EDGE技術在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，許多鐵路應用業務使用GSM-R分組域數據傳輸實現車地之間的數據傳送。然而GSM-R系統的頻率資源有限，隨著業務應用范圍的拓展，GSM-R分組域承載能力緊張的問題逐漸顯現，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分組域用戶數量和行為進行合理規劃，另一方面需要充分挖掘GSM-R網絡的能力，提高頻率資源利用率。EDGE技術作為GPRS的延伸，使用了更為高效的調制/解調技術、編碼技術和鏈路適配技術，具有更高的比特率和頻譜效率。

1 EDGE的技術特點

EDGE是GPRS到3G的過渡性技術方案，在GSM網絡中曾經得到廣泛應用。EDGE使用與GPRS相同的空中信道分配方式、TDMA的幀結構，通過對無線接口、編碼方式及鏈路質量控制方式的改進，實現了比GPRS更短的延時、更高的容量和更高的數據傳輸速率。

1.1 調制技術和編碼方案

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

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幀結構的情況下，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調制方式，MCS-5～MCS-9采用8-PSK調制方式。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調制方式對比

表2 GPRS和EDGE編碼方式對比

1.2 鏈路質量控制

為了提高鏈路性能，EDGE引入了一套精心設計的鏈路質量控制算法，可以在數據傳輸過程中改變調制方式和編碼方式，以適應當前的無線傳輸環境。EDGE定義了鏈路自適應（LA）和增量冗余（IR）兩種質量控制方法，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量進行估計，根據鏈路的誤碼概率為接下來要傳輸的數據選擇合適的調制方式和編碼方式。LA算法實現了調制和編碼自動化，不需要額外管理即可達到傳輸質量與吞吐率的平衡。

在GPRS中，如果數據傳輸中數據塊出現誤碼，則該數據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，需要發送的信息根據特定的“打孔”方式傳輸，如果解碼失敗，采用其它“打孔”方式重發數據塊，該數據塊使用相同的MCS或同一編碼類中不同的MCS。接收方綜合故障數據塊和重發數據塊中的信息作相關解調接收，提高了數據接收的成功率。

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

2 引入EDGE對GSM-R網絡的影響

我國GSM-R網絡已經引入了GPRS，包括SGSN、GGSN、PCU等設備，EDGE很好的繼承和兼容了GPRS網絡，引入EDGE技術不需要設置新的節點設備，對網絡結構沒有影響[3]，GPRS 網絡原有 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網絡基站采用環形組網方式，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，則一個基站環中被占用的16K時隙數量Coccupy可以用公式①表示。

其中，N為一個環內基站的數量，Cf(i)為載頻數，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，則一個基站環中被占用的16K時隙數量Coccupy可以用公式②和③表示。

一個基站環中最大可用的16K時隙數量為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小區構成的一個基站環的組網方式時，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（載頻數量≤3）共同占用1個64K時隙，此時，Abis接口一個2M環中被占用的16K時隙數量Coccupy，可以用如下公式④表示。

由此公式可知，在5個O2小區構成的一個2M環的組網方式時，可以為每個小區分配2個EPDCH信道，在4個O2小區構成的一個2M環的組網方式時，可以為每個小區分配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Abis鏈路接口的時隙分配管理機制，如圖1所示，為每個小區預留一定數量的時隙資源，剩余的時隙資源構成Abis Pool，由同一環內的小區共享。

圖1 動態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，需要選擇適當的信道配置策略，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業務，EGPRS優選信道優先分配給EDGE業務，當沒有EGPRS業務占用的情況下，也可以分配給GPRS業務，EGPRS普通信道可同時分配給EDGE業務和GPRS業務。

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

3 結論

EDGE采用與GPRS相同的架構，也不改變GSM-R網絡的無線覆蓋和頻率規劃，現有GSM-R網絡通過簡單的軟硬件升級即可支持EDGE。EDGE技術通過在空中接口采用8-PSK調制方式和鏈路質量控制，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數據業務發展方向--分組交換數據傳輸[J].中國鐵路,2007,3：46-48.