Минувший конгресс 3GSM World Congress, а вслед за ним и выставка CeBIT 2006 в Ганновере принесли с собой массу анонсов новых сотовых телефонов с поддержкой технологии EDGE (Enhanced Data for Global Evolution или, как еще иногда можно услышать, Enhanced Data rates for GSM Evolution). Это не случайно — хотя вендоры мобильных телефонов уделяют все больше внимания поддержке стандартов третьего поколения (3G), таких как CDMA2000 1x, W-CDMA и UMTS, развитие 3G-сетей идет крайне медленно, а интерес к сетям второго поколения (2G) и второго с половиной (2,5G) не ослабевает, а, наоборот, растет, причем как на рынках развивающихся стран, так и на рынках развитых стран.

Эволюция стандартов сотовой связи

Во имя «пропедевтики без кровопролития» вернусь немного в историю и расскажу о том, какие поколения стандартов сотовой связи известны сейчас науке. Те же из вас, кто уже знаком с этим вопросом, могут сразу перейти к следующему разделу, посвященному непосредственно технологии EDGE.

iТак, стандарты первого поколения сотовой связи (1G), NMT-450 (разработан в 1978, внедрен в эксплуатацию в 1981 году) и AMPS (внедрен в 1983 году), были аналоговыми: низкочастотный голос человека передавался на высокочастотной несущей (~450 МГц в случае NMT и 820-890 МГц в случае AMPS) с применением схемы амплитудно-частотной модуляции. Для того, чтобы обеспечить связь одновременно нескольких человек, в стандарте AMPS, например, частотные диапазоны разбивались на каналы шириной 30 кГц — такой подход получил название FDMA (Frequency Division Multiple Access). Стандарты первого поколения создавались для и обеспечивали исключительно голосовую связь.

Стандарты второго поколения (2G), такие как GSM (global system for mobile communications) и CDMA (Code Division Mutiple Access), принесли с собой сразу несколько нововведений. Кроме частотного разделения каналов связи FDMA, голос человека теперь проходил оцифровку (кодирование), то есть, по каналу связи, как и в 1G-стандарте, передавалась модулированная несущая частота, но уже не аналоговым сигналом, а цифровым кодом. В этом — общая черта всех стандартов второго поколения. Различаются они методами «уплотнения» или разделения каналов: в GSM используется подход с временным уплотнением TDMA (Time Division Multiple Access), а в CDMA — кодовое разделение каналов связи (Code Division Mutiple Access), из-за чего этот стандарт так и называется. Стандарты второго поколения также создавались для обеспечения голосовой связи, но в силу их «цифровой природы» и в связи с возникшей в ходе распространения Глобальной Паутины необходимости обеспечить доступ в интернет по мобильному телефоны, предоставляли возможность передачи цифровых данных по мобильному телефону, как по обычному проводному модему. Изначально, стандарты второго поколения не обеспечивали высокой пропускной способности: GSM мог предоставить лишь 9600 бит/с (ровно столько требуется для обеспечения голосовой связи в одном «уплотненном» с помощью TDMA канале), CDMA — несколько десятков Кбит/с.

В стандартах третьего поколения (3G), главным требованием к которым, согласно спецификациям Международного Телекоммуникационного Союза (ITU) IMT-2000, стало обеспечить видеосвязь хотя бы в разрешении QVGA (320х240), необходимо было достичь пропускной способности передачи цифровых данных не менее 384 Кбит/с. Для решения этой задачи используются полосы частот увеличенной ширины (W-CDMA, Wideband CDMA) или большее количество задействованных одновременно частотных каналов (CDMA2000). К слову, изначально стандарт CDMA2000 не мог обеспечить требуемой пропускной способности (предоставляя всего 153 Кбит/с), однако с введением новых модуляционных схем и технологий мультиплексирования с использованием ортогональных несущих в «надстройках» 1х RTT и EV-DO, порог в 384 Кбит/с был успешно преодолен. А такая технология передачи данных, как CDMA2000 1x EV-DV так и вовсе должна будет обеспечить пропускную способность до 2 Мбит/с, в то время как разрабатываемая и продвигаемая сейчас в сетях W-CDMA технология HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) — до 14,4 Мбит/с.

