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摘要 数字无中心多信道选址移动通信协议的研究 摘要 目前，国内的专网通信领域按调度方式划分主要包括三大类系统：无 调度功能的对讲机系统，依赖于基站调度的集群系统和本身具备调度功能 的无中心系统。在通信系统全面数字化的趋势下，对讲机系统出现了 d p m 等协议，集群系统则有t e t r a 等协议，作为三大通信体制之一的 无中心系统则没有一套合适的全数字化协议。本文在模拟无中心体制和数 字对讲机协议的基础上，设计了一组全数字无中心多信道选址移动通信协 议。该协议栈的架构设计思路源于o s l 分层模型，并对传统的七层模型 简化合并为三层模型，自上而下分别是呼叫控制层、数据链路层和物理层。 在呼叫控制层协议中，首先设计了两套分别提供给一般用户和监管部 门使用的通信信令及其参考设置方法。然后又提出了通信时系统的基本呼 叫流程，并以扩展的有限状态机为基础设计出协议的状态转换过程。 在数据链路层协议中，规定了传输的逻辑帧格式和帧参数。在对信道 编码算法的研究时，不仅通过实验从时间和空间两方面验证了其物理可实 现性，并且对其差错控制性能进行了综合评估。最后还介绍了信道分配及 接入管理方案和电台呼号分配方案。 在物理层协议中，在比较了国家标准和国际标准后，给出了4 f s k 调 制方式和主要的射频参数以完成整个协议栈的物理基础。 关键词：专网通信，o s l 分层模型，数字无中心，信令设计，4 f s k 摘要 r e s e a r c ho ft h ed i g i t a lm o b i l e c e n t r a l e s ss y s t e mu s i n g m u i r i c h a n n e la c c e s st e c h n i q u e s a b s t r a c t n o w a d a y s ，a c c o r d i n gt ot h ed i s p a t c hm e t h o d ，t h e r ea r et h r e ec l a s s e so f s y s t e mi nt h ef i e l do fp r i v a t en e 帆o r kc o m n m n i c a t i o n ：t h ew a l l ( i ea n dt a l l 【i e s y s t 锄w i t h o u tt h ed i s p a t c h 向n c t i o n ，t h et h m 【e ds y s t e mw i t ht h ed i s p a t c h 如n c t i o nb yab a s es t a t i o na n dt h ec e n t r a l e s ss y s t e m ( c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i t h o u tac e n t r a lc o n t r 0 1 ) w h i c hr e a l i z e st h ed i s p a t c h 矗m c t i o nb yi t s e l fu n d e r t h e 仃e n d a l l c yt oc o n i c a t i o ns y s t e mb e i n gd i g i t i z e do v e r a l l ，m e r ei sd p m r p r o t o c o l i nt h ew a l l ( i ea n dt a l 姑es y s t e m ，a n dt e t r ap r o t o c o l i nt h et m n k e d s y s t e m a l t h o u 曲，t h e r ei sn o 印p r o 埘a t ep r o t o c o l i nt h ec e n t r a l e s ss y s t e m t h i sp a p e rb r i n g su pac o m p l e t ed i g i t a lc e n t r a l e s sc o m m u n i c ! a t i o ns y s t e m u s i n gm u l t i c h a i u l e la c c e s st e c h n i q u e so nt h eb a s eo fa n o l o gc e m