李 飛，范林濤

(河北遠(yuǎn)東哈里斯通信有限公司，河北石家莊 050200)

0 引言

TETRA系統(tǒng)是ETSI為了滿足歐洲各國的專業(yè)部門對(duì)移動(dòng)通信的需求而設(shè)計(jì)制訂的、采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放性系統(tǒng)，可以提供集群、非集群通訊，支持話音、電路數(shù)據(jù)、短信息、分組數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的直接模式通信，同時(shí)還支持多種附加業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)以其良好的開放性、增強(qiáng)的保密性以及較高的頻譜資源利用率，在全球許多國家得到了廣泛的應(yīng)用，近些年，在我國也得到了普遍重視并取得了快速發(fā)展。

1 協(xié)議棧分析

如圖1所示，TETRA數(shù)字集群空中接口協(xié)議自上而下可以分為網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。UMAC層位于邏輯鏈路控制層(LLC)和下媒體接入控制層(LMAC)之間，3者共同構(gòu)成了協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層，完成數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)層到物理層的映射。

圖1 UMAC在TETRA空中接口協(xié)議中的位置

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)描述，UMAC層協(xié)議的主要功能如下:

①隨機(jī)接入管理和維護(hù);② 無線信道資源管理;③ 時(shí)隙保留和授予;④ 信令組合與分解;⑤ 業(yè)務(wù)信道挪用;⑥ 邏輯信道復(fù)用;⑦ 二層地址管理;⑧功率控制。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)

UMAC軟件的硬件環(huán)境選用了數(shù)字信號(hào)處理(DSP)/高級(jí)精簡指令處理器(ARM)器件(TI公司OMAP L138)，該器件內(nèi)部包含1個(gè)TMS320C674x浮點(diǎn)DSP核心和1個(gè)ARM926EJ-S ARM處理器核心。

如圖2所示，UMAC運(yùn)行在ARM平臺(tái)上，平臺(tái)操作系統(tǒng)是Linux;LMAC運(yùn)行在DSP上，DSP和ARM通過DSP-Link技術(shù)通信。

圖2 UMAC協(xié)議軟件的軟硬件環(huán)境

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，將TETRA空中接口協(xié)議UMAC層軟件進(jìn)行如下劃分。

圖3 UMAC層協(xié)議棧模塊劃

程序模塊用直角方框表示，模塊及模塊間存在互相調(diào)用關(guān)系和共享數(shù)據(jù)關(guān)系;數(shù)據(jù)塊用圓角方框表示，存儲(chǔ)了軟件所處理的各種數(shù)據(jù)。UMAC軟件各模塊功能說明如下:

①控制信令處理模塊:負(fù)責(zé)與LLC層直接交互控制信令，完成控制信令的基本收發(fā)功能;

②廣播信令處理模塊:負(fù)責(zé)接收處理來自LLC的廣播信令，完成廣播信令的基本收發(fā)功能;

③層管理模塊:負(fù)責(zé)接收來自LLC的時(shí)隙配置信令，設(shè)定UMAC層各時(shí)隙的工作模式;

④媒體處理模塊:負(fù)責(zé)媒體數(shù)據(jù)的發(fā)送處理和接收處理，完成媒體數(shù)據(jù)的基本收發(fā)功能;

⑤接入處理模塊:負(fù)責(zé)處理MS的隨機(jī)接入請(qǐng)求和時(shí)隙授予請(qǐng)求;

⑥用戶數(shù)據(jù)單元(PDU)/業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)操作模塊:負(fù)責(zé)下行信令的編碼與組合及上行信令的解碼與重建，負(fù)責(zé)生成或者解析處理 UMAC層PDU;

⑦信道挪用模塊:負(fù)責(zé)接收和發(fā)送采用挪用業(yè)務(wù)信道資源方式傳送的控制信令;

⑧MAC塊創(chuàng)建組裝模塊:負(fù)責(zé)邏輯信道與物理信道的映射、下行MAC塊的組裝工作;

⑨TMV數(shù)據(jù)發(fā)送接收模塊:負(fù)責(zé)與LMAC交互媒體接入控制(MAC)數(shù)據(jù)塊，完成MAC塊的基本收發(fā)功能。

圖中其他方塊代表了上述模塊需要處理的數(shù)據(jù)。

3 需要解決的核心問題

按照上述軟硬件設(shè)計(jì)，UMAC軟件需要解決如下幾個(gè)核心問題。

3.1 與LMAC軟件通信

根據(jù)圖2可知，UMAC軟件位于ARM處理器的Linux操作系統(tǒng)中，LMAC固件位于DSP處理器中，設(shè)計(jì)要解決UMAC和LMAC的通信問題。

LMAC固件負(fù)責(zé)按照時(shí)隙定時(shí)進(jìn)行空中接口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送?？罩薪涌诘亩〞r(shí)操作非常嚴(yán)格，每個(gè)時(shí)隙長度為14.167 ms。UMAC需要在每個(gè)時(shí)隙組裝好的MAC塊發(fā)送到LMAC，Linux系統(tǒng)軟件定時(shí)器無法實(shí)現(xiàn)如此高精度的定時(shí)，所以，需要LMAC固件來為UMAC軟件提供時(shí)鐘同步，設(shè)計(jì)同時(shí)需要解決這一問題。

