передана по радіочастотного інтерфейсу, передавач присвоює пакетам ідентифікаційний номер, включений в заголовок кожного пакета. Номери пакетів в GPRS становлять від 1 до 128. Після того, як послідовність пакетів (наприклад, 10 штук) відправлена ​​адресату, передавач чекає від приймача підтвердження того, що вони були прийняті. У звіті, який приймач відправляє назад передавача, містяться номери пакетів, які були успішно декодовані, і які одержувач декодувати не зміг. Важливий нюанс: номера пакетів приймають значення від 1 до 128, а ширина адресного вікна - всього 64, внаслідок чого знову переданий пакет може отримати такий же номер, як в попередньому фреймі. У цьому випадку протокол змушений повторно відправляти весь поточний фрейм, що негативно позначається на швидкості передачі даних в цілому. Для зниження ризику виникнення такої ситуації в EGPRS номер пакету може набувати значень від 1 до 2048, а адресне вікно збільшено до 1024.

точність вимірювання

Для забезпечення коректного функціонування технології GPRS в середовищі GSM доводиться постійно вимірювати радіоусловія: рівень сигнал / шум в каналі, частоту появи помилок і т. П. Ці вимірювання ніяк не позначаються на якості голосового зв'язку, де досить постійно використовувати одну і ту ж кодіровочние схему. При передачі даних в GPRS вимір радіоусловій можливо лише в «паузах» - двічі за період 240 мс. Для того, щоб не чекати кожні 120 мс, EGPRS визначає такий параметр, як ймовірність виникнення помилки на біт (BEP, bit error probability), в кожному фреймі. На величину BEP впливає як відношення сигнал / шум, так і тимчасова дисперсія сигналу і швидкість переміщення терміналу. Зміна BEP від ​​фрейму до фрейму дозволяє оцінити швидкість терміналу і «тремтіння» частоти, але для більш точної оцінки використовується середнє значення ймовірності помилки на біт на кожні чотири фрейми і його вибіркове стандартне відхилення. Завдяки цьому, EGPRS швидше реагує на зміни умов: збільшує швидкість передачі даних при зниженні BEP і навпаки.

Контроль за швидкістю з'єднання в EGPRS

У EGPRS використовується комбінація двох підходів: підстроювання швидкості з'єднання і инкрементной надмірності. Підстроювання швидкості з'єднання, вимірюваної або мобільним терміналом за кількістю прийнятих в одиницю часу даних, або базовою станцією за кількістю, відповідно, переданих даних, дозволяє вибрати оптимальну модуляційно-кодову схему для подальших обсягів даних. Зазвичай, використання нової модуляційно-кодової схеми може бути призначено при передачі нового блоку (по чотири групи) даних.

Інкрементна надмірність спочатку застосовується для найстаршій модуляційно-кодової схеми, MCS9, з незначним увагою до корекції помилок і без урахування умов радіозв'язку. Якщо інформація декодується адресатом некоректно, по каналу зв'язку передаються не самі дані, а якийсь контрольний код, який «додається» (використовується для перетворення) до вже завантажених даним до тих пір, поки дані не будуть декодовані успішно. Кожен такий «інкрементний шматочок» додаткового коду збільшує ймовірність успішної розшифровки переданих даних - в цьому і полягає надмірність. Головною перевагою цього підходу є те, що тут немає необхідності стежити за якістю радіозв'язку, тому інкрементна надмірність є обов'язковою в стандарті EGPRS для мобільних терміналів.

Інтеграція EGPRS в існуючі GSM / GPRS мережі - UMTS не за горами!

Як вже було сказано вище, головна відмінність між GPRS і EGPRS - у використанні іншої модуляційної схеми на фізичному рівні. Тому для підтримки EGPRS достатньо установки на базовій станції підтримує нові модуляційні схеми трансивера і програмного забезпечення для обробки пакетів. Для забезпечення сумісності з не підтримують EDGE мобільними телефонами, в стандарті прописано наступне:

• Підтримують і не підтримують EDGE мобільні термінали повинні бути здатні використовувати один і той же тайм-слот
• Підтримують і не підтримують EDGE трансивери повинні використовувати один і той же частотний діапазон
• Можлива часткова підтримка EDGE

• Підтримують модуляційну схему 8PSK тільки в приймальному потоці даних (downlink) і
• Підтримують 8PSK як в приймальному, так і в передавальному (uplink) потоці даних

Впровадження EGPRS, як уже говорилося вище, дозволяє досягти пропускної здатності, приблизно втричі більше, ніж в технології GPRS. При цьому використовується в точності такі ж профілі QoS (quality of service, якість сервісу), як в GPRS, але з урахуванням збільшеної пропускної здатності. Крім необхідності установки трансивера на базовій станції, для підтримки EGPRS потрібне оновлення програмного забезпечення, яке повинно буде обробляти змінений протокол передачі пакетів.

Наступним еволюційним кроком на шляху систем стільникового зв'язку GSM / EDGE до «повноцінним» мереж третього покоління буде подальше поліпшення сервісів пересилки пакетів (даних) для забезпечення їх сумісності з UMTS / UTRAN (UMTS terrestrial radio access network). Ці поліпшення в даний час проходить розгляд, швидше за все, будуть включені в майбутній варіант специфікацій 3GPP (3G Partnership Project). Головна відмінність GERAN від впроваджуваної зараз технології EDGE буде підтримка QoS для інтерактивних, фонових, потокових і переговорних класів. Підтримка цих QoS-класів уже є в UMTS, завдяки чому в мережах UMTS (скажімо, W-CDMA 2100 або 1900 МГц) наявна можливість, наприклад, відеозв'язку. Крім цього, в майбутньому поколінні EDGE планується забезпечити одночасну паралельну обробку потоків даних з різним пріоритетом QoS.

за матеріалами Ericsson , iXBT.com и «Мегафон» .