r a l e s ss y s t e m a n dd i g i t a lw a l l ( i e 一1 a l 虹es y s t e m t h ed e s i g ni d e ao ft h es t m c t u r eo ft h i s p r o t o c o ls t a c ko r i g i n a t e sf 如mo s il a y e r e dm o d e l t h e 臼a d i t i o n a ls e v e nl a y e r s m o d e l i ss i m p l i f e dt ot h r e el a y e r s ，t h e ya r e ，t h ec a nc o n t r o ll a y e “c c l ) ，t h e d a t a l i n kl a y e r ( d l l ) a n dt h ep h y s i c a ll a y e r ( p l ) i nt h ec c l p r o t o c o l ，t h i sp 印e rd e s i g n st w os e t so fc o m i i l u n i c a t i o n s i g n a l l i n g ，f o rt h ec o m m o nu s e ra n dt h es u p e r v i s o rr e s p e c t i v e l y t h e n ，i t 北京化工大学硕士学位论文 b r i n g su pt h eb a s i cc a l l i n gp r o c e d u r ea n dd e s i g n st h es t a t es h i rp r o c e s so ft h e p r o t o c o lo nt h eb a s eo ft h ee x t e n d e df i n i t es t a t em a c h i n e ( e f s m ) i nt h ed l l p r o t o c o l ，t h et r a n s m i t t e d1 0 9 i c a l 胁m ef o m a ta n dt h e 触m e p a r a n t e r sa r ep r o v i d e d w h e nt h ec h a n n e lc o d i n ga l g o r i t h m sa r er e s e a r c h e d ， i ti sp r o v e dt h a tt h ea l g o r i t h m sa r ea b l et ob er e a l i z e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ， a n di ti sv a l u e dt h a tt h ea l g o r i t h m sh a v eag o o de h d rc o n t r o la b i l i t y ：i nt h ee n d ， t h ea 1 1 0 t m e n to ft h e 仔e q u e n c ea i l dt h ea c c e s so ft h ec h a l l l l e la n dt h er a d i oc a u n u i i l b e rd i s t r i b u t es o l u t i o na r ei n t r o d u c e d i nt h ep lp r o t o c o l ，a r e r c o m p a r i n gt h en a t i o n a ls t a n d a r dw i t ht h e i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d ，4 f s km o d u l a t i o na i l d 呦i nr a d i o 疗e q u e n c ep a r a m e t e r a r eg i v e nf o rt h ep h y s i c a lb a s eo ft h ew h o l e p r o t o c o ls t a c k k e yw o l m s ： p r i v a t en e 研o r kc o i i l i l l u n i c a t i o n ，o s