Технологія EDGE та GPRS
EDGE - що це таке і з чим її їдять?
Технологія EDGE може впроваджуватися двома різними способами: як розширення GPRS (у цьому випадку її слід називати EGPRS,- enhanced GPRS) або як розширення CSD (ECSD). З огляду на те, 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 використано для збільшення пропускної здатності сервісів GPRS або HSCSD. При цьому, самі сервіси надаються так само, як і раніше. Теоретично, сервіс GPRS здатний забезпечувати пропускної здатність 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, 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, у принципі, є «надбудовою» (вірніше, подстройкой, якщо вважати, що фізичний рівень знаходиться нижче інших) до GPRS і не може існувати окремо від GPRS. EDGE, як вже було сказано вище, має на увазі використання інших модуляційних і кодових схем, зберігаючи сумісність з CSD-сервісом голосового зв'язку.
Таким чином, з т. з. клієнтського терміналу, із впровадженням EDGE не повинно змінитися нічого. Однак, інфраструктура базової станції зазнає деяких змін (див. мал. 1), хоча вже і не таких серйозних. Крім збільшення пропускної здатності для передачі даних, впровадження EDGE також збільшує ємність мережі стільникового зв'язку: до одного і того ж тайм-слоту можна тепер «упакувати» більшу кількість користувачів, отже, тепер можна не отримувати повідомлення, такы, наприклад, як, - «мережа зайнята», у найбільш невідповідні моменти часу.
Табл. 1 ілюструє різні технічні характеристики EDGE і GPRS. Хоча й у EDGE, і GPRS в одиницю часу відправляється однакове число символів, завдяки використанню другої модуляційної схеми, число біт даних у EDGE втричі більше. Відразу обмовимося тут, що наведені у таблиці значення пропускної здатності та швидкості передачі даних відрізняються одне від одного через те, що у першій також враховуються заголовки пакетів, користувачеві непотрібні. Ну, а максимальна швидкість передачі даних до 384 Кбіт/с (необхідна для відповідності стандартам IMT-2000) виходить у тому випадку, якщо ви маєте доступ до вісім тайм-слотів, тобто, на кожен тайм-слот припадає по 48 Кбіт/с.
Модуляційна схема EDGE
У стандарті GSM застосовується модуляційна схема GMSK (Gaussian minimum shift keying, кодування за зсувом Гауссового мінімуму), що є різновидом фазової модуляції сигналу. Для пояснення принципу схеми GMSK розглянемо фазову діаграму мал. 2, на якій зображена дійсна (I) і вдавана (Q) частини комплексного сигналу. Фаза переданих логічних «0» і «1» відрізняються один від одного фазою p. Кожен переданий в одиницю часу символ відповідає одному біту.
У 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 у GSM/GPRS. Відповідно, сусідні частотні канали створюють такі ж самі взаємні перешкоди, як і у GSM/GPRS. Менший зсув фази між символами, у які тепер кодується не один біт, а три (символи відповідають комбінаціям 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 та 111), робить задачу детектування складніше, особливо якщо рівень сигналу невисокий. Втім, в умовах непоганого рівня сигналу і стабільного прийому, дискримінувати кожен символ не становить великої праці.
Кодування
У GPRS можливе застосування чотирьох різних схем кодування: CS1, CS2, CS3 і CS4, у кожній з яких використовується свій алгоритм корекції помилок. Для EGPRS розроблено дев'ять схем кодування, MCS1 .. MCS9, відповідно, призначення яких також у забезпеченні корекції помилок. Причому, в «молодших» MSC1 .. MSC4 використовується модуляційна схема GMSK, в «старших» MSC5 .. MSC9 - модуляційна схема 8PSK. На мал. 3 представлена залежність швидкості передачі даних від використання різних модуляційних схем разом з різними схемами кодування (швидкість передачі даних змінюється в залежності від того, як багато необхідної для роботи алгоритмів корекції помилок надлишкової інформації закладається до кожного кодованого пакету). Неважко здогадатися, що чим гірше умови прийому (відношення сигнал/шум), тим більше доводиться закладати надлишкової інформації до кожного пакету, а отже, тим менша швидкість передачі даних. Невелика відмінність у швидкості передачі даних, що спостерігається між CS1 і MCS1, CS2 і MCS2, і т.д., пов'язана з різницею у значенні заголовків пакетів.
Втім, якщо співвідношення сигнал/шум невелике, ще не все втрачено: у 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 - «зашумленість») можуть бути різними, у цьому випадку повторної передачі всього блоку можна уникнути, якщо знати, в якій групі стався збій і повторно-третє, 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» одне на одного, тому при сбое в одній з груп (як показано на мал. 3), повторній пересилці підлягає лише половина пакетів (див. мал. 4).
Обробка пакетів
Якщо з якихось причин пакет, відправлений з використанням «старших» схем кодування, був некоректно прийнятий, EGPRS дозволяє передавати його заново з використанням «холодної» кодувальної схеми. У GPRS такої можливості, названої «ресегментацією» (resegmentation), передбачено не було: некоректно прийнятий пакет відправляється знову з тієї ж модуляційно-кодувальної схеми, що і в попередній раз.
