（通信与信息系统专业论文）phs系统中数据链路层实体的实现与性能分析.pdf

摘要 作为多媒体通信的一种通信方式，p h s ( p e r s o n a lh a n d y p h o n es y s t e m ) 无线 市话系统起源于日本，该系统被认为是一高效的、低成本的无线手持电话系统， 除了可以提供质量较高的语音业务，还可以提供高速率的数据业务。由于采用了 微蜂窝技术和信道动态分配技术，与现存蜂窝系统相比，p h s 系统可以提供更高 的传输速率和频谱利用率。本文首先给出了p h s 系统的整体框架，其次介绍了p h s 系统空中接口协议的规范，重点讨论了数据链路层协议规范。再次提出了数据链 路层实体实现的设计思路，给出了各个功能模块的设计方法。最后，在p c 机上对 其进行了测试与仿真。 关键字：p h s 数据链路屡返回n - a r q a b s t r a c t a sam e 瑚x , lo fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m , t h ep e r s o n a l h a n d y p h o n e s y s t e mi s t h ej a p a n e s e - d e v e l o p e ds t a n d a r do p e r a t i n gi nt h e1 8 9 5 1 9 1 8m h z b a n d t h i ss y s t e mw a se n v i s i o n e da sa l le f f i c i e n tl o w - c o 武c o r d l e s sa n d p o r t a b l ep h o n e s y s t e m i ta l s op r o v i d e sh i g h - s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o ns e r v i c e si na d d i t i o nt oe x i s t i n g v o i c es e r v i c e s p h si sam i c r o c e u u l a r s y s t e mw i t hd a c ( d y n a m i ca l l o c a t i o no f c h a n n e l ) ，a n di t o f f e r s h i g h e rt r a n s m i s s i o ns p e e d s a n d s p e c t r u me f f i c i e n c y t h a n e x i s t i n gc e l l u l a rs y s t e m s f i r s t l y , t h i sp a p e rp r e s e n t sc o n f i g u r a t i o no fp h sa n dt h ea i r i n t e r f a c eo fi tf o rv o i c e s e r v i c e s ，e m p h a s i so n t h ep r o t o c o lo fd a t al i n kl a y e r s e c o n d l y , t h e d e i g nm e t h o do ft h e d a t al i n k a a i “t ya n d 8 l js u b f u n c t i o nm o d e lo fi tb e d e s c r i b e d f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o na n d t e s ti sd e v e l o p e d k e y w o r d ：p h s d a t al i n kl a y e rh d l c g ob a c kn - a r q y 5 8 3 8 7 5 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表过或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 乱- f l - 日期：j oo 事，p 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交的论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 日期：j v o , - ，2 日期：呻c r 1 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1p h s 系统起源与发展 进入二十一世纪，通讯网络朝着宽带化、数据化、多业务发展的趋势越来越 明显，人们对。无论何时、何地，进行何种方式的话音和数据通信”的个人多媒 体通信的需求也越来越迫切，这就意味着我们已经步入“个人通信”时代。