i1 a y e r e dm o d e l ，d i 百t a l c e n t r a l e s s ，s i g n a l l i n gd e s i g n ，4 f s k i i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：垒 盈望日期： 型垡竺：圭2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工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北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：亟生盈主望日期：丝堡：兰乞 导师签名：豳立查日期：塑星：兰2 4 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 最新调查数据显示我国的手机用户数量已经超过美国，成为世界第一大手机使用 国家，这表明我国的公网无线通信已经在短短十年间取得了巨大的成就。而与之相比， 我国的专网无线通信的建设却大大落后于世界的发达国家的平均水平，无论是对讲机 研发生产，还是对讲机的使用人数，都相距甚远。由于种种原因，目前国内的大企业 集群用户群主要由国外先进对讲机公司，如摩托罗拉等公司牢牢把持，而面对零散的 对讲机用户，众多的国内对讲机厂商又存在着依赖国外厂商、产品互相抄袭、不重视 自主研发、同质化严重、宣传不足、售后服务差等缺点。专网用户数量虽然不能直接 用来衡量一个地区发达与否，但是从某种程度上也表明了一个地区生活水平的高低， 如在欧美发达国家及日本的家庭中，对讲机的普及率达到3 0 以上【，极大的方便了 人们的居家出行，在我国迈向现代化的过程中必然也会产生这样一个世界最大的对讲 机用户潜在市场，如何开发这个市场是个迫在眉睫的课题。显然，如果我国能研发出 拥有自主知识产权，并且能适用于我国人口密集的特点的对讲机，那么本土厂商将在 未来的竞争中占据一席之地。 对于普通用户来说，对讲机就是专网通信的代名词，而实际上，在我国专网通信 按调度类型划分除了对讲机以外还有集群系统和无中心系统两种。 对讲机( w a l k i e 1 a l k i e ) 的最大的特点就是使用便捷，只要把两部或者多部电台频率 调到同一个信道( 又叫频点) 上就可以互相通话。通话方式一般仅用p t t ( p u s ht ot a l k ) 实现，即按下某个键就马上可以通话而不用像手机一样拨号。但是对讲机的缺点也是 明显的，主要有以下三点：首先功能比较单一，在模拟对讲机阶段一般来说只有语 音通信的功能，也有少量的模拟对讲机可以依靠双音频或者亚音频来发送信令或少量 数据，后来发展出数字对讲机也只能发送小批量数据或文本消息。其次对讲机工作 频率一般较少，通常只工作在固定的几个频率上，例如目前中国对公众对讲机指定的 标准频点是4 0 9 7 5 0 0 m h z ，4 0 9 7 6 2 5 m h z ，4 0 9 7 7 5 0 m h z ，4 0 9 7 8 7 5 m h z ，4 0 9 8 0 0 0 m h z ， 4 0 9 8 1 2 5 m h z ，4 0 9 8 2 5 0 m h z ，4 0 9 8 3 7 5 m h z ，4 0 9 8 5 0 0 m h z ，4 0 9 8 6 2 5 m h z ， 4 0 9 8 7 5 0 m h z ，4 0 9 8 8 7 5 m h z ，4 0 9 9 0 0 0 m h z ，4 0 9 9 1 2 5 m h z ，4 0 9 9 2 5 0 m h z ， 4 0 9 9 3 7 5 m h z ，4 0 9 9 5 0 0 m h z ，4 0 9 9 6 2 5 m h z ，4 0 9 ：9 7 5 0 m h z ，4 0 9 9 8 7 5 m h z 共2 0 个。 而欧洲的公众对讲机频点则为4 4 6 0 0 6 2 5 m h z ，4 4 6 0 1 8 7 5 m h z ，4 4 6 0 3 1 2 5 m h z ， 4 4 6 0 4 3 7 5 m h z ，4 4 6 0 5 6 2 5 m h z ，4 j 4 6 0 6 8 7 5 m h z ，4 4 6 0 812 5 m h z ，4 4 6 0 9 3 7 5 m h z 共 8 个。美国和日本也都为公众对讲机指定了自己的为数不多的几个频点。由于频点的 有限，当一个较小区域内集中了相当数量的电台后，相互干扰就会比较严重。