張金寶

DMR集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)詳解與分析

張金寶

摘 要：首先對DMR集群系統(tǒng)的空中接口、服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與管理以及編號等規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)說明，并從DMR集群整體系統(tǒng)設(shè)計的層面對其進(jìn)行簡要分析，指出在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理中應(yīng)該著重注意的問題。

關(guān)鍵詞：數(shù)字移動無線電;集群系統(tǒng);網(wǎng)路設(shè)計;網(wǎng)路管理

DMR是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 (ETSI)制訂的新一代數(shù)字移動無線電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的第三層定義了完善的集群系統(tǒng)功能，受到廣泛關(guān)注。

本文針對DMR集群系統(tǒng)在空中接口、服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計和管理以及編號規(guī)范等方面的標(biāo)準(zhǔn)定義進(jìn)行說明和研究。

1 DMR集群系統(tǒng)空中接口

DMR集群系統(tǒng)使用TS102 361-1定義的標(biāo)準(zhǔn)DMR空中接口的物理層技術(shù)，旨在提供低復(fù)雜度集群話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能夠支持集群無線電網(wǎng)絡(luò)，包括只有一個12.5kHz無線信道的簡單系統(tǒng)，以及擁有多個無線電信道覆蓋眾多移動臺的廣域系統(tǒng)。

1.1 物理信道組織

DMR集群系統(tǒng)支持多種物理信道策略，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊特定位置上的專用無線信道操作，標(biāo)準(zhǔn)支持如下特征：①一定數(shù)量的固定信道規(guī)劃，其中包括MS的發(fā)射頻段，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的頻段劃分，信道間隔以及接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的相關(guān)性;②靈活信道規(guī)劃，每一個邏輯信道包括一組發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻段;③廣播PDU，以便TSCC能夠聲明發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的邏輯信道與物理信道之間的映射;④定義發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的物理信道頻段的PDU，例如信道請求等信令消息。

DMR集群系統(tǒng)基于2時隙TDMA，邏輯信道分為：承載信令的控制信道 (TSCC)和承載話音或數(shù)據(jù)信息的載荷信道二類。

一般而言，工作在半雙工模式的MS使用順序的時隙;全雙工呼叫使用TDMA偏置時隙，允許MS在一個時隙發(fā)送，接收機(jī)則交替地在固定時隙上進(jìn)行接收。MS使用呼叫建立時其他MS發(fā)來的標(biāo)識確定定時偏置，然后直接使用物理信道。

1.2 色碼組織

色碼 (CC)位于補(bǔ)充信令域和一般數(shù)據(jù)突發(fā)中，用于提供區(qū)分重疊無線站的簡單方法，從而檢測和避免同信道干擾。DMR集群系統(tǒng)執(zhí)行自動分配信道，因此MS和集群基站TS能夠同時了解每一個物理信道的色碼分配。如果DMR集群系統(tǒng)分配了某一色碼，則MS對該色碼是友好的。

這里，“友好的”表示MS在使用該色碼之前，應(yīng)該首先進(jìn)行沖突檢測，當(dāng)且僅當(dāng)無沖突時才能進(jìn)行色碼請求和使用。

1.3 信道接入控制

隨機(jī)接入是MS在規(guī)范TSCC上唯一允許的接入方法。對于采用異步接入 (如果不需接入可以取消TSCC)的DMR集群系統(tǒng)以及當(dāng)TSCC取消時，第一次隨機(jī)接入嘗試將激活物理TSCC信道，然后在下行突發(fā)中調(diào)整后續(xù)的信令。

2DMR集群系統(tǒng)服務(wù)

DMR集群系統(tǒng)為MS提供多樣的話音服務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

2.1 話音服務(wù)

2.1.1 單呼服務(wù)

單呼服務(wù)提供一個單獨(dú)用戶到另一個單獨(dú)用戶之間的話音服務(wù)。單呼設(shè)備在用戶層面通過預(yù)先定義的用戶選擇過程尋找目標(biāo)用戶來初始化，例如按下PTT按鈕。

單呼支持延遲進(jìn)入通話，需要借助在話音突發(fā)中嵌入LC信息。在使用PATCS方法時，能夠支持在目的地址特定的終端傳輸中增強(qiáng)掃描和無線接收。同時還支持當(dāng)使用PATCS或OACUS方法時，沒能正確解碼話音包頭的設(shè)備。

2.1.2 組呼服務(wù)

