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2001 3G ワークショップ

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2001 3G Workshop Part 4 - GSM-136_EDGE.pptRev 1.1 16-January -2001

Part 4: 1 Unauthorized Duplication ProhibitedUnauthorized Duplication Prohibited

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注記:

本教材の複製、配布を禁じます。

謝辞::::

Agilent Technologiesは、本ワークショップの教材開発にご助力くださった3G WirelessTraining社のDarryl Schick氏に感謝いたします。





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無無無無線線線線基基基基地地地地局局局局

(BTS)

移移移移動動動動機機機機

(MS)

EDGEは、GSMエア・インタフェースおよびGPRSコア・ネットワークに基づく新しい高速パケット・データの標準です。

EDGEを理解するための基礎として、GSMエア・インタフェースについて簡単に見ておきましょう。

GSMは、フォワードTDMAチャネルとリバースTDMAチャネルの2つの物理チャネルを持つTDMAシステムです。

すべての論理チャネルはフォワードとリバースのTDMAチャネル内で時間多重化されています。これらの論理チャネルをサブチャネルとも呼びます。





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➤ ダダダダウウウウンンンンリリリリンンンンククククののののみみみみ

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– 日常のチャネル管理用

FFFFAAAACCCCCCCCHHHH FFFFaaaasssstttt AAAAssssssssoooocccciiiiaaaatttteeeedddd CCCCoooonnnnttttrrrroooollll CCCChhhhaaaannnnnnnneeeellll((((高高高高速速速速付付付付随随随随制制制制御御御御チチチチャャャャネネネネルルルル))))

– 大規模なシグナリング用、トラヒック・チャネルのビットを借用

SSSSDDDDCCCCCCCCHHHH SSSSttttaaaannnndddd----AAAAlllloooonnnneeee DDDDeeeeddddiiiiccccaaaatttteeeedddd CCCCoooonnnnttttrrrroooollll CCCChhhhaaaannnnnnnneeeellll((((ススススタタタタンンンンドドドドアアアアロロロロンンンン専専専専用用用用制制制制御御御御チチチチャャャャネネネネルルルル))))

ここにはGSMの論理チャネルの一覧を示します。

フォワード(ダウンリンク)チャネルは、ブロードキャスト制御チャネル、同期チャネル、周波数補正チャネル、ページング・チャネル、アクセス許可チャネルを伝送します。

リバース(アップリンク)チャネルは、ランダム・アクセス・チャネルを伝送します。

フォワードとリバースの両方のリンクに存在する双方向チャネルがいくつかあります。トラヒック・チャネルといくつかの制御チャネルがそうです。





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GSMエア・インタフェースでは、すべてのデータ伝送が「スロット」と「フレーム」にグループ化されます。

GSMのフレームは長さ4.615 msで、8個のスロットから構成されます。

各ユーザに1個のスロットが割り当てられるので、1つのGSM搬送波を最大8人のユーザが共有できます。

スロットの長さは576.923 µsで、スロット内で伝送されるデータのことを「バースト」と呼びます。





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ガード(68.25)

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周周周周波波波波数数数数補補補補正正正正

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SF = (スチール・フラグ)データ・セグメントの代わりに高速付随制御チャネル(FACCH)のセグメントが用いられているかどうかを示す

GSMには5種類のバーストが存在します。ノーマル・バースト、ランダム・アクセス・バースト、同期バースト、周波数補正バースト、ダミー・バーストです。

EDGEの理解に役立てるため、ここではノーマル・バーストだけに注目します。

ノーマル・バーストには57バイトのデータ・フィールドが2個含まれるので、タイムスロット1個あたりのデータは114バイトです。1つのGSM搬送波につき1個のタイムスロットをユーザが割り当てられた場合、ユーザのペイロード・データ・レートは4.615 msあたり114バイト、すなわち24.7 kbpsになります。

しかし、これは実際のユーザ・データに使用できるレートではありません。

現実のデータ・レートはこれよりはるかに低くなります。その理由は、エラー保護のオーバヘッドがあることと、GSMフレームの一部がユーザ・トラヒック以外に割り当てられることです。





