Новые модули производства ENFORA для высокоскоростной передачи данных по EDGE — технологии

Сегодня в мире осуществляется переход к новой стадии развития сетей мобильной связи — от GPRS к технологиям высокоскоростной передачи данных EDGE. За счет скорости, достигающей 473,6 кбит/с, в режиме EDGE становится возможным эффективное использование передачи больших объемов данных, WAP, MMS, просмотр видео в реальном времени. Кроме того, сейчас наблюдается бурный рост новых моделей мобильных терминалов и телефонов, поддерживающих EDGE. В статье рассмотрен новый модуль Enabler IIE GSM/GPRS/EDGE от американской фирмы Enfora (www.enfora.com).

Введение

Идея EDGE впервые была предложена компанией Ericsson для сетей стандарта D-AMPS в конце 90-х годов. Позже эта технология была развита ETSI и реализована в версии GSM Rel. 99. В дальнейшем работы по EDGE перешли к группе TSG GERAN (GSM EDGE Radio Access Network). В настоящее время используются две расшифровки аббревиатуры EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution и Enhanced Data for Global Evolution.

Стандарт EDGE является одним из этапов в цепи развития технологий передачи данных в сотовых сетях. Эту цепь можно представить как: GSM — HSCSD — GPRS — EDGE — WLAN.

Основное применение EDGE — это передача больших объемов данных, высокоскоростной доступ в Интернет, организация мобильного офиса, обмен в реальном масштабе времени видео, фотографиями, картографической информацией.

В настоящее время в мире наблюдается переход от стадии GPRS к стадии EDGE. Ведущие производители постоянно выпускают на рынок новое оборудование для EDGE.

Так, например, Alcatel поставил на мировой рынокуже более 150 комплектов оборудования для EDGE в Африку, на Ближний Восток, в Восточную Европу, вЮго-Восточную Азию, Латинскую Америку.

Фирма Nokia поставляет EDGE-оборудование в США, двум основным операторам связи, Cingular Wireless и AT&T Wireless. Кроме того, Nokia запустила сети EDGE в Венгрии для Pannon и на Филиппинах для Globe Telecom.

Фирма Ericsson поставляет EDGE-оборудование для американского оператора VoiceStream и T-Mobile USA Inc.

Компания Motorola работает с операторами Telenor, BT Cellnet, France Telecom, Polska Telefonica Cyfrowa, E Plus. В Румынии действует EDGE-сеть Orange на базе аппаратуры Motorola [1].

В Прибалтике первым оператором, реализовавшим EDGE-сеть на базе оборудования Ericsson, стала литовская компания Bite GSM. Другой прибалтийский оператор Omnitel работает с базовыми станциями нового поколения Horizon II GPRS/EDGE Motorola. Фирма Siemens заключила ряд крупных контрактов с итальянским оператором Telecom Italia Mobile.

Первым российским сотовым оператором, который протестировал EDGE и ввел эту технологию в коммерческую эксплуатацию в Вологодской области, стала фирма «ВымпелКом» (торговая марка «Билайн GSM»). Поставщиком сетевого оборудования при этом была компания Nokia.

В ближайшее время «Билайн GSM» планирует запустить EDGE еще в нескольких городах Центрального, Северо-Западного, Приволжского и Уральского регионов. Более 80% базовых станций сети «Билайн GSM» способны обеспечить поддержку EDGE.

В январе 2005 года в Москве и Подмосковье началась тестовая эксплуатация EDGE в сети «Мегафон-Москва». Тестовые испытания показали, что технология позволяет реально передавать данные по мобильной сети со скоростью до 200 кбит/с, что превышает скорость передачи в сетях GPRS и CDMA-450 (SkyLink).

В сети «Мегафон-Москва» используется комбинированное решение Ericsson и Nokia.

