EDGE技術(shù)在GSM-R中的應用研究

張　浩　中國鐵路上海局集團有限公司上海通信段

目前，許多鐵路應用業(yè)務使用GSM-R分組域數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)車地之間的數(shù)據(jù)傳送。然而GSM-R系統(tǒng)的頻率資源有限，隨著業(yè)務應用范圍的拓展，GSM-R分組域承載能力緊張的問題逐漸顯現(xiàn)，尤其是在大型車站、樞紐、動車運用所等地段，由于用戶高度集中，對分組域資源的競爭問題更加突出。為了解決這個問題，一方面需要對GSM-R分組域用戶數(shù)量和行為進行合理規(guī)劃，另一方面需要充分挖掘GSM-R網(wǎng)絡的能力，提高頻率資源利用率。EDGE技術(shù)作為GPRS的延伸，使用了更為高效的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、編碼技術(shù)和鏈路適配技術(shù)，具有更高的比特率和頻譜效率。

1 EDGE的技術(shù)特點

EDGE是GPRS到3G的過渡性技術(shù)方案，在GSM網(wǎng)絡中曾經(jīng)得到廣泛應用。EDGE使用與GPRS相同的空中信道分配方式、TDMA的幀結(jié)構(gòu)，通過對無線接口、編碼方式及鏈路質(zhì)量控制方式的改進，實現(xiàn)了比GPRS更短的延時、更高的容量和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

1.1 調(diào)制技術(shù)和編碼方案

在無線接口上，GPRS采用高斯最小移頻鍵控（GMSK）調(diào)制方式，而EDGE在此基礎上引入了八進制移相鍵控（8-PSK）調(diào)制方式，表1為GMSK和8-PSK兩種調(diào)制方式的對比。

GMSK每符號傳送1比特，而8-PSK每符號能夠傳送3比特，因此，在不改變GSM載波帶寬、TDMA幀結(jié)構(gòu)的情況下，理論上EDGE的速率可以達到GPRS的三倍。

GPRS提供了CS-1～CS-4共4種編碼方案，而EDGE定義了MCS-1～MCS-9共9種編碼方案，其中MCS-1～MCS-4采用GMSK調(diào)制方式，MCS-5～MCS-9采用8-PSK調(diào)制方式。這9種編碼方式又可以劃分為A、B、C三類，如表2所示。

表1 GMSK和8-PSK調(diào)制方式對比

表2 GPRS和EDGE編碼方式對比

1.2 鏈路質(zhì)量控制

為了提高鏈路性能，EDGE引入了一套精心設計的鏈路質(zhì)量控制算法，可以在數(shù)據(jù)傳輸過程中改變調(diào)制方式和編碼方式，以適應當前的無線傳輸環(huán)境。EDGE定義了鏈路自適應（LA）和增量冗余（IR）兩種質(zhì)量控制方法，分別用于克服信號的慢衰落和快衰落。

LA算法周期性的對鏈路質(zhì)量進行估計，根據(jù)鏈路的誤碼概率為接下來要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)選擇合適的調(diào)制方式和編碼方式。LA算法實現(xiàn)了調(diào)制和編碼自動化，不需要額外管理即可達到傳輸質(zhì)量與吞吐率的平衡。

在GPRS中，如果數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)塊出現(xiàn)誤碼，則該數(shù)據(jù)塊需要以相同的編碼方式進行重傳，而EDGE中引入了IR算法。IR算法采用了“Type2ARQ”的確認機制，需要發(fā)送的信息根據(jù)特定的“打孔”方式傳輸，如果解碼失敗，采用其它“打孔”方式重發(fā)數(shù)據(jù)塊，該數(shù)據(jù)塊使用相同的MCS或同一編碼類中不同的MCS。接收方綜合故障數(shù)據(jù)塊和重發(fā)數(shù)據(jù)塊中的信息作相關解調(diào)接收，提高了數(shù)據(jù)接收的成功率。

EDGE的9種編碼方式對無線環(huán)境的要求各有不同，速率越高的編碼方式對無線環(huán)境質(zhì)量的要求也越高。相關的試驗表明，不同的C/I條件下，數(shù)據(jù)吞吐量差別很大，但總體而言，EDGE要優(yōu)于GRPS，在無線環(huán)境質(zhì)量較好的情況下EDGE的優(yōu)勢要更為明顯。

2 引入EDGE對GSM-R網(wǎng)絡的影響

我國GSM-R網(wǎng)絡已經(jīng)引入了GPRS，包括SGSN、GGSN、PCU等設備，EDGE很好的繼承和兼容了GPRS網(wǎng)絡，引入EDGE技術(shù)不需要設置新的節(jié)點設備，對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)沒有影響[3]，GPRS 網(wǎng)絡原有 Gb、Gn/Gp、Gi、Gr、Gs等接口都沒有變化，但BSC、PCU的軟件需要升級，對于不支持EDGE的BTS需要增加或更換EDGE載波單元并升級軟件。

