EDGE

Mimo że za pośrednictwem telefonów GSM komunikuje się już kilka miliardów użytkowników, operatorzy komórkowi odnotowują spadek przychodów. Spadek dynamiki przychodów operatorów oraz nie wszędzie dostępna technologia 3G powodują, że dostawcy i operatorzy zainteresowali się aplikacjami, wymagającymi szerszego pasma transmisji niż uzyskiwane w technologiach 2G. W miarę upływu czasu nasąpiła zmiana preferencji użytkowników w stronę niegłosowych i multimedialnych usług, angażujących większe pasmo przenoszenia. Wysokie koszty wdrażania nowych generacji komórkowych powodują jednak, że przechodzenie na kolejne technologie o wyższych szybkościach transmisji dokonuje się ewolucyjnie.

W oczekiwaniu na upowszechnienie się rozwiązań 3G operatorzy przez lata poszukiwali zastępczych technologii szerokopasmowych w sieciach komórkowych GSM, takich jak technologia pakietowa GPRS (2,5G) oraz pomostowa technologia EDGE (2,75G). Wdrażanie tych technologii jest wielokrotnie tańsze niż pełnych rozwiązań 3G i powoduje mniejsze zaangażowanie finansowe operatorów. Taka sytuacja spowolniła uruchamianie sieci komórkowych trzeciej generacji w Europie, mimo że na rynku znajduje się coraz więcej telefonów komórkowych przystosowanych do współpracy z siecią UMTS.

Pomostowa technologia komórkowa EDGE (Enhanced Data for Global Evolution) jest elementem ewolucji systemu GSM w kierunku rozwiązań trzeciej generacji opartym na zmodernizowanych interfejsach radiowych systemów 2G (GSM, IS-136). System komórkowy EDGE, korzystający z pakietowej transmisji danych, stanowi rozwinięcie dotychczasowej technologii GPRS, operującej w tych samych pasmach częstotliwości radiowych jak GSM. W trakcie wdrażania nowej technologii EDGE operator nie musi więc ubiegać się o przydział nowych częstotliwości radiowych, jak ma to miejsce w przypadku systemów UMTS (3G). Ma to wpływ na ogólne koszty wdrażania nowego systemu.

Podstawowe zmiany w systemie EDGE w stosunku do technologii GSM obejmują trzy elementy. Pierwszy polega na dodaniu bardziej efektywnej, ośmiowartościowej modulacji fazy 8PSK dla sygnału radiowego (wraz z równolegle stosowaną modulacją GMSK, jak w systemach GSM) - charakteryzującej się wysoką wydajnością widmową i pozwalającą na kilkakrotne zwiększenie przepływności radiowej dla transmisji danych. Drugim czynnikiem podnoszącym wydajność systemu EDGE jest wprowadzenie kilku nowych, bardziej efektywnych rodzajów kodowania kanałowego, podnoszących szybkość kodowania kanałowego. Trzeci element modernizacji systemu polega na zamianie (wymianie) modułów nadawczo-odbiorczych stacji bazowych BTS (Base Transceiver Station) oraz wprowadzeniu zmian w oprogramowaniu zarządzania kanałami radiowymi i usługami. Pasmo częstotliwości kanału radiowego EDGE pozostaje niezmienione i wynosi podobnie jak w GSM 200 kHz, co odpowiada szybkości transmisji 270,833 tys. Symboli na sekundę, przesyłanych w kanale radiowym. Nie są zmienione ani struktura ramki podstawowej, ani format ramki elementarnej, co daje możliwość wykorzystania wielu sprawdzonych rozwiązań, modułów funkcjonalnych, protokołów i algorytmów działania stosowanych w sieciach komórkowych GSM/GPRS.