組呼服務(wù)提供一個單獨(dú)用戶與預(yù)先確定的一組用戶之間的話音呼叫服務(wù)。所有在組中的成員都可以聽到其他用戶的話音。組呼在用戶層面上根據(jù)預(yù)定的過程選擇目標(biāo)組進(jìn)行初始化，然后激活通話機(jī)制，例如按下PTT按鈕。

組呼支持延遲進(jìn)入通話，需要借助嵌入話音突發(fā)中的LC信息。能夠支持在目的地址特定的終端傳輸中增強(qiáng)掃描和無線接收，同時還支持沒能正確解碼話音包頭的設(shè)備。

2.1.3 無地址呼叫服務(wù)

無地址呼叫是使用一組預(yù)定義的目標(biāo)地址來發(fā)起組呼，其中一組是默認(rèn)的無地址呼叫地址。使用其他無地址呼叫地址的情況不屬于DMR規(guī)范中定義的內(nèi)容。

使用無地址呼叫使得用戶能夠定義MS的行為，使其有可能與一般的組呼區(qū)別。例如，特殊的警告音。該服務(wù)還提供基本的發(fā)起呼叫MS區(qū)域配置，并且能夠用于不同組織用戶之間的通信，其中，每一個用戶組織各有其組標(biāo)識。

2.1.4 開放話音信道模式服務(wù)

開放話音信道模式服務(wù)允許用戶監(jiān)測和加入活動的話音信道。這個呼叫監(jiān)測只有在話音活動的發(fā)起方才有可能，也就是說，如果一個用戶沒有被明確地列入目標(biāo)地址內(nèi)，只有在呼叫發(fā)起方進(jìn)行設(shè)置OVCM屬性的條件下，該用戶才能加入。

2.1.5 全呼話音服務(wù)

全呼話音服務(wù) (ACV)提供任何一個用戶發(fā)起對同一系統(tǒng)內(nèi)全體用戶呼叫的途徑。由于目標(biāo)聽眾很多，該呼叫在中繼模式下沒有呼叫掛起時間。這可以有效地在呼叫結(jié)束的時候終止呼叫過程，使多個MS在試圖響應(yīng)呼叫時產(chǎn)生的碰撞最小化。

全呼可以通過用戶按下PTT按鈕簡單地發(fā)起，由傳輸?shù)脑捯舭^開始，后續(xù)話音傳輸，并以LC的結(jié)束標(biāo)記來終止。該服務(wù)提供延遲進(jìn)入。

全呼使用與組呼相同的方式，使用一組預(yù)留的目標(biāo)地址。其中一個預(yù)留地址是默認(rèn)的全部單位ID地址，其他的是可選的全部單位ID地址。

2.1.6 廣播呼叫服務(wù)

廣播呼叫服務(wù) (BCV)提供任意用戶向預(yù)定義的大組用戶發(fā)起呼叫的途徑。由于目標(biāo)聽眾很多，該呼叫在中繼模式下沒有呼叫掛起時間。這可以有效地在呼叫結(jié)束的時候終止呼叫過程，使多個MS在試圖響應(yīng)呼叫時產(chǎn)生的碰撞最小化。

廣播呼叫使用組呼相同的方式實(shí)現(xiàn)，可以通過用戶按下PTT按鈕簡單地發(fā)起，由傳輸?shù)脑捯舭^開始，后續(xù)話音傳輸，并以LC的結(jié)束標(biāo)記來終止。該服務(wù)提供延遲進(jìn)入。

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)

2.2.1 基于IP的PDP

DMR集群系統(tǒng)支持IPv4網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，為服務(wù)接入點(diǎn)之間提供無連接、盡力而為的數(shù)據(jù)報傳輸。IPv4用于Internet環(huán)境中主機(jī)到主機(jī)之間的協(xié)議(如TCP和UDP)，需要空中接口協(xié)議承載IP數(shù)據(jù)報。DMR的IP承載服務(wù)建立在DLL承載服務(wù)的頂端 (非確認(rèn)和確認(rèn)數(shù)據(jù))。DMR的PDP將DMR擴(kuò)展為一個IP子網(wǎng)，使得應(yīng)用開發(fā)人員能夠在一個標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境中開發(fā)應(yīng)用。

DMR集群系統(tǒng)還支持從IPv4分組得到IPv6分組的策略和參考。主要策略有2個：①直接將IPv6分組映射到承載服務(wù)商 (確認(rèn)或非確認(rèn)數(shù)據(jù));②使用疊加在IPv4之上的IPv6管道技術(shù)傳輸IPv6分組。

