EDGE je technologie, která se stává novým vysokorychlostním standardem pro sítě GSM. Je považována za určitý mezistupeň mezi stávajícími sítěmi GSM (2G) a budoucími sítěmi UMTS (3G). Umožňuje dosahovat rychlostí, které se blíží rychlostem sítí 3. generace, ale využívá prostředky (přenosové kanály, frekvenční pásma) sítí generace 2. Naopak dochází k změně modulace a kódování kanálů. Původní dvoustupňová modulace GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying) je "doplněna" efektivnější osmistupňovou modulací 8-PSK (Eight-Phase-Shift Keying).

GMSK modulace není modulací 8-PSK nahrazena, ale funguje souběžně s ní. S 8-PSK je možné poskytnout vyšší datové rychlosti s obecně menším pokrytím než poskytuje modulace GMSK, ta je vhodná pro rozlehlé oblasti.

Nasazení EDGE ve stávajících sítích GSM je reltivně snadné, protože tato technologie zachovává jak šířku jednotlivých přenosových kanálu (200 kHz), tak i jejich dělení časovým multiplexem na osm částí, slotů.

Technologie není vázána pouze na sítě GSM, ale lze ji implementovat třeba i na americkou IS-136.

Navýšení kapacity sítě a datové rychlosti se týká obou používaných technologií. Technologie HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) založené na přepojování okruhů i technologie GPRS založené na přepojování paketů. To sebou nese přejmenování obou technologií HSCSD na ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) a GPRS na EGPRS (Enhanced GPRS).

Původní označení pro EDGE bylo GSM384, kde číslice vyjadřuje bitovou rychlost v kbps. Vývoj byl zahájen firmou Ericsson. Nyní se v EDGE angažuje Nokia, Siemens, Motorola, Nortel Networks, Alcatel, a další.

S EDGE směřuje GSM směrem k osobním multimédiím. Dojde ke zrychlení všech existujících okruhových i paketových služeb a vzniknou nové vysokorychlostní datové aplikace.

Nutno podotknout, že ECSD se ve světě více méně neimplementuje. Tato práce bude tedy pojednávat o EGPRS, pokud nebude uvedeno jinak.

GPRS dosahuje rychlosti 115 kbps a teoreticky může dosáhnout až rychlosti 160 kbps na fyzické vrstvě. Předpokládá se využití všech osmi slotů.

EGPRS je podstatně rychlejší. Umožňuje dosáhnout rychlosti 384 kbps a teoreticky až 473,6 kbps.

Tyto rychlosti jsou možné díky nové modulační technice a kódování tolerantního k chybám (error-tolerant transmission metods).

Dominantním datovým síťovým protokolem, na kterých běží většina síťových aplikací, je soubor internetových protokolů TCP/IP. Protože EGPRS (samozřejmě i GPRS) je svou povahou také paketový způsob komunikace, znamená to , že je ideálním nosičem pro jakékoliv aplikace běžící na Internetu. Z pohledu uživatele je síť EGPRS jakousi sub-sítí Internetu, ke které je možné přistupovat z mobilního telefonu. Je zde používáno internetové adresování a jsou přístupny internetové služby. Spolu s telefonním číslem je zavedena IP adresa v klasickém tvaru. Z pohledu Internetu je síť EGPRS jen jednou subsítí z mnoha.

Figure 1. Převzato z mobil.cz

Typickými aplikacemi pro EGPRS jsou např. E-mail, SMS, VoIP, www, ...

Jedná se tady o netransparentní služby (nepotřebují konstantní bitovou rychlost).

ECSD se svou povahou řadí ke službám transparentním. Tedy je vhodné pro aplikace, kde je vyžadován konstantní tok dat. Těmi např. jsou videotelefonie, přenos velkých souborů, různé multimediaální služby, aj.

Figure 2. Převzato z Ericsson White paper

Z obrázku je patrné, jaké zásahy do sítě musí operátor nutně udělat, chce-li implementovat EDGE. Musí tedy nabídnout uživateli zařízení, které podporuje EDGE a ke stavajíci BTS přidat nový transceiver.

Je zřejmé, že HW zásahy do sítě GSM jsou minimální a lze využít stávajicí zařízení. Hlavní změny již sebou přinesla implementace GRPRS. EGPRS je pouze návstavbou, která přináší v úvodu zmíněné změny (modulace, kódování kanálů) a nemůže bez GPRS fungovat.

EDGE pouze definuje novou fyzickou vrstvu pro EGPRS a ECSD.

GPRS a EGPRS mají odlišné komunikační protokoly a odlišné chování na straně BTS. Sdílejí protokoly paketového přenosu.

EDGE zvyšuje jak propustnost sítě, tak kapacitu. Stejný časový slot může používat více uživatelů. To snižuje množství zdrojů, které by bylo nutné použít pro stejnou zátěž sítě bez EDGE. Zůstává tedy více volných prostředků pro další služby.

Figure 3. Převzato z Ericsson White paper

GPRS i EGPRS mají stejnou "symbol rate", ale modulační rychlost je u EGPRS třikrát vyšší. EGPRS dokáže přenést třikrát více bitů za stejnou periodu než GPRS.