Rekomendowana przez ITU-T dla zastosowań multimedialnych nowa technologia bezprzewodowych przekazów radiowych podsystemu EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) umożliwia dostosowanie istniejących sieci drugiej generacji GSM i TDMA (IS-136) do wyższych wymagań stawianych przez nowych użytkowników, w tym do realizacji usług z pełnym ruchem obrazu. Koncepcja podsystemu EDGE opiera się na modernizacji dotychczasowego systemu bezprzewodowego GSM/GPRS (General Packet Radio Service). Wprowadzone zmiany są tak rewolucyjne, że koncepcję sieci mobilnej EDGE traktuje się jako platformę łącznikową systemów 2G do systemów komórkowych trzeciej generacji (3G). I to pomimo używania tych samych częstotliwości radiowych co w GSM czy TDMA (w standardzie trzeciej generacji IMT-2000 mówi się o innych pasmach częstotliwości). Istotne różnice, w porównaniu z system GSM, dotyczą wprowadzenia nowych, bardziej sprawnych metod modulacji i kodowania kanałowego, umożliwiających osiąganie większych szybkości transmisji. W założeniach globalnego rozwoju systemów komórkowych przyjmuje się, że z rozwiązań technologii EDGE o przepływności 384 kb/s będzie się korzystać w komórkowej komunikacji długodystansowej. W bezprzewodowej komunikacji lokalnej o ograniczonym zasięgu (struktury wyspowe), lecz o dużym trafiku, przyszłościowym rozwiązaniem są systemy UMTS o przepływności do 2 Mb/s.

Standardy EDGE i EGPRS

Technologia transmisji radiowej EDGE jest pierwszą propozycją (1997 r.) standardu europejskiego traktowanego jako pomost między cyfrowymi systemami komórkowymi drugiej i trzeciej generacji. W koncepcji technologii EDGE przewiduje się powtórne użycie takich samych nośnych, identycznych szerokości pasma i struktury szczelin czasowych jak w GSM. Nie ma przeciwwskazań dla stosowania tej technologii w innych systemach komórkowych (np… TDMA 136).

Zwiększenie szybkości transmisji danych w podsystemie EDGE wymusza wprowadzenie modyfikacji infrastruktury istniejącego systemu GSM/GPRS w obrębie: sterowników BSC, stacji bazowych BTS, stacji mobilnych MS i terminali ruchomych MT. Zmianie ulega również interfejs Abis, łączący bazowe ze sterownikiem stacji (z 16 na 64 kb/s), oraz interfejs radiowy między stacją bazową BTS a wszystki stacjami ruchomymi (MS, MT).

Światowe konsorcjum UWCC (Universal Wireless Communication Consortium), po rozpatrzeniu wielu propozycji (siedem przedstawionych), zaakceptowało (styczeń 1998) rozwiązanie – oznaczane jako EGPRS-136 – do bezprzewodowego serwowania usług o przepływności 384 kb/s w sieciach północnoamerykańskich klasy TDMA. Decydującym argumentem okazała się potrzeba stworzenia wspólnego mechanizmu do łatwego roamingu między dwiema najbardziej popularnymi sieciami komórkowymi na świecie: GSM (głównie Europa) i TDMA (Ameryka). Dzięki temu użytkownik terminalu z zaimplementowaną technologią EDGE będzie mógł dowolnie użytkować każdą z tych sieci (konwergencja sieci), niezależnie od lokalizacji własnego terminalu mobilnego MS (Mobile Station).

Implementacja metody modulacji i kompresji przyjętej w technologii EDGE (Enhanced Data GSM Evolution) umożliwia transmisję danych przez sieci GSM z szybkością do 384 kb/s (zalecaną przez ITU-T dla standardowych usług wideokonferencyjnych w sieciach przewodowych ISDN jako kanał H0 (6x64 kb/s) – z zapewnieniem odpowiedniej jakości usług QoS. Podwyższenie przepływności stało się możliwe dzięki istotnym zmianom w sposobie modulacji, zwiększającym skuteczność kodowania informacji w kanale radiowym (powyżej wartości 1,35 b/Hz/s, stosowanej do tej pory w sieciach cyfrowych 2G).

Pierwsze aplikacje multimedialne dziłające przez sieci komórkowe z szybkością 384 kb/s zademonstrowała firma Ericsson w 1999 r. Komercyjna oferta takich usług stała się dostępna w 2001 r.