Кроме того, в Японии, Южной Корее и Китае сейчас ведутся работы над стандартами следующего, четвертого поколения, которые смогут, в перспективе, обеспечивать скорость передачи и приема цифровых данных свыше 20 Мбит/с, став, таким образом, альтернативой проводных широкополосных сетей.

Однако, несмотря на все перспективы, которые сулят сети третьего поколения, перейти на них спешат далеко не многие. Причин тому много: это и дороговизна телефонных аппаратов, вызванная необходимостью вернуть вложенные в исследования и разработки средства; и дороговизна эфирного времени, связанная с высокой стоимостью лицензий на частотные диапазоны и необходимостью перехода на несовместимое с существующей инфраструктурой оборудование; и малое время автономной работы из-за чрезмерно высокой (по сравнению с аппаратами второго поколения) нагрузки при передаче больших объемов данных. Одновременно с этим, стандарт второго поколения GSM в силу изначально заложенной в него возможности глобального роуминга и меньшей стоимости аппаратов и эфирного времени (тут политика лицензирования главного поставщика CDMA-технологий, компании Qualcomm, сыграла с ней злую шутку), получил поистине глобальное распространение, и уже в прошлом году число абонентов GSM превышало 1 млрд. человек. Не воспользоваться ситуацией было бы неправильно как с точки зрения операторов, которым хотелось бы увеличить среднюю выручку с одного абонента (ARPU), и обеспечить предоставление сервисов, конкурентоспособных с сервисами 3G-сетей, так и со стороны пользователей, которым хотелось бы иметь мобильный доступ в интернет. То же, что произошло с этим стандартом в дальнейшем, вполне можно назвать небольшим чудом: был придуман эволюционный подход, конечной целью которого было превратить GSM в стандарт третьего поколения, совместимый с UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

Строго говоря, мобильный доступ в интернет был доступен давно: технология CSD (Circuit-Switched Data) позволяла осуществлять модемное соединение на скорости 9600 бит/с, но, во-первых, это было неудобно из-за малой скорости, а во-вторых — из-за поминутной тарификации. Поэтому сначала была придумана и внедрена технология передачи данных GPRS (General Packet Radio Service), ознаменовавшая начало перехода к пакетному подходу, а потом — технология EDGE. К слову, есть еще альтернативная GPRS технология HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data), но она менее распространена, так как тоже подразумевает поминутную тарификацию, в то время как в GPRS учитывается трафик — пересылка пакетов. В этом — главная разница между GPRS и различными технологиями на базе CSD-подхода: в первом случае абонентский терминал пересылает в эфир пакеты, которые идут произвольными каналами до адресата, во втором — между терминалом и базовой станцией (работающей как маршрутизатор) устанавливается соединение типа точка-точка с использованием стандартного или расширенного канала связи. Стандарт GSM с технологией GPRS занимает промежуточное положение между вторым и третьим поколениями связи, посему нередко называется вторым с половиной поколением (2,5G). Называется он так еще и потому, что GPRS знаменует собой половину пути GSM/GPRS-сетей к совместимости с UMTS.

Технология EDGE, как нетрудно догадаться из ее названия (которое можно перевести как «улучшенные скорости передачи данных для эволюции GSM-стандарта») играет сразу две роли: во-первых, обеспечивает более высокую пропускную способность для передачи и приема данных, а во-вторых, служит еще одним шагом на пути от GSM к UMTS. Первый шаг — внедрение GPRS, уже сделан. Не за горами и второй шаг — внедрение EDGE уже началось в мире и в нашей стране.
EDGE — что это такое и с чем её едят?

Технология EDGE может внедряться двумя разными способами: как расширение GPRS, в этом случае ее следует называть EGPRS (enhanced GPRS) или как расширение CSD (ECSD). Учитывая, что GPRS распространена намного шире, чем HSCSD, остановимся на рассмотрении EGPRS.

