EDGE技術(shù)的測試和研究

摘要　對EDGE技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對EDGE技術(shù)的現(xiàn)網(wǎng)測試進(jìn)行了說明，對于EDGE技術(shù)的功能特點(diǎn)及現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的模型、性能指標(biāo)進(jìn)行了研究和探討。

0、前言

　　EDGE是一種有效提高GPRS信道編碼效率的高速移動數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提供最高450 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以在CS3/4基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載能力，滿足無線多媒體應(yīng)用的帶寬需求。EDGE采用TDMA技術(shù)，其幀結(jié)構(gòu)與GSM相同，每一載波帶寬200 kHz。它采用GMSK和8-PSK調(diào)制，使每時隙最高吞吐量可以達(dá)到59.2 kbit/s，如集中8個時隙，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到450 kbit/s，從而提供完善的無線數(shù)據(jù)服務(wù)。EDGE是對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)，其更強(qiáng)調(diào)利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和資源，需要系統(tǒng)和終端的支持。

　　目前，EDGE主要在北美一些沒有3G執(zhí)照的新GSM運(yùn)營商（Cingular、Rogers、AT&T等）進(jìn)行部署。但隨著3G業(yè)務(wù)在許多市場被延遲，GSM主流運(yùn)營商開始對EDGE是否能夠作為一個費(fèi)用相對較低的現(xiàn)網(wǎng)升級方案并和UMTS互補(bǔ)進(jìn)行研究。

1、EDGE技術(shù)的特點(diǎn)

　　1.1　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　從技術(shù)上講，EDGE主要是對無線接口的演進(jìn)。但從更普遍的意義上講，它也可以看成是基于GSM/GPRS標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

　　EDGE的目的是在現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)中提供更高的數(shù)據(jù)比特率。為了提高總的比特率，引入了多電平調(diào)制方式——8-PSK調(diào)制。它能提供更高的比特率和頻譜效率，而現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)中使用的GMSK的調(diào)制方式也是EDGE的調(diào)制方式的一部分。兩種調(diào)制方式的符號率都是271 kbit/s，因此，每時隙的總比特率分別為22.8 kbit/s（GMSK）和69.2 kbit/s（8-PSK）。在實(shí)際應(yīng)用中，8-PSK調(diào)制用于用戶的數(shù)據(jù)信道，GMSK調(diào)制可以用于GPRS的200 kHz載波上的所有信道。

　　1.2　無線協(xié)議的設(shè)計

　　EDGE無線協(xié)議設(shè)計的策略是盡可能地利用GSM/GPRS的現(xiàn)有協(xié)議，以減少對新協(xié)議的需要。然而，由于它需要支持更高的比特率，為了優(yōu)化性能。必須對現(xiàn)有無線協(xié)議進(jìn)行必要的修改。EDGE包括一個分組模式EGPRS和一個電路交換模式ECSD。目前EDGE主要實(shí)現(xiàn)的是分組模式EGPRS。

　　由于比特率更高，并且采用了使糾錯編碼與信道質(zhì)量相適應(yīng)的自適應(yīng)編碼方式，EDGE的無線鏈路控制（RLC）協(xié)議與GPRS的有些不同，其主要改進(jìn)了鏈路質(zhì)量控制方式。由于信道質(zhì)量是時變的，為了增強(qiáng)鏈路的強(qiáng)健性，有必要進(jìn)行鏈路質(zhì)量控制。鏈路質(zhì)量控制技術(shù)包括鏈路匹配和逐步增加編碼冗余度2種方式。

　　a）在鏈路匹配方式中，需要周期性地對鏈路質(zhì)量進(jìn)行估計，從而為下一個要傳輸?shù)膬?nèi)容選擇最合適的調(diào)制和編碼方式，以使用戶的數(shù)據(jù)比特率能達(dá)到最大。

　　b）通過逐步增加編碼冗余度來應(yīng)對鏈路質(zhì)量變化。在這種方式中，信息剛開始傳輸時，采用糾錯能力較低的編碼方式，如果接收端解碼正確，則能得到比較高的信息碼率；反之，如果解碼失敗，則需要增加編碼冗余量，直到解碼正確為止。顯然，編碼冗余度的增加必將導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)速率的降低和延時的增加。

　　EGPRS支持以上2種方式的組合。此時。對逐步增加編碼冗余度的方式，初始編碼速率的選取取決于鏈路質(zhì)量的測量結(jié)果。如果鏈路質(zhì)量較差。則引入較多的編碼冗余度；反之，引入較少的編碼冗余度，以提高編碼效率。

