EC-GSM-IoT技术解析：从3GPP增强到物理层设计

### EC - GSM - IoT技术解析：从3GPP增强到物理层设计 #### 1. 3GPP对GSM的增强 为了满足物联网的需求，第三代合作伙伴计划（3GPP）在其第13版中决定进一步发展GSM技术。除了之前提到的增加覆盖范围、确保低设备成本和高电池寿命等要求外，还进行了以下改进： - **频谱高效利用**：提供一种在仅600kHz的紧凑频谱分配下运行该技术的方法，使运营商能够部署GSM网络，完全消除或至少最小化与其他技术在频谱使用上的冲突。在如此小的频谱分配中，甚至可以在3G和4G等宽带技术的保护带中部署GSM网络。 - **提升安全等级**：将终端用户的安全性提升到LTE/4G级别的安全水平，以消除当前GSM部署中可能存在的安全隐患。 - **确保向后兼容**：确保引入EC - GSM - IoT对GSM标准所带来的所有更改都能与现有的GSM部署实现向后兼容，从而允许该技术与现有设备共享资源，实现无缝且逐步的引入。 - **支持大量设备**：确保网络能够支持大量的蜂窝物联网（CIoT）设备。 #### 2. EC - GSM - IoT物理层设计的指导原则 在重新设计一项27年前首次部署的成熟技术时，理解现有产品可能对设计造成的限制至关重要。对于EC - GSM - IoT而言，要基于GSM的全球部署基础，就必须能够在现有的基站上进行部署。同时，现有的GPRS/EGPRS设备应能够升级其实现，以替换GPRS/EGPRS实现或在其基础上额外实现EC - GSM - IoT。因此，EC - GSM - IoT的设计应尽可能与GPRS/EGPRS有共同的设计基础。 基站主要由数字单元（或基带单元）和无线电单元两部分组成。支持EC - GSM - IoT除了要支持GSM/EDGE外，至少需要在数字单元上进行额外的实现工作，以实现新的协议栈和新的物理层设计。但支持新功能不能意味着需要进行硬件升级，否则会导致现场产品需要更换，这对运营商来说意味着巨大的投资，并且对于旨在实现极佳覆盖范围的技术而言，在大多数或所有基站升级完成之前，会导致网络覆盖出现漏洞。同样，无线电单元是根据当前GSM信号特性设计的，显著改变这些特性（如增加信号动态范围）可能意味着已部署的基础设施无法再支持该技术。 在设备方面，如果物理层的更改需要开发新的设备平台，这将意味着在研发和验证方面进行大量投资。相反，如果物理层的基本原理尽可能接近GSM，现有的GPRS/EDGE平台就可以通过软件升级来支持EC - GSM - IoT，并且如果将EC - GSM - IoT带来的额外复杂性降至最低，同一平台还可以继续支持GPRS/EDGE操作。当然，这并不妨碍开发专门针对EC - GSM - IoT的平台，这种平台在能耗和成本等方面可能比相应的GPRS/EDGE平台更优化。 此外，还需要考虑EC - GSM - IoT的网络运营。GSM网络已经运行多年，并且预计未来还将运行多年。因此，该技术被设计为与现有的GSM/EDGE部署和网络配置完全向后兼容，以便能够在相同资源上无缝复用GPRS/EDGE流量和EC - GSM - IoT流量。通过这种资源池化的方式，GSM网络将消耗更少的总体资源，最终减少网络运营所需的频谱资源。 遵循这些指导原则自然意味着物理层在很大程度上将与现有的GSM/EDGE相同。但同时，为了实现前面提到的设计目标，也需要进行一些更改。 #### 3. 物理资源 ##### 3.1 信道栅格 GSM基于频分多址和时分多址（TDMA）的组合。频率上的信道彼此间隔200kHz，其在频率上的绝对位置（即所谓的信道栅格）也以200kHz为步长进行定义。这意味着200kHz信道在频率上的放置并非完全任意，信道的中心频率需要能被200kHz整除。由于在给定频段内的频率放置受信道栅格限制，为了便于参考，信道被编号，称为绝对射频载波编号（ARFCN）。也就是说，对于给定的频段和绝对载波频率，ARFCN值是固定的。 ##### 3.2 帧结构 在时间上定义了帧结构。每个所谓的TDMA帧被划分为八个时隙。为了引用超过TDMA帧持续时间的特定时间点，TDMA帧被分组为包括多帧、超帧和超超帧的分层帧结构。整个帧结构中的时间参考精度在超超帧范围内，超超帧大约长3.5小时。 TDMA帧首先被分组为两种多帧之一，即51多帧或52多帧。 - **51多帧**：承载用于时间和频率同步的信道（频率校正信道（FCCH）、同步信道（SCH）和扩展覆盖同步信道（EC - SCH））、公共控制信道和扩展覆盖公共控制信道（EC - CCCH）以及广播信道（BCCH）和扩展覆盖广播信道（EC - BCCH），并且这些信道总是映射到广播载波（BCCH载波）上。 - **52多帧**：用于分组业务信道（分组数据业务信道（PDTCH）和扩展覆盖分组数据业务信道（EC - PDTCH））及其关联的控制信道（分组关联控制信道和扩展覆盖分组关联控制信道（EC - PACCH））。 传统上，分配了分组业务信道资源（52多帧）的GSM设备仍需要通过与相邻小区同步并获取小区特定信息（系统信息（SI））来持续监控其周围环境。通过确保两种多帧随时间相对漂移，51多帧中的感兴趣信道将相对于52多帧中的某个位置随时间漂移，从而不会随时间重叠，这样可以避免无法获取服务小区中的业务信道以及相邻小区的信息。对于EC - GSM - IoT，在分配分组业务信道资源时，不需要与相邻小区同步或获取SI。因此，从这个角度来看，不需要使用51多帧。然而，由于现有的FCCH已经映射到51多帧，并且也被选择用于EC - GSM - IoT，所以在一些EC - GSM - IoT逻辑信道中使用51多帧是很自然的。 26个51多帧或25.5个52多帧组成一个超帧，超帧又以2048个为一组，每组形成一个超超帧。整体帧结构如下表所示： | 帧类型 | 包含TDMA帧数 | 持续时间 | | ---- | ---- | ---- | | TDMA帧 | 1 | 约4.615ms | | 51多帧 | 51 | 约235.4ms | | 52多帧 | 52 | 240ms | | 超帧 | 26个51多帧或25.5个52多帧 | 6.12s | |