1. EDGE не является новым стандартом сотовой связи.

Однако, EDGE подразумевает дополнительный физический уровень, который может быть использован для увеличения пропускной способности сервисов GPRS или HSCSD. При этом, сами сервисы предоставляются точно так же, как и раньше. Теоретически, сервис GPRS способен обеспечивать пропускную спосность до 160 Кбит/с (на физическом уровне, на практике же поддерживающие GPRS Class 10 или 4+1/3+2 аппараты обеспечивают лишь до 38-42 Кбит/с и то, если позволяет загруженность сети сотовой связи), а EGPRS — до 384-473,6 Кбит/с. Для этого необходимо использование новой модуляционной схемы, новых методов кодирования каналов и коррекции ошибок.

2. EDGE, по сути, является «надстройкой» (вернее, подстройкой, если считать, что физический уровень находится ниже остальных) к GPRS и не может существовать отдельно от GPRS. EDGE, как уже было сказано выше, подразумевает использование иных модуляционных и кодовых схем, сохраняя совместимость с CSD-сервисом голосовой связи.

Рисунок 1. Измененные узлы показаны желтым цветом.

Таким образом, с точки зрения клиентского терминала, с внедрением EDGE не должно измениться ничего. Однако, инфраструктура базовой станции претерпит некоторые изменения (см. рис. 1), хотя и не такие уж серьезные. Помимо увеличения пропускной способности для передачи данных, внедрение EDGE увеличивает емкость сети сотовой связи: в один и тот же тайм-слот можно теперь «упаковать» большее количество пользователей, соответственно, можно надеяться не получать сообщение «сеть занята» в самые неподходящие моменты.
Таблица 1. Сравнительные характеристики EDGE и GPRS
GPRS EDGE
Модуляционная схема GMSK 8-PSK/GMSK
Скорость передачи символов 270 тыс. в секунду 270 тыс. в секунду
Пропускная способность 270 Кбит/с 810 Кбит/с
Пропускная способность на тайм-слот 22,8 Кбит/с 69,2 Кбит/с
Скорость передачи данных на тайм-слот 20 Кбит/с (CS4) 59,2 Кбит/с (MCS9)
Скорость передачи данных с использованием 8 тайм-слотов 160 (182,4) Кбит/с 473,6 (553,6) Кбит/с/s



Таблица 1 иллюстрирует разные технические характеристики EDGE и GPRS. Хотя и в EDGE, и в GPRS в единицу времени отправляется одинаковой число символов, благодаря использованию другой модуляционной схемы, число бит данных в EDGE втрое больше. Сразу оговоримся здесь, что приведенные в таблице значения пропускной способности и скорости передачи данных отличаются друг от друга из-за того, что в первой также учитываются заголовки пакетов, пользователю ненужные. Ну, а максимальная скорость передачи данных в 384 Кбит/с (требуемая для соответствия спецификациям IMT-2000) получается в том случае, если используется восемь тайм-слотов, то есть, на каждый тайм-слот приходится по 48 Кбит/с.
Модуляционная схема EDGE

В стандарте GSM применяется модуляционная схема GMSK (Gaussian minimum shift keying, кодирование по сдвигу Гауссового минимума), являющейся разновидностью фазовой модуляции сигнала. Для пояснения принципа схемы GMSK рассмотрим фазовую диаграмму рис. 2, на которой изображена действительная (I) и мнимая (Q) часть комплексного сигнала. Фаза передаваемых логических «0» и «1» отличаются друг от друга фазой p. Каждый передаваемый в единицу времени символ соответствует одному биту.

Рисунок 2. Разные модуляционные схемы в GPRS и EDGE.


В технологии EDGE применяется модуляционная схема 8PSK (8-phase shift keying, сдвиг фазы, как видно из рисунка, равен p/4), используя все те же спецификации структуры частотных каналов, кодирования и ширины полос, как в GSM/GPRS. Соответственно, соседние частотные каналы создают ровно те же взаимные помехи, как и в GSM/GPRS. Меньший сдвиг фазы между символами, в которые теперь кодируется не один бит, а три (символы соответствует комбинациям 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111), делает задачу детектирования сложнее, особенно если уровень сигнала невысок. Впрочем, в условиях хорошего уровня сигнала и стабильного приема, дискриминировать каждый символ не составляет большого труда.
Кодирование