而与 此同时，无线电通信技术的飞速发展也为多种形式的个人通信手段( 如g s m 、 w l a n 、p h s 、u m r s 等等) 提供了广大的发展空间。 作为日本邮政部专为家居、办公室以及室外小范围移动而设计的无绳通信技 术体制，个人手持电话系统p h s ( p e r s o n a lh a n d y - p h o n es y s t e m ) 是一种基于数字智 能网的新型数字无绳电话系统。该系统将无线接入技术创新地运用于传统的固定 电话传输交换网络中，经济有效地利用现有固定网的富裕资源解决了个人通信中 的移动问题，因此得到了很快的发展和广泛的应用。 p h s 系统最早起源于日本，从1 9 9 3 年l o 月到1 9 9 5 年3 月，p h s 在扎幌、 东京、大阪和高松等地进行了现场试验后，n t t 个人通信网集团、d d i 便携电话 集团及a s t e l 集团被批准组建了各自的经营公司。n t t 和d d i 在1 9 9 5 年7 月 开始了商业服务，而a s t e l 则在同年l o 月开始此项服务。随着其商用系统在1 9 9 5 年的开发和使用，p h s 系统在日本得到了蓬勃的发展，到1 9 9 6 年8 月。其用户 数已经达到了4 6 0 万，到1 9 9 9 年底，用户数目已经突破了8 0 0 万。 p h s 系统工作予1 8 9 5 1 9 1 8 m h z 的工作频段，采用t d m a - t d d 的多址接入 方式，动态分配信道，系统共有7 7 个信道，载波间隔为3 0 0 k h z 。采用i t u 标准 的g 7 2 6 的a d p c m ( a d a p t i v e d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d e m o d u l m i o n ) 语音编码方式， 在物理信道上采用n 4 - d q p s k 调制方式。p h s 系统采用微蜂窝技术，通过微蜂 窝基站实现无线覆盖，将手机以无线韵方式接入固网( 本地电话网) ，使p h s 手 机可以在无线网覆盖范围内自由移动使用，同时由于系统本身具有较高的传输速 率，有利于下载文字、图像、音乐等效据形式的文件，可为用户提供多样化的服 务，如高速数据上网、多媒体业务、短消息服务、新闻播放、广告、金融服务、 电子商务、c m o d e 服务、1 1 0 报警以及1 2 0 急救系统定位等功能。 p h s 的应用主要分为三个方面：( 1 ) 移动透信。用户可通过设在p h s 网络 覆盖的区域内的基站，将手机作为移动终端使用。需要强调的是。虽然p h s 网络 采用微蜂窝结构，但与现存的蜂窝系统相比，该系统更加经济，因为现存的蜂窝 系统结构独立于现有的公共交换电话网络，而p h s 网络可通过现有的p s t n i s d n 接入新的功能来构成，这样p h s 系统的总体成本相对低于通常的蜂窝系统， 可以向用户提供优质低价盼服务。龆) 无线接入。通过基站，使得手机可与交换机 p h s 系统中数据链路层实体的实现与性能分析 之间进行信息交换，这使得终端与交换机之间的连接已经不再限于铜线、同轴电 缆、光纤等圆体载体，又增加了无线电波的连接方式。p h s 系统的这种接入方式 为在传统的固定网络无法工作或是在某些固定网络的接入费用很高的地方，多提 供了一种选择。( 3 ) 专用网。p h s 系统还可以作为一种独立的无绳电话系统来使用， 如在写字楼内、大学校园内、工厂内使用的专用网。这样的系统，由手机、基站 和无线用户交换机组成。无线用户交换机可通过在现有的数字交换机上增加无线 功能来实现。 p h s 网络有两种结构：公众隧( p u b l i c ) 结构和专用网( p r i v a t e ) 结构。图1 1 中 的( a ) 与( b ) 分别表示了这两种网络的结构。 ( a ) 公众网结构( b ) 专用瞬结构 图l 、lp h s 系统的网络结构 公众网结构科用现有的电话交换网( p s t n ) 功能，并追加新的智能网络 ( i n t e l l i g e n tn e t w o r k ) 功能。智能网络提供了所有p h s 所必须的控制功能，如呼叫 控制、无线频率传输管理、移动管理。位置登录、鉴权与各种信息参数的报告 与j | 矗控等。 专用网结构乖j 用专用交换网络的互联网接口连接到现存的电话交换网中，在 专用网结构中包含交换系统数据库、管理特性等。 作为一种实用的无线通信系统，p h s 技术同最初在日奉应用时相比，也得到 了较大的发展从蕞初1 0 r a w 蒸站副现在2 0 0 m w ，5 0 0 r o w 基站，发射功率得到了 较大的提高，覆盖范围也相应增大( 空矿地带覆盖范围半径可达1 5 公里，楼房 密集区亦可达3 0 0 5 0 0 米) ，切换明显减少，从最初应用的普通天线到现在普遍应 用的自适应智能阵列天线，接收灵敏度和频率利用率也得到了很大的改善。