（通信与信息系统专业论文）tetra集群通信系统基站新功能基础上的组网方案.pdf

南京邮电大学硕士学位论文摘要 摘要 本文来源于“数字集群通信系统”项目，该项目的目标是研发出一套专用移 动通信系统。本项目参考欧洲t e t r a 集群通信标准。标准主要是规定了终端用户 与单个基站的联系，特别是其空中接口的结构，但缺乏基站侧的规定。 由于系统在实际应用时需要面对很多复杂的情况，为了提高整个系统的生存 能力，需要确保无论基站同网络交换基础设施相联系时还是断开后，其工作状态 不应该中断，也就是系统中的基站必须具有切换链路，当基站与网络交换基础设 施之间链路断开联系时，基站通过切换链路继续工作。 本文通过分析原系统的网络结构，提出在相邻b s 之间增加一条链路。在交换 基础设施侧应用层引入了一个新的概念一链路切换子层，同时在a z 接口增加一条 用于报告相邻基站之间链路状态的原语，在交换基础设施侧物理层增加用于报告 基站与网络交换基础设施之间链路状态的通信原语以及链路切换时用于选择切换 基站的通信原语，并给出了选择切换链路和链路恢复的流程图。这样可以提高s w m i 的功能，使其能为故障链路选择一条切换链路，并提高整个系统的抗故障能力。 南京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rc o m e sf r o m “d i g i t a lt r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ”p r o j e c t ，t h ea i m o ft h i sp r o j e c ti st od e v e l o pa s p e c i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp r o j e c tr e f e r st ot h e e u r o p e a nt e t r at r u n k i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c a l t h ep r o t o c a lg i v e sm o r eo nt h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt e r m i n a l sa n dt h ea l o n eb a s es t a t i o n ，m a i n l yt h ef r a m e w o r ko ft h e a i ri n t e r f a c e ，b u tl a c ko ft h er e g u l a t i o no nt h eb a s es t a t i o n a c t u a l l ya st h ea p p l i c a t i o no f t h es y s t e mh a st of a c em a n y c o m p l i c a t e dc a s e s ，t h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ea l o n eb a s es t a t i o na n dt h en e t w o r ks w i t c h i n gm a n a g e m e n t i n f r a s t r u c t u r em a yb ec u to f f i no r d e rt ob o o s tt h es u r v i v a lc a p a b i l i t yo ft h es y s t e m ，i ti s n e e d e dt oe n s u r ew h e n e v e rt h ec o n n e c t i o ni sc u to f fo rn o t ，t h ew o r k i n gs t a t eo ft h eb a s e s t a t i o ns h o u l dn o tb ei n t e r r u p t e d i na n o t h e rw o r d ，t h eb a s es t a t i o no ft h es y s t e ms h o u l d h a v eal i n kf o rs w i t c h i n g w h e nt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h eb a s es t a t i o na n dt h e n e t w o r ks w i t c h i n gm a n a g e m e n ti sc u to f f , t h eb a s es t a t i o nk e e p sw o r k i n gb yi t s s w i t c h i n gl i n k a n a l y z i n gt h en e t w o r ks t r u c t u r eo ft h eo r i g i n a ls y s t e mi nt h i sp a p