宋政育　孫　昕

【摘要】文章首先描述了TETRA空中接口協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)和主要功能，然后詳細(xì)闡述了上MAC協(xié)議棧的功能、工作原理及其開發(fā)過程，最后對(duì)所開發(fā)的協(xié)議棧進(jìn)行了仿真和測(cè)試。仿真測(cè)試結(jié)果與《ETSI TS 100 392-2 TETRA V+D Part 2: Air Interface》協(xié)議一致。

【關(guān)鍵詞】TETRA數(shù)字集群 空中接口 上MAC層 協(xié)議棧

1 引言

集群通信系統(tǒng)是多信道共用的專業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng)，向正在申請(qǐng)服務(wù)的設(shè)備或用戶自動(dòng)分配信道，主要用于指揮調(diào)度等業(yè)務(wù)。它通過頻率共用緩解頻率資源緊缺的狀態(tài)，同時(shí)又通過基站集中使用、統(tǒng)一控制，有效地降低用戶組網(wǎng)費(fèi)用。2000年原信息產(chǎn)業(yè)部推薦了TETRA和iDen兩種數(shù)字集群的標(biāo)準(zhǔn)，其中TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)以其開放性好、保密性強(qiáng)以及頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)，在全球許多國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。

上MAC是TETRA數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分，TETRA數(shù)字集群協(xié)議棧上MAC功能的開發(fā)對(duì)TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。

2 TETRA數(shù)字集群協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)

TETRA數(shù)字集群空中接口協(xié)議棧參照ISO/OSI七層模型，自下而上可分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，如圖1所示：

TETRA數(shù)字集群空中接口的第一層為物理層，負(fù)責(zé)調(diào)制和解調(diào)、收／發(fā)轉(zhuǎn)換、頻率校正、碼元同步及移動(dòng)臺(tái)功率控制等。

第二層為數(shù)據(jù)鏈路層（DLL），完成從網(wǎng)絡(luò)層至物理層的映射，可分為媒體接入控制層（MAC）和邏輯鏈路層（LLC），其中MAC層又可分為上MAC層和下MAC層。MAC負(fù)責(zé)信道分配及物理層的數(shù)據(jù)復(fù)用，用數(shù)據(jù)原語與高層進(jìn)行通信，用邏輯信道與低層進(jìn)行通信。MAC實(shí)現(xiàn)TDMA的幀同步、交織／去交織、信道編碼、隨機(jī)接入過程、分片／重組、AACH上無線鏈路質(zhì)量的RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）和MER（消息刪除率）測(cè)量、支持LLC重傳過程的MER測(cè)量。在上MAC層實(shí)現(xiàn)控制面（C面）和用戶面（U面）的分離，用戶面的業(yè)務(wù)傳送至用戶面，而控制面的信息則傳送至協(xié)議棧。LLC負(fù)責(zé)處理多路邏輯鏈路以支持同時(shí)發(fā)生的業(yè)務(wù)，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送與重傳、分段／合段以及邏輯鏈路處理。DLL經(jīng)三個(gè)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)（SAP）與上一層進(jìn)行通信，經(jīng)兩個(gè)SAP與物理層進(jìn)行通信。

第三層為網(wǎng)絡(luò)層，可分為兩個(gè)子層：較低子層稱為移動(dòng)鏈路實(shí)體（MLE），負(fù)責(zé)控制較低層與無線電相關(guān)的功能；較高子層包括移動(dòng)性管理（MM）、電路控制實(shí)體（CMCE）以及分組數(shù)據(jù)（PD）三部分，它們被統(tǒng)稱為子網(wǎng)接入功能（SNAF）。

空中接口各層之間通過業(yè)務(wù)接入點(diǎn)相互訪問，通過原語進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)等層之間通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）進(jìn)行數(shù)據(jù)與信息交互。

3 上MAC的主要功能及工作原理

上MAC主要具有隨機(jī)接入控制、信令分片和重組、無線信道管理和維護(hù)、保留時(shí)隙授予和管理、業(yè)務(wù)信道竊用、邏輯信道復(fù)用和解復(fù)用、第二層地址管理以及功率控制等功能。