p h s 系统与其它移动电话系统最大的区剐髋在于它仅仅是利用原有的固定电话交换机 系统，而其它移动电话系统必须新设移动交换嚼，这样以它的每线接入成本为1 来计算，固定电话的每线接入成本大约是它的2 5 倍，所以对发展中国家来说， p h s 是建设通信基础设施的一种很好的技术与系统。p h s 现已被将近4 0 多个国 家所采用，大多数是第三世界国家，包括中国、新加坡、泰国、日】尼等l l ”。 第一章绪论 1 2 p h s 系统在中国的发展 未来的个人通信将朝着多元化的方向发展，用户群可分为三类：经常在不 同国家之间移动的用户；在不同城市之间移动的用户；在城市中移动的用户。 作为运营商，应该给不同的用户群提供不同的选择方案。对于前两种用户，目前 占主流的是g s m i s 9 5 等第2 代、2 5 代移动通信系统，现在正朝着第3 代移动 通信系统c d m a 2 0 0 0 w c d m a t d s c d m a 的方向发展。对于第三种用户， 他们仅需要在城市中移动，同时也不会承担很高的通信费用，而p h s 音质好、辐 射低、话费便宜，又可以实现数字通信，对这些用户来讲，p h s 不失为一种很好 的选择。 p h s 系统作为市话的延伸和补充，在中国得到了广泛的应用。该技术是由 u t s t a x c o m 公司首先引入国内，并于1 9 9 9 年在浙江省余杭市首次投入商业运营。 迄今为止，中国的p h s 用户已经将近6 0 0 万，网络覆盖达4 0 0 多个城市。目前， 中国有u t s t a r c o m 、中兴、朗讯三家公司提供p h s 设备，中国电信、网通、铁通 三家运营商提供p h s 服务，中国已成为p h s 的第二市场。国内厂家对p h s 系统 的研究，特别是接入技术的研究已经达到了很高的水准，并逐步将自己的系统推 向海外，如印度、巴基斯坦等国。中国吸取了日本一些运营商失败的教训，将p h s 的发展定位于移动市话，是固定电话网的一种延伸补充。利用现有固网的潜力， 满足一些用户安装第= 台电话的需要，满足中下收入阶层对移动话务的需要，以 及解决一些电话线路难以到达的地方用户装电话豹需要，解决最后一公里的问题。 作为一种移动通信系统，p h s 系统的一个优势就是该系统目前可以提供高达 6 4k b p s ( 通过基站捆绑，还可以达戮3 8 4 k b p s ) 的数据传输速率。在数据通信的 业务上与g s m 和窄带c d m a 相比，p h s 的数据传输速率为6 4 k b p s ，大大高于 g s m 的2 $ k b p s 和窄带c d m a 手机的9 6 k b p s ，传输速率基本上是现存蜂窝系统 的3 倍左右，因此适合用作数据通信。p h s 系统用作数据通信是未来的发展趋势， 也是p h s 系统作为商用系统一个新的业务增长点。但不可否认，与g s m 系统相 比，p h s 系统并无移动交换中心( m s c ) ，因此其移动性能远不及蜂窝系统，而且 覆盖的盲廛、移动速度的限制、越区切换时的掉话以及接入时间过长都成为系统 的臣大缺陷。并且庞大数目的基站维护也成为困扰运蓉商的一个大问题。这些问 题的解决都有待于技术的提高。 p h s 网络采用技术成熟的移动网关和标准的n o 7 信令实现无线市话网络的 互联互通，使得无线市话网络可以与固定网络智能业务的发展保持同步，保证了 运营商业务的演进，在一定意义上促进了电信市场的繁荣，满足了公众对多种通 信服务的消费要求。目前，p h s 技术尚有很大的改造空间，可以推行必要的技术 升级来适应市场的要求。而且，采用标准信令，确保了系统组网的规范性，即使 4 p h s 系统中数据链路屡实体的实现与性能分析 在3 g 通信系统实现商用化的时候，它也不会马上消失，在未来可以实现向3 g 的 平滑过渡。 l - 3p h s 系统结构 p h s 系统有多种组网结构，各个公司所提供的系统，都有自己的独到之处， 我们就从通常意义上对p h s 系统结构做一些说明。 手机终端p s ( p e l s o n a ls t a t i o n ) 可以在整个服务区内运动，不论p s 是处于运动 还是处于不同地点，都应能够得到网络的服务。所有移动终端都具有数字语音功 能，根据数据功能不同。移动终端可分为不同类型：功能齐全的移动终端，该终 端包含数据终端及其适配功能。这样，单独使用该终端，就可进行语音和非语音 业务的通信；包含l s 驸终端适配功能的移动终端，可与璐d n 终端直接相连， 但要和非i s d n 终端相连必须加终端适配器；包还c c i t tv 系列和x 系列终端适 配功能的移动终端等。 一般情况下，基站系统b s s ( b 躐s t a t i o ns y s t e m ) 包含一个基站控制器 c s c ( c e us t a t i o nc o n t r 0 1 ) 以及一个或多个基站c s ( c e l ls t a t i o n ) 。蒸站c s 为无线收 发单元，是用户与基站控制嚣c $ c 之间的通信传输中继站，在网络端提供无线接 口。基站控制器c s c 对整个基站系统迸荦亍控制和管理，分配信道，建立呼叫接续， 并提供至接入网单元a n u ( a c c e s sn e t w o r ku n i t ) 的通道。 