2.2.2 基于PDP的短數(shù)據(jù)服務(wù)

基于PDP的短數(shù)據(jù)服務(wù) (SDS)為DMR設(shè)備之間傳輸短數(shù)據(jù)消息提供機(jī)制，傳輸可以是確認(rèn)或非確認(rèn)的。根據(jù)FEC(碼率為1/2或3/4)以及確認(rèn)/非確認(rèn)的DLL承載服務(wù)，該機(jī)制能夠最多傳輸1130B(18B/分組×63分組－4B)。每一個消息由數(shù)據(jù)包頭和常規(guī)數(shù)據(jù) (碼率為1/2或3/4編碼)持續(xù)突發(fā)構(gòu)成。數(shù)據(jù)連續(xù)突發(fā)的最后一個分組包含32bit的CRC。短數(shù)據(jù)包頭包含定義承載服務(wù)、傳輸消息數(shù)據(jù)量以及格式的參數(shù)。

3 DMR集群系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特征

DMR協(xié)議自動支持許多傳統(tǒng)操作 (例如物理信道選擇等)，可以自由選擇如下2種規(guī)模：①一個單獨(dú)的集群無線網(wǎng)絡(luò)是由多個MS與一個單獨(dú)的集群基站構(gòu)成的;②廣域集群網(wǎng)絡(luò)是由多個MS和多個集群基站構(gòu)成的。

集群基站 (TS)具有一個或更多物理無線信道。每一個TS可以配置一二個TSCC。這里，2個TSCC都是可以配置的，并且可以分配在一二個單獨(dú)的物理信道上。DMR集群系統(tǒng)能夠平衡多個TSCC上的MS數(shù)量，實(shí)現(xiàn)有效的負(fù)載均衡和共享。

出于擴(kuò)展性的考慮，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營方可以選擇“實(shí)體層面”的系統(tǒng)，僅僅包括簡單的半雙工單信道終端 (例如一個時隙用于上行或下行)。進(jìn)一步，可以添加系統(tǒng)選項和全雙工或集成無線終端。這樣，上述集成的無線方法支持合理和經(jīng)濟(jì)的升級路線。

3.1 MS位置與注冊

DMR集群系統(tǒng)可以使用多個互相連接的無線站。MS根據(jù)物理信道列表進(jìn)行設(shè)置，該列表由TSCC傳輸。系統(tǒng)能夠通過廣播相鄰無線站的信息輔助MS通信，允許MS采集無線站的信號質(zhì)量，并根據(jù)信號質(zhì)量自動選擇接入的基站。

網(wǎng)絡(luò)中每一個TSCC發(fā)送獨(dú)有的系統(tǒng)標(biāo)識碼，以便MS識別無線站。如果MS檢測和讀取到新的TSCC，MS發(fā)送注冊請求，通過TSCC通知網(wǎng)絡(luò)自身將在新的無線站激活。注冊使得系統(tǒng)能夠確定MS位于廣域網(wǎng)絡(luò)中哪一個/組無線站內(nèi)。該位置信息避免了在整個網(wǎng)絡(luò)中搜索MS，進(jìn)而縮短了呼叫建立的時間，減少控制信道負(fù)荷。

注冊還可以應(yīng)用于單個無線站系統(tǒng)，以便確定MS是否激活可以收到的呼叫。

注冊的另一個應(yīng)用是，可以在系統(tǒng)與MS之間傳遞MS節(jié)能參數(shù)。如果MS關(guān)機(jī)或被用戶選擇的網(wǎng)絡(luò)信道拒絕，MS將嘗試降級注冊，通過TSCC進(jìn)行“最大努力嘗試”。

網(wǎng)絡(luò)還依賴隱式的注冊來確定MS位置。隱式注冊時，網(wǎng)絡(luò)功能、MS注冊的位置不必反映在顯式的消息中。隱式注冊通過任何包含MS ID的上行傳輸系統(tǒng)消息實(shí)現(xiàn)，例如呼叫響應(yīng)、確認(rèn)響應(yīng)等等。

3.2 節(jié)能

MS使用節(jié)能措施降低能耗。DMR集群系統(tǒng)應(yīng)用該技術(shù)，允許MS在重復(fù)周期內(nèi)關(guān)閉接收功能。當(dāng)MS休眠時，可以顯著降低能耗。但是，需要注意的是，當(dāng)MS休眠時，MS不能檢測下行鏈路TSCC用于尋址該MS的PDU。MS周期性喚醒以便與TSCC同步。TSCC也需要延遲呼叫建立直到MS喚醒并響應(yīng)，從而增加了呼叫建立的時延。