W celu utrzymania ciągłości komunikowania się starych i nowych terminali ruchomych, z obydwoma sposobami kodowania (niezbędna modernizacja stacji bazowych BTS i mobilnych MS), w jednej sieci GSM będą pracować przejściowo – przez odpowiednio długi okres – dwa rodzaje modulatorów kanału radiowego: dla terminali dotychczasowych i zmodernizowanych. Standaryzacja technologii EDGE obejąła dwie fazy rozwoju. Faza pierwsza rozszerzała działanie GPRS do standardu pakietowego EGPRS (Enhanced GPRS) oraz o komutację kanałową ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) przewidywaną w systemach GSM (faza 2+), których specyfikacje zostały przyjęte przez ETSI (1999 r.) jako standardy. Według założeń EDGE, w systemach komórkowych klasy TDMA wprowadzono dwa tryby pracy: wersję Compact (pasmo 600 kHz, 3x200 kHz, przepływność 384 kb/s), oznaczaną również jako EDGE Lite, oraz wersję Classic (pasmo 2,4 MHz) – wymagającą minimalnych rozszerzeń w stosunku do rozwiązań GSM/EDGE.

Technologia przekazów radiowych EDGE, przeznaczona do implementacji w istniejących sieciach komórkowych drugiej generacji GSM i TDMA, umożliwiła operatorom tych sieci oferowanie funkcji i usług charakterystycznych dla systemów komórkowych trzeciej generacji (3G). Oto niektóre z nich:

• praca w wielu zakresach częstotliwości (800/900/1800/1900 MHz) i w nowych systemach komórkowych w pasmie powyżej 2 GHz;
• podwyższenie szybkości bezprzewodowej transmisji danych standardowo do 384 kb/s;
• prosty roaming między sieciami komórkowymi klasy GSM i TDMA;
• możliwość tworzenia symetrycznych i asymetrycznych kanałów transmisyjnych;
• istotne podniesienie pojemności i efektywności pasma radiowego (spektrum);
• realizacja pakietowych przekazów danych;
• wyższa jakość przekazów głosowych;
• oferta usług multimedialnych za pomocą terminali mobilnych;
• łatwa integracja z usługami sieci drugiej generacji;
• roaming międzysieciowy z jednego terminalu DM (Dual Mode).

Akceptacja przez konsorcjum UWCC nowej technologii EDGE (wywodzącej się ze standardu komórkowego GSM), jako podstawowego składnika strategii ewolucji północnoamerykańskich sieci TDMA ukazuje, że globalne współdziałanie obydwu sieci komórkowych stało się możliwe wcześniej, niż powstały globalne systemy trzeciej generacji IMT-2000 (UMTS). Współpraca sieci GSM i starszych sieci TDMA o spektrum 30 kHz dokonuje się za pośrednictwem technologii GPRS, natomiast roaming między najnowszymi rozwiązaniami sieci GSM i TDMA (spektrum 200 kHz) - jako stosunkowo łatwy w realizacji – za pomocą technologii EDGE (384 kb/s).

Cechy charakterystyczne EGPRS

W koncepcji technologii GSM/EDGE (EGPRS) założono pozostawienie dotychczas używanych kanałów radiowych GSM, oddalonych od siebie o 200 kHz, i zachowanie istniejącego podziału pasma częstotliwości na kanały radiowe - co niezwykle ułatwia współdziałanie z siecią komórkową GSM. Istotną nowością systemu EDGE jest jednak modernizacja interfejsu radiowego. W standardowym rozwiązaniu systemu EDGE używa się pasma o szerokości 2,6 MHz x 2, natomiast w wersji zubożonej zmniejszona szerokość pasma (mniej niż 1 MHz x 2) umożliwiła przekaz danych z przepływnością do 384 kb/s. Inaczej niż w GSM, gdzie przy ośmiu szczelinach czasowych i modulacji GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) efektywność wykorzystania pasma wynosi 1,35 b/s/Hz (271 kb/s w pasmie 200 kHz), w technologii EDGE zastosowano bardziej efektywne sposoby kodowania, oparte na ośmiowartościowej modulacji 8PSK (Phase Shift Keying) i modulacji GMSK, podwyższające przepływność binarną pojedynczej szczeliny czasowej).