（1）隨機(jī)接入控制

在公共控制信道（MCCH）的上行鏈路上，當(dāng)多個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信令時(shí)，可采取隨機(jī)接入或保留接入的方式。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)發(fā)起初始接入時(shí)，則必須使用隨機(jī)接入的方式。

因?yàn)殡S機(jī)接入采用ALOHA協(xié)議，移動(dòng)臺(tái)接入的成功率與接入?yún)?shù)的設(shè)置密切相關(guān)，所以基站側(cè)上MAC應(yīng)合理設(shè)置這些參數(shù)，通過廣播PDU將其發(fā)送給移動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)側(cè)上MAC根據(jù)這些參數(shù)，決定何時(shí)開始進(jìn)行隨機(jī)接入。通過基站和移動(dòng)臺(tái)上MAC信息交互，實(shí)現(xiàn)上行信令的隨機(jī)接入，并保證較高的接入成功率。

（2）信令分片和重組

當(dāng)上層所發(fā)送信令的長(zhǎng)度超過一個(gè)物理時(shí)隙所能承載的長(zhǎng)度時(shí)，上MAC需要緩存該信令，并進(jìn)行分片，然后在多個(gè)時(shí)隙上利用多個(gè)MAC塊來傳輸這些分片。

當(dāng)上MAC從下層接收到分片的信令時(shí)，不能直接將該信令向上層傳遞，而應(yīng)在相應(yīng)的信道上接收到所有的分片之后，在本層對(duì)這些分片進(jìn)行重組，然后向上層傳遞重組的完整信令。由于每個(gè)信令的分片沒有序號(hào)，所以上MAC必須順序地發(fā)射或接收這些分片。如果在傳輸中有任何一個(gè)分片發(fā)生錯(cuò)誤，那么就放棄這個(gè)信令傳輸過程，發(fā)送側(cè)LLC必須請(qǐng)求重新發(fā)送該信令。

當(dāng)發(fā)送分片信令的第一個(gè)分片時(shí)，應(yīng)該使用完整MAC首部（在下行鏈路上使用MAC-RESOURCE PDU，在上行鏈路上使用MAC-ACCESS或者M(jìn)AC-DATA PDU）；當(dāng)發(fā)送后續(xù)的分片（MAC-FRAG PDU）和最后的分片（MAC-END或者M(jìn)AC-END-HU PDU）時(shí)，只需使用簡(jiǎn)化MAC首部。

（3）無線信道管理和維護(hù)

無線信道管理和維護(hù)是上MAC的核心功能之一。上MAC負(fù)責(zé)為電路模式的呼叫分配業(yè)務(wù)信道，為分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供PDCH信道；并且在業(yè)務(wù)和分組數(shù)據(jù)傳輸過程中維護(hù)這些信道，在完成傳輸之后釋放這些信道。

（4）保留時(shí)隙授予和管理

在隨機(jī)接入之后，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)要求發(fā)送更多的信令消息時(shí)，或者當(dāng)基站向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送請(qǐng)求移動(dòng)臺(tái)側(cè)LLC進(jìn)行響應(yīng)的消息時(shí)（例如：基站側(cè)LLC基本鏈路和高級(jí)鏈路確認(rèn)消息的發(fā)送），使用保留接入?；緜?cè)上MAC根據(jù)當(dāng)前信道的時(shí)隙使用情況，授予移動(dòng)臺(tái)保留時(shí)隙，并管理這些保留時(shí)隙。移動(dòng)臺(tái)側(cè)上MAC就可以在這些保留時(shí)隙中向基站發(fā)送信令。在完成保留接入之后，移動(dòng)臺(tái)重新返回到隨機(jī)接入狀態(tài)。

（5）業(yè)務(wù)信道竊用

如果需要在處于業(yè)務(wù)模式的信道上傳輸端到端的U面信令（例如同步和加密等）、C面信令（例如越區(qū)切換）以及MAC本層的控制信令，那么利用竊用信道（STCH）來傳輸這些信令。通常，利用STCH發(fā)送重要的、緊急的以及需要立即發(fā)送的消息。