最后 北京化工大学硕士学位论文 对讲机没有调度功能，也就是说，只有当期望的两部或多部对讲机都必须“主动”处于 同一信道上才能实现通信。如果事先不知道目标对讲机所在的信道，就只能手动调节 “自己”( 的对讲机) 的频率，挨个信道去呼叫查看目标是否在该信道。这三点是对讲 机最主要的局限性，特别是调度功能的缺失使得对讲机网络通常都是随机产生，很难 对其管理，也不便以集团的方式使用一批对讲机，而这恰恰是集团用户最需要的。所 以在对讲机的基础上，人们增加了一个控制基站从而构成集群系统。 集群系统( t m n k e ds y s t e m ) 一般应用于大集团用户，如大型企业、公安、消防等。 集群系统的核心是基站，基站实际上是一个具有调度和转发功能的电台，并且具有强。 大的发射功率。集群系统以基站为控制中心，以一定数量的对讲机为成员构成一个网 络，基站可以控制任一成员对讲机的工作频点，也可以跟任一成员进行通信。成员之 间的通信可以依靠基站转发，也可以向基站申请一个信道进行通信，这就解决了对讲 机的第三个缺点。由于基站可以和所有的成员时刻保持通信，所以整个通信网络是稳 定的，基站对成员的管理也非常全面健壮。集群系统的功能强大，但是建设成本高昂， 其中主要是对基站的建设，硬件投资( 如繁多的设备，大量的能源等) 和软件投资( 如控 制程序软件，调度工作人员等) 都相当的庞大，占了整个系统成本的大部分。目前一个 不容忽视的事实就是：包括强大调度功能的集群系统只有大集团用户才有能力使用， 而中小企业由于经济原因很难建成有调度功能的专网通信网络。有鉴于此，专网通信 中顺理成章地出现了无中心系统。 无中心系统( s y s t e mw i m o u tc e n 砌c o n 仃d 1 ) 中没有控制基站，只有由若干成员对 讲机构成，但是可以允许存在只具备转发功能的中转站。无中心系统仍然具有调度功 能，其本质就是将集群系统中基站的调度功能转移到了成员对讲机上。源对讲机可以 将目标对讲机调度到期望的信道上去通信，并且这种调度功能依靠软件实现，只要研 发成功就可以大量免费复制。可以说无中心系统是狭义上的对讲机和集群系统的综合 体，既有较低的建设成本又有强大的调度功能，从而为中小企业提供了条调度功能 的应用路线。目前的无中心系统只有国内的模拟无中心标准，2 1 节将进一步详细说 明其功能特点和网络拓扑结构。 2 0 0 1 年底国家无线电管理局鉴于国家经济的发展，目前各行业对于无线对讲机及 短数据传输通信服务仍有大量需求，而1 5 0 m h z 、4 5 0 m h z 频段的频率资源已无法满 足需要，各地无委按信无函【2 0 0 2 】1 2 7 号文的要求已暂停指配4 5 0 m h z 4 7 0 m h z 的频 率，频率资源更显紧张，某些大城市甚至已无频率可以指配，因此，提出应重视推广 使用的9 0 0 m h z 无中心通信系统【2 1 。我国目前现行的无中心多信道选址移动通信系统 采用数字信令加模拟话音的方式，尚无全数字的通信系统即数字信令加数字语音 的方式。毫无疑问，数字话音在话音质量、传输可靠性、通话保密性等方面均远胜过 模拟话音，同时数字调制技术可以大大提高信道利用率，降低邻道干扰。当前我国的 民用对讲机和集群系统已经大规模从模拟话音升级到数字话音，无中心移动通信系统 2 第一章绪论 的全面数字化也势在必行，最终升级为数字无中心多信道选址移动通信系统，这也是 本课题的来源。 1 2 本文的主要工作 本文主要研究了数字无中心多信道选址移动通信的各层协议，重点分析了呼叫控 制层协议和数据链路层协议，得到了一个通信协议模型并提出了一些参考开发方案， 为进一步的系统开发提供了依据。 第二章首先介绍了课题参考的主要来源模拟无中心体制和e t s i1 0 24 9 0 【3 】数 字对讲机协议，指出了原无中心体制中的一些不足之处；第三章研究了呼叫控制层协 议的主要功能，根据功能需求提出了一套能够满足日常应用的基本信令交换系统和一 套合理的呼叫交换流程，并在交换流程的基础上应用扩展的有限状态机设计出协议的 状态转换模型。第四章研究了数据链路层协议的主要功能，其中包括该层的帧结构和 参数定义、同步方案、信道编码算法、信道分配与接入，最后还提出了电台呼号与空 中接口地址的转换方案。第五章根据国家无线电委员会的标准要求，简单介绍了物理 层的主要射频指标和基带调制方案。 第二章模拟无中心与数字对讲机协议 第二章模拟无中心与数字对讲机协议 对于数字无中心通信系统来说，构建一个完备的通信协议，就是分层构建相应的 协议层，并使之能有机的结合起来。