W zależności od jakości łącza radiowego w rozszerzonym trybie EGPRS stosuje się dziewięć typów modulacji i kodowania o zbliżonej szybkości symbolowej (modulacja), lecz o zdecydowanie różnej szybkości binarnej (przepływność): pięć z nich z modulacją 8PSK i cztery z modulacją GMSK. Każdy z dziewięciu schematów kodowania może funkcjonować w dwóch adaptacyjnych trybach pracy, dostosowujących sposób kodowania i modulacji do jakości łącza radiowego. Taka oryginalna procedura sterowania jakością łącza radiowego LQC (Link Quality Control) pozwala na maksymalizację przepływności kanałów przypadających na jedną szczelinę czasową w granicach od 8,4 do 59,2 kb/s. Dzięki temu, przez przyporządkowanie ośmiu szczelin do jednego połączenia między użytkownikami, teoretyczna przepływność kanału w technologii EDGE dla łączy radiowych wysokiej jakości może zmieniać się od 67,2 kb/s do maks. Wartości 473,6 kb/s. W praktyce oznacza to, że osiąganie podstawowej szybkości strumienia danych 384 kb/s dla mobilnych przekazów wideofonicznych – zalecanej przez ITU-T jako kanał H0 (6x64 kb/s = 384 kb/s) w stacjonarnych transmisjach obrazu – nie nastręcza większych trudności technicznych nawet w łączach o niższej jakości.

Adaptacja istniejącej infrastruktury komórkowej GSM do nowej technologii, zapewniającej komunikację wizualną z terminalami mobilnymi, wymagało kilku prostych chociaż kosztownych zmian. Wprowadzenie technologii EDGE do sieci komórkowej GSM wymusiło stosowanie innych terminali przenośnych MS (Mobile Station) kolejnej generacji, modernizację stacji bazowych BTS (Base Transceiver Station) oraz wprowadzenia istotnych zmian w oprogramowaniu zarządzania kanałami radiowymi i usługami. Niezmiernie ważną cechą koncepcji EDGE jest ciągłość uzyskiwania połączeń komórkowych w czasie dokonywania zmian rozszerzających pasmo sieci, gdyż w okresie przejściowym stacje bazowe BTS zostały wyposażone w podwójny zestaw modulatorów kanałowych, co zapewniło komunikację zarówno z terminalami klasycznymi GSM, jak też z wideotelefonami nowego typu.

Do tabeli:
PSK - Phase Shift Keying
GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying

Podsystemy ECSD i EGPRS

System komórkowy EDGE, ukierunkowany bardziej niż GSM na transmisję danych, zezwala na dwa rodzaje pracy: z komutacją kanałów, realizowaną przez podsystem ECSD (którego odpowiednikiem jest komutacja HSCSD w sieci GSM), oraz z komutacją pakietów w podsystemie EGPRS (pochodzącym od transmisji GPRS w rozwiązaniu GSM). Transmisja danych z komutacją kanałów ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) osiąga szybkość 64 kb/s w trybie przeźroczystym oraz umożliwia wybór jednej z trzech szybkości transmisji 28,8/43,2/57,6 kb/s dla nieprzeźroczystego trybu pracy. Podobne szybkości osiąga się również w systemach komutowaniem kanałów GSM/HSCSD (28,8 kb/s i 57,6 kb/s), ale wymagają one zaangażowania kilku kanałów roboczych GSM. Oznacza to, że w systemie EDGE/ECSD wzrasta pojemność systemu i możliwa jest jednoczesna obsługa większej liczby abonentów o takiej samej szybkości transmisji.

