【鳥專欄】從2G到3G –行動通訊技術解密 三：GPRS、Edge篇
【編按】在第一篇、第二篇中，鳥大師以相當深入的方式說明GSM的架構和資料調變方法；接著在這篇中鳥大師要介紹大家可能只知其一，不知其二的GPRS和Edge，如何在GSM的基礎上加強資料傳輸速度，又有哪些局限。（左圖攝影：Per Foreby）
換湯不換藥的GPRS
GSM開始提供CSD資料服務時，Internet的時代才剛要開始。慢慢地，人們發現使用者需要的上網服務是非對稱式的，而且並非在連上網路的其間都有資料不斷地在傳輸。因此GSM提出了新的行動數據服務方式，希望在盡可能不要大幅度修改系統的前提上，能提供使用者更實用的服務，這就是GPRS。
GPRS並不是GPS的好朋友，它是General Packet Radio Service的縮寫，它企圖在GSM的無線電及網路架構下，提供以「封包」為基礎的數據服務。大部份使用者瀏覽網路的行為都是一陣一陣的，而非連續的資料傳輸。就像我們在看網頁時，點下去才開始傳輸，而當網頁傳輸完成後，會有很長一段時間沒有網路活動。GPRS的封包服務就是以這樣的網路瀏覽行為為出發點來設計的。
在CSD資料服務中，每隻手機會佔用特定ARFCN頻道的八個時槽其中一個，即使沒有資料需要傳輸，那時槽也會為它保留，不會讓別的手機佔用。但在GPRS 資料服務中，時槽的使用是動態分配的，而且手機和基地台每次的傳輸都可以佔用一個以上的時槽。
如果CSD佔用單一時槽時的資料傳輸速率是9.6Kbps，那GPRS佔用兩個時槽時就可以達到19.2Kbps的速率。事實上，GPRS還新定義了數種不同的資料封包編碼方式（CS，Coding Scheme），讓系統可以根據無線電頻道的狀況好壞，決定要使用錯誤更正碼較多但速度較慢的編碼方式，還是使用錯誤更正碼較少但可以傳輸較多資料的編碼方式。
圖五列出了GPRS四種不同的資料封包與傳輸速度的關係。就如同前提過的，調變的密度決定了通訊系統耐雜訊的能力，同樣地封包編碼也有這樣的特性。當我們企圖用降低錯誤更正碼的比率來提高資料傳輸速率時，代價就是系統抵抗雜訊或是其它干擾的能力降低。對GPRS的系統來說，這個效應會導致基地台所能覆蓋的面積減小。以CS-1格式的封包來說，在這樣的傳輸模式下，基地台的覆蓋面積和原來使用CSD時一樣，但若使用CS-4時，基地台的有效射程就只剩下原來的一半，而覆蓋面積則只有原來的四分之一。
除了使用新的編碼方式外，GPRS最重要的突破還是改變了GSM系統使用無線電資源的方式。它讓同一個ARFCN所屬的各手機可以協調並佔用一個以上的時槽。GPRS允許下鍊路方向最多佔用四個時槽，如果同時頻道的狀況也夠良好，讓系統可以使用CS-4封包，那下鍊路方向就能達到超過80Kbps的資料速率，遠比CSD的9.6Kbps要實用得多。
▲圖五 GPRS的封包編碼與速度。
不過雖然GPRS可以透過佔用多個時槽來增加傳輸速率，但畢竟一個ARFCN裡就只有那八個時槽，如果大家都要用，還是會發生搶不到資源的問題。因此，GPRS所能達到的傳輸速率並非僅由系統決定，還要看同一時間系統內其它使用者的使用狀況。其實所有以封包型式運作的通訊系統都有類似的特性，雖然它無法對使用者保證頻寬，但卻可以更有效地分配及利用頻寬。
就在GPRS孵出來後沒多久，Internet爆炸的時代已經來臨。但行動通訊的規格制定因為牽涉到大量的標準化作業以及政治問題，沒辦法跟上IT產業的爆發性成長，因此當固定數據通訊在短短幾年內由56Kbps的數據機進步到數十Mbps的ADSL甚至上百Mbps的光纖到府，行動數據通訊仍在後面苦苦追趕。
就在3G的網路遲遲無法普及但市場上又有大量的寬頻行動數據需求時，GSM設備的製造商又將腦筋動到原來的系統上。這次，因為GMSK調變的頻譜利用率實在太差，他們它換掉了。
救援投手EDGE
的系統有個很響亮的名字，叫做EDGE, 全名是Enhanced Data rates for GSM Evolution。既然是evolution，當然就不能大改，所以他們只小改了調變及編碼的方式，至於核心網路則完全延用GPRS的架構。
EDGE引入的一種新的調變方式稱之為8PSK，它將資料載在訊號的相位上，而每一個符號有八種可能的相位，因此一個調變過的符號可以攜帶3個位元，換句話說在同樣的時間內，8PSK可以攜帶的資料量就是GMSK的三倍。
當然，因為調變密度變高的關係，8PSK在接收端的訊號鑑別率遠不如GMSK，因此典型的EDGE基地台覆蓋範圍都較GPRS的基地台要小。
除了調變方式改變外，EDGE也定義了新的封包編碼方式，這兩種參數組合起來總共可以有九種不同的調變及編碼方式（MCS, Modulation and Coding Scheme）。
▲圖六 EDGE的封包調變編碼與速度。
圖六列出了EDGE系統中所使用的各種封包調變與編碼的組合。可以看出，當使用MSC-9格式時，佔用單一時槽的傳輸速率最高可以到59.2Kbps，如果再配合最大可以達四個時槽的多時槽佔用機制，EDGE系統在單方向的資料速率可以達到200Kbps以上。
雖然在這個寬頻的年代，200Kbps實在說不上是什麼很了不起的速度，開個Yahoo首頁可能也要個十來秒，但總比CSD和GPRS要強上許多。但可惜的是，這樣的速率只有在滿足以下兩個條件時才有可能達到 : 第一，你和基地台的距離要夠近，訊號品質要夠好，好到讓系統可以選擇使用MCS-9的編碼方式。第二，同一個ARFCN裡，沒有其它使用者來跟你搶時槽，讓你可以完整地搶到四個時槽來使用。這樣的條件其實並不容易滿足，一般來說在都會區內，EDGE大概可以達到100Kbps以上的服務速度，但若在郊區，因為基地台的半徑都較大，沒辦法提供很好的訊號品質，EDGE很難切換到高速率的封包，大部份的業者甚至不在郊區佈建EDGE的基地台，而僅使用GPRS系統。
EDGE曾經一度被視為3G網路普及前的救援投手，它讓電信業者只要花少許的經費更換基地台的發射接收模組，就可以讓網路以EDGE模式運作，完全不需要更動核心網路的設備。雖然一兩百Kbps的服務速度差強人意，但其實已經可以滿足大部份的網路應用服務。Apple 的 iPhone 第一代上市時，不就只有EDGE網路的連線能力，也能讓大家玩得很開心嗎？
第一篇：【鳥專欄】從2G到3G –行動通訊技術解密 一：GSM架構篇