目前可供参考的通信系统包括两组：1 模拟无中 心标准无中心多信道选址移动通信系统体制【2 】；2 e t s i 数字对讲机标 准卅p m r 【3 1 和d m r 【钔。现分述如下： 2 1 模拟无中心通信协议的历史和现状 无中心多信道选址通信系统是一种不采用交换控制中心的集中控制，而由各移动 台或固定台分别设定无线通信链路的分散控制方式的自集群系统，这种体制具有无中 心组网、数字选呼自动接续多址用户、多信道共用自动选取空闲频率等三大特点。在 我国上个世纪9 0 年代曾经推广应用，证实具有频谱效率高、号码容量多、话音质量 好等优点，其所组的单区单工网络，既可以几户几十户的小容量，也可以几百户至几 千户的中容量，如果作为调度专用还可以上万户，而且投资特别节省，建网非常简便， 接续相当快捷1 5 】。无中心网络的结构见图2 1 ，包括两种形式： 图2 1 无中心网络结构 f i g 2 - ln e ts 协l c t l l r eo fc 仃a l l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 北京化工大学硕士学位论文 基本结构：任一电台可在其无线覆盖小区内任意选址另一( 或一组) 电台直接通信； 扩展结构：有权电台可在转发台无线覆盖区内任意选址另一( 或一组) 电台转接通 信，形成小区之间部分连通网。 无中心体制最早出现于二十世纪7 0 年代末8 0 年代初的日本，也就是无中心多信 道共用个人无线电话系统，一经投入市场便以惊人的速度发展，不到3 年便突破1 0 0 万部。1 9 8 4 年5 月，日本在c c m 移动通信研究组中期会议上，提出了d o c 8 3 9 使 用无中心控制( w i t h o u tc e n 仃a lc o n t r 0 1 ) 多信道选取技术的系统的技术和工作特性课 题。1 9 8 5 年1 1 月c c i r 的末期会议，意大利也提出类似的双工无绳电话体制，但个 人无线电台尚未见其他国家提出。c c 瓜已将其纳入中期会议绿皮书，形成了第v i i i 卷的l 份课题、2 份报告等正式文件，即q 7 l 8 使用无中心控制多信道选取技术的 陆地移动系统( 包括消费类系统) 的技术和工作特性；r e p 1 0 2 4 个人无线系统； r 印1 0 2 5 无绳电话系统的技术和工作特性。1 9 9 4 年i t u r 又将这两个报告升级为 建议，即：r e c i t u r m 1 0 3 3 无绳电话和无绳电信系统的技术和工作特性； r e c h u r m 1 0 3 2 采用无中心控制器的多信道接入技术的陆地移动系统的技术和工 作特性【6 1 。 后根据电子第七研究所的分析认为该体制在中国应具有良好的发展前景，曾在国 内得到了大力推广，据统计已建无中心网的有北京、上海、天津、江苏、广东、浙江、 安徽、湖北、湖南、内蒙、辽宁、黑龙江、吉林、河北、河南、山东、陕西、青海、 四川、云南等2 0 省、市，共约4 万台。并于1 9 9 4 年制定出了无中心体制的国家标准 g b l 5 1 6 0 1 9 9 4 无中心多信道选址移动通信系统体制。 自1 9 9 5 年以来由于我国蜂窝移动通信发展极为迅速，北京、广州、上海等大城 市网已经感到频点不够分配，希望调整应用9 0 3 9 0 5 m h z 频段。经国家无委下文决定 无中心电台由9 0 3 9 0 5m h z 频段搬移至9 1 5 9 1 7 m z 新频段，中国电信出资对原有设 备进行改频，或用其它设备予以替代，或在经济上予以补偿，让出原用频段以作蜂窝 网用。从此，只有少数地区无中心选址系统改频后还在使用，多数地区因己替代或补 偿而消亡f 7 】。到了2 0 0 2 年，由于我国多个对讲机频段资源已出现饱和现象，于2 0 0 2 年1 月2 3 日信息产业部无线电管理局下达信无函 2 0 0 2 l o 号文关于9 0 0 m h z 频段 无中心多信道选址移动通信系统使用频率有关问题的通知。2 0 0 2 年5 月1 6 日国家 标准委办公室下达国标委计划 2 0 0 2 】4 1 号文关于下达2 0 0 2 年制修订国家标准项目 计划的通知及2 0 0 2 年信科函【2 0 0 2 】4 6 号文关于转发2 0 0 2 年制修订国家标准项目 计划的通知，明确了g b l 5 1 6 0 9 4 无中心多信道选址移动通信系统体制国家标 准，再次在全国范围推广无中心多信道选址移动通信系统体制。