Rozdíl mezi "radio data rate" a "user data rate" je dán hlavičkou paketu. V případě "radio data rates" není hlavička paketu uvažována.

V souvislosti s EDGE je často jako maximální přenosová rychlost pro 8 slotů uváděno 384 kbps (48 kbps na slot). Tato rychlost je ITU (International Telecommunications Union) stanovena jako limit vyhovující IMT-2000 (International Mobile Communications) standardu pro venkovní použití (zařízení v pohybu).

Pokud uživatel přejde na území, kde není EGRPS, ale je GPRS, dojde díky jejich kompatibilitě k plynulému přechodu, který uživatel zaznamená pouze zpomalením přenosu a příslušnou indikací na mobilním zařízení. Nemělo by dojít ke ztrátě spojení.

Jednotlivé třídy znamenají počet timeslotu pro jednotlivé směry komunikace. Čím je třída vyšší, tím rychlejší je připojení. Konfigurace slotů (např. 4+1, 3+2) jsou přepínány automaticky operátorem v závislosti na zatížení sítě.

Na obrázku číslo 4 představuje osa I reálnou část a osa Q imaginární část.

Figure 4. Převzato z Ericsson White paper

Ke zvýšení datové rychlosti je nutné změnit modulační tehniky. Nová modulační technika sebou přináší znovuvyužití mechanismů fungujících u GPRS (struktura, šířka kanálu).

V GPRS se používá Gaussova modulace s minimálním zdvihem (GMSK), která je typem fázové modulace. Ta v EDGE funguje souběžně s osmistavovou fázovou modulací (8-PSK).

U GMSK je přenos nulového nebo jedničkového bitu dán změnou fáze o +PI resp. -PI. S každou změnou fáze je přenesen jeden bit, "symbol". Každý symbol, který je přenesen, reprezentuje jeden bit.

8-PSK je lineární metoda, která tři po sobě jdoucí bity namapuje na jeden "symbol". Počet symbolů přenesených uvnitř určité periody zůstává stejný, jako u GMSK, ale každý symbol nyní reprezentuje tři bity místo jednoho (z obrázku je patrné, že je definováno osm diskrétních hodnot fáze). Tzn. že jsou přenášeny tři bity pomocí jedné změny fáze. Důsledkem je, že se přenosem stejného množství symbolů ztrojnásobila informace v nich obsažená. To však znamená, že vzdálenost mezi různými symboly je při použití 8-PSK kratší než u GMSK. To podstatně zvyšuje riziko nesprávné interpretace na straně radio recieveru. Pro reciever je obtížnější rozpoznat, který symbol přijal. Je tedy nutné zajistit, aby receiver dostával kvalitní signál. Do signálu je samozřejmě přidávána určitá redundance v podobě "extra" bitů (opravné, zabezpečovací bity), podle kterých je možné vadný signál opravit.

Je tedy patrné, že 8-PSK lze použít v místech, kde je spíše kvalitní signál. V místech horšího pokrytí je výhodné používat GMSK. Proto EDGE kombinuje kódovaní 8-PSK a GMSK.

Následuje malý příklad.

Figure 5. Převzato z mobil.cz

Na vstup modulátoru přicházejí bloky bitů v tomto případě tzv. tribity (u 4-PSK by to byly jen dibity, u 16-PSK zase kvadbity), které se podle schématu rozdělí do dvou větví a potom putují do měničů signálu. Zde je každé dvojici bitů přiřazena napěťová úroveň +- A_. V tomto případě to jsou v každé větvi 4 úrovně, protože kombinujeme vždy dva bity. Bity a a b určují polaritu úrovní I_k a J_k a bit c velikost úrovně.

Výstupem z měničů signálu jsou pak napětí o amplitudách I_k, J_k , které jsou následně přiřazeny nosným vlnám cos wt a sin wt. V další části dochází k vektorovému součtu těchto nosných a výsledkem jsou fázově (časově) posunuté hodnoty, tak jak vidíte na obrázku vpravo. Tímto způsobem také dochází ke kompresi signálu (v jedné půlperiodě přenesete 3 bity), modulační rychlost na výstupu Vm je tedy třetinová oproti přenosové vp na vstupu.

v_p = n . v_m, kde n = log₂m , m je počet stavů (v našem případě 8)

Pro GPRS jsou daná čtyři různá kodóvací schémata. Jsou označená CS1 až CS4. Každé schéma obsahuje jiné opravné kódování, které je optimalizováno dle určitého vnějšího prostředí (kvality signálu).

EGPRS obsahuje devět kódovacích schémat, MCS1 až MCS9. Důvod je stejný jako u GPRS. MCS1 až MCS4 je založeno na GMSK, zbytek na 8-PSK modulaci. Jak je vidět na obrázku. Vertikální osa ukazuje maximální propustnost při daném kódování. Je vidět, že s rostoucí kvalitou signálu u EGPRS roste propustnost až na 59,2 kbps, zatímco GMSK končí na 20 kbps. Čím vyšší kódovací schéma, tím menší náchylnost na chybovost se předpokládá (předpoklad kvalitnějšího signálu). Tedy kódování obsahuje méně zabezpečení proti chybám.