2、EDGE現(xiàn)網(wǎng)測試

　　2.1　內(nèi)容及方法

　　本次測試使用的無線通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)軟件及硬件設(shè)備均支持EDGE功能。選擇了4個基站作為實(shí)驗(yàn)基站，基站頻段為900 MHz。開通GPRS CS3/4及EDGE功能，共有14個小區(qū)參與本次EDGE測試。采用Motorola A780、Nokia 6230等多部測試手機(jī)進(jìn)行測試。

　　主要測試內(nèi)容有PING時延測試、下載文件測試、DT測試和多用戶測試等。

　　測試方法主要包括定點(diǎn)測試和車載測試。

　　2.2　現(xiàn)網(wǎng)測試數(shù)據(jù)分析

　　2.2.1　FTP定點(diǎn)測試數(shù)據(jù)分析

　　1）不同小區(qū)單用戶測試

　　通過對不同配置的4個小區(qū)進(jìn)行大量測試后，將結(jié)果匯總（見圖1）。


圖1　單用戶DL測試結(jié)果

　　測試時采用在每個小區(qū)從中心到邊緣多次采樣的方式，可以看到在現(xiàn)網(wǎng)條件下，系統(tǒng)平均每時隙吞吐量為45.23 kbit/s，每時隙最大吞吐量可以提升到51 kbit/s以上。在測試中，Motorola A780的最大吞吐量一直保持在140-155 kbit/s，這一帶寬已經(jīng)足夠支持一般基于手機(jī)的多媒體應(yīng)用。測試時，通過電腦連接手機(jī)訪問網(wǎng)站的視頻鏈接的播放結(jié)果也是非常平滑的。另一個方面，測試的吞吐能力平均值與最大值的平均差異約為15%，說明現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境完全有條件達(dá)到EDGE最大的吞吐能力。

　　同時，在測試現(xiàn)場對GPRS CS3/4進(jìn)行測試，結(jié)果表明每時隙吞吐量在16 kbit/s左右。EDGE與GPRS系統(tǒng)相比，在單時隙時帶來的吞吐量增加是非常顯著的，其平均每時隙吞吐量增長將近2倍。GPRS CS1/2到CS3/4的增幅僅為0.5倍。兩者存在質(zhì)的變化。測試結(jié)果如圖2所示。


圖2　GPRS CS3/4測試結(jié)果

　　2）多用戶爭搶條件下測試

　　通過對小區(qū)時隙的限制，在只有1個和2個時隙的情況下，對多用戶時隙共享進(jìn)行了相關(guān)的測試。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠支持多用戶同時進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。圖3為時隙用戶比為2、1、0.67、0.5的平均單時隙下載速率，結(jié)果表明，隨著時隙用戶比的減小，也就是隨著共享用戶數(shù)量的增加，單時隙的平均下載速率呈現(xiàn)下降趨勢。這主要是因?yàn)閷τ诠潭〝?shù)量的時隙，共享用戶數(shù)量越多，資源管理所占用的系統(tǒng)開銷也就越大，系統(tǒng)承載的用戶數(shù)據(jù)速率也就相應(yīng)降低。


圖3　多用戶測試結(jié)果

　　3）時延測試數(shù)據(jù)分析

　　實(shí)時業(yè)務(wù)和非實(shí)時關(guān)鍵業(yè)務(wù)（如VoIP），對網(wǎng)絡(luò)傳輸時延、延時抖動特性較為敏感，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上有突發(fā)性高的FTP或者含有圖像文件的HTTP等業(yè)務(wù)時，實(shí)時業(yè)務(wù)就會受到很大影響。對于基于TCP的應(yīng)用而言，時延和時延抖動過大將引發(fā)長時間等停過程和滑動窗口的不斷重新調(diào)整，使用戶端的傳輸率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際的網(wǎng)路帶寬。

　　EDGE技術(shù)對于時延問題的改善效果也是明顯的（見圖4），從測試數(shù)據(jù)分析，EDGE系統(tǒng)比GPRS系統(tǒng)時延有所減少。平均減少幅度為27%，并且沒有發(fā)現(xiàn)任何丟包現(xiàn)象。


