張金寶

DMR集群系統(tǒng)標準詳解與分析

張金寶

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

關鍵詞：數(shù)字移動無線電;集群系統(tǒng);網(wǎng)路設計;網(wǎng)路管理

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

本文針對DMR集群系統(tǒng)在空中接口、服務、網(wǎng)絡規(guī)劃設計和管理以及編號規(guī)范等方面的標準定義進行說明和研究。

1 DMR集群系統(tǒng)空中接口

DMR集群系統(tǒng)使用TS102 361-1定義的標準DMR空中接口的物理層技術，旨在提供低復雜度集群話音和數(shù)據(jù)業(yè)務，能夠支持集群無線電網(wǎng)絡，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，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)塊特定位置上的專用無線信道操作，標準支持如下特征：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)射機與接收機的頻段劃分，信道間隔以及接收機與發(fā)射機的相關性;②靈活信道規(guī)劃，每一個邏輯信道包括一組發(fā)射機和接收機的頻段;③廣播PDU，以便TSCC能夠聲明發(fā)射機和接收機之間的邏輯信道與物理信道之間的映射;④定義發(fā)射機與接收機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，接收機則交替地在固定時隙上進行接收。MS使用呼叫建立時其他MS發(fā)來的標識確定定時偏置，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，應該首先進行沖突檢測，當且僅當無沖突時才能進行色碼請求和使用。

1.3 信道接入控制

隨機接入是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TSCC取消時，第一次隨機接入嘗試將激活物理TSCC信道，然后在下行突發(fā)中調整后續(xù)的信令。

2DMR集群系統(tǒng)服務

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

2.1 話音服務

2.1.1 單呼服務

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

單呼支持延遲進入通話，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掃描和無線接收。同時還支持當使用PATCS或OACUS方法時，沒能正確解碼話音包頭的設備。

2.1.2 組呼服務

組呼服務提供一個單獨用戶與預先確定的一組用戶之間的話音呼叫服務。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)預定的過程選擇目標組進行初始化，然后激活通話機制，例如按下PTT按鈕。

組呼支持延遲進入通話，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掃描和無線接收，同時還支持沒能正確解碼話音包頭的設備。

2.1.3 無地址呼叫服務

無地址呼叫是使用一組預定義的目標地址來發(fā)起組呼，其中一組是默認的無地址呼叫地址。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識。

2.1.4 開放話音信道模式服務

開放話音信道模式服務允許用戶監(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地址內(nèi)，只有在呼叫發(fā)起方進行設置OVCM屬性的條件下，該用戶才能加入。

2.1.5 全呼話音服務

全呼話音服務 (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束的時候終止呼叫過程，使多個MS在試圖響應呼叫時產(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的結束標記來終止。該服務提供延遲進入。

全呼使用與組呼相同的方式，使用一組預留的目標地址。其中一個預留地址是默認的全部單位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

廣播呼叫服務 (BCV)提供任意用戶向預定義的大組用戶發(fā)起呼叫的途徑。由于目標聽眾很多，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束的時候終止呼叫過程，使多個MS在試圖響應呼叫時產(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的結束標記來終止。該服務提供延遲進入。

2.2 數(shù)據(jù)服務

2.2.1 基于IP的PDP

DMR集群系統(tǒng)支持IPv4網(wǎng)絡層協(xié)議，為服務接入點之間提供無連接、盡力而為的數(shù)據(jù)報傳輸。IPv4用于Internet環(huán)境中主機到主機之間的協(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承載服務建立在DLL承載服務的頂端 (非確認和確認數(shù)據(jù))。DMR的PDP將DMR擴展為一個IP子網(wǎng)，使得應用開發(fā)人員能夠在一個標準化的環(huán)境中開發(fā)應用。

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商 (確認或非確認數(shù)據(jù));②使用疊加在IPv4之上的IPv6管道技術傳輸IPv6分組。

2.2.2 基于PDP的短數(shù)據(jù)服務

基于PDP的短數(shù)據(jù)服務 (SDS)為DMR設備之間傳輸短數(shù)據(jù)消息提供機制，傳輸可以是確認或非確認的。根據(jù)FEC(碼率為1/2或3/4)以及確認/非確認的DLL承載服務，該機制能夠最多傳輸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、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：①一個單獨的集群無線網(wǎng)絡是由多個MS與一個單獨的集群基站構成的;②廣域集群網(wǎng)絡是由多個MS和多個集群基站構成的。

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，實現(xiàn)有效的負載均衡和共享。

出于擴展性的考慮，網(wǎng)絡運營方可以選擇“實體層面”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)物理信道列表進行設置，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量，并根據(jù)信號質量自動選擇接入的基站。