e r , an e w l i n k b e t w e e nt w ob a s es t a t i o n si ss u g g e s t e d an e wc o n c e p t i o n - - l i n ks w i t c h i n gs u b l a y e ri s a l s oi n t r o d u c e di nt h e a p p l i c a t i o nl a y e r o ft h en e t w o r ks w i t c h i n gm a n a g e m e n t i n f r a s t r u c t u r e a tt h es a m et i m e , an e wp r i m i t i v ew h i c hi su s e dt or e p o r tt h el i n ks t a t e b e t w e e nt h ea d j a c e n tb a s es t a t i o n si si n c r e a s e di nt h ea zi n t e r f a c e s o m ep r i m i t i v e sa l e a d d e dt or e p o r tt h el i n ks t a t eb e t w e e nt h eb a s es t a t i o na n dt h en e t w o r ks w i t c h i n g m a n a g e m e n ti n f r a s t r u c t u r e t h ef l o wc h a r t sf o rc h o o s i n gs w i t c h i n gl i n ka n dr e s t o r i n g t h el i n ka l ea l s og i v e ni nt h ep a p e r b ya 1 1t h e s ew a y s ，t h ef u n c t i o no ft h en e t w o r k s w i t c h i n gm a n a g e m e n ti n f r a s t r u c t u r ei si m p r o v e da n dt h en e t w o r ks w i t c h i n g m a n a g e m e n ti n f r a s t r u c t u r ec a nc h o o s eas w i t c h i n gl i n kf o rab r e a k d o w nl i n k t h u s ，t h e c a p a b i l i t yt or e s i s tt h eb r e a k d o w no ft h et e t r a c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi si m p r o v e d 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或者其它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做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名泼牛日期卿4 绎 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本 人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或者其 它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京 邮电大学研究生部办理。 研究生签名：装严牵燧名：砾嗽日矽7 丸f 午 南京邮电大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 集群的定义 集群是从英文t r u n k i n g 或t r u n k e d 意译过来的n 1 ，t r u n k 本意为中继或干线。 早在6 0 年代移动通信就应用集群系统技术。实际上，当时曾将t r u n k e ds y s t e m 译为“中继系统 ，为避免将t r u n k e d 的中继和r e l a y 及r e p e a t 的中继及转发相 混，在集群通信技术和系统进入我国不久，有几位移动通信老专家认为将t r u n k e d 意译为集群更为恰当，并将其作为一种新体制加以介绍。从t r u n k e d 的含义来说 应该是：“系统具有的全部可用信道都可为系统的全体用户共用 ，即系统内的任 一用户想要和系统内另一用户通话，只要有空闲信道，他就可以在中心控制台的 控制下，利用空闲信道进行通话。真正的集群系统产生于7 0 年代末的美国，是通 信技术和计算机技术有机结合的高技术产物，是当今通信事业飞速发展的热点之 一。 所谓集群，就是多个无线信道为众多的用户共用，实质上也就是使大量用户 共用一组信道并根据用户所需，采用动态分配信道的方法，使有限的频率资源为 更多的用户服务。