Figure 6. Přezvato z Ericsson White Paper

Ačkoliv CS1 - CS4 a MCS1 - MCS4 jsou založeny na GMSK, nedosahují stejného výkonu. Tento nepatrný rozdíl je dán odlišnou hlavičkou paketu (užitečnými daty).

U EGPSR lze využít tzv. resegmentaci paketů. Tato situace může nastat v případě, že je vyslán paket zakódovaný podle nějakého vyššího schématu. Přijatá zpráva obsahuje chyby, které nelze odstranit. Je tedy vyslán požadavek na přeposlání paketu. Paket je přetransformován podle nižšího kódovacího schématu (tedy s menší pravděpodobností výskytu chyby, je použito robustnější kódování) a znovu odeslán. Toto se nazývá resegmentace. Přetransformování podle jiného kódovaní znamená změnu velikosti užitečných dat v jednotlivých paketech, proto resegmentace. To je také důvod, proč GPRS a EGPRS dosahují u GMSK modulace odlišného výkonu. U GPRS není resegmentace možná. Paket musí být znovuposlán ve svém původním formátu.

Touto technikou je výrazně sníženo opakované zasílání nekorektních paketů u GPRS. V případě chyby je sice vyslán paket znovu, ale je již zakódován tak, aby se snižila pravděpodobnost chyby, tedy i další přeposílání. Tím je samozřejmě významně odlechčeno síti a zvyšuje se tak její propustnost.

To jak jsou zakódovány (resegmentovány) dané pakety zajišťuje algoritmus, který je konfigurován podle konkrétních podmínek (okolní prostředí, kvalita signálu, jaká data jsou posílána). Vzhledem k tomu, že EGPRS je určeno převážně pro mobilní zařízení, tedy tyto zařízení jsou často používána za pohybu, je nutné, aby algoritmus byl dostatečne adaptabilní a agresivní na změny okolního prostředí.

Následující obrázek ukazuje opakovaný přenos vadných paketů v případě GPRS.

Figure 7. Převzato z Ericsson White paper

Každý paket, který opouští transmiter (vysílač) musí mít v hlavičce uloženo identifikační číslo (pořadí odesílaného paketu). Po přenesení několika paketů (Ericsson udává 10 paketů) transmiter vysílá požadavek receiveru na verifikaci přijatých paketů. Pakliže receiver obdržel chybné pakety, odešle zpět transmiteru zprávu, ve které jsou ID poškozených paketů.

U GPRS jsou pakety číslovány 0 - 127. Velikost rámce (adresního okna - fronta paketů) je 64. Pokud dochází k častému znovuposílání (retransmise) poškozených paketů, muže se stát, že v adresním okně se objeví pakety se stejným ID. Tj. znovuposlaný paket může mít stejné ID jako nově poslaný paket. V takovémto případě jsou všechny pakety z rámce zahozeny a je požadováno jejich nové poslání.

U EGPRS je číslování paketu zvýšeno na 2048 a velikost rámce je 1024. To by mělo dostatečně minimalizovat výše zmíněné riziko a tím i zvýšit propustnost.

Poškozené pakety jsou přesunuty do nižší vrstvy rámce. Nově přijaté pakety (retransmitované) pak zkombinuje s předchozími špatně doručenými daty. Toto se nazývá "inkrementální redundance".

EGPRS má oproti GPRS mnohem robustnější systém retransmise nedoručených paketů. Kódovací schéma, které bude použito pro přenos dalších paketů je vybíráno na základě měření kvality spoje.

K zajištění co nejefektivnějšího přenosu je nutné stále analyzovat kvalitu přenosu. S tím je spojena adaptabilita přenosu. Dochází k analyzování počtu chybně přenesených paketů, rychlosti přenosu, atd. Díky paketovému přenosu dat, je tato analýza velice rychlá a přenos se takřka okamžitě může adaptovat na nové podmínky (důležité např. ve městech).

Není problém analyzovat rychlost pohybujícího se objektu (přijímače). Stačí sledovat pohyb objektu od buňky k buňce.

U GPRS dochází k měření dvakrát za 240 ms trvající periodu. Obsluha, která má nastarost analýzu a změnu na vhodné kódování, může být prováděna pouze během tzv. "idle burst". Je tu relativně velká doba od samotného měření do reakce na změnu.

Pro EGPRS je tento mechanismus příliš pomalý. Měření probíhá v korektoru každý "burst" a je stanoven odhad pravděpodobnosti chybně přeneseného bitu (BEP - Bit Error Probability). BEP je odrazem aktuálního C/I (Carrier-to-Interference ratio) časového rozptylu signálu a rychlosti terminálu.

Hlavní BEP je vypočítán na základě celého rádiového bloku (4 bursts), viz. obrázek. V případě nekvalitního signálu, vysokého BEP, může být u EGPRS blok dat rozdělen. V případě chybně přeneseného bloku (již rozděleného) je pak přeposíláno meší množství dat. Přeposílaný blok dat je samozřejmě kódován podle nižšího schématu.

Figure 8. Převzato z Ericsson White paper