3.3 安全特征

DMR空中接口安全服務(wù)使得TSCC可以對使用RC4算法標(biāo)準(zhǔn)的MS進(jìn)行鑒權(quán)。若TSCC需要對MS進(jìn)行鑒權(quán)，TSCC在PDU中發(fā)送隨機(jī)序列 (邀請)。MS根據(jù)邀請，使用56bit授權(quán)密鑰 (制造商固化在MS中)計算邀請的響應(yīng)并返回。類似地，MS也可以使用TSCC密鑰對TS進(jìn)行鑒權(quán)。

3.4 系統(tǒng)對MS的管理

DMR集群系統(tǒng)使用暫停或遙斃機(jī)制能夠臨時或永久地拒絕MS接入。如果MS被暫停，MS不能請求和接收任何用戶發(fā)起的服務(wù)。但是，追蹤注冊、鑒權(quán)、暫停/重新激活和注冊服務(wù)仍然可用。此外，當(dāng)MS被暫停，還能夠保留輪詢服務(wù)。

如果MS被遙斃，空中接口服務(wù)全部被禁止。該MS不能通過任何空中接口機(jī)制進(jìn)行接收。必須由專門技術(shù)人員進(jìn)行恢復(fù)。

3.5 編號與撥號

DMR標(biāo)準(zhǔn)的編號規(guī)劃使用CCITT鍵盤上支持的按鍵，包括0－9和*、#。MS使用顯示器顯示相同的字符。

MS可能包含預(yù)定義的參數(shù)，規(guī)定最小和最大的用戶撥號字串長度。通過限制撥號字串長度，限制MS可以撥打的地址。撥打的號碼被解析并在空中接口上傳輸。解析算法是雙向的，因此空中接口地址可以解析為數(shù)字號碼，使目標(biāo)用戶能夠確定信息源的用戶接口號碼。分配給MS的用戶接口號碼定義為撥號數(shù)字，其他用戶通過該數(shù)字呼叫這個MS，而不是使用空中接口地址。MS用戶號碼定義為7位十進(jìn)制數(shù)字。類似的，MS隸屬的通話組可以用7位數(shù)字表示。

3.5.1 縮位撥號

縮位撥號使得目標(biāo)為部分MS的呼叫撥號撥打的數(shù)字最少。如果撥打的數(shù)字不足7位，MS各自的地址被用于補(bǔ)齊。例如，對 MS地址為“2112345”，用戶撥打56#，目標(biāo)地址是2112356;

3.5.2 通配符

MS能夠從單呼中識別通話組呼叫，使用通配符實(shí)現(xiàn)。如果撥號在MS地址的低4位中包含*，該撥號地址表示一組MS。通配符*表示對應(yīng)位置上的任何一位數(shù)值。例如，用戶撥打012345*，表示10個 MS用戶號碼，分別是“0123450” ～“0123459”。

通配符可以聯(lián)合使用。例如，用戶撥打01234＊＊，表示100個MS用戶號碼，從“0123400”到 “0123499”。

通配符可以與縮位撥號聯(lián)合使用。例如，MS源地址1234561，撥打號碼*，則補(bǔ)齊后的地址為123456*。

3.5.3 網(wǎng)關(guān)呼叫

通過撥號字串的長度可以識別PSTN/PABX號碼。MS號碼用7為數(shù)字表示。如果超過7位，最高位是8、9或0，則MS將號碼解析為PABX或PSTN目標(biāo)地址。

3.5.4 呼叫變更

呼叫變更請求改變服務(wù)優(yōu)先級或類型，該功能是由“#＜call modifier code＞*”目標(biāo)地址實(shí)現(xiàn)的，含義如表1所示。

4 DMR集群系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與管理

4.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與規(guī)劃

DMR集群系統(tǒng)部署并實(shí)際應(yīng)用之前，必須完成以下的工作。

4.1.1 工作步驟

1．確定設(shè)計目標(biāo)，包括網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用目標(biāo)、無線通道應(yīng)用目標(biāo)、容量需求 (當(dāng)前和未來潛在的需求)等。