2.1 EDGE對Abis接口的影響

GSM-R網(wǎng)絡基站采用環(huán)形組網(wǎng)方式，1～5個基站共用一個E1線路。隨著PDCH信道上的編碼速率的增加，占用Abis接口的時隙資源也越多，采用CS-1～CS-2編碼方式時，Abis接口需要占用1個16K時隙，而采用MSC-8～MSC-9編碼方式時，則需要占用4個16K時隙。對于GSM-R網(wǎng)絡而言，Abis接口是引入EDGE的主要瓶頸。

以華為設備Abis接口常用的12：1復用方式為例，每個基站OML占用1個64K鏈路，每個2個載頻的RSL鏈路占用1個64K時隙，則一個基站環(huán)中被占用的16K時隙數(shù)量Coccupy可以用公式①表示。

其中，N為一個環(huán)內(nèi)基站的數(shù)量，Cf(i)為載頻數(shù)，每個基站控制信道占用2個TDMA幀時隙。

如果為基站分配EPDCH信道（即支持EDGE的信道）的數(shù)量記為CEPDCH(i)，每個EPDCH信道在Abis接口分配4個16K時隙，則一個基站環(huán)中被占用的16K時隙數(shù)量Coccupy可以用公式②和③表示。

一個基站環(huán)中最大可用的16K時隙數(shù)量為31×4=124個，因此分配EPDCH信道時必須滿足Coccupy≤124的要求。在采用5個O2小區(qū)構(gòu)成的一個基站環(huán)的組網(wǎng)方式時，由公式③可知，沒有足夠的Abis接口資源分配EPDCH信道。

為了提高Abis接口的利用效率，可以進一步提高信令鏈路復用率，以華為BSC使用的15：1復用方式為例，OML、RSL（載頻數(shù)量≤3）共同占用1個64K時隙，此時，Abis接口一個2M環(huán)中被占用的16K時隙數(shù)量Coccupy，可以用如下公式④表示。

由此公式可知，在5個O2小區(qū)構(gòu)成的一個2M環(huán)的組網(wǎng)方式時，可以為每個小區(qū)分配2個EPDCH信道，在4個O2小區(qū)構(gòu)成的一個2M環(huán)的組網(wǎng)方式時，可以為每個小區(qū)分配4個EPDCH信道。

為了提高Abis接口鏈路資源利用率，還可以采用動態(tài)Abis鏈路接口的時隙分配管理機制，如圖1所示，為每個小區(qū)預留一定數(shù)量的時隙資源，剩余的時隙資源構(gòu)成Abis Pool，由同一環(huán)內(nèi)的小區(qū)共享。

圖1 動態(tài)Abis鏈路接口的時隙分配示意圖

2.2 信道配置策略

移動設備如果希望使用EDGE，除了GSM-R網(wǎng)絡支持EDGE外，移動臺本身也需要支持EDGE。在GSM-R引入EDGE后，必然長期存在EDGE移動臺和GPRS移動臺并存的情況。因此，需要選擇適當?shù)男诺琅渲貌呗?，避免EDGE移動臺和GPRS移動臺競爭資源。以華為設備為例，分組域信道可分為EGPRS專用信道、EGPRS優(yōu)選信道、EGPRS普通信道、GPRS信道，其中EGPRS專用信道只能分配給EDGE業(yè)務，EGPRS優(yōu)選信道優(yōu)先分配給EDGE業(yè)務，當沒有EGPRS業(yè)務占用的情況下，也可以分配給GPRS業(yè)務，EGPRS普通信道可同時分配給EDGE業(yè)務和GPRS業(yè)務。

對于GSM-R業(yè)務而言，典型情況下，每個小區(qū)配置1個靜態(tài)PDCH信道和3個動態(tài)PDCH信道，不同應用業(yè)務、不同類型移動臺沒有主次之分。因此，在GSM-R網(wǎng)絡中建議采用EGPRS普通信道和GPRS信道混合分配的策略，將其中靜態(tài)PDCH信道應配置成EGPRS普通信道，動態(tài)PDCH信道根據(jù)Abis接口資源情況分配為EGPRS普通信道或GPRS信道。

3 結(jié)論

EDGE采用與GPRS相同的架構(gòu)，也不改變GSM-R網(wǎng)絡的無線覆蓋和頻率規(guī)劃，現(xiàn)有GSM-R網(wǎng)絡通過簡單的軟硬件升級即可支持EDGE。EDGE技術(shù)通過在空中接口采用8-PSK調(diào)制方式和鏈路質(zhì)量控制，獲得了比GPRS更高的吞吐量，能夠在一定程度上滿足鐵路日益增長的分組域應用需求。

[1]3GPPTS05.04Digitalcellulartelecommunicationssystem(Phase 2+);Modulation(Release1999)[S].2003,8.

[2]RYSAVYResearch.datacapabilities：gprstoHSDPA[R].September 2004.

[3]趙洪軍.GSM-R數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)展方向--分組交換數(shù)據(jù)傳輸[J].中國鐵路,2007,3：46-48.