В GPRS возможно применение четырех разных схем кодирования: CS1, CS2, CS3 и CS4, в каждой из которых используется свой алгоритм коррекции ошибок. Для EGPRS разработано девять схем кодирования, MCS1..MCS9, соответственно, назначение которых также в обеспечении коррекции ошибок. Причем в «младших» MSC1..MSC4 используется модуляционная схема GMSK, в «старших» MSC5..MSC9 — модуляционная схема 8PSK. На рисунке 3 представлена зависимость скорости передачи данных от использования разных модуляционных схем вкупе с разными схемами кодирования (скорость передачи данных меняется в зависимости от того, как много требуемой для работы алгоритмов коррекции ошибок избыточной информации закладывается в каждый кодируемый пакет). Нетрудно догадаться, что чем хуже условия приема (отношение сигнал/шум), тем больше приходится закладывать избыточной информации в каждый пакет, а значит, тем меньше скорость передачи данных. Небольшое отличие в скорости передачи данных, наблюдаемое между CS1 и MCS1, CS2 и MCS2, и т. д., связано с разницей в величине заголовков пакетов.

Рисунок 3. Разные кодовые схемы в GPRS и EDGE.


Впрочем, если соотношение сигнал/шум невелико, не все потеряно: в старших модуляционно-кодовых схемах EGPRS MCS7, MCS8, MCS9 предусмотрена процедура «наложения»: так как стандарт способен отправлять группы пакетов на разных несущих (внутри частотного диапазона), для каждой из которых условия (и прежде всего — «зашумленность») могут быть разными, в этом случае повторной передачи всего блока можно избежать, если знать, в какой группе произошел сбой и повторно транслировать именно эту группу. В отличие от старшей кодовой схемы GPRS CS4, где не используется аналогичный алгоритм коррекции ошибок, в EGPRS MCS7, MCS8, MCS9 разные блоки данных «накладываются» друг на друга, поэтому при сбое в одной из групп (как показано на рисунке), повторной пересылке подлежит лишь половина пакетов (см. рис. 4).

Рисунок 4. Использование наложения групп пакетов в EDGE.

Обработка пакетов

Если по каким-то причинам пакет, отправленный с использованием «старших» схем кодирования, не был корректно принят, EGPRS позволяет его ретранслировать заново с использованием «пониженной» кодировочной схемы. В GPRS такой возможности, названной «ресегментацией» (resegmentation), предусмотрено не было: некорректно принятый пакет отправляется вновь по той же модуляционно-кодировочной схеме, что и в предыдущий раз.
Окно адресации (addressing window)

Прежде чем последовательность кодированных (то есть, в которые закодированы «слова», состоящие из нескольких бит) пакетов (фрейм) может быть передана по радиочастотному интерфейсу, передатчик присваивает пакетам идентификационный номер, включенный в заголовок каждого пакета. Номера пакетов в GPRS составляют от 1 до 128. После того, как последовательность пакетов (например, 10 штук) отправлена адресату, передатчик ждет от приемника подтверждения того, что они были приняты. В отчете, который приемник отправляет обратно передатчику, содержатся номера пакетов, которые были успешно декодированы, и которые получатель декодировать не смог. Важный нюанс: номера пакетов принимают значения от 1 до 128, а ширина адресного окна — всего 64, вследствие чего вновь передаваемый пакет может получить такой же номер, как в предыдущем фрейме. В этом случае протокол вынужден повторно отправлять весь текущий фрейм, что отрицательно сказывается на скорости передачи данных в целом. Для снижения риска возникновения такой ситуации в EGPRS номер пакета может принимать значения от 1 до 2048, а адресное окно увеличено до 1024.
Точность измерения

Для обеспечения корректного функционирования технологии GPRS в среде GSM приходится постоянно измерять радиоусловия: уровень сигнал/шум в канале, частоту появления ошибок и т. п. Эти измерения никак не сказываются на качестве голосовой связи, где достаточно постоянно использовать одну и ту же кодировочную схему. При передаче данных в GPRS измерение радиоусловий возможно лишь в «паузах» — дважды за период 240 мс. Для того, чтобы не ждать каждые 120 мс, EGPRS определяет такой параметр, как вероятность возникновения ошибки на бит (BEP, bit error probability), в каждом фрейме. На величину BEP влияет как отношение сигнал/шум, так и временная дисперсия сигнала и скорость перемещения терминала. Изменение BEP от фрейма к фрейму позволяет оценить скорость терминала и «дрожание» частоты, но для более точной оценки используется среднее значение вероятности ошибки на бит на каждые четыре фрейма и его выборочное стандартное отклонение. Благодаря этому, EGPRS быстрее реагирует на изменения условий: увеличивает скорость передачи данных при снижении BEP и наоборот.
Контроль за скоростью соединения в EGPRS