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GSMフレームの割当て方法を理解するために、「26マルチフレーム」の例を取り上げます。これはトラヒック・チャネルの伝送に用いられるフレーム・サイクルです。

26マルチフレームは26個のGSMフレームから構成されます。したがって、26マルチフレームの長さは120 msです。

26個のフレームのうち、トラヒックに用いられるのは24個だけです。1個のフレームはレイヤ3のシグナリング用、残りの1個はアイドル・モード動作用に予約されています。

このため、1ユーザあたりの正味のデータ・スループットは、26マルチフレーム1個あたり24フレーム×114ビット = 2736ビットとなります。これは22.8 kbpsのデータ・レートに相当します。

音声は20 msのスパン、すなわち26マルチフレームの1/6でインタリーブされます。20 msのインタリーブ周期当たりのビット数は、2736ビット/6すなわち465ビットとなります。

この456という値は、GSM、GPRS、EDGEのすべてのデータ・レートで基本的役割を果たします。





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音音音音声声声声ボボボボココココーーーーダダダダ音音音音声声声声アアアアククククテテテティィィィビビビビテテテティィィィ検検検検出出出出器器器器 ////

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これらの値を念頭に置いて、音声トラヒックをGSMフレーム構造に当てはめる方法を見てみましょう。

GSMボコーダは20 ms分の音声をサンプリングし、260個のデータ・ビットに変換します。20 msごとに260ビットが生成されるので、正味のビット・レートは13.3 kbpsです。





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CRC = Cyclic Redundancy Check(巡回冗長検査、チェックサム)ビットT = テール・ビット。コンボリューショナル・エンコーダのステートをリセットするために使用

ククククララララスススス1111aaaa((((55550000))))

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クラス2のビットは保護されない

コンボリューショナル・コーディングr = 1/2、k=5

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再配置、インタリーブ

これらの260ビットは3つのグループに分類されます。それぞれのグループは、音声の再構成における重要度が異なります。

クラス1aのビットには、CRCチェックサムとレート1/2のコンボリューショナル・コーディングが施されます。

クラス1bのビットには、レート1/2のコンボリューショナル・コーディングだけが施されます。

クラス2のビットにはエラー保護が施されません。

エラー保護処理によって、元の260ビットはちょうど456ビットに拡張されます。

すでに説明したように、GSMのフレーム構造は、1ユーザあたり20 msの時間に4×114ビット、すなわちちょうど456ビットをサポートします。





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コンボリューショナル・コーディングr = 1/2、k=5

444455556666ビビビビッッッットトトト

パンクチャリング(実効コード・レート

= 0.65 )

プリコーディング

コード化された456個のデータ・ビットを22個のバーストにインタリーブ

GSMでは、音声以外のデータ・アプリケーションも同じフレーム構造で扱うことができます。

例えば、14.4 kbpsのデータをGSMでは以下のように扱います。

レート1/2のコンボリューショナル・コーディングによってデータは588ビットになります。

このうち132ビットがランダムにパンクチャリング(削除)されます。これにより、20 ms中のビット数が必要な456ビットになります。パンクチャリングされたビットは受信機のビタビ・デコーダで復元できますが、エラー保護利得がわずかに低下します。





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1

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偶偶偶偶数数数数デデデデーーーータタタタ・・・・ビビビビッッッットトトト

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高高高高周周周周波波波波((((FFFFHHHH))))

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奇奇奇奇数数数数偶偶偶偶数数数数デデデデーーーータタタタデデデデーーーータタタタ周周周周波波波波数数数数

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0 1 -FL

1 0 +FL

1 1 +FH

真真真真理理理理表表表表

データをエンコードしてフレームにグループ化した後は、GMSK変調で変調します。

GMSKは、差分MSK(Minimum Shift Keying)の一種です。MSK変調では、互いに近い2種類の正弦波のどちらかでデータ・ビットを表現します。

差分MSKでは、元のデータ・ストリームを奇数ビットと偶数ビットの2つのデータ・ストリームに拡張します。

奇数ビットと偶数ビットのさまざまな組合わせは差分ルックアップ・テーブルによってマッピングされ、2つの周波数の正弦波がほぼシームレスに連結された信号になります。

図からわかるように、差分MSK変調の結果は、入力データ・ビットに応じて2つの正弦波周波数の間で周波数が交替する信号になります。また、エンベロープの振幅が常に一定で、突然の位相反転が起こらないこともわかります。