Bardziej ekonomicznym rozwiązaniem, traktowanym jako podstawa technologii komórkowej EDGE, jest szybka transmisja danych z komutacją pakietów EGPRS (Enhanced General Packet Radio Service), w której wyróżnia się 9 rodzajów kodowania kanałowego - od MCS-1 do MCS-9. Umożliwia to transmisję z dziewięcioma różnymi szybkościami w jednym kanale roboczym, czyli w jednej z ośmiu szczelin czasowych ramki podstawowej systemu EDGE. Każdy z dziewięciu sposobów kodowania może funkcjonować w dwóch adaptacyjnych trybach pracy, dostosowujących sposób kodowania i modulacji do jakości łącza radiowego. Taka procedura sterowania jakością łącza radiowego LQC (Link Quality Control) pozwala na maksymalizację przepływności kanałów przypadających na jedną szczelinę czasową w granicach od 8,8 kb/s do 59,2 kb/s. Dzięki przyporządkowaniu ośmiu szczelin jednemu połączeniu między użytkownikami teoretyczna przepływność w technologii EDGE/EGPRS dla łączy radiowych wysokiej jakości może się zmieniać od 67,2 kb/s do maksymalnej szybkości 473,6 kb/s, podczas gdy w GPRS osiąga się teoretycznie jedynie 171,2 kb/s. W związku z tym pojemność systemu EDGE może być prawie trzykrotnie wyższa od uzyskiwanej w technologii GSM/GPRS.

W rzeczywistości przyporządkowanie wszystkich kanałów roboczych jednemu łączu komunikacyjnemu między użytkownikami nigdy nie ma miejsca, a z wielu powodów także kodowanie kanałowe o największej skuteczności (schemat kodowania 59,2 kb/s) nie jest jeszcze technicznie możliwe. Dla porównania można przyjąć, że w pojedynczym kanale roboczym użytkowa szybkość transmisji EDGE wynosi obecnie w naturalnych warunkach środowiskowych jedynie ok… 40 kb/s. Stosując takie same reguły przyporządkowania roboczych kanałów dosyłowych i interakcji do sieci - jak w systemach GPRS, czyli w proporcjach 2/1, 3/1 lub 3/2 - użyteczna szybkość przesyłanej informacji w technologii EDGE w kierunkach dosyłowych wynosi obecnie dla większości produkowanych telefonów komórkowych ok… 80 kb/s i nie przekracza 120 kb/s dla jednego abonenta sieci. Efektywna szybkość transmisji EDGE w dużym stopniu zależy jednak od istniejących zakłóceń radiowych, wg zasady: im zakłócenia większe, tym więcej bitów korekcyjnych potrzeba do poprawnej transmisji, a więc szybkość użyteczna informacji właściwej spada. Zaletą technologii EDGE jest jej większa skuteczność operowania w zakłócanym środowisku radiowym. Inaczej niż w rozwiązaniu GPRS, w technologii EDGE bloki przesłane z błędem nie są odrzucane ani kasowane u odbiorcy. Przesłane powtórnie (nawet z innym błędem) są zsumowane z poprzednio odebranym blokiem i w rezultacie cała informacja może być poprawnie odebrana, mimo zaistniałych błędów. Taka procedura istotnie skraca czas poprawnej transmisji bloku danych w środowisku radiowym o podwyższonym poziomie zakłóceń.

Koncepcja technologii EDGE została opracowana w celu zapewnienia usług mobilnych i aplikacji szerokopasmowych związanych z 3G. Zapewnia ona istniejącym rozwiązaniom GSM podwyższenie pojemności systemu, bez radykalnych zmian w dotychczasowej infrastrukturze sieci 2,5G. Usługi i aplikacje związane z trzecią generacją wymagają jednak zwiększonej pojemności interfejsów radiowych do przesyłania porcji danych w krótszym czasie. W technologii EDGE wykorzystuje się więc bardziej efektywną modulację sygnału nośnej w łączu radiowym, co pozwala na przesłanie poprzez ten sam kanał radiowy więcej informacji. Jeden zmodulowany symbol informacji przesyłanej w kanale radiowym przez układy nadawczo-odbiorcze EDGE pozwala na przesłanie 3 bitów informacji użytkownika, podczas gdy w systemie GPRS przesyła się tylko 1 bit informacyjny w jednym symbolu. Dzięki temu w tych samych warunkach eksploatacyjnych system EDGE zapewnia ok. 3-krotne zwiększenie radiowej emisji danych w porównaniu z systemami GPRS. Według analityków ta technologia może stać się podstawą oferowania usług 3G na rozległych podmiejskich i wiejskich terenach, zwłaszcza o niewielkim nasyceniu abonentów mobilnych.

