Новые модули производства Enfora для высокоскоростной передачи данных по edge - технологии

Компоненты и технологии, № 5'2005 Компоненты

Новые модули производства Enfora

для высокоскоростной передачи данных по технологии EDGE

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).

Виктор Алексеев, к. ф-м. н.

info@telemetry.spb.ru

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 рынок уже более 150 комплектов оборудования для EDGE в Африку, на Ближний Восток, в Восточную Европу, в Юго-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.

Компоненты и технологии, № 5'2GG5

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].

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.

kbps (50 --

50 --

30 --

20 --

Схемы кодирования и скорость передачи в EDGE

59.2

54.4

20.0

14.8

ГГ CN П

ьо с/з

у и и

? 2 2

GPRS

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

EDGE

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 муль-тислотовый 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 0MAP850 производства Texas Instruments. Модуль 0MAP850 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 12x12 мм. Модуль выпускается в двух модификациях с SDRAM 128 Мбит и 256 Мбит. Блок-схема модуля OMAP850 приведена на 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 поддерж-

Компоненты и технологии, № 5'2GG5

Emulator

Pod

Lllieillll

I

| Debug Message |- - п 1 ,

| Serial | 1 JTAG/ Emulation l/F

Bluetooth Data r UAI?T

Technology Voice  Voice/ Enhanced Audio

NAND I—, Flash

I Flash ~

Mobile

DDR

High-Speed WLAN a/b/g

X

EMIF/CF

OMAP85Q

Fast

IrDA

Speaker ((i^D—I Speaker (((Цш—I

Voice/High

Fidelity

Audio

Code

Power

Management

I Control/ Data

GSM Real-Time Control

GSM Clock Management

GSM/GPRS Digital Baseband

I ARM7 MCU I ARM926

Shared Memory Controllr/DMA 2D Graphic Accelerator

Frame Buffer/Internal SRAM Timers, Interrupt Controller, RTC Security:SHA~1 /MD5 DES/3DES RNG

rill:I Keypad

H GPIO

Secondary

LCD

EMT9

OCP Camera l/F

TSC2046 Optical or Touch Screen Controller

ШВ9Ш

Client/Host I 1 LCD Light

-------------- 1 I Controller

Buzzer

n MMC Flash Card —InJ SD Flash Card

-----Battery )

—& 32 kHz

-----<Jb-| Reset

LEGEND

ARM peripherals

DSP peripherals

Shared peripherals

Tl Products

Рис. 2. Блок-схема модуля GMAPB5G компании Texas Instruments

ка 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/

Таблица 1. Параметры кодирования EDGE

Схема кодиро- вания Модуля- ция Максимальная скорость, кбит/с Скорость кодиро- вания

MCS-1 GMSK B,B 0,5

MCS-2 GMSK 11,2 0,7

MCS-3 GMSK 14,B G,B

MCS-4 GMSK 17,6 1,0

MCS-5 BPSK 22,4 0,4

MCS-6 BPSK 29,6 0,5

MCS-7 BPSK 44,B 0,B

MCS-B BPSK 54,4 0,9

MCS-9 BPSK 59,2 1,0

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.

Модели серии Enabler IIE GSM/GPRS/EDGE предназначены для работы в расширенном температурном диапазоне (от -30 до +70 °С) и имеют размеры 46x30x3 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 контак-

там 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-низ-кое» 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 пер-дачи 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.

Компоненты и технологии, № 5'2GG5

Заключение

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.