基站系统的主要功能是在服务区域内建立小区的无线电覆盖，建立移动台与 网络之间的无线信道。墓站系统应具有下述功能： 地面信道管理功缒。无线路径的业务倍道至地面业务信道具有唯一的映射 关系，由c s c 选择无线信邋及相应的地面信道。 无线信道管理功能。无线信道管理包括信道配置管理，对各类信道的管理 以及无线信道的测试、菀线资源指示、加密以及寻呼等。无线信道资源管理是基 站系统的主要功能。 p h s 系统一般采用v 5 2 的方式与本地交换机( p s t n ) 相连，或者通过信令转 换仪与交换机的n o 1 ，n o 7 信令系绕相连。系统由以下几个部分构成：中心控制 模块c c m ( c e n t e rc o n t r o lm o d e l ) 、移动管理中心m m c ( m o b i l em a n a g e m e n t c e n t e r ) 、操作维护中心o m c ( o p c r a t i o na n dm a i n t e n a n c ec e m e 0 , 接入网单元a n u 、 基站控制器c s c 、基站c s 和移动终端p s 。其整体结构见下图： 第一章绪论 图1 2 利用现有p s t n 网络资源的p h s 网络 中心控制模块c c m 提供各个接入网单元a n u 之间的信令通路、话路接续 的操作管理及用户移动性管理的逻辑通路，同时提供操作维护等平台所需的集中 监控通道。 移动管理中心兼操作维护中心m m c o m c 由h l r ( h o m el o c a t i o n r e g i s t e r ) 、v l v i s i tl o c a t i o nr e g i s t e r ) 以及s m c ( s h o r tm e s s a g ec e m e r ) 组成。h l r 存储网络中所有移动用户信息，包括用户标识、用户位置区信息及用户服务类别 等，所有用户信息以h l r 中的数据记录为基准。m m c 分为业务接口及数据组织， 业务接口通过l a n 网与c c m 相连，与a n u 之间的数据访问通过t c p i p 协议 栈经c c m 的消息转发完成。 电信管理网t m n ( t e l e c o m m u n i o a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 为电信网及电 信业务提供一系列的管理功能，主要包括以下五种管理功能域：( 1 ) 性能管理。性 能管理是对电信设备的性能和网络单元的有效性进行评估，并给出评价报告的一 组功能，包括性能测试、性能分析及性能控制。( 2 ) 配鼍管理。配置管理功能包括 提供状态和控制及安装功能，对网络单元的配置、业务的接入、开停业务等进 行管理，对网络的状态进行管理。( 3 ) 帐务管理。帐务管理功能测试电信网中各种 业务的使用情况，计算处理使用电信业务的应收费用，并对电信业务的收费过程 提供支持。( 4 ) 故障管理。故障管理功能是对电信网的运行情况异常和设备安装环 境异常进行管理，对髑络豹状态进行管理。( 5 ) 安全篱理。安全管理主要提供对网 p h s 系统中数据链路层实体的实现与性能分析 络及网络设备进行安全保护的能力，主要有接入及用户权限的管理，安全审查及 安全告警处理。 接入网单元a n u 与交换机之间的接口相连，使用户通过本地网进行话音 的呼入、呼出控制，提供集中的用户数据库管理、移动管理和集线控制等功能。 基站控制器c s c 通过e l 方式与接入网单元a n u 连接，而基站c s 利用 i s d n 的u 接口方式( 2 b + d ) 连接到基站控制器c s c 上，c s c 的主要功能是把c s 的q9 3 1 信令呼叫转换成用户线路信令发送到a n u 中，同时将a n u 的内部线路 信令转换成q 9 3 1 信令广播到相应基站处理。此外，c s c 提供基站的操作维护通 道，包括程序和参数的船载过程与基站状态的传递等。 基站c s 是无线收发单元，悬用户与c s c 之间的通信传输中继站，在p h s 系统中，c s 与p s 之间的无线链路采用基于r c rs 1 d 2 8 窆中接口协议的p h s 技 术。 1 4 项弱来源和研制任务 本项目名称为“p h s 系统中数据链路层实体的实现与性能分析”，项目来源 于“p h s 智能基站的开发”。该基站系统是基于t d d t d m a 接入方式，可同时 为7 路语音用户提供服务。该项目总体目标是实现l c 7 r r 的5 0 0m w 的p h s 智能 天线基站的研制，可采用i c 7 t 单机模式或者1 c 3 t + 4 t 双机模式实现。在该项 目的研制期间，本人主要负责在基带板的硬件平台上实现p h s 基站系统空中接口 协议中数据链路层实体的代码实现与性能分析。模块采用标准c 语言实现。同时 搭建一仿真平台，对数据链路层实体中的某些关键算法进行仿真，测试数据链路 层参数，给出性能分析。 