由于它将各部门所需的基地台和控制中心集中管理，统一控制， 从而做到共用频率、共用覆盖区和通信业务口1 。 集群系统是一种专用的调度通信系统，是在局部地区建网，在一个地区内首 先建立单区系统，而后再根据需要以单区系统为基本模块，进行多区的联网，扩 展成多区域网。它更是一种高级的指挥调度系统，广泛应用于对指挥调度功能要 求高的部门，如水利部门、交通部门、铁道部门等。 1 2 集群通信系统简介 1 2 1集群专用移动通信 专用移动通信网是指，供各部门和单位内部使用的移动通信网，主要提供调 度通信服务，故也称无线调度通信网。调度通信系统的特征为：网络拓扑为星状结 南京邮电大学硕士学位论文第一章引言 构，便于实现调度中心对各个移动终端的指令传输：网络功能应当包括动态重组、 优先级、组呼、选呼等；网络覆盖为大区制或中区制；通信方式是以单工通信为 主。 早期的专用移动通信由对讲机构成，8 0 年代发展成为大区制覆盖的单频道单 基站系统，随后发展成为多频道单基站系统。在引入多频道共享技术之后，于1 9 8 5 年发展成为第一代( 模拟) 集群调度系统，即多频道共享( 集群) 的单基站或多基站 调度通信系统，并于1 9 8 7 年商业化，随着引入数字化技术，产生了第二代的数字 集群通信系统。集群系统是一种共用无线频道的专用调度移动通信系统，它采用 了现代通信中的多信道共用和动态分配信道技术。第一代模拟集群系统的贡献在 于：频率、设备、服务的资源共享，费用分担和系统的集中维护与管理。在单工 通信方式下，利用多频道共享技术实现了消息集群和传输集群，提高了频道利用 率。数字化对集群系统带来的好处正如蜂窝系统数字化一样。采用t d m a 多址方式 的第二代数字集群系统，其频谱利用率比模拟系统大为提高，因而，数字集群系 统具有更大的系统容量。 集群专用移动通信不同于公众网蜂窝移动通信：集群通信是专用指挥调度通 信，单工或半双工工作，大区覆盖方式，动态信道分配，网内用户有不同的优先 等级和特殊功能，以政府机构以及有指挥调度需求的企事业部门等集团用户为主。 蜂窝通信是无线电话通信，全双工工作，按需分配信道，以个人用户为主，全网 用户平等。因此，两者的市场定位是不同的，也是不能相互替代的嘲。 1 ：2 2 集群方式 t e t r a 数字集群标准支持消息集群、传输集群和准传输集群三种集群方式。 消息集群是在一个完整的呼叫持续时间内，控制系统始终给用户分配一条固 定的无线信道。从移动用户最后一次讲话完毕、松开p p t 键开始，系统还将等待 6 1 0 秒的“信道保留时间 后脱网，才能完成消息集群。如果在这段保留时间内， 原来的通话用户再次按p 1 i t 键要继续通话，则双方仍在原来的信道上通话，即信 令标准保持原信道分配；若超过6 - 1 0 秒的“信道保留时间 ，则可将该信道重新 分配给别的用户使用。可见，消息集群在传输期间，在没有消息传输时仍占用信 道，并在每个消息结束后6 1 0 秒内，信道仍被通话双方占用。信道未被充分利用， 2 南京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 效率较低。 传输集群有时也译为发射集群，用户的通话是以对讲为单位来申请和占用信 道的。用户按下p t t 键，就占用一个空闲信道工作，松键后立即释放占用的信道( 该 信道又可被重新分配) 。再次按键讲话时由控制中心重新分配一个新的通话信道。 由于通信双方对话之间的暂停可以被其他用户占用，进一步提高了频率利用率和 信道利用率。但此功能仅供电台单工或半双工方式时使用。但传输集群在每次通 话结束后，即p 1 v r 开关一松开，原分配的信道就丢失而被分配给其他用户占用。 因此若一个完整通话未讲完，如需要补充或进一步表达意思，则需要重新寻找新 的信道，而不可能在原来信道上完成，导致通话不连续和不完整，这是它的缺点。 准传输集群是相对于传输集群而言的，是为了克服传输集群的缺点而改进的。 准传输集群兼顾消息集群和传输集群的优点。传输集群在话务量大时，就有可能 再次按下p 1 - 1 键时发现找不到信道而使通话中断，准传输集群在每次松开p 1 v r 键 后不立即释放信道，有一定的“信道保留时间 ，用户在下次按p t t 键时仍可保持 在原信道上通话，若松开p t t 键超过“信道保留时间”双方未按p t t 开关，则此 信道才真正释放，供别的用户使用。 1 2 3 集群通信系统的分类 由于集群通信是属于多信道共享技术体制，所以他可以用不同方法来实现。 目前常用的分类有以下几种。 ( 1 ) 按通话占用信道的方式划分，有消息集群、传输集群和准传输集群3 种。 实际上传输集群和准传输集群是属于同一种类型的。 ( 2 ) 按控制方式划分，有集中控制方式和分布式控制方式两种。 ( 3 ) 按呼叫处理方式划分，有呼失制系统和等待制系统两种。在呼失制系统 中，话务信道全忙时，呼叫申请被呼失掉，用户必须重新提出申请；在等待系统 中，话务信道全忙时，新到的呼叫申请进入排队系统，当出现信道时，控制器按 先来先服务( f i f o ) 的规则为呼叫申请指派信道。等待制系统的信道利用率要比呼 失制系统高。 ( 4 ) 按信令占用信道方式划分，有固定式( 专用式) 和搜寻式( 非专用制) 两种。 