3.2 媒體數(shù)據(jù)傳輸方式

TETRA提供的最典型的業(yè)務(wù)是組呼與個(gè)呼，而UMAC負(fù)責(zé)將這些組呼和個(gè)呼的媒體數(shù)據(jù)發(fā)送到各個(gè)目標(biāo)基站及錄音服務(wù)器。因此，如何將媒體數(shù)據(jù)分發(fā)到多個(gè)目的地址和如何同時(shí)從多個(gè)源地址接收數(shù)據(jù)并區(qū)分出數(shù)據(jù)所屬不同的信道是UMAC軟件需要解決的一個(gè)重要問題。

3.3 MAC塊的組裝

空中接口無線資源極其珍貴，每個(gè)時(shí)隙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量極為有限，每個(gè)時(shí)隙傳輸信令的最大長度僅為268 bit。有效地使用無線資源要求UMAC層軟件高效地將各種數(shù)據(jù)組裝進(jìn)MAC塊，這是UMAC軟件需要解決的第3個(gè)問題。

4 關(guān)鍵技術(shù)

為解決上述UMAC軟件的核心問題，提出如下解決方案。

4.1 DSPLINK 技術(shù)

DSPLINK是 TI基于 DAVICI架構(gòu)處理器的ARM與DSP通信機(jī)制。DSPLlNK提供了一套通用的API，從應(yīng)用層抽象出ARM與DSP的物理連接特性，從而降低用戶開發(fā)程序的復(fù)雜度。DSPLink提供了包括PROC、CHNL、MSGQ、POOL和 NOTIFY 等多種通信機(jī)制。

如圖4所示，LMAC底層靠硬件電路提供時(shí)隙定時(shí)和超幀復(fù)位定時(shí)，UMAC層無需啟動(dòng)軟件定時(shí)，而是通過DSPLINK的NOTIFY通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)與LMAC的同步，軟件定義了2個(gè)NOTIFY信號(hào)，分別為讀指示信號(hào)和寫指示信號(hào)。

圖4 UMAC和LMAC的通信機(jī)制

由于ARM與DSP核位于同一芯片上，2個(gè)內(nèi)核共用1片存儲(chǔ)芯片，除了NOTIFY機(jī)制之外，UMA和LMAC可以直接使用共享內(nèi)存通信，采用這種方式降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

LMAC向UMAC發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先將數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存，然后通過讀指示通知UMAC讀數(shù)據(jù)，在指示消息中攜帶超幀號(hào)、復(fù)幀號(hào)、幀號(hào)和時(shí)隙號(hào)以保證UMAC和LMAC時(shí)隙同步。UMAC收到讀指示之后，從共享內(nèi)存讀取進(jìn)行數(shù)據(jù)。

同樣，當(dāng)LMAC從共享內(nèi)存中讀走一個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)之后，通過寫指示消息通知LMAC寫數(shù)據(jù)，在指示消息中攜帶超幀號(hào)、復(fù)幀號(hào)、幀號(hào)和時(shí)隙號(hào)以保證UMAC和LMAC時(shí)隙同步。UMAC收到寫指示之后，將自己組織好的相應(yīng)時(shí)隙的MAC塊寫入共享內(nèi)存。

4.2 多播技術(shù)

整個(gè)TETRA系統(tǒng)中心與各基站及錄音服務(wù)器采用IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，基站及錄音服務(wù)器之間使用多播技術(shù)進(jìn)行媒體數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收。某個(gè)MS發(fā)起1個(gè)呼叫(組呼、個(gè)呼)時(shí)，交換中心會(huì)為該呼叫分配1個(gè)信道編號(hào)(C)、多播IP地址(A)、呼叫標(biāo)簽標(biāo)(F)以及上下行屬性(D)。

基站側(cè)的UMAC軟件收到攜帶多播地址的信道分配指令之后按照如下方法處理:

①加入多播地址A以向該多播地址發(fā)送數(shù)據(jù)及從該多播地址接收數(shù)據(jù);

②將信道編號(hào)(C)、多播地址(A)，呼叫標(biāo)簽(F)以及上下行屬性(D)加入多播地址--信道ID映射表中;

③UMAC從DSPLINK接口收到的某一個(gè)信道的媒體數(shù)據(jù)，查找映射表中D為上行屬性的、C為該信道編號(hào)的A值和F值;為媒體數(shù)據(jù)添加RTP頭和F信息，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給多播地址A;

④UMAC從IP網(wǎng)絡(luò)收到多播數(shù)據(jù)之后，分離RTP頭及F信息;查找映射表中D為下行屬性的、F值相同的C值，表示該數(shù)據(jù)應(yīng)該從信道C發(fā)送MS。