Следует подчеркнуть, что скорость передачи данных в сети с поддержкой технологии EDGE зависит от типа мобильного телефона (терминала). Поэтому помимо появления оборудования для операторов сетей сотовой связи сегодня можно наблюдать быстрый рост производства новых моделей мобильных терминалов и телефонов, поддерживающих EDGE. Из них можно отметить модели Nokia 6200, 6620, 5140, 6820, 6830, 6220, 6230, 3200, Motorola Т725, SonyEricsson GC-82.

Среди последних новинок в этой области — модуль производства Enfora Enabler II-E GSM/GPRS/EDGE. Подробно этот модуль рассмотрен ниже.

Технология высокоскоростной передачи данных EDGE

У технологии EDGE есть два основных преимущества перед GPRS. Прежде всего, это высокая скорость и улучшенное по сравнению с GPRS качество связи.

На сегодняшний день технология EDGE теоретически позволяет передать данные со скоростью до 473,6 кбит/с, что значительно превышает скорости передачи данных в режиме GPRS и в стандарте CDMA2000-450 МГц.

Технология EDGE представляет собой расширение технологии пакетной передачи данных и использует существующую структуру GPRS-сетей.

Радиоинтерфейс EDGE надстраивается над существующей схемой радиодоступа GSM. При этом используется тот же спектральный диапазон и не требуется изменения инфраструктуры сетей GSM/GPRS.

Европейский Институт Стандартизации Электросвязи (ETSI) допускает использование только совместимого EDGE и GSM/GPRS оборудования.

Структура кадра EDGE аналогична структуре кадров GSM. Основной временной характеристикой, как и в GSM, является кадр, состоящий из восьми временных интервалов или тайм-слотов. Длительность кадра составляет 60/13 ~ 4,615 мс, а одного тайм-слота — 0,577 мс. Всего в одном частотном канале можно разместить 8 пользовательских полноскоростных каналов, по одному в каждом тайм-слоте. Структура блока и механизм повторной передачи в стандарте EDGE аналогичны механизмам, принятым для сетей GPRS. Блок радиоинтерфейса автоматически распознает тип модуляции в канале и подстраивается под заданный режим (GPRS/EDGE).

В стандарте EDGE применяется восьмипозиционная фазовая манипуляция (8-PSK). Для технологии GPRS используется гауссова модуляция с минимальным сдвигом (GMSK). Поэтому число бит на символ в EDGE увеличено до трех [2].

Благодаря использованию модуляции 8-PSK достигается значительное увеличение скорости передачи данных при переходе в режим EDGE.

На рис. 1 схематически представлена структура схем кодирования в режимах GPRS и EDGE [3].

Структура схем кодирования в режимах GPRS и EDGE (Рис. 1)

В технологии EDGE определены 9 дополнительных схем кодирования для каналов трафика, обозначаемые MCS1-MCS9. В этих схемах по-разному кодируются RLC/MAC блоки направлений вверх и вниз. Кроме того, в этих схемах используются разные методы для кодирования и перемежевания заголовков и непосредственно данных.

При передаче информации в EDGE используется аналогичная GPRS схема распределения тайм-слотов между каналами на прием и передачу. Однако эффективность использования спектра в EDGE значительно выше. Предельная скорость в одном тайм-слоте в EDGE достигает 59,2 кбит/с (для пакетной коммутации), а в восьми тайм-слотах — до 473 кбит/с. Для GPRS максимальная скорость потока в одном тайм-слоте равна 9,6 кбит/с.

В стандарте EDGE, также как и в GPRS, применяется адаптивная настройка канала в зависимости от отношения «сигнал — шум». Для различных режимов связи в EDGE предусмотрено 9 алгоритмов кодирования от MCS-1 до MCS-9. Изменение кодирования происходит, когда при декодировании данные принимаются с ошибкой. В этом случае следующий блок данных передается с более высокой помехозащищенностью. В режиме GPRS искаженный блок удаляется.