3 南京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 1 3 课题的研究目的与意义 t e t r a 集群通信系统因其专用性强、能满足特定用户的需求而受到很多厂商和 用户的青睐。在本课题的来源通信项目中，用户在使用集群通信系统时面对的环 境比一般情况更为复杂，对系统的实时部署和稳定性及抗故障能力都有更高的要 求。本文讨论的是在一个s w m i 下的组网方案，该组网方案的目的就是当b s 同s i b i i 之间有线链路断开联系时，该s w m i 能够为b s 选择一条切换链路，而不是简单地 让该b s 进入单基站工作模式，这样保证了t e t r a 网络的完整性，从而提高了系统 的容灾和抗故障能力。 1 4 本文的主要研究工作 在本文中，通过对t e t r a 集群通信的组网方式进行简单分析，选出以星型网 和环状网相结合的组网方案。再通过对s w m i 选择切换链路过程的分析，定义一些 新的原语实现切换过程，并对链路恢复的流程进行了介绍。 具体来讲，第二章介绍了整个t e t r a 集群系统技术的先进性以及t e t r a 系统 主要功能特性，说明了t e t r a 协议栈的结构及其各层的作用，并详细说明了t e t r a 集群系统各种接口。第三章综述了网络组网方案，集群组网方案并详细分析了 t e t r a 组网方案。第四章主要阐述了t e t r a 组网方案的实现，详细分析了切换链路 的选择，分析了组网方案实现过程。第五章是对全文进行了总结。 4 南京邮电大学硕士学位论文第二章t e t r a 数字集群通信系统 第二章t e t r a 数字集群通信系统 t e t r a 数字集群系统是一种高级专用移动通信系统，是共享资源、分担费用、 共用信道设施和服务的多用途、高效能的无线通信系统。t e t r a 数字集群系统将数 字技术、集群技术和扩充的数字业务与传统的调度业务结合起来，具有数字通信 系统的各种优点：频谱利用率高；信号抗衰落能力好；多种业务服务；保密性能好， 为用户提供话音鉴权技术；网络管理和控制更加的灵活；采用数字处理技术使信 道机与移动台价格低廉，并且移动台重量轻，体积小，耗电小。t e t r a 系统可支持 多种附加业务，其中大部分是t e t r a 独有的。t e t r a 是一种非常灵活的数字集群标 准，它是目前国际上制定得最周密、开发性好、技术最先进、参与生产厂商最多 的数字集群标准。t e t r a 数字集群系统广泛应用于制造业、能源、公安、安全、交 通、水利、社会服务、教育、军队等各方面h 3 。 2 1 t e t r a 技术的先进性 1 业务的多样性 t e t r a 系统既支持话音通信、又支持多种数据业务。话音通信业务包括单呼、 群呼和应急呼叫等。数据通信业务包括数据消息、状态消息、分组数据和电路交 换数据。 电路交换数据的最高速率可达2 8 8 k b s ，适用于短时间内传送大量数据的业 务。分组数据的典型应用是电子邮件和数据库查询。短消息可以用来传送调度员 的间断指令及自动车辆定位信息等。短数据消息的传送可以在呼叫中同时进行， 不必为传送数据消息而中断呼叫。状态消息共有3 2 0 0 0 种，可用来跟踪资源及设 备的状态。 2 高的频谱效率 t e t r a 系统采用t d m a 技术，一个2 5 k h z 载波可以提供四个通信信道，支持4 个同时的话音通信或数据通信。显然，其频谱效率要比模拟集群系统高得多。 3 高的通信保密性 5 南京邮电大学硕士学位论文 第二章t e t r a 数字集群通信系统 t e t r a 系统在通信过程中自动实行话音、数据和信令的加密，并对用户的合法 性自动进行识别。它有两种加密方式，可适应用户的不同要求。 ( 1 )空中接口加密 空中接口加密是指终端设备与基站之间的无线通路上的加密。在t e t r a 系统 中，普遍实行空中接口加密。 ( 2 ) 端对端加密 端对端加密适用于对保密性有特严要求的应用场所。在端对端加密中，用户 保持自己特有的密钥，系统只是为用户提供透明的通信线路和标准接口，并不参 加加密过程。 4 快速呼叫建立 t e t r a 系统的呼叫建立时间很短。在同一基站范围内的呼叫建立时间小于 r 3 0 0 m s ，在同一网络内的呼叫建立时间小于5 0 0 m s ，这对公共安全和紧急服务是很重 要的。相比之下，g s m 的呼叫建立时间长达1 0 1 5 秒，对于危险、应急情况及铁 路调度，这是不能容许的。这也是为什么g s m 不适用于电力调度业务的一个重要原 因。 5 良好的调度特性 系统具有群呼、动态重组、遥毙、区域选择、迟接入、侦听和优先等适于调 度用的关键特性。多呼叫优先方案保证资源可分配到网络中最紧急的业务中，其优 先方案有下列两类： ( 1 )排队当系统资源不足时，用户排队轮候。 ( 2 )预占优先对于具有预占优先权的用户，需要时系统将释放优先级用户正 在使用的信道，以供预占用优先用户使用。通常用于应急呼叫。 6 直通工作方式 t e t r a 还有不需要网络基础设施的移动台间直通工作方式。为在直通模式和网 络模式中延伸手机的覆盖，还定义了转发器和网关功能。 