圖4　PING時延測試（平均值）

　　這體現(xiàn)了由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加，使網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度變得更快，也體現(xiàn)了EDGE對數(shù)據(jù)傳輸更強(qiáng)的支持能力，能更加發(fā)揮移動數(shù)據(jù)應(yīng)用的優(yōu)勢，尤其提升了對時延敏感型應(yīng)用的支持。

　　2.2.2　車載測試（DT-FTP）數(shù)據(jù)分析

　　車載測試主要在EDGE覆蓋區(qū)域內(nèi)的公路上進(jìn)行。測試時車速基本上保持在40 km/h。

　　圖5是FTP速率分布。從圖5可知，在測試環(huán)境下FTP速率主要集中在100 kbit/s左右。大于100 kbit/s的測試結(jié)果占66%，小于100 kbit/s的測試結(jié)果占34%。DT的平均下載速度為99.44 kbit/s。


圖5　FTP速率分布

　　與GPRS的對比測試是采用EDGE手機(jī)（Moto A780 3DL+1UL）與GPRS手機(jī)（索愛T68 4DL+IUL）同時下載相同大小文件的方法。

　　如圖6所示。在相同環(huán)境的DT測試中無論是時間上，還是每時隙吞吐量上，EDGE比GPRS都有3-4倍的提高。


圖6　EDGE和GPRS每時隙吞吐量比較（平均值）

　　2.2.3　測試數(shù)據(jù)綜合分析

　　1）無線環(huán)境對EDGE速率的影響

　　針對不同無線環(huán)境對EDGE速率的影響，采用定點(diǎn)測試的方式，在不同電平和C/I的地點(diǎn)進(jìn)行FTP。從測試結(jié)果分析，當(dāng)C/I達(dá)到20以上，電平大于-70 dBm時，F(xiàn)TP吞吐量可以達(dá)到47.3 kbit/s：當(dāng)C/I達(dá)到25以上，電平大于-58 dBm時。FTP吞吐量可以達(dá)到49.5 kbit/s，兩者相比，只有5%的下降。而當(dāng)C/I達(dá)到17，電平大于-82 dBm時，F(xiàn)TP吞吐量可以達(dá)到42 kbit/s的水平，采用4時隙手機(jī)仍然可以達(dá)到168 kbit/s的速率。由此可見在現(xiàn)網(wǎng)的情況下。EDGE的采用必然對系統(tǒng)速率實(shí)現(xiàn)巨大的提升。圖7為吞吐量、C/I和電平的測試結(jié)果。


圖7　吞吐量、C/I和電平的關(guān)系圖

　　2）幾種上網(wǎng)技術(shù)的FTP效果的比較

　　在對幾種無線上網(wǎng)技術(shù)的FTP效果比較（見圖8）后可以發(fā)現(xiàn)，EDGE在以目前手機(jī)最大處理能力的條件下，對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持能力優(yōu)于除了UMTS外的所有現(xiàn)有技術(shù)。以4時隙手機(jī)EDGE測試結(jié)果為參照點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)承載能力方面EDGE比GPRS CS3/4提高2倍，比CS1/2提高4倍以上。


圖8　DL測試

3、總結(jié)

　　EDGE作為介于現(xiàn)有第二代移動通信系統(tǒng)與第三代移動通信系統(tǒng)之間的一種增強(qiáng)型數(shù)據(jù)通信技術(shù)，它的引進(jìn)必然會對現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)帶來正面的增益并為第三代移動通信系統(tǒng)的實(shí)施進(jìn)行一定的鋪墊和準(zhǔn)備。整個測試過程中統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)表明：網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)時延都有大幅度的改善，其中在FTP應(yīng)用的吞吐量測試中，系統(tǒng)的性能提高了2倍；PING時延測試平均減少了27%；FTP的DT測試結(jié)果增長了3-4倍；在多用戶爭搶條件下每時隙數(shù)據(jù)吞吐量保持在30 kbit/s以上。此外，使用EDGE技術(shù)的運(yùn)營商不需要修改原有的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，而且EDGE的引入也不影響現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和通信質(zhì)量。但值得注意的是EDGE的使用效果與無線環(huán)境有著密切的關(guān)系，只有通過不斷地對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和修正，不斷提高無線質(zhì)量、覆蓋和有效信道數(shù)，才能使得EDGE在現(xiàn)網(wǎng)中更好地發(fā)揮效果。

　　未來的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要集中在多媒體下載、VoIP和可視電話。EDGE的引入無疑是以一種最簡單、有效的方式使應(yīng)用更平滑、使用更快捷，從而促進(jìn)移動通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。