В стандарте EDGE принята отличная от GPRS модуляции в радиоканале между базовой станцией и мобильным терминалом. Поэтому при внедрении EDGE на сети сотового оператора необходимы EDGE-совместимые передатчики на базовых станциях и специальные GSM/GPRS/EDGE-терминалы (телефоны).

Стандарты ETSI предусматривают разработку двух классов мобильных терминалов (Class 1 и Class 2).

Терминалы класса 1 проектируются для асимметричного трафика в сетях передачи данных. При приеме терминал класса 1 поддерживает модуляцию 8PSK, а при передаче — GMSK.

Терминалы класса 2 в обоих режимах поддерживают модуляцию 8PSK.

Так же, как и в сетях GPRS, для терминалов с поддержкой EDGE предусматривается мультислотовый режим работы (2/1, 4/1 и т. д.).

Еще одна отличительная черта EDGE обусловлена интерфейсом ABIS, обслуживающим базовую станцию и ее контроллер, а также модуль радиоинтерфейса, поддерживающий EDGE. Кроме того, для контроллера базовой станции EDGE необходимо специальное программное обеспечение.

Перспективы внедрения технологии EDGE в России представляются достаточно хорошими. Это, прежде всего, связано с ростом рынка устройств для передачи больших объемов данных и видеоинформации.

С нормативной точки зрения для внедрения EDGE в России сейчас нет припятствий. Общие Технические Требования (ОТТ) на аппаратуру инфраструктуры EDGE утверждены в Минсвязи РФ. Это дает возможность операторам начать процесс «легальной» эксплуатации аппаратуры EDGE в России.

Поскольку развитие сетей сотовой связи шло в России с отставанием на несколько лет, российские операторы изначально закупали современное оборудование, совместимое с EDGE. Поэтомусейчас в России сложилась уникальная ситуация, когда внедрение технологии EDGE будет представлять собой модернизацию уже развернутой к настоящему времени сети GSM/GPRS.

Важно также то, что при переходе к EDGE-сетям оператор может вводить новые ресурсы постепенно, например, с помощью добавления одного приемопередатчика на каждой существующей базовой станции. Этот процесс не требует больших капиталовложений и может быть реализован без остановки действующих мощностей.

Внедрению EDGE способствует также тот факт, что оператору не нужно получать лицензию на новые или дополнительные частоты.

Как было отмечено выше, в настоящее время российские операторы «Билайн» и «Мегафон» интенсивно тестируют и разворачивают сети с поддержкой EDGE.

Модули серии Enabler IIE GSM/GPRS/EDGE

Фирма Enfora, ориентированная в первую очередь на разработку и производство новых моделей, проводит ряд научно-технических разработок в сотрудничестве с известными мировыми производителями электронных компонентов. Эта многолетняя программа развития направлена на разработку и производство устройств беспроводной связи поколений 2.5G и 3G.

В начале 2005 года завершился один из этапов проекта, результатом которого стало создание моделей с поддержкой технологии EDGE на базе однокристального микропроцессорного модуля OMAP850 производства Texas Instruments. Модуль OMAP850 содержит на одном кристалле процессор для специальных приложений ARM926EJ-S и цифровой baseband процессор TI’s EDGE. Использование современных технологических норм 130 нм позволило достичь высокой степени интеграции и экономии места. Размеры процессора — всего 12×12 мм. Модуль выпускается в двух модификациях с SDRAM 128 Мбит и 256 Мбит. Блок-схема модуля OMAP850 приведена на рис. 2.

Блок-схема модуля OMAP850 компании Texas Instruments (Рис. 2)

Ядро системы разработано на основе микропроцессора ARM926TEJ, позволяющего работать с максимальной частотой до 200 МГц. Модуль содержит встроенный Java-ускоритель. Цифровой чип EDGE имеет SRAM с объемом 384 кбайт. В этой модели реализована поддержка E-OTD и TTY. Имеется четырехдиапазонный вокодер с функциями EFR, FR, HR, AMR.