Adaptacja istniejącej infrastruktury komórkowej GPRS do nowej technologii, zapewniającej komunikację multimedialną z terminalami mobilnymi EDGE, wymaga modernizacji. Podstawowe zmiany obejmują: używanie terminali przenośnych przystosowanych do nowego sposobu kodowania kanałowego, instalację w stacjach bazowych BTS (Base Transceiver Station) modułów nadawczo-odbiorczych o rozszerzonej modulacji radiowej oraz dokonanie zmian w oprogramowaniu zarządzania kanałami radiowymi i usługami w sieci. Jedną z istotnych zalet wdrażania technologii EDGE jest zapewnienie ciągłości połączeń komórkowych w trakcie dokonywania zmian rozszerzających zakres usług. W okresie przejściowym stacje bazowe BTS są zwykle wyposażane w podwójny zestaw modulatorów kanałowych (Ericsson), co zapewnia komunikację zarówno z terminalami klasycznymi GSM, jak i z wideotelefonami nowego typu. Wśród nowych usług, które są dostępne natychmiast po implementacji technologii EDGE, znajdują się: komunikacja typu Instant Messaging, przesyłanie wiadomości multimedialnych oraz strumieniowe przesyłanie danych audio i wideo.

Przyszłość EDGE

Przyszłość technologii EDGE wiąże się z jej integracją z systemem szerokopasmowym WCDMA (Wideband CDMA) bezpośrednio związanym z UMTS. Rozwiązanie EDGE stanowi komplementarną infrastrukturę w stosunku do UMTS, zapewniającą pokrycie usługami 3G rozległych obszarów o niewielkiej penetracji abonentów. Zarówno EDGE (2,75G), jak i WCDMA (3G) korzystają z podobnych aplikacji, co zapewnia przeźroczyste usługi dla abonentów - bez względu na rodzaj sieci komórkowej, z której korzystają użytkownicy. Docelowo będzie to wspólna chociaż niejednorodna technicznie infrastruktura komórkowa, korzystająca z wielu standardów technologii mobilnych: GSM/GPRS/EDGE oraz WLAN i WCDMA. Jej alternatywą jest jedynie „czysty” UMTS z podwójnym trybem dupleksu w dziedzinie częstotliwości FDD oraz czasu TDD - stosowanych w zależności od środowiska i mobilności użytkownika.

Tryb dupleksowania w dziedzinie częstotliwości UMTS/FDD, wykorzystujący szerokopasmowy wielodostęp kodowy WCDMA, jest przeznaczony do zastosowań w makro- i mikrokomórkowych strukturach ruchowej łączności publicznej. Charakteryzuje się dużą mobilnością terminali, ale ograniczoną szybkością transmisji danych do 384 kb/s. Jest więc desygnowany wszędzie tam, gdzie istotną kwestią są zasięg i pokrycie sygnałem komórkowym dużych obszarów (tereny podmiejskie i wiejskie).

Tryb dupleksowania w dziedzinie czasu UMTS/TDD oparty na wielodostępie kodowym z podziałem czasu TD-CDMA jest bardziej użyteczny w strukturach mikro- i pikokomórkowych telefonii bezprzewodowej oraz systemach lokalnych radiowych pętli abonenckich o wysokim trafiku. Tym samym stanowi polecane rozwiązanie w przypadku konieczności zapewnienia dużej szybkości transmisji danych (do 2 Mb/s) dla użytkowników o stosunkowo małej mobilności (piesi). Jest on również przydatny wobec zwiększającego się zapotrzebowania na ruch asymetryczny obserwowany w Internecie.

W porównaniu z technologią EDGE koszt wdrażania technologii 3G (UMTS) jest znacznie większy. Aby obniżyć inwestycje i przyspieszyć proces wprowadzania technologii UMTS do produkcji, dostawcy telekomunikacyjni łączą się w korporacje, których zasadniczym celem jest wspólna praca nad rozwojem sprzętu dla systemów radiowych UMTS w najbliższej przyszłości. Technologie komórkowe GSM/EDGE/WCDMA będą nadal wyznaczać światowy standard usług bezprzewodowych. Z tego punktu widzenia ewolucja od standardu GSM do EDGE i dalej do WCDMA pozostaje podstawową drogą rozwoju telefonii komórkowej.