盡管在STCH上不需要等待就可以傳輸信息，但是頻繁地竊用信道將降低業(yè)務(wù)的QoS，因此需謹(jǐn)慎使用STCH。對(duì)于高層的信令，通過原語中的竊用許可參數(shù)，指示是否允許竊用。對(duì)于不需要立即傳輸?shù)男帕睿ɡ绻β士刂疲?，可以?8幀的慢相關(guān)信道（SACCH）上延遲發(fā)送這些信令。

（6）邏輯信道復(fù)用和解復(fù)用

在上MAC和下MAC接口，定義了不同類型的邏輯信道，每類邏輯信道有不同的差錯(cuò)控制方法和突發(fā)形成方式。通常，邏輯信道可分為業(yè)務(wù)信道（TCH）和信令信道（SCH），其中業(yè)務(wù)信道攜帶電路模式數(shù)據(jù)；信令信道攜帶控制信息，主要包括BNCH（攜帶網(wǎng)絡(luò)信息）、BSCH（攜帶同步信息）、BLCH（用于基站線性化）、CLCH（用于MS功放線性化）、SCH/F（攜帶雙向全時(shí)隙MAC塊控制信息）、SCH/HD（攜帶下行半時(shí)隙MAC塊控制信息）、SCH/HU（攜帶上行半時(shí)隙MAC塊控制信息）、AACH（攜帶下行ACCESS-ASSIGN PDU，占據(jù)廣播塊）以及STCH（攜帶TMA和TMB接入點(diǎn)的消息，占據(jù)業(yè)務(wù)信道的半時(shí)隙）。

在上行鏈路中，下MAC將接收到的數(shù)據(jù)傳送至上MAC，其邏輯信道復(fù)用的方式為SCH/HU+SCH/HU、SCH/F、STCH+STCH、STCH+TCH、TCH以及CLCH+SCH/HU。

在下行鏈路中，上MAC按時(shí)隙（MAC塊）將數(shù)據(jù)傳送至下MAC，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的若干邏輯信道按一定的準(zhǔn)則復(fù)用，形成突發(fā)。下行鏈路的邏輯信道復(fù)用方式為SCH/F+AACH、SCH/HD+SCH/HD+AACH、SCH/HD+BNCH+AACH、STCH+STCH+AACH、STCH+TCH+AACH、BSCH+BNCH+AACH、BSCH+SCH/HD+AACH、BLCH+SCH/HD+AACH以及BLCH+BNCH+AACH。

（7）第二層地址管理

在上MAC層中，上行鏈路和下行鏈路TMA接入點(diǎn)的地址使用方法不同。

在上行鏈路中，上MAC從MAC PDU中提取地址和地址類型，并將其傳送至網(wǎng)絡(luò)層。上MAC所使用的上行地址類型為SSI、USSI、SMI以及Event Lab。

在下行鏈路中，上MAC從TMA原語中提取地址和地址類型，并將其轉(zhuǎn)化為MAC PDU中的地址。上MAC所使用的下行地址類型為SSI、USSI、SMI、Event Lab、SSI+Event Label、SSI+Usage Marker、SMI+Event Label以及廣播地址（全1）。

（8）功率控制

功率控制分開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制兩種。通過功率控制，可以降低鄰道干擾和同頻干擾。

開環(huán)功率控制由移動(dòng)臺(tái)獨(dú)立完成，移動(dòng)臺(tái)測(cè)量下行鏈路的信號(hào)質(zhì)量和信號(hào)強(qiáng)度等，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)節(jié)上行鏈路發(fā)射功率。由于上行和下行鏈路的衰落往往是不相關(guān)的，因此這種方法并不可靠。

為了更可靠地控制移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，可以采用閉環(huán)功率控制?；究赏ㄟ^發(fā)送包含“功率控制”元素的MAC-RESOURCE PDU控制移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射信令或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，必須服從基站的功率控制命令。

4 上MAC協(xié)議棧的開發(fā)