このMSK波形をガウシアン・フィルタに通した結果が、GMSKです。

GMSK変調の利点は、エンベロープが一定なので、RFパワーアンプに負担をかけないことです。また、GMSKはRFリンクの品質が悪くても正確に検波できます。低価格で消費電力の小さい電話機を実現するには、GMSKは非常に適しています。

ただし、GMSKでは入力データ1ビットごとに周波数が交替するので、スペクトル転送効率は1シンボルあたり1ビットに過ぎません。高いデータ・レートが重要な場合、GMSKは最適な変調方式とは言えません。後で見るように、EDGEでは別の変調方式を追加してGMSKに対する改善を行っています。





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GMSK 8-PSK

シンボル・レート 270.8333 ksps

1シンボルあたりビット数 1 3

1タイムスロットあたりのペイロード20 msブロックあたりのペイロード

114 ビビビビッッッットトトト4 5 6ビビビビッッッットトトト

3 4 2ビビビビッッッットトトト1368 ビビビビッッッットトトト

1タイムスロットあたりの総データ・レート 22.8 kbps 69.2 kbps

1搬送波あたりの総データ・レート 182.4 kbps 553.6 kbps



フル・レート・トラヒック・チャネル24 TCH + 1 SACCH + 1アイドル・スロット = 26フレーム (120 ms)20 msごとに平均4個のTCHフレーム = 456ビット/20 ms = 22.8 kbps

GSMの基本的な点をまとめると、1スロットあたり114個のデータ・ビットがあり、1ユーザに対する1フレームあたりのデータ・ビット数は114となります。

20 msのタイムスロット1個につき4個のフレームがあることを考えると、20 msごとに456ビットが伝送されます。これは22.8 kbpsにあたります。

後で説明するように、GPRSとEDGEでは、1ユーザあたり最大8個のタイムスロットを割り当て、8-PSK変調を使用することにより、1ユーザあたりの総データ・レートを553.6 kbpsに上げています。





GGGGSSSSMMMMかかかかららららEEEEDDDDGGGGEEEEへへへへのののの進進進進化化化化

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➤ 8888----PPPPSSSSKKKK変変変変調調調調にににによよよよりりりりピピピピーーーークククク帯帯帯帯域域域域幅幅幅幅をををを3333倍倍倍倍にににに拡拡拡拡大大大大

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GSMからEDGEへの進化には、いくつかの段階があります。

第1に、各ユーザに割り当てるスロット数が最大8までに拡大されます。

第2に、8-PSK変調の採用により、入力ビット・レートが3倍になります。

第3に、ダイナミック・リンク適応が採用されています。これについては後で説明します。

第4に、パケット・データ伝送に特に適した新しいプロトコルがいくつかGSMネットワークに追加されています。この中には、GPRS(General Packet Radio Service)やEPGRS(GPRSの進化形で、EDGEの最高データ・レートを満たすように設計されたもの)が含まれます。





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8-PSK変調は、3ビットを1個の変調シンボルにマッピングするプロセスです。変調シンボルは正弦波の8通りの異なる位相です。

1個の変調シンボルを3ビットから作成するため、入力データ・レートはGMSKよりも3倍高くなります。8-PSKの欠点はGMSKよりもピーク-平均比が高いことと、リンク条件が悪い場合に正確な検波が難しいことです。

EDGE 8-PSKでは、ビットごとに3/8πの回転を行います。これは振幅の0交差を避けるためです。

ここでは、偶数ビットに対して許容される位相を空の円、奇数ビットに対して許容される位相を中塗りの円で表しています。






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シンボル1個ごとに3/8πの位相回転をかけることで、0パワー点を通る遷移を防止

このスライドは、8-PSK信号のあらゆる可能な遷移の測定結果を示します。

0交差の領域が完全に回避されていることに注目してください。





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データ・モード

変調入力

データ幅(オクテット)