Вікно адресації (addressing window)
Перед тим, як послідовність кодованих (тобто, в які закодовані «слова», які складаються з кількох біт) пакетів (фреймів) може бути передана до радіочастотного інтерфейсу, передавач присвоює пакетам ідентифікаційний номер, що входить до заголовку кожного пакету. Номери пакетів у GPRS становлять від 1 до 128. Після того, як послідовність пакетів (наприклад, 10 штук) відправлено адресату, передавач чекає від приймача підтвердження того, що їх було прийнято. У звіті, який приймач відправляє назад передавачу, містяться номери пакетів, які були успішно декодовані, та які одержувач не зміг декодувати. Важливий нюанс: номера пакетів приймають значення від 1 до 128, а ширина адресного вікна - усього 64, внаслідок чого знову переданий пакет може отримати такий же номер, як у попередньому фреймі. У цьому випадку протокол змушений повторно відправляти весь поточний фрейм, що негативно позначається на швидкості передачі даних у цілому. Для зниження ризику виникнення такої ситуації в EGPRS номер пакету може набувати значення від 1 до 2048, а адресне вікно збільшено до 1024.
Точність вимірювання
Для забезпечення коректного функціонування технології GPRS в середовищі GSM доводитися постійно вимірювати радіоумови: рівень сигнал/шум у каналі, частоту появи помилок і т.п.. Ці вимірювання ніяк не позначаються на якості голосового зв'язку, де досить постійно використовувати одну й ту ж кодовану схему. Під час передачі даних у GPRS вимір радіоумов можливий лише у «паузах» - двічі за період 240мс. Для того, щоб не чекати кожні 120мс, EGPRS визначає такий параметр, як ймовірність виникнення помилки на біт (BEP, bit error probability), у шкіряному 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 точнішої оцінки використовується середнє значення вірогідності 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 інкрементної 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 об'ємів даних. Зазвичай, використання нової модуляційно-кодової схеми може бути призначене при передачі нового блоку (по чотири групи) даних.
Інкрементна надмірність спочатку застосовується для самої старшої модуляційно-кодової схеми, MCS9, з незначною увагою до корекції помилок і без врахування умов радіозв'язку. Якщо інформація декодується адресатом некоректно, каналом зв'язку передаються не самі дані, а якийсь контрольний код, який «додається» (використовується для перетворення) до вже завантажених даних доти, доки дані не будуть декодовані успішно. Кожен такий «інкрементний шматочок» додаткового коду збільшує вірогідність 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 мережі GSM/GPRS
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 що підтримує нові модуляційні схеми трансивера і програмного забезпечення для обробки пакетів. Для забезпечення сумісності з не підтримуючими EDGE мобільними телефонами, в стандарті прописане наступне: Підтримуючі та не підтримуючі EDGE мобільні термінали повинні бути здатні використовувати один і той же тайм-слот Підтримуючі і не підтримуючі трансивери EDGE повинні використовувати один і той же частотний діапазон Можлива часткова підтримка EDGE Для полегшення процесу впровадження на ринок нових мобільних телефонів було вирішено підрозділити EDGE-сумісні термінали на два класи: Підтримуючі модуляційну схему 8PSK тільки в приймальному потоці даних (downlink) та Підтримуючі 8PSK як у приймальному, так і у передавальному (uplink) потоці даних
Впровадження EGPRS, як вже мовилося вище, дозволяє досягти пропускної спроможності, приблизно втричі більше, ніж у технології GPRS. При цьому використовується в точності такі ж профілі QOS (quality of service, якість сервісу), як у GPRS, але з урахуванням пропускної спроможності, що збільшилася. Крім необхідності установки трансивера на базовій станції, для підтримки EGPRS потрібне оновлення програмного забезпечення, яке повинне буде обробляти змінений протокол передачі пакетів.
Наступним еволюційним кроком на шляху систем стільникового зв'язку GSM/EDGE до «повноцінних» мереж третього покоління буде подальше поліпшення сервісів пересилки пакетів (даних) для забезпечення їх сумісності з UMTS/UTRAN (UMTS terrestrial radio access network). Ці поліпшення на даний час проходять розгляд, швидше за все, будуть включені до майбутнього варіанту специфікацій 3GPP (3G Partnership Project). Головною відмінністю GERAN від впроваджуваної зараз технології EDGE буде підтримка QOS для інтерактивних, фонових, потокових і переговорних класів. Підтримка цих QoS-классів вже є в UMTS, завдяки чому в мережах UMTS (скажімо, W-CDMA 2100 або 1900 Мгц) наявна можливість, наприклад, відеозв'язку. Окрім цього, в майбутньому поколінні EDGE планується забезпечити одночасну паралельну обробку потоків даних з різним пріоритетом QOS.