網(wǎng)絡中每一個TSCC發(fā)送獨有的系統(tǒng)標識碼，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)絡中哪一個/組無線站內(nèi)。該位置信息避免了在整個網(wǎng)絡中搜索MS，進而縮短了呼叫建立的時間，減少控制信道負荷。

注冊還可以應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關機或被用戶選擇的網(wǎng)絡信道拒絕，MS將嘗試降級注冊，通過TSCC進行“最大努力嘗試”。

網(wǎng)絡還依賴隱式的注冊來確定MS位置。隱式注冊時，網(wǎng)絡功能、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)消息實現(xiàn)，例如呼叫響應、確認響應等等。

3.2 節(jié)能

MS使用節(jié)能措施降低能耗。DMR集群系統(tǒng)應用該技術，允許MS在重復周期內(nèi)關閉接收功能。當MS休眠時，可以顯著降低能耗。但是，需要注意的是，當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，從而增加了呼叫建立的時延。

3.3 安全特征

DMR空中接口安全服務使得TSCC可以對使用RC4算法標準的MS進行鑒權。若TSCC需要對MS進行鑒權，TSCC在PDU中發(fā)送隨機序列 (邀請)。MS根據(jù)邀請，使用56bit授權密鑰 (制造商固化在MS中)計算邀請的響應并返回。類似地，MS也可以使用TSCC密鑰對TS進行鑒權。

3.4 系統(tǒng)對MS的管理

DMR集群系統(tǒng)使用暫停或遙斃機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。但是，追蹤注冊、鑒權、暫停/重新激活和注冊服務仍然可用。此外，當MS被暫停，還能夠保留輪詢服務。

如果MS被遙斃，空中接口服務全部被禁止。該MS不能通過任何空中接口機制進行接收。必須由專門技術人員進行恢復。

3.5 編號與撥號

DMR標準的編號規(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齊。例如，對 MS地址為“2112345”，用戶撥打56#，目標地址是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*，則補齊后的地址為123456*。

3.5.3 網(wǎng)關呼叫

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目標地址。

3.5.4 呼叫變更

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

4 DMR集群系統(tǒng)的網(wǎng)絡規(guī)劃與管理

4.1 網(wǎng)絡設計與規(guī)劃

DMR集群系統(tǒng)部署并實際應用之前，必須完成以下的工作。

4.1.1 工作步驟

1．確定設計目標，包括網(wǎng)絡應用目標、無線通道應用目標、容量需求 (當前和未來潛在的需求)等。

2．確定和實施網(wǎng)絡規(guī)劃。基本的網(wǎng)絡設計需要建立所有包含在網(wǎng)絡中的節(jié)點，確定各自所需的鏈路。這些設計將形成網(wǎng)絡規(guī)劃和建設的主要參考文檔。

3．確定本地可用頻點和相關限制。

4．選擇并挑選無線站。

4.1.2 影響因素

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

3．網(wǎng)絡無線環(huán)境。網(wǎng)絡規(guī)劃本身不僅僅建立在傳播模型估計的基礎上，還需要考慮干擾的因素。通常，無線站的選擇在規(guī)劃的負載業(yè)務量分析基礎上進行。

4.2 網(wǎng)絡管理

網(wǎng)絡管理提供分布式應用，以便監(jiān)測和控制網(wǎng)絡資源，從而檢測和管理系統(tǒng)。DMR集群系統(tǒng)沒有規(guī)定網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，包括網(wǎng)絡管理的實現(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;標準僅僅描述了接入需求和兼容的空中接口。

網(wǎng)絡管理應該能夠監(jiān)測和控制網(wǎng)絡內(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)絡管理包括與監(jiān)測和控制網(wǎng)絡所有相關的行為，例如規(guī)劃、建設、擴展、運營以及充分利用可用資源。

網(wǎng)絡管理系統(tǒng)還應能夠及時地輔助優(yōu)化提供服務的成本。管理系統(tǒng)的靈活性可以通過在網(wǎng)絡元素中結合更多智能型操作實現(xiàn)，該重分配功能使管理系統(tǒng)能夠在高層角度維護服務，進行資源管理。

5 結束語

本文對DMR集群系統(tǒng)的空中接口、服務、網(wǎng)絡規(guī)劃與管理以及編號等規(guī)范進行詳細的說明，并從DMR集群整體系統(tǒng)設計的層面對其進行了簡要分析，分析了相關標準定義的內(nèi)涵，并進一步指出在DMR集群系統(tǒng)設計和規(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：北京交通大學電磁兼容實驗室 講師 100044 北京

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

2012-08-06

(責任編輯：諸 紅)