2 2t e t r a 的功能特性 i 主要特性嘲 6 南京邮电大学硕士学位论文 第二章t e t r a 数字集群通信系统 国际规定t e t r a 工作频段为：3 8 0 4 0 0 心z 、4 1 0 4 3 0m h z 、4 5 0 4 7 0m h z 、8 0 6 8 2 1 m h z ( 上行) 8 5 1 - 8 6 6m h z ( 下行) 以及8 7 0 - 8 7 6m h z ( 上行) 9 1 5 9 2 1m h z ( 下行) 。而 我国的规定是8 0 6 8 2 1m h z ( 上行) 8 5 1 - 8 6 6m h z ( 下行) 。共可划分6 0 0 对频道。 t e t r a 采用时分多址( t d m a ) 接入方式，在2 5k h z 信道带宽内可以支持4 个时隙， 使容量大大增加。调制方式为4d q p s k 调制，速率3 6k b ls 。 话音编码采用代数码本激励线性预测编码a c e l p ，具有高质量的话音。即使 不加密，调制和编码技术也保证普通接收机不能接入t e t r a 接收机。空中接口加 密，能保证即使偷听者接入接收机，由于不知道密钥，也无法偷听。 2 按需分配带宽 t e t r a 系统可以满足用户不同传输速率的要求。增加时隙可以提高传输速率， 提高数据保护等级会降低传输速率。t e t r a 单时隙可以支持2 4 - 7 2k b s 的电 路数据，4 个时隙最高可达2 8 8k b s ，也支持分组数据。为各种数据应用提供 了良好的平台，如数字调度、用适当的终端远程接入公司的数据库、发送和接收 短消息、电子邮件或传真等。对带宽需要大的用户，例如在发送慢扫描图像时，可 以采用一个以上的时隙，前提是设备要能够支持多时隙工作。数据文件很大时也可 以用分组数据来发送。 3 t e t r a 的电话业务 t e t r a 网络可以支持许多电话型的相关业务，可以提供拨号呼叫、呼叫识别、 呼叫转移、呼叫保持等待、列表呼叫、缩位拨号等电话业务。电话型补充业务 不是所有网络、所有用户都能使用的标准配置，取决于网络运营者的经营方式、配 置方式等。 4 高度调度特性 t e t r a 特别适用于紧急调度通信，为此标准中规定了许多高级调度特性。如： 接入优先功能、优先呼叫功能和预占优先功能，使每个用户都有一定的优先级， 在呼叫繁忙时按优先能力处理呼叫。环境侦听，使调度台或授权用户可以打开某 无线电台。这样，可以监听可能的危险情况。在监听功能中，调度台或授权用户 可以监听其网络上的任何呼叫。调度台核查呼叫，使特定用户的呼入和呼出需经 过调度台核查权限后才能继续呼叫。此外还有迟后进入、动态重组、区域选择等 高级调度能力。 7 南京邮电大学硕士学位论文 第二章t e t r a 数字集群通信系统 2 3t e t r a 集群通信接口 t e t r a 规范没有限定无线网络的结构方式，只是用特定的接口来定义网络基础 设施( 在标准中称之为交换与管理基础设施s w m i ) 。在t e t r a 规范中定义的接1 2 1 是 保证互通、互连和网络管理需要的。 1 - t e t r a 空中接口 t e t r a 空中接口是一条数字无线路径，它支持以下功能： 组呼、单呼、电话呼叫； 能传输高达2 5 6 字节用户数据的短数据业务； 具有电路交换和分组交换数据的业务，其范围包括从高保护度的2 4 k b s 到 2 8 8 k b s 无保护度的数据传输速率或吞吐量； 登记，以使s w m i 能始终知道移动台在哪个区域； 安全性和鉴权能力。 2 直通模式的空中接口 直通模式的空中接口也是一条数字无线路径，它能使用户无须经过一个基础 设施就能直接进行通信。在这种模式下工作时，可应用的业务有组呼、单呼和短 数据业务等。若利用一部无线电台作为一个移动网关，还能扩大直通模式工作时 的覆盖范围。 3 人一机接口 为了更方便地使用不同制造商生产的移动台，人一机接口能提供一系列标准键 盘的用户操作功能，以使得用户可以采购和使用符合本接口要求的不同厂商生产 的终端。 4 外围设备接口 外围设备接口( p e i ，p e r i p h e r a le q u i p m e n ti n t e r f a c e ) 是移动台和外围数 据业务设备之间的接口，如打印机、计算机或摄像机等。 5 网关接口 网关接口能提供t e t r a 与i s d n 、p s t n 、p a b x 等网络的连接，因此可以是t e t r a 网络中的用户与外部网络用户沟通。网关接口也能够连接到诸如分组交换公共数 据网、互联网和各类组织的内部计算机数据网上。 为了实现t e t r a 网络和其他网络间的互连，t e t r a 系统和其他系统之间的通信 8 南京邮电大学硕士学位论文 第二章t e t r a 数字集群通信系统 可能需要地址转换或双地址。 6 系统间接口 系统间接口( i s i ，i n t e rs y s t e mi n t e r f a c e ) 是t e t r a 网络之间的接口，它能 使不同制造商生产的t e t r a 网络之间可以相互连接。该接口也可以允许一个网络 上的用户漫游到其他网络的覆盖区域中去。 7 网络管理设备接口 若多个t e t r a 系统接口间接口连接在一起，则网络管理设备接口将只能确定 在e t s i 范围内。 