В EGPRS используется комбинация двух подходов: подстройки скорости соединения и инкрементной избыточности. Подстройка скорости соединения, измеряемой либо мобильным терминалом по количеству принимаемых в единицу времени данных, либо базовой станцией по количеству, соответственно, передаваемых данных, позволяет выбрать оптимальную модуляционно-кодовую схему для последующих объемов данных. Обычно, использование новой модуляционно-кодовой схемы может быть назначено при передаче нового блока (по четыре группы) данных.

Инкрементная избыточность изначально применяется для самой старшей модуляционно-кодовой схемы, MCS9, с незначительным вниманием к коррекции ошибок и без учета условий радиосвязи. Если информация декодируется адресатом некорректно, по каналу связи передаются не сами данные, а некий контрольный код, который «добавляется» (используется для преобразования) к уже загруженным данным до тех пор, пока данные не будут декодированы успешно. Каждый такой «инкрементный кусочек» дополнительного кода увеличивает вероятность успешной расшифровки переданных данных — в этом и заключается избыточность. Главным преимуществом этого подхода является то, что здесь нет необходимости следить за качеством радиосвязи, поэтому инкрементная избыточность является обязательной в стандарте EGPRS для мобильных терминалов.
Интеграция EGPRS в существующие GSM/GPRS сети — UMTS не за горами!

Как уже было сказано выше, главное различие между GPRS и EGPRS — в использовании иной модуляционной схемы на физическом уровне. Поэтому для поддержки EGPRS достаточно установки на базовой станции поддерживающего новые модуляционные схемы трансивера и программного обеспечения для обработки пакетов. Для обеспечения совместимости с не поддерживающими EDGE мобильными телефонами, в стандарте прописано следующее:
Поддерживающие и не поддерживающие EDGE мобильные терминалы должны быть способны использовать один и тот же тайм-слот
Поддерживающие и не поддерживающие EDGE трансиверы должны использовать один и тот же частотный диапазон
Возможна частичная поддержка EDGE
Для облегчения процесса внедрения на рынок новых мобильных телефонов было решено подразделить EDGE-совместимые терминалы на два класса:
Поддерживающие модуляционную схему 8PSK только в приемном потоке данных (downlink) и
Поддерживающие 8PSK как в приемном, так и в передающем (uplink) потоке данных

Внедрение EGPRS, как уже говорилось выше, позволяет достичь пропускной способности, примерно втрое больше, чем в технологии GPRS. При этом используется в точности такие же профили QoS (quality of service, качество сервиса), как в GPRS, но с учетом увеличившейся пропускной способности. Помимо необходимости установки трансивера на базовой станции, для поддержки EGPRS требуется обновление программного обеспечения, которое должно будет обрабатывать измененный протокол передачи пакетов.

Следующим эволюционным шагом на пути систем сотовой связи GSM/EDGE к «полноценным» сетям третьего поколения будет дальнейшее улучшение сервисов пересылки пакетов (данных) для обеспечения их совместимости с UMTS/UTRAN (UMTS terrestrial radio access network). Эти улучшения в настоящее время проходят рассмотрениеи, скорее всего, будут включены в будущий вариант спецификаций 3GPP (3G Partnership Project). Главное отличие GERAN от внедряемой в настоящий момент технологии EDGE будет поддержка QoS для интерактивных, фоновых, потоковых и переговорных классов. Поддержка этих QoS-классов уже есть в UMTS, благодаря чему в сетях UMTS (скажем, W-CDMA 2100 или 1900 МГц) наличествует возможность, например, видеосвязи. Кроме этого, в будущем поколении EDGE планируется обеспечить одновременную параллельную обработку потоков данных с разным приоритетом QoS.

По материалам Ericsson, iXBT.com и «Мегафон».