Модуль OMAP850 имеет многофункциональные интерфейсы, что позволяет реализовывать на его основе самые современные GSM/GPRS/EDGE-системы. Интерфейсные группы модуля показаны на рис. 2. Кроме стандартных программируемых GPIO следует, прежде всего, отметить интерфейс WLAN, UART, IrDA, USB, I2S, SPI, JTAG, EMIF/CF, uWire, EMT9.

Более подробную информацию о модуле OMAP850 можно найти на сайте производителя (http://focus.ti.com/general/docs).

Во II квартале 2005 года фирма Enfora приступила к производству новой серии Enabler IIE на базе OMAP850.

Первая модель серии EDG0100 представляет собой 4-диапазонный GSM/GPRS-модуль (GSM/E-GSM/DCS/PCS-GPRS 850/E-900/1800/1900) c поддержкой EDGE [4].

В моделях EDG0100-xx поддерживаются GPRS Class 10 (CS1-CS4) и EDGE (MCS1-MCS9).

Новые модули серии Enabler IIE GSM/GPRS/EDGE могут быть использованы в сетях EDGE со схемами кодировки MCS1 — MCS9. Параметры кодирования EDGE приведены в таблице.

Мощность модулей EDG0100-xx составляет 2 Вт (E-GSM900/GSM850) и 1 Вт (DCS1800/PCS1900). Напряжение питания от 3,3 до 4,5 В. Возможно непосредственное подключение к аккумулятору 3,6 В.

Многофункциональный интерфейс выполнен на 60-контактном разъеме Molex. На этом разъеме объединены выводы интерфейсов: приемопередающей антенны, электропитания, SIM-карты, питания внешних устройств, клавиатуры, вибратора, USB, Bluetooth (PCM), SPI, I/O, UART, ЦАП, цифровой звук.

Последовательный 6-проводной интерфейс UART может быть использован как для связи по RS-232 (протокол V24), так и для передачи сигналов по стандарту 16550). В данных моделях SIM-интерфейс поддерживает карты с напряжениями питания 1,8 и 3,0 В. Встроенный интерфейс клавиатуры обеспечивает цифровое сканирование пяти строк и пяти колонок. Шина SPI может быть использована для управления LCD или MIDI-синтезатора. Сигналы двухпроводного интерфейса (I²C) удовлетворяют параметрам двухпроводной шины 400 кГц. Двухпроводной интерфейс также может быть задействован для управления LCD. В модулях имеется 8 входов-выходов общего назначения. Для подключения антенны используется стандартный UFL-разъем. На рис. 3 показан модуль EDG0100 со стороны разъемов. Эти модули поддерживают все основные опции GSM 2.5G, GPRS Class 10.

Внешний вид модуля EDG0100 со стороны разъемов (Рис. 3)

Модели серии Enabler IIE GSM/GPRS/EDGE предназначены для работы в расширенном температурном диапазоне (от –30 до +70 °С) и имеют размеры 46×30×3 мм.

В состав серии входят модели:

• EDG0100-00 без держателя SIM-карты;
• EDG0100-01 с держателем SIM-карты.

Модули EDG0100-xx по габаритным размерам и по разъемам совместимы с базовыми модулями GSM0108-xx [5]. Незначительная разница между схемами подключения этих двух серий заключается только в двух контактах. В серии EDG0100-xx введены дополнительные сервисные функции с управлением по контактам 22 и 24. В модулях GSM0108-xx вывод 22 используется для включения и выключения питания модуля. При этом высокое состояние соответствует положению «включено», а низкое — «выключено». В модулях EDG0100-xx вывод 22 используется для внешнего управления сбросом (функция reset). Этот вывод можно оставить неподключенным или подсоединить к земле. Другой вывод 24 в модулях GSM0108-xx используется только для контроля питания. В модулях EDG0100-xx вывод 24 используется для включения и выключения модуля. Импульс с перепадом «высокое-низкое» состояние длительностью 50 мс выключает модуль. Для включения модуля и перерегистрации его в сети нужно подать на контакт 24 управляющий импульс, параметры которого задаются специальными АТ-командами [6].