1 5 本文主要内容 本文内容主要可分为以下几个部分； 第一章介绍p h s 系统的起源及其在国、内外的发展，给出了整个目前较为普 遍的p h s 网络的熬体构架。并对项爵的研究背景、要求及本文的主要内容作了简 单介绍。 第二章首先简单介绍tp h s 网络的系统协议构架及其工作原理，然后重点针 对其空中接口协议，对物理层、数据链路层、第三层进行了介绍。重点讨论了数 据链路层协议。给出了数据链路层的主要功能、服务特性，帧结构、消息传递方 式等。 第三章重点描述了数据链路层的实现发案。首先给出了数据链路层实体开发 的软、硬件平台。然后给出了程序设计方案，包括接口、各个子模块的实现方式a 重点绘出了数据链路层参错控制的实现方式，其巾包括a r q 协议、差错控制算 第一章绪论 7 法的重要参数及其实现方案。 第四章，通过简单的仿真，对p h s 系统的数据链路层的功能进行了测试，主 要针对信令流程。同时给出了仿真结果，并对其进行了性能分析。 第二章p h s 空中接口协议 2 1 p h s 系统协议构架 国际标准化组织( i s o ) 将协议体系结构模型分为七个层次：应用层、表示层、 会话层、运输层、网络层、数据链路层和物理层，并将它作为开发协议标准的框 架。该模型被称为开放系统互联( o s i ) 参考模型。但p h s 系统并非严格按照该标 准，它将整个协议栈分为三层：物理层、数据链路层与第三层。其中第三层包括 三个功能摸块：无线频率管理模块r t ( r a d i of r e q u e n c y t r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n t ) 、 移动管理模块m m ( m o b i l i t ym a n a g e m e n t ) 、呼叫控制模块c c ( c a l lc o n t r 0 1 ) 。图21 给出了p s ，c s 及c s c 几个部分之间的通信接口协议，由图可见，p s 与c s 之间 的空中接口采用的是c r c ( c e n t e rf o rr a d i os y s t e m s ) s t d 2 8 协议，c s 与c s c 之 间利用i s d n 的u 接口来实现。 空中接口i s d nu 接口 c cc cc cc c m l 3删m m删 m r tr t q 9 3 1 q 9 3 1 l a p dl a p d l 2l 2 q 9 2 1 q 9 2 1 l ll li 4 3 0i 4 3 0 +牛 r c rs t d 一2 8 6 4 k b p s l s d nu 图2 1p h s 网络的协议模型 下节将会对空中接口协议s t d 2 8 协议进行详细介绍。这里先对i s d n 的u 接口进行简单介绍。i s d n 能够提供端到端的数字连接，用来承载包括话音和非 话音在内的多种电信业务，用户能够通过有限的一组标准的多用途的用户网络 接口接入这个网络。i s d n 的u 接口分为用户侧与网络侧。在上述p h s 系统中， 将c s 端作为u 接口的用户侧，而c s c 就作为u 接口的网络侧的一部分。 i s d n 的u 接口提供2 b + d 的规范，使用两种基本类型的信道： b 信道为用户业务信道。可以用来传输数据、p c m 编码的语音信号或者低 速率的混合业务。其中数据业务，以及8 、1 6 、3 2 k p b s 的语音编码业务，其基本 速率为6 4 k b p s 。 d 信道为控制信道，其基本速率为1 6 k b p s ，主要有两个用途：( 1 ) 在用户接 口方面，用来传输信令控制信息，对b 信道上的电路交换业务进行呼叫控制。( 2 ) 第二章p h s 空中接口协议 当没有信令控制信息等待传输时，d 信道还可以用于分组交换业务。 因此对于1 c 7 t 基站，要同时提供7 个用户建立呼叫，那至少需要4 个u 口， 即4 个2 b + d 。而控制信令都统一使用一个d 信道，所以功能上相当于8 b + d 的 复用方式。 2 2p h s 工作原理 一、技术参数： p h s 系统的基本技术参数见表2 1 。 表2 1p h s 系统参数 项目规格 基站类型智能型 双工方式 t d d 多址方式 t d m a 调制方式 4q p s k ( r o l l o f f ：o 5 ) t x i l x 工作频率1 8 9 3 5 舭一1 9 t 96 z 频率间隔 3 0 0 k h z 天线8 个室外天线( m a x ) 空中接口基于r c rs t d - 2 8 版本3 ，3 c s c 接口u 接口 话音编码速率3 2 k b i t s ( a d p c m ) c s c 到c s 连接最大长度i s d n 的线路标准，理想状态为4 5 公里( 赢径0 , 4 m m ) 电源 2 2 0 v a c 工作环境温度2 0 。c 一5 0 0 c 湿度 p s c o m m a n d op s - c s 0c s p s r e s p o n s e 1 p s - c s s a p i 信令接入点标识符 第二章p h s 空中接口协议 表示第三层数据的类型。