4.1 開發(fā)工具

由于TETRA數(shù)字集群空中接口協(xié)議棧開發(fā)具有較高的復(fù)雜性，若采用純?nèi)斯ぞ幋a，則會(huì)由于開發(fā)人員風(fēng)格不一致，水平不相同，而導(dǎo)致協(xié)議棧存在較多的潛在錯(cuò)誤，且調(diào)試?yán)щy。因此，必須利用軟件開發(fā)工具，通過系統(tǒng)工程的方法來管理協(xié)議軟件的整個(gè)開發(fā)過程，加速協(xié)議棧的開發(fā)，使生成的代碼具有較高的可靠性和較好的一致性?；诖?，選用Telelogic公司的通信開發(fā)軟件Tau G2進(jìn)行TETRA數(shù)字集群協(xié)議棧的開發(fā)。Tau G2將通信軟件開發(fā)中常用的SDL/MSC引入到了UML語言中，開發(fā)人員只需要通過UML建模和編寫相對(duì)較少的代碼，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的協(xié)議棧開發(fā)。

4.2 開發(fā)流程

為了方便程序的開發(fā)、升級(jí)以及維護(hù)，首先根據(jù)上MAC的功能將其分為Transmitter和Receiver兩個(gè)模塊，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。如果Transmitter和Receiver兩個(gè)模塊協(xié)同工作處理一些信令，那么需要定義一些全局變量，并使用這些全局變量進(jìn)行兩個(gè)模塊之間的交互。TETRA數(shù)字集群協(xié)議只定義了空中接口部分，因此上MAC實(shí)體與LLC和下MAC通信的原語需自行定義，將原語和PDU定義為結(jié)構(gòu)體，并將其作為層與層之間信號(hào)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)各層之間的通信。然后編寫PDU的編解碼函數(shù)，協(xié)議棧對(duì)等層之間通過PDU傳遞信息，上MAC要分解來自對(duì)等層的PDU，對(duì)PDU中的請(qǐng)求做出應(yīng)答，將應(yīng)答后的指令以PDU的形式發(fā)出。隨后使用圖形化的UML和SDL語言描述協(xié)議，實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的功能。最后，編寫測(cè)試用例進(jìn)行協(xié)議一致性測(cè)試。圖2示出了上MAC協(xié)議棧開發(fā)的流程：

4.3 仿真測(cè)試

在完成上MAC協(xié)議棧功能開發(fā)之后，需要編寫各種測(cè)試用例，對(duì)所開發(fā)的上MAC協(xié)議棧進(jìn)行協(xié)議一致性測(cè)試。由于TAU G2中含有TTCN Suite測(cè)試套件，因此利用測(cè)試語言TTCN-3設(shè)計(jì)測(cè)試用例。圖3示出了上MAC下行鏈路發(fā)送信令的仿真測(cè)試過程：

在運(yùn)行該測(cè)試用例之后，圖3所示的仿真測(cè)試過程與《ETSI TS 100 392-2 TETRA V+D Part 2: Air Interface》協(xié)議的描述一致，該測(cè)試過程分為下列四個(gè)階段：

（1）第一階段：LLC向上MAC發(fā)送TMA-DATA-IN-BUFFER信號(hào)，該信號(hào)表示上層有待傳輸?shù)男帕睿却螹AC的響應(yīng)；

（2）第二階段：在上MAC接收到TMA-DATA-IN-BUFFER信號(hào)之后，向LLC發(fā)送MAC-READY信號(hào)，該信號(hào)表示上MAC已經(jīng)準(zhǔn)備發(fā)送信令；

（3）第三階段：LLC向上MAC發(fā)送TMA-UNITDATA-REQ信號(hào)，該信號(hào)攜帶TMA-UNITDATA- REQ原語的所有參數(shù)；

（4）第四階段：在上MAC接收到TMA-UNITDATA-REQ信號(hào)之后，根據(jù)其攜帶的原語參數(shù)構(gòu)成MAC-RESOURCE PDU，通過TMV-UNITDATA-REQ信號(hào)將該P(yáng)DU發(fā)送到下MAC。

5 結(jié)束語

TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于交通、消防、水利、公安、武警、法院和檢察院等特殊部門，實(shí)現(xiàn)TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)保障我國(guó)的國(guó)家安全有著重要的作用。上MAC協(xié)議棧的開發(fā)對(duì)TETRA數(shù)字集群協(xié)議棧的研究與開發(fā)具有一定的參考價(jià)值，為開發(fā)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)積累了經(jīng)驗(yàn)。

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