EDGE技术在GSM-R中的应用研究

2018-04-12中国铁路上海局集团有限公司上海通信段

上海铁道增刊 2018年1期

张　浩　中国铁路上海局集团有限公司上海通信段

目前，许多铁路应用业务使用GSM-R分组域数据传输实现车地之间的数据传送。然而GSM-R系统的频率资源有限，随着业务应用范围的拓展，GSM-R分组域承载能力紧张的问题逐渐显现，尤其是在大型车站、枢纽、动车运用所等地段，由于用户高度集中，对分组域资源的竞争问题更加突出。为了解决这个问题，一方面需要对GSM-R分组域用户数量和行为进行合理规划，另一方面需要充分挖掘GSM-R网络的能力，提高频率资源利用率。EDGE技术作为GPRS的延伸，使用了更为高效的调制/解调技术、编码技术和链路适配技术，具有更高的比特率和频谱效率。

1 EDGE的技术特点

EDGE是GPRS到3G的过渡性技术方案，在GSM网络中曾经得到广泛应用。EDGE使用与GPRS相同的空中信道分配方式、TDMA的帧结构，通过对无线接口、编码方式及链路质量控制方式的改进，实现了比GPRS更短的延时、更高的容量和更高的数据传输速率。

1.1 调制技术和编码方案

在无线接口上，GPRS采用高斯最小移频键控（GMSK）调制方式，而EDGE在此基础上引入了八进制移相键控（8-PSK）调制方式，表1为GMSK和8-PSK两种调制方式的对比。

GMSK每符号传送1比特，而8-PSK每符号能够传送3比特，因此，在不改变GSM载波带宽、TDMA帧结构的情况下，理论上EDGE的速率可以达到GPRS的三倍。

GPRS提供了CS-1～CS-4共4种编码方案，而EDGE定义了MCS-1～MCS-9共9种编码方案，其中MCS-1～MCS-4采用GMSK调制方式，MCS-5～MCS-9采用8-PSK调制方式。这9种编码方式又可以划分为A、B、C三类，如表2所示。

表1 GMSK和8-PSK调制方式对比

表2 GPRS和EDGE编码方式对比

1.2 链路质量控制

为了提高链路性能，EDGE引入了一套精心设计的链路质量控制算法，可以在数据传输过程中改变调制方式和编码方式，以适应当前的无线传输环境。EDGE定义了链路自适应（LA）和增量冗余（IR）两种质量控制方法，分别用于克服信号的慢衰落和快衰落。

LA算法周期性的对链路质量进行估计，根据链路的误码概率为接下来要传输的数据选择合适的调制方式和编码方式。LA算法实现了调制和编码自动化，不需要额外管理即可达到传输质量与吞吐率的平衡。

在GPRS中，如果数据传输中数据块出现误码，则该数据块需要以相同的编码方式进行重传，而EDGE中引入了IR算法。IR算法采用了“Type2ARQ”的确认机制，需要发送的信息根据特定的“打孔”方式传输，如果解码失败，采用其它“打孔”方式重发数据块，该数据块使用相同的MCS或同一编码类中不同的MCS。接收方综合故障数据块和重发数据块中的信息作相关解调接收，提高了数据接收的成功率。

EDGE的9种编码方式对无线环境的要求各有不同，速率越高的编码方式对无线环境质量的要求也越高。相关的试验表明，不同的C/I条件下，数据吞吐量差别很大，但总体而言，EDGE要优于GRPS，在无线环境质量较好的情况下EDGE的优势要更为明显。

2 引入EDGE对GSM-R网络的影响

我国GSM-R网络已经引入了GPRS，包括SGSN、GGSN、PCU等设备，EDGE很好的继承和兼容了GPRS网络，引入EDGE技术不需要设置新的节点设备，对网络结构没有影响[3]，GPRS 网络原有 Gb、Gn/Gp、Gi、Gr、Gs等接口都没有变化，但BSC、PCU的软件需要升级，对于不支持EDGE的BTS需要增加或更换EDGE载波单元并升级软件。

2.1 EDGE对Abis接口的影响

GSM-R网络基站采用环形组网方式，1～5个基站共用一个E1线路。随着PDCH信道上的编码速率的增加，占用Abis接口的时隙资源也越多，采用CS-1～CS-2编码方式时，Abis接口需要占用1个16K时隙，而采用MSC-8～MSC-9编码方式时，则需要占用4个16K时隙。对于GSM-R网络而言，Abis接口是引入EDGE的主要瓶颈。

以华为设备Abis接口常用的12：1复用方式为例，每个基站OML占用1个64K链路，每个2个载频的RSL链路占用1个64K时隙，则一个基站环中被占用的16K时隙数量Coccupy可以用公式①表示。

其中，N为一个环内基站的数量，Cf(i)为载频数，每个基站控制信道占用2个TDMA帧时隙。

如果为基站分配EPDCH信道（即支持EDGE的信道）的数量记为CEPDCH(i)，每个EPDCH信道在Abis接口分配4个16K时隙，则一个基站环中被占用的16K时隙数量Coccupy可以用公式②和③表示。

一个基站环中最大可用的16K时隙数量为31×4=124个，因此分配EPDCH信道时必须满足Coccupy≤124的要求。在采用5个O2小区构成的一个基站环的组网方式时，由公式③可知，没有足够的Abis接口资源分配EPDCH信道。

为了提高Abis接口的利用效率，可以进一步提高信令链路复用率，以华为BSC使用的15：1复用方式为例，OML、RSL（载频数量≤3）共同占用1个64K时隙，此时，Abis接口一个2M环中被占用的16K时隙数量Coccupy，可以用如下公式④表示。

由此公式可知，在5个O2小区构成的一个2M环的组网方式时，可以为每个小区分配2个EPDCH信道，在4个O2小区构成的一个2M环的组网方式时，可以为每个小区分配4个EPDCH信道。

为了提高Abis接口链路资源利用率，还可以采用动态Abis链路接口的时隙分配管理机制，如图1所示，为每个小区预留一定数量的时隙资源，剩余的时隙资源构成Abis Pool，由同一环内的小区共享。

图1 动态Abis链路接口的时隙分配示意图

2.2 信道配置策略

移动设备如果希望使用EDGE，除了GSM-R网络支持EDGE外，移动台本身也需要支持EDGE。在GSM-R引入EDGE后，必然长期存在EDGE移动台和GPRS移动台并存的情况。因此，需要选择适当的信道配置策略，避免EDGE移动台和GPRS移动台竞争资源。以华为设备为例，分组域信道可分为EGPRS专用信道、EGPRS优选信道、EGPRS普通信道、GPRS信道，其中EGPRS专用信道只能分配给EDGE业务，EGPRS优选信道优先分配给EDGE业务，当没有EGPRS业务占用的情况下，也可以分配给GPRS业务，EGPRS普通信道可同时分配给EDGE业务和GPRS业务。

对于GSM-R业务而言，典型情况下，每个小区配置1个静态PDCH信道和3个动态PDCH信道，不同应用业务、不同类型移动台没有主次之分。因此，在GSM-R网络中建议采用EGPRS普通信道和GPRS信道混合分配的策略，将其中静态PDCH信道应配置成EGPRS普通信道，动态PDCH信道根据Abis接口资源情况分配为EGPRS普通信道或GPRS信道。