在p h s 网络中，0 0 1 表示连接控制，由于基站与终 端是点对点连接的，因此，s a p i 是不变的，就为0 0 1 。 信息域( i n f o r m a t i o nf i e l d ) 该信息域代表链路层承载的第三层信息。 二、信息的传递方式 为了实现信息的正确传送，每一层实体对其上层的消息都要加上自己的帧头， 以便进行相应的控制，从两保证信息的正确传送。同样地，对于接收方，根据接 收到的帧的帧头进行判断，并拆去帧头，对消息做不同的处理。因此信息的封装 在每一层都要符合相应的规范，这样才能最终满足物理时隙要求，从而正常发送 与接收。下图给出了在f a c c h 信道与s a c c h 信道上，数据链路层信息帧与物 理时隙的关系【1 1 。 ( a ) f a c c h 上链路帧与物理时隙的关系 ( b ) s a c c h 上链路帧与物理时隙的关系 圈2 1 0 数据链路帧与通信物理时隙的关系 2 2 p h s 系统中数据链路层实体的实现与性能分析 2 5 ，4 数据链路层状态 在链路信道建立阶段，协议结构中不存在独立的数据链路层，而是由二、三 层的混合体直接与物理层实体进行信息交换，从而完成信道搜索、信道的指配等 功能。 在业务信道建立阶段和通信阶段，有了分层的概念。此时数据链路层已经工 作在通信载波上，p h s 系统将数据链路层在该阶段的接续和呼叫过程分为了五个 状态。在某一特定状态下，数据链路层实体根据其接收或发送的消息的不同，做 不同的处理，从而跳转到别的状态或者是维持其原有状态。这五种基本状态如下： 状态1 ：m u l t i f r a m eu n e s t a b | i s h e d ( 多帧模式释放状态) 。 状态2 ：m u l t i f r a m ee s t a b l i s h (多帧模式建立等待状态)。_waiting 状态3 ：m u l t i f r a m er e l e a s e (多帧模式释放等待状态)。waiting 状态4 ：m u l t i f r a m ee s t a b l i s h e d ( 多帧模式建立状态) 。 状态5 ：e x c e p t i o n a lc o n d i t i o n ( 异常状态) 。 由于空中接口协议既描述了p s 端，又描述了c s 端，因此状态转移图川包含 了两者的状态转移过程，如下图： 厂，状态l、 ，以、一多帧模式释敲状态、 j 恐n d i 吲c a ”t i o n 7 ，7。l q “8 删t a b l i s h 量 要 ； 营厂j i i 态3 i z 星 薯l 多帻模式释放等待状态 蚤心：亨 l 影 ，7 d l - i l ：i 茹 音目e q n 以r 】d 豳 r e q t d l m - - m q s f l i s h 、 f ， ，。一零勰、 逢参寝撬式建立状态夕 i n d i c a t i o n 图2 1 1 二、三阶段数据链路实体的状态转移圈 第二章p h s 空中接口协议 ( 1 ) c s 端的状态转移过程： c s 端的数据链路层实体初始状态为1 ，即多帧模式释放状态。 当接收到p s 端发来的s a b m ( f 异步平衡模式命令) 时，用u a 帧来回应， 并向第三层发送d l - c s t a b l i s h - i n d i c a t i o n 原语，此时状态就转移到4 状态，进入多 帧模式建立状态。 进入状态4 ，开始i 帧的传送。i 帧都是用d l d a t a - r e q u e s t i n d i c a i t o n 原语 来传送的，因此还是保持状态4 不变。 当拆链时，c s 端收到p s 端发送的d i s c ( 拆链命令) ，用u a 帧回应，并向 第三层发送d l r e l e a s e i n d i c a t i o n 原语，此时就转移到1 状态，进入多帧模式释放 状态。 ( 2 ) p s 端的状态转移过程： p s 端的数据链路层实体初始状态为1 ，即多帧模式释放状态。 当接收到第三层发送的d l - a s t a b l i s h - r e q u a s t 原语，要求建链时，往c s 端 发送s a b m ( 置异步平衡模式命令) ，此后状态就转移到2 状态，进入多帧模式建 立等待状态。 当进入状态2 后，此时若接收到c s 端发送回来韵u a 应答帧，然后向第 三层发送d l e s t a b l i s h e o n f i r r n 原语，此时转移到状态4 ，进入多帧模式建立状态。 当拆链时，p s 端的数据链路层收到第三层发送的d l r e l e a s e r e q u e s t 原语， 要求拆链时，此时往c s 端发送d i s c ( 拆链命令) ，从而状态就转移到3 状态，进 入多帧模式释放等待状态。 当进入状态3 看，此时若接收到c s 端发送回来的u a 应答帧，然后向第 三层发送d l r e l e a s e - c o n f i r m 原语，此时转移到状态l ，进入多帧模式释放状态。 