呼叫結(jié)束后，交換中心通知UMAC，UMAC退出多播樹，并將映射表中的相關(guān)信息刪除。

4.3 MAC塊創(chuàng)建組裝處理

如圖5所示，MAC模塊在下行方向負(fù)責(zé)將控制信令原語(TMA)、廣播信令原語(TMB)、層管理信令原語(TMC)、媒體數(shù)據(jù)原語(TMD)接收到的數(shù)據(jù)及上層PDU、該層PDU組裝入下行MAC塊，以便通過LMAC原語(TMV)發(fā)送到LMAC。

圖5 MAC塊的組裝示意圖

每臺(tái)BS支持4臺(tái)收發(fā)信機(jī)，每個(gè)收發(fā)信機(jī)支持4時(shí)隙復(fù)用。因此每個(gè)UMAC協(xié)議棧最多支持16個(gè)時(shí)隙(TS0～TS15)的MAC塊構(gòu)建。UMAC根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙的信道配置信息，將不同類型的數(shù)據(jù)組裝進(jìn)當(dāng)前MAC塊，這個(gè)過程被稱為邏輯信道的復(fù)用。UMAC同時(shí)將盡可能多的數(shù)據(jù)裝入MAC塊，以便充分利用無線資源。

MAC塊的組裝采取在每個(gè)時(shí)隙的時(shí)間內(nèi)對(duì)每個(gè)載波的4個(gè)時(shí)隙各輪流組裝1次的策略。以1個(gè)載波為例描述MAC塊的創(chuàng)建組裝流程。將1個(gè)載波的4個(gè)時(shí)隙標(biāo)志為:A、B、C、D。在UMAC將A時(shí)隙的MAC塊發(fā)送給LMAC之后，并沒有馬上開始組裝下一幀的A時(shí)隙數(shù)據(jù)，而是采用如下流程:

①檢查有無數(shù)據(jù)需要裝入B時(shí)隙的MAC塊，如果有則裝入，由于B時(shí)隙數(shù)據(jù)緊跟即將發(fā)送，所以如果B的MAC塊尚未裝滿，需要將該MAC塊用空PDU填充，之后生成該時(shí)隙的AACH信息，并裝入MAC塊;② 檢查有無數(shù)據(jù)需要裝入C時(shí)隙的MAC塊，如果有則裝入;③ 檢查有無數(shù)據(jù)需要裝入D時(shí)隙的MAC塊，如果有則裝入;④由于A時(shí)隙的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送，所以需要重新初始化A時(shí)隙的MAC塊，然后檢查有無數(shù)據(jù)需要裝入A時(shí)隙的MAC塊，如果有則裝入。

這一流程，每個(gè)時(shí)隙的 MAC塊在一幀時(shí)間(56.67 ms)之內(nèi)具有4次組裝機(jī)會(huì)，有利于提高M(jìn)AC塊的利用效率，更重要的是頻繁的檢查可以將下行的數(shù)據(jù)盡快裝入MAC塊，有效縮短了數(shù)據(jù)在UMAC緩存的時(shí)間，提高了UMAC層發(fā)送數(shù)據(jù)的效率。

5 軟件測試結(jié)果分析

對(duì)UMAC層軟件的測試，分為3個(gè)步驟完成，分別是的軟件白盒測試、軟件黑盒測試及BS系統(tǒng)集成測試。軟件白盒測試，對(duì)每個(gè)函數(shù)編寫測試用例，要求達(dá)到所有函數(shù)語句覆蓋、核心處理函數(shù)判定/條件覆蓋;軟件黑盒測試，編寫程序模擬上層的LLC協(xié)議軟件以及下層的LMAC協(xié)議軟件，通過Socket發(fā)送數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)UMAC軟件的運(yùn)行，要求為協(xié)議棧的每一個(gè)功能設(shè)計(jì)測試用例;集成測試是將BS作為一個(gè)整體進(jìn)行測試。但是需要指出的是，以下幾個(gè)測試用例證明了上述幾個(gè)UMAC軟件的關(guān)鍵技術(shù)是正確的:

①M(fèi)S開機(jī)，通過隨機(jī)接入向MS發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，MS注冊(cè)成功;②某一BS下的MS發(fā)起個(gè)呼，呼叫建立、通話及釋放未出現(xiàn)異常;③ 某一BS下的MS發(fā)起組呼并講話，其他BS下的MS可以聽到清晰的話音;④MS連續(xù)發(fā)起100次呼叫，呼叫接通率100%，呼叫建立時(shí)間小于500 ms。

6 結(jié)束語

按照該設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的UMAC軟件具有傳輸延時(shí)低、資源利用率高的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足協(xié)議要求的功能和在基站部署的需要。在國外TETRA設(shè)備完全占領(lǐng)中國市場的今天，為國內(nèi)TETRA技術(shù)的發(fā)展，起到了極大的推動(dòng)作用。隨著時(shí)間的推進(jìn)，該軟件必將跟隨基站設(shè)備，廣泛應(yīng)用在鐵路、民航和公安等多個(gè)領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和先進(jìn)性。

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