8 本地有线连接终端接口和远程有线连接接口 本地有线连接终端接口和远程有线连接接口是s 1 】| m i 与本地或远端有线台或调 度台之间的接口。在连接远端调度台时，接口可以通过i s d n 等来实现。 图2 _ 2 为t e t r a 的标准接口。 9 南京邮电大学硕士学位论文 第二章t e t r a 数字集群通信系统 一 ii 2m s1 - ，匕r li 譬 移 3 1 1 一 动 厶 4 卜黼叫_ 、 口 l 打印机 ，、 网络管理器 i i i l 9 l 基站ll 基站li 基站l 5 网关控制器 i s d n系统间接口 旧嚣路 67 l 8 s 赫y 、 长途线路连接终端 厂 、 l s w m i l p a b x p n d)。 l 一系统空中接口4 终端设备接e l 7 - 长途线路连接的接口 2 - 直通模式接口卜市内线路连接的终端蝴统间接口 3 人一机接口6 一网关接口 卜网络管理单元接口 图22 t e t r a 标准接口 2 4 空中接口协议概述 t e t r a 数字集群空中接口协议是指移动台与交换与管理基础设施( s w m i ) 之间 无线通道的信息传输规范，只有移动台和交换与管理基础设施的开发都遵守这样 的规范，多个厂商生产的设备才能够相互通信。因此，协议栈开发必须严格地遵 守协议的规定。 t e t r a 数字集群空中接口协议是按照i s 0 0 s i 七层参考模型定义的，协议栈对 应七层模型的下三层，分别为物理层，数据链路层以及网络层，其结构如图2 3 所示。 1 0 南京邮电大学硕士学位论文 第二章t e t r a 数字集群通信系统 控制平面 用户平面 话音业务 i pc csdsssmc 低保护数据 p dcmcem m 高保护数据 移动链路实体ml e 逻辑链路控制ll c 媒体接入控制macme daac c e s sco n t r o l 物理层p h ys i c a li n t e r r a c e cmce ci r c ui tm0 d ec0 n t r o len t i t y电路模式控制实体 m mm o b i l i t yma n a g e me n g t移动性管理 c cca 1 1c0 n t r o li n f o 呼叫控制 s msh o r tme s s a g e 短消息控制 s s s u p p i e me n t a r ys e r v i c c 附加业务 mcm 0 b i l i t yco n t r o i 移动性控制 mlem o b i l i t yli n kco n t r o ien t i t y 移动链路实体 图2 3 空中接口协议结构 现代网络设计思想是信令面与数据面分离，t e t r a 数字集群空中接口协议栈 就是按照此原则，根据一个通用协议模型设计的，设计的准则是层与面在逻辑上 相互独立h 】。 1 )从垂直平面来看，t e t r a 数字集群空中接口协议栈可以垂直划分为一个控 制面( c o n t r o 卜p 1 a n e ) 和一个用户面( u s e r - p l a n e ) 。控制面包括应用协议以及用于 传输这些应用协议的信令承载：用户面包括数据流和用于承载这些数据流的数据 承载。用户发送和接收的所有信息都通过用户面来进行传输。 2 )从水平平面来看，由下而上t e t r a 数字集群空中接口标准分为物理层、 数据链路层、网络层三层规范。 t e t r a 数字集群空中接口的第一层是物理层，由定时结构和无线电射频等组 成。它包括射频发送和接收、调制和解调、发送和接收的转换、定时、时分多址 接入( t d m a ) 以及移动台的功率控制等功能。 t e t r a 数字集群空中接口的第二层由介质访问控制层( m a c ，m e d i u ma c c e s s 南京邮电大学硕士学位论文第二章t e t r a 数字集群通信系统 c o n t r 0 1 ) 和逻辑链路控制层( l l c ，l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 两个子层组成。m a c 层主 要解决如何将数据进行处理，以适合在无线电线路上传输。l l c 处理数据传输、转 发、分段、重新装配和逻辑链路的管理和控制等操作。 t e t r a 数字集群空中接口的第三层也分成两个子层。较低子层称为移动链路实 体( m l e ) ，较高的子层由3 个单元组成，统称为子网络接入功能( s n a fs u b - n e t w o r k c c e s sf u n c t i o n ) 。移动链路实体( m l e ，m o b i l el i n ke n t i t y ) 负责控制较低层与 无线电相关的功能，包括无线电连接的管理、登记区之内的移动性管理、移动台 身份管理和服务质量控制等功能。s n a f 由移动性管理( m m ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t ) 、 电路模式控制实体( c m c e ) 和分组数据实体( p d ) 组成。删处理漫游和位置更新等业 务。c m c e 处理呼叫控制、短数据业务以及补充业务。p d 处理面向无连接的和面向 连接用户的分组数据。