2 6 第三层实体【l j 在第二阶段和第三阶段h 寸，第三层可以划分为三个独立结构的功能模块：无 线频率管理模块( r t ) 、移动管理模块 m ) 、呼叫管理模块( c c ) 。 2 6 ，lr t 功能模块 无线频率管理模块，它在逻辑控制信遒( l c c h ) 已经建立好的基础之上完成以 下功能：无线区域选择j 无线链路的建立、维护；信遭切换；链路释放管理等。 该功能模块娥理的清悫分为两类； ( 1 ) 路建立阶段的消息，共1 1 种。 ( 2 ) 无线资源管理消息，共2 7 种。其消息格式为“协议描述字+ 消息类型+ 信息元素”。 其中，第一类消息是在链路信道建立阶段使用，而第二类消息是在业务信道 建立阶段与通信阶段中使用。这两类消息的区别如下： 2 4 p h s 系统中数据链路层实体的实现与性能分析 逻辑信道的不同：第一类消息在b c c h ，s c c h ，p c h 中发送，这些逻辑 信遭存在于控制物理时隙中：第二类消息在s a c c h ，f a c c h 中发送，这些逻辑 信道存在于通信物理对隙中。 消息的发送方式不同：第二类消息属于第三层消息，在发送前需要进行链 路层的处理，被封装在数据链路层实体的数据帧中。 消息的结构不同：第一类消息的结构中没有协议分辨符部分，且消息的长 度为5 或8 个字节。 2 62 m m 功能模块 无线移动管理模块，实现对手机的移动支持，包括位置注册和鉴权认证等功 能。其消息格式为“协议描述字+ 消息类型+ 信息元素”。m m 模块处理的消息 均是在链路信道建立阶段与通信阶段传送的消息。 2 6 - 3 c c 功能模块 呼叫控制模块，具有与电路呼叫连接控制相关的功能，包括呼叫的建立、保 持和释放等功能。其信号格式为“协议描述字+ 呼叫参数+ 消息类型+ 信息元素”。 ( 1 ) 协议描述字：协议描述字描述了该消息属于哪个模块，即归哪个模块处理。 c c 的消息的协议描述字为0 1 0 0 0 1 0 l 。 ( 2 ) 呼叫参数：用来在同一无线接口中标志呼叫，其包括：呼叫参数长度、呼 叫参数值、呼叫参数标志。 呼叫参数长度；在r c rs t d 一2 8 协议中，长度规定为一个字节。 呼叫参数值：由主叫方设定，对主叫方a c c hl 2 逻辑链路连接难一。 呼叫参数标志：为0 或1 ，用来标志a c c hl 2 逻辑链路的哪方产生呼叫参 数，主叫为0 ，被叫为1 。 ( 3 ) 消息类型；用来标志发送消息的功能，共计1 6 种。分别为： 呼叫建立消息；s e t u p 、s e t u p _ a c k n o w l e d g e 、c a l l i n g _ p r o c e e d i n g 、p r o g r e s s 、 a i e r t i n g 、c o n n e c t 、c o n n e c t共7种。acknowledge 呼叫信息状态消息：u s e ri n f o r m a t i o n1 种。 呼叫清除消息jd i s c o n n o g t 、r e l e a s e 、r e l e a s ec o m p l e t e 共3 种。 其它消息：f a c i l i t y 、n o t i f y 、s t a t u se n q u i r y 、i n f o r m a t i o n 、s t a t u s 共5 种。 ( 4 ) 其它信息单元( 信息元素) ：分为单字节信息单元与多字节信息单元。分 别属于两个信息元素码集。 第三章p h s 空中接1 ：2 协议中的数据链路层协议 2 5 第兰章数据链路层的实现 3 1 开发平台 一、硬件平台 该p h s 智能基站的功能可以分为两大功能模块进行开发，即高频及智能天线 部分和基带部分。 高频部分( 射频及智能天线部分) 完成的功能主要包括：功放、变频、滤 波、频率合成、功率撩制、无线信道检测、调制、解调、天线阵列、波束形成等。 基带部分则主要完成阻下功能：t d m a 帧形成与分解、语音编码码型变换、 i s d n 的u 接口、空中接口协议、u 接口协议、通信控制、主控程序、主时钟、 电源供电等。 由于本人主要工作是开发p h s 系统的空中接口协议的数据链路层实体，这部 分协议的功能是在基带板上来实现的，因此给出基带板的逻辑功能框图。 基带部分硬件平台框图 圈3 1 基带板部分逻辑框图 主信号通道包括u 接口单元、语音编码码型变换单元、帧处理单元和主接口 单元。主信号通道为多路( 3 、4 、7 ) 数字语音信号与l 路控制信号提供处理、变 换、合成、分解等传输功能。形成t d m a 帧并实现对外和对内的输出与输入。 u 接口单元完成数字语音信号在p h s 格式与i s d n 格式之间的格式变换功能 以及对基站控制嚣( c s c ) 的输入输出功能。 语音编码码型变换单元将在空中接口上传输的3 2 k b p s 的a d p c m 数字语音 信号变换成在i s d n u 接口上传输的6 4 k b p s 的p c m 信号，以及相反的变换。该 单元应具有3 、4 或7 路数字语音信号码型交换的能力。