2．確定和實(shí)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃?；镜木W(wǎng)絡(luò)設(shè)計需要建立所有包含在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，確定各自所需的鏈路。這些設(shè)計將形成網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)的主要參考文檔。

3．確定本地可用頻點(diǎn)和相關(guān)限制。

4．選擇并挑選無線站。

4.1.2 影響因素

1．服務(wù)等級。它是系統(tǒng)擁塞的評估手段，指的是由于通信信道臨時不可用而造成用戶呼叫請求不能被系統(tǒng)接受。

2．業(yè)務(wù)量預(yù)測。設(shè)計的第一步總是從預(yù)測網(wǎng)絡(luò)為MS提供的業(yè)務(wù)量開始。服務(wù)類型 (話音、數(shù)據(jù)等等)、頻率需求、呼叫持續(xù)時間以及最小服務(wù)等級都是需要考慮的因素。此外，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶數(shù)量與分布也是滿足服務(wù)等級的關(guān)鍵因素。TSCC和信道資源需要精心設(shè)計規(guī)劃，以保證DMR集群系統(tǒng)能夠提供完整的服務(wù)。MS需求服務(wù)顯著地影響服務(wù)等級以及提供這些服務(wù)時TS所需的資源。

3．網(wǎng)絡(luò)無線環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃本身不僅僅建立在傳播模型估計的基礎(chǔ)上，還需要考慮干擾的因素。通常，無線站的選擇在規(guī)劃的負(fù)載業(yè)務(wù)量分析基礎(chǔ)上進(jìn)行。

4.2 網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)管理提供分布式應(yīng)用，以便監(jiān)測和控制網(wǎng)絡(luò)資源，從而檢測和管理系統(tǒng)。DMR集群系統(tǒng)沒有規(guī)定網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，包括網(wǎng)絡(luò)管理的實(shí)現(xiàn)、話音編譯碼器、安全性、子系統(tǒng)接口和專網(wǎng)－公網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換;標(biāo)準(zhǔn)僅僅描述了接入需求和兼容的空中接口。

網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)該能夠監(jiān)測和控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有元素，對于最優(yōu)化DMR集群系統(tǒng)效率是非常重要的。網(wǎng)絡(luò)管理包括與監(jiān)測和控制網(wǎng)絡(luò)所有相關(guān)的行為，例如規(guī)劃、建設(shè)、擴(kuò)展、運(yùn)營以及充分利用可用資源。

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)還應(yīng)能夠及時地輔助優(yōu)化提供服務(wù)的成本。管理系統(tǒng)的靈活性可以通過在網(wǎng)絡(luò)元素中結(jié)合更多智能型操作實(shí)現(xiàn)，該重分配功能使管理系統(tǒng)能夠在高層角度維護(hù)服務(wù)，進(jìn)行資源管理。

5 結(jié)束語

本文對DMR集群系統(tǒng)的空中接口、服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與管理以及編號等規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)的說明，并從DMR集群整體系統(tǒng)設(shè)計的層面對其進(jìn)行了簡要分析，分析了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義的內(nèi)涵，并進(jìn)一步指出在DMR集群系統(tǒng)設(shè)計和規(guī)劃中需要注意的問題。

［1］ETSI TR 102 398 V1．2．1．"Digital Mobile Radio(DMR)General System Design ［S］"．http：//portal．etsi．org/portal/．

［2］ETSI TR 102 884 V1．1．1．"digital Private Mobile Radio(dPMR)General System Design ［S］"．http：//portal．etsi．org/portal/．

［3］ETSI TS 102 361 － 1 V1．4．5．"Digital Mobile Radio(DMR)Systems;Part 1：DMR Air Interface(AI)protocol［S］"．http：//portal．etsi．org/portal/．

［4］ETSI TS 102 658 V2．1．1．"Digital Private Mobile Radio(dPMR)using FDMA with a channel spacing of 6，25 kHz［S］"．http：//portal．etsi．org/portal/．

Abstract:This paper introduces the air interface，services，network planning and management，numbering system and etc．of DMR trunking systems．Then a brief analysis on design of DMR trunking systems is presented．Moreover，some key problems in network planning and management are listed and analyzed．

Key words:DMR;Trunking systems;Network planning;Network management

張金寶：北京交通大學(xué)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室 講師 100044 北京

國家自然基金項目61172021/61071075;基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項2011JBZ001/2012JBM021;國家科技重大專項項目2011ZX03001－007－01/2011ZX03005－004－03)

2012-08-06

(責(zé)任編輯：諸 紅)