协议栈上层与下层之间通过原语相互通信，对等层之间通 过p d u 相互传递信息；层不能分解上层的p d u 。由于这种层与层之间的封装性，对 等层之间通信更加安全口1 。 2 5 a z 接口简介 在本节介绍一下a z 接口的位置、a z 接口的协议栈模型和a z 接口信息格式。 a z 接口是系统核心网( c n ) 与无线接入网( r a n ) 之间定义的边界，是连接无线信 道控制器r c c 和移动交换中心m s c 的接口。r c c 系统核心实体主要包括m l e 、l l c 以及a z 接口。 此接口提供e 1 接口或以太网接口用于业务和信令的传输。每个m s c 可以连接 一个或多个r c c ，每个r c c 只能连接到一个m s c 上。 a z 接口在系统结构中位置如图2 _ 4 所示嘲。 1 2 南京邮电大学硕士学位论文 第二章t e t r a 数字集群通信系统 a z 接口 图24a z 接口位置 a z 接口的功能有： 信令传输 信令传输内容包括接口信道资源管理、无线资源管理，移动性管理、呼叫控 制、保密控制和操作维护等信息。 业务传输 业务传输内容包括语音、电路数据和分组数据。 a z 接口的协议分为两个平面：控制平面和用户平面。控制平面是控制无线接 入承载和移动终端与网络之间的连接；用户平面是实现无线接入业务，业务数据 以i p 承载。 a z 接口协议栈如图u 所示。 南京邮电大学硕士学位论文第二章t e t r a 数字集群通信系统 j ： a z a z u d p j ，i p v 4 ；，h d l c - i e l 图25a z 接口协议栈模型 在a z 接口的物理层使用的是e 1 接口，接口速率为2 0 4 8 k b i t s ，线路编码为 h d b 3 ，其它性能应符合i t u - tg 7 0 3 。 m s c 控制信息、管理信息提供服务的u d p 端口为7 0 7 0 ，r c c 的u d p 端口7 0 7 1 。 a z 接口控制信息格、管理信息封装式如下图2 - 6 所示。 。、。，t， 7 基站标识号消息类别数据长度( 字节数) 数据? j ，l b y t e ： l b y t o2 b y t e ( 高位在前) ， 章、， t ? i ，? 一。，：一 一，z ： i _ 一。| 图26a z 接口控制信息、管理信息封装格式 基站标识号：主要用来识别与哪一个基站通信。用一个字节表示，有效范围 o o h - f f h 。 消息类别：定义了用于通信的3 种消息，编码为0 1 h - 0 3 h 。信息类别定义如图 2 7 所示。 ? ：q 。7 箩消息类别编码 ： 。j 接口链路管理 o l h j 数字集群接入控制0 2 h i 数字集群系统操作维护 0 3 h 琵， 图27 消息类别定义 1 4 南京邮电大学硕士学位论文第二章t e t r a 数字集群通信系统 数据长度：是指本消息封装的数据净荷的字节数，用2 个字节表示，范围为 0 0 0 0 h f f f f h 。 2 6e 1 接口简介 欧洲的3 0 路脉码调制p c m 简称e 1 ，速率是2 0 4 8 m b i t s 啪。 1 e l 帧简介 e 1 的一个时分复用帧( 其长度t = 1 2 5 u s ) 共划分为3 2 相等的时隙，时隙的编 号为c h 0 - c h 3 1 。其中时隙c h 0 用作帧同步用，时隙c h l 6 用来传送信令，剩下 c h i c h l 5 和c h l 7 - c h 3 1 共3 0 个时隙用作3 0 个话路。每个时隙传送8 b i t ，因此共 用2 5 6 b i t 。每秒传送8 0 0 0 个帧，因此p c m 一次群e 1 的数据率就是2 0 4 8 m b i t s 。 一条e l 是2 0 4 8 m 的链路，用p c m 编码。一个e l 的帧长为2 5 6 个b i t ，分为3 2 个时隙，一个时隙为8 个b i t 。每秒有8 k 个e 1 的帧通过接口，即8 k 水2 5 6 = 2 0 4 8 k b p s 。 每个时隙在e 1 帧中占8 b i t ，8 * 8 k = 6 4 k ，即一条e 1 中含有3 2 个6 4 k 。 2 e 1 帧结构 e 1 有成帧、成复帧与不成帧三种方式，在成帧的e 1 中第0 时隙用于传输帧同 步数据，其余3 1 个时隙可以用于传输有效数据；在成复帧的e 1 中，除了第o 时 隙外，第1 6 时隙是用于传输信令的，只有第1 到1 5 ，第1 7 到第3 1 共3 0 个时隙 可用于传输有效数据：而在不成帧的e 1 中，所有3 2 个时隙都可用于传输有效数 据。 3 e 1 信道的帧结构简述 在e 1 信道中，8 b i t 组成一个时隙( t s ) ，由3 2 个时隙组成了一个帧( f ) ，1 6 个帧组成一个复帧( m f ) 。在一个帧中，t s 0 主要用于传送帧定位信号( f a s ) 、 c r c 一4 ( 循环冗余校验) 和对端告警指示，t s l 6 主要传送随路信令( c a s ) 、复帧定位 信号和复帧对端告警指示，t s i 至t s l 5 和t s l 7 至t s 3 1 共3 0 个时隙传送话音或数 据等信息。