语音编码码型变换单元可 p h s 系统中数据链路层实体的实现与性能分析 选用专用芯片实现。 帧处理单元对数字语音信号进行加密解密、加扰解扰、控制信道的组合、 完成t d m a 帧形成与分解。空中接口协议的物理层协议可放在该单元完成。帧处 理单元可用数字信号处理器( d s p ) 来实现。 主接口单元实现数字语音信号与射频单元的信息交换，并完成相应的逻辑控 制和时序处理功能。主接口单元可用f p g a 实现。 主控单元是基带部分的中央处理单元，采用嵌入式系统实现。主控单元完成 的主要功能有： 基带主控程序的执行，对基站进行控制、协调、参数设置、初始化等。 通信过程控制，包括空中接口协议s t d 2 8 协议的i s d n 的u 接口协议。 其它功能。 监控单元完成对基站各部分工作状态的监测，可作为网管系统的代理。 时钟单元是基站的主时钟，应实现系统的时钟同步。 二、信号流向 c s c p s 端：c s c 侧传来的话音信息一f s d nu 接口处理- f p g a 提取8 路 p c m 话音信号经过a d p c m 编码器，得到3 2 k b p sa d p c m 语音信号上传至 s t d 2 8 物理层进行处理，d s p 进行c r c 校验、加扰、增加首尾比特，组成完整 的信息帧回传至f p g a o 基站系统的d s p 处理子系统射频天线。 p s - c s c 端：天线接收射频处理+ 基站系统的d s p 处理子系统 f p g a ， f p g a 接收r a m 区 * s t d 2 8 物理层处理：l r w 判决，解扰，c r c 校验，提取话 音信息比特- * f p g a 话音r a m 区，组成2 b + d 信道- * i s d nu 接口- * c s c 。 3 2 程序设计 321 空中接口协议软件整体 一、各个功能模块 在s t d 2 8 空中接口协议设计中，我们将整个协议分成若干个功能模块：物 理层模块、数据链路层模块、c c 模块、r t 模块、m m 模块、商层模块、逻辑接 口模块。其中c c 、m m 、r t 这三个模块属于并列结构，都从属于协议的第三层。 数据链路层为一单独的功能模块，由于物理屡的功能主要放在了d s p 中实现，因 此在整个软件模块中不考虑物理层实体。这几大模块构成了整个p h ss t d - 2 8 空 中接口协议的整体。另外与s t d - 2 8 同时协调工作的还有一个大的软件模块：i s d n 模块。该模块采用i s d nu 接口的规范，因为本人的工作不涉及这部分，因此在 这里就不作介绍了。s t d 2 8 协议中各个模块之间的关系觅图3 2 。 第三章p h s 空中接口协议中的数据链路层协议 图3 2 软件功能模块 l a y e r 3 ：由图可以看出，r t 、m m 、c c 模块是三个独立的模块，功能各不 相同。当这三个模块需要与数据链路层模块交互时，则通过逻辑接口模块来实现； 丽当它们与i s d n 端进行数据交换时，则是通过高层模块来进行调度。r t 模块主 要完成无线频率资源的管理，无线区域的选择，无线链路的设定、维护、切换、 切断等功能；m m 模块支持p s 的移动性，位置登记、认迁等；c c 模块主要负责 呼叫控制、呼叫设定、维护及释放等。 l a y e r 2 ：数据链路层模块是一独立模块，在与三层模块交换数据时，采用 事件队列的机制；在与物理层交换数据时，采用了b u f f e r 的机制，后面将对数据 链路层的对外接口及调用机制做详细介绍。 逻辑接口模块：当数据链路层实体向第三层实体上传数据时，由于链路层 并不参予消息类型的识别，也就不能够判断出消息应该发给三层中的哪一个模块， 因此需要通过协议描述字来判断逻辑接口，从而实现消息的分流。然而，对于三 层发出的下行数据来说，无论是哪个模块发出的，它都要调用数据链路层模块， 因此，逻辑接口模块在此时并无实际作用。 高层模块：在基站的有线端，基站与基站控制器之间是通过u 接口连接的， 空中接口协议的高层模块并不直接与i s d n 模块进行数据交换。s t d 2 8 的第三层 中某一模块首先把数据传给高层模块，高层模块进行识别，若是发往i s d n 端的， 则就把该数据用满足 s d n 模块接口的结构将数据传送给i s d n 端，否则，对消 息进行相应的处理，将处理结果反馈给适当的模块进行处理。从这个角度来讲， 2 8 p h s 系统中数据链路层实体的实现与性能分析 高层模块相当于一协议转换模块。 二、主程序工作机制 整个主程序采用轮循机制，轮循调用各个模块，当程序运行到某一模块时， 该模块检查其事件队列中是否有事件要处理。若有，则根据不同的事件做不同的 处理，将处理完的结果放入相应的队列中去，然后退出。若没有，则赢接退出， c p u 接着执行下一个处理模块。使用这种轮循方法可以明显减少各个模块之间的 联系，模块相对比较独立，可以进行单独的测试。在调试的过程中，对每个模块 进行单独测试，可以加快调试的进度，并且很容易找出问题所在。在单独测试某 个模块时，可以按照接口个生成“假”数据存放在该模块的上下事件队列中，然 后调用该模块，观察其输出队列中的结果数据是否正确