1タイムスロットあたりの

入力データレート

コンボリューショナル・

コーダ・レート

コード化データ・ビット

パンクチャリング後のコード・レート

MCS-1 22 8.8 kbps 528 0.53

MCS-2 28 11.2 kbps 672 0.66

MCS-3 37 14.8 kbps 888 0.80

MCS-4

GMSK

44 17.6 kbps

1/3

1056 1

MCS-5 2 x 28 22.4 kbps 448 0.37

MCS-6 2 x 37 29.6 kbps 592 0.49

MCS-7 4 x 28 44.8 kbps 896 0.76

MCS-8 4 x 34 54.4 kbps 1088 0.92

MCS-9

8-PSK

4 x 37 59.2 kbps

1/3

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広い範囲のデータ・レートを実現するため、EDGEではGMSKと8-PSKの2つの変調方式を採用しています。

EDGEには全部で9種類の変調コーディング方式(MCS)があります。

最初の4つはGMSK、残りの5つは8-PSKに基づいています。

MCS-1では、22オクテット(176ビット)のデータが20 msの間に送信されます。これは8.8kbpsのビット・レートに相当します。データはレート1/3のコンボリューショナル・コーディングを通り、3*176 = 528個のデータ・ビットになります。GSMのフレーム構造では20 msの間に456ビットしか伝送できないので、528ビットをパンクチャリングして456ビットにする必要があります。

MCS-2からMCS-4まででは、エラー保護コーディングの後でパンクチャリングするビットを単に増やすことによりデータ・レートを上げます。MCS-4では実効的にエラー保護がなくなりますが、17.6 kbpsのスループットを達成できます。

同じ方法が、8-PSKを使用したMCS-5からMCS-9まででも用いられます。これにより、1タイムスロットあたり22.4～59.2 kbpsのデータ・レートを実現できます。

8個のタイムスロット全部を1人のユーザに割り当てた場合、9種類のコーディング方式すべてによるデータ・レートの範囲は、70.4 kbpsから473 kbpsに及びます。

EDGEのコーディング方式とデータ・レートは、リンク品質に基づいて各ユーザに割り当てられます。すなわち、非常に状態のよいRFリンクを持つユーザにはエラー保護の必要があまりないので、オーバヘッド・ビットを使用するのは無駄です。ここから、次に説明するダイナミック・リンク・アダプテーションという考え方が生じます。





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図図図図出出出出典典典典:::: “EDGE: Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution” ; Anders Furuskar,et. Al.

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リンク適応

このスライドでは、EDGEでのダイナミック・リンク・アダプテーションの重要性を示します。ダイナミック・リンク・アダプテーションとは、リンクの品質に基づいて各ユーザに実現可能な最善のコーディング方式を割り当てる過程です。

基地局から離れたところにいるユーザがパケット・セッションを開始して、リンク品質がC/N = 5 dBと低かったとします。この条件で何らかの正味のスループットを得るには、強力なエラー保護コーディング方式が必要です。したがってこのユーザには、この図のいちばん下の曲線であるMCS-1が割り当てられます。

ユーザが基地局に近づいていくと、C/Nが増加し、このユーザの正味のスループットは最大スループットの8.8 kbpsで頭打ちになります。C/Nが10 dBに増加した場合、このユーザには最大データ・レート14.8 kbpsのMCS-3を割り当てたほうがよくなります。

リンク品質に基づいて常に変調方式を再割当てすることにより、システム全体としてのスループットを最大限にすることができます。リンク品質が高いユーザに対して高いスループットを提供できれば、このユーザに対するシステムの処理が高速になり、他のユーザの待ち行列を短縮することができるからです。





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北米での使用を前提に設計されたEDGEの特別な形式が存在します。これは「EDGEコンパクト」または136HSと呼ばれます。

EDGEコンパクトはEDGEによく似ていますが、主な違いは周波数再利用にあります。北米EDGEでは3/9の再利用パターンを実現できると期待されています。これに対して、欧州では4/12のパターンが計画されています。

この再利用が実現可能なのか、あるいは望ましいのかはまだわかっていません。最終的には、北米でのEDGEの実装がこれまでに説明したEDGEに従う可能性もあります。

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July 31, 20015988-3486JA

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2001 3g ワークショップ - keysightliterature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5988-3486ja.pdf2001...

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