Модули EDG0100-xx поддерживают все основные опции базовых модулей GSM0108-xx. Из этих основных опций необходимо отметить функцию UDP/TCP сборки-разборки пакетов и функцию обработки событий (Event Processing).

Функция UDP/TCP сборки-разборки пакетов позволяет конвертировать, упаковывать и передавать данные со стандартного последовательного интерфейса без специального протокола, необходимого внешнему устройству, и подключать к модулю счетчики, сенсоры и другие системы [7].

Функция обработки событий позволяет запрограммировать модуль таким образом, чтобы внешние события (регистрация в сети, изменение состояния входов-выходов) отслеживались и вызывали бы определенного рода действия (изменение состояния выходного интерфейса, посылка SMS-сообщения и др.) [8].

Основное отличие модулей EDG0100-xx и GSM0108-xx заключается в скорости передачи данных и в устойчивости связи. С помощью моделей GSM0108-xx данные можно передавать в режимах GSM и GPRS. При использовании всех восьми тайм-слотов теоретический предел скорости в режиме GPRS составит 171,2 кбит/с. В реальной жизни максимальная скорость передачи в сетях российских операторов составляет 30–50 кбит/с.

Технология EDGE позволяет передать данные с теоретической скоростью до 473,6 кбит/с. Испытания, проведенные в сетях «Билайн» и «Мегафон-Москва», показали, что на сегодняшний день в России в сетях с поддержкой EDGE может быть достигнута скорость вплоть до 200 кбит/с.

Одной из основных проблем при работе в режиме GPRS является неустойчивая связь в периоды перегрузок сети. Поскольку приоритет в сетях GSM/GPRS остается за голосом, то в часы перегрузок канал GPRS забивается голосовым трафиком.

С этой проблемой на Западе справляются, оставляя всегда один тайм-слот под GPRS. В России этого нет и не предвидится, поскольку самые грубые оценки показывают, что для организации подобной связи необходимы вложения порядка 20 миллионов долларов. Учитывая существующие расценки на услуги операторов сотовой связи, эксперты считают, что в России целесообразно вкладывать деньги в модернизацию существующих сетей с добавлением технологии EDGE. Этот путь оценивается, как более дешевый и перспективный по сравнению с организацией выделенного тайм-слота под GPRS. Зарубежный опыт эксплуатации сетей GSM/GPRS/EDGE показывает, что удельная стоимость скорости передачи данных (капиталовложения на кбит/с) в сетях с EDGE значительно ниже, чем в других сетях переходных поколений.

Литература

1. Корсунский А. «Час EDGE — обойдемся без революций». http://www.sotovik.ru/news/articles.
2. Кузнецов М. А., Абатуров П. С., Никодимов И. Ю., Певцов Н. В., Рыжков А. Е., Сиверс М. А. GPRS — технология пакетной передачи данных в сетях GSM. СПб.: Судостроение. 2002.
3. Потресов С., GPRS и EGPRS (EDGE): Мифы и реальность. http://www.mobile-review.com/articles/2005/.
4. EDG0100PB001MAN — Enabler II-E Quad-Band GSM/GPRS/EDGE Radio Modem Integration Guide. Enfora. 2005.
5. Enfora Enabler II-G. Quad Band GSM/GPRS Radio Modems Integration Guide, v. 1. Enfora. 2004.
6. Enfora Enabler II-G To Enabler II-E Modem Transition Guide. EDG0100PB002. Enfora. 2005.
7. GSM0000AN11, PAD Configuration and use, Rev. 1.04.
8. GSM0000PB003MAN, Enfora Event Tools, Rev.1.00. User Manual.