我们称t s l 至t s l 5 和t s l 7 至t s 3 1 为“净荷 ，t s 0 和t s l 6 为“开销 。 如果采用带外公共信道信令( c c s ) ，t s l 6 就失去了传送信令的用途，该时隙也可用 来传送信息信号，这时帧结构的净荷为t s i 至t s 3 1 ，开销只有t s 0 了。 1 5 南京邮电大学硕士学位论文 第三章t e t r a 网络拓扑结构 第三章t e t r a 网络拓扑结构 本章首先从总体上对网络拓扑结构来个简述，其次再对集群系统网络拓扑结 构来个介绍，最后来分析一下t e t r a 网络拓扑结构，并且详细分析各种组网结构 的利弊，选出最好的结构来实现组网。 3 1 网络拓扑结构简论 网络拓扑结构是指网络电缆的物理连接等物理布局特征，抽象地来讨论网络 系统中各个端点相互连接的方法、形式与几何形状，可表示出网终服务器、工作 站、网络设备的网络配置和相互之间的连接。计算机网络拓扑结构可根据其通信 子网中通信信道的类型分为点对点连接信道拓扑结构与广播信道拓扑结构两类。 在点对点信道的计算机网络中，每条物理线路介质仅仅连接一对对等实体， 不涉及第三方。在某一个时间片内，点对点网络只有两个设备进行通信，独享整 个信道带宽，不存在冲突问题。这种拓扑结构适用于简单、实用、设备数量少的 无线网络通信中，其建网络的传输距离远、速率高，且受外界环境影响较d d l 0 1 。 3 1 1 星型拓扑结构 星型拓扑结构是目前局域网最常见的方式。星型拓扑结构有中央节点及中心 节点，它与周围各个节点连接，各节点与中央节点通过点对点方式连接，周围节 点呈辐射状排列在中心节点周围。任意两个站点所进行的通信，都必须通过中央 节点转接路由。中央节点的主要功能为：为通信的节点设备建立物理连接；在通 信过程中，维持这一通道；在通信失败或通信成功结束时，拆除通道。 中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，负担较重，容 易形成系统的瓶颈。如果中心节点出现故障，将会导致整个网络瘫痪。 一般情况下，星型拓扑结构网络上的计算机之间是通过集线器或交换机来相 互通信的，且把与两台交换机全冗余连接的网络称作双星型网络。 1 6 南京邮电大学硕士学位论文第三章t e t r a 网络拓扑结构 3 1 2 环形拓扑结构 环形拓扑结构网也称令牌环网。环形网中各节点首尾相连形成介闭合的环， 各个节点通过环路接口连在一条闭合环形路上，环路上任何节点均可以发送“令 牌 ，请求同其他站点通信。如果请求通信被批准，便可以向环路发送信息，由 于环型线路是公用的，发出的信息在环中的数据沿着一个方向绕环路逐站传输。 一个节点发出的信息肯定会穿越环中所有的环路接口。在信息流的目的地址与环 上其他某节点地址相符的情况下，节点的环路接口便接收该信息，然后信息继续 流向下一环路接口，最终流回到发送该信息的环路接口节点。环形网中的数据可 以是双向传输，也可以是单向传输。 环形网的特点是：信息在网络中沿固定方向流动，两个节点间仅有一条物理 链路，大大简化了路径选择的控制，使传输机制比较简单。当某个节点发生故障 时，可以自动旁路，可靠性较高，抗故障性能好：由于信息是串行穿过多个节点 环路接口，当节点过多时，影响传输效率，使网络传输响应时间变长。但当网络 节点确定时，其延时是固定的，实时性强，能够提供优先权服务：由于环路封闭 故扩充不方便，因此当网络中的任意一个节点或一条传输介质出现故障都将导致 整个网络故障，而且故障难以检测。 环形网曾经是局域网常用拓扑结构之一，其主要优点是延时的可控制性。适 用于对时间要求较苛刻的信息采集、信息处理系统和工厂自动化系统。而且，当 网络负载较大时，环形网的传输效率要比总线型以太网优秀。其缺点是单个环网 的结点数有限，控制电路较复杂，通信令牌容易丢失。 3 1 3 总线型拓扑结构 用一条单根主干线缆作为传输介质，所有的站点通过相应的硬件接口直接连 接到传输总线上，这种布局方式被称为总线型拓扑。 在总线结构中，所有的节点共享一条数据通道，任何一个节点发出的信息都 可以沿着总线向两个方向传输扩散，总线上传输信息通常多以基带形式串行传递， 每个节点上的网络接口板硬件均具有收、 信息并转换成并行信息送到工作节点上： 1 7 发功能，接收器负责接收总线上的串行 发送器是将并行信息转换成串行信息后 南京邮电大学硕士学位论文第三章t e t r a 网络拓扑结构 广播发送到总线上，总线上发送信息的目的地址与某节点的接口地址相符合时， 该节点的接收器便接收信息。 总线拓扑结构中所需要的电缆长度是最小的，由于总线的负载能力是一定的， 因此总线长度有一定限制，一条总线只能连接一定数量的节点。在总线两端连接 的器件称为端结器或终结器( 其中一端接地) ，主要与总线进行阻抗匹配，最大限 度吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线产生不必要的干扰。 总线布局的特点是：结构简单灵活，便于扩充，设备少，价格低，安装使用 方便，某个站点失效不会影响到其他站点。 3 1 4 树形拓扑结构 从实质上说，树形结构是星形结构的拓展，在一个结构复杂的网络中，星形 网的分层罗列也就构成了树形网络结构。从原理上说，树形结构又是总线型结构 的延伸。它是在总线网