随后一系列推广性文 件和文章更进一步推动了无中心体制的蓬勃发展，特别是无委专门发函要求各地无线 电管理机构应积极引导用户使用9 0 0m h z 无中心系统，同时加强对用户设置、使用 9 0 0 瑚z 无中心系统的管理【8 1 ，到现在国内已有多家专业对讲机公司和研究所参与到 6 第二章模拟无中心与数字对讲机协议 这一体制的研发中来。 但是在目前的模拟无中心通信协议中，存在几大问题需要解决：首先是模拟语音 的质量问题，在通信系统的数字化过程中，这是首先要解决的问题，而实际上目前数 字语音已经发展得比较成熟了，国际上像舢曲e 2 0 0 0 ，c m x 6 1 8 等语音芯片都在大量 推广使用，并且成本较低，无中心通信系统的语音数字化的机会已经成熟。其次信令 系统的不完善，模拟无中心系统的信令主要依靠指令码来实现，但是其中的控制指令 和转发指令使用了同一个域，这就在需要转发控制信令时产生了矛盾，并且模拟无中 心系统的信令没有明确的划分普通用户使用的信令和监管部门使用的信令，这在应用 开发上造成了一定的混乱。 2 2 数字对讲机通信协议的历史与现状 在对讲机技术发展的3 0 多年历史中，模拟技术应用已经非常成熟，关键器件已 很可靠，能够基本满足现有客户消费群体的基本需求，可以说为多种行业的发展都作 出了巨大的贡献。但是，随着社会经济与科技的发展，许多政府部门、警察、公共安 全、公用设施、医疗、消防及一些特殊部门等对移动终端又不断提出了更加专业、安 全、稳定、健康、便捷的要求。 在二十世纪8 0 年代，国外就有人将数字技术引入对讲机行业，但主要应用于集 群调度系统，例如目前在世界范围内使用最广、用户最多的数字集群系统，欧洲的 t e t r a 【9 】系统和美国的i d e n 【l o 】系统，而针对普通对讲机的通信标准则没有受到重视。 直到2 0 0 5 年，e t s i ( t h ee u r o p e a i lt e l e c o m m u i l i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲电信标 准化组织) 相继推出了两种针对民用对讲机系统的非集群对讲机标准：d p m r ( d i 西t a l p r i v a t em 0 b i l er a d i o ) 和d m r ( d i 西t a lm o b i l er a d i o ) ，而后分别经过了数次修订已经形 成较为成熟且稳定的版本，。其信令及话音都是数字的。这两种通信协议一经推出就受 到业界的热捧，美国的m o t o l o r a 公司，日本i c o m 公司等世界领先的对讲机通信企业 迅速投入到对其的研发中来，目前已有基于这两种通信协议的产品【l l 1 2 1 问世。本文的 帧结构主要参考了d p m r 协议。 d p m r 是严格按照简化的o s l 分层模型( 见2 3 节) 设计的? 在呼叫控制层上实现 了呼叫建立，呼叫应答，呼叫终止等功能；在数据链路层上有完整的帧结构和信道编 码算法；在物理层上也有相应的设计。但是d p m r 作为一种数字对讲机通信协议与无 中心系统相比也有其局限性需要改进，首先从d p m r 的帧结构可以看到，其中并没有 包含关于信道的信息，这样一来就无法实现调度功能，同时也就缺少了相应的信令， 这是其一；其二，d p m r 的拨号方式复杂，并且与国内的无中心标准不同，其兼容性 值得研究。最后d p m r 与无中心系统不相容之处还有频点，d p m r 只有1 6 个，而无 中心系统具有1 5 8 个信道；带宽，d p m r 为6 2 5 k h z ，而目前的无中心为1 2 5 k h z ；工 北京化工大学硕士学位论文 作模式，d p m r 协议中划分了初始模式和配置模式供开发选择，而无中心系统暂时没 有这样的提法，如何应用是一个问题。 由以上关于模拟无中心和数字对讲机的特点的分析，构成了本文的技术要点，以 下的第3 ，4 ，5 章分别对这些要点进行了分析和设计，形成了较完整的数字无中心通 信协议。 2 3 分层模型 通信系统通常按照七层完整的o s i ( o p e ns y s t e m1 1 1 t e r c o 姗e c t ) 模型来描述，但是在 数字无线通信领域，由于系统业务不是特别复杂，则会将o s i 模型进行简化。在不影 响功能划分的基础上，将o s i 模型合并一些层次，使得整个系统架构更加紧凑实用、 便于开发。目前，数字无线语音通信协议栈都是根据简化后的o s l 分层模型发展丽来 的，通常划分为三个层次，自上而下分别是：呼叫控制层、数据链路层和物理层协议。 如图2 2 所示，这同时也是本文的基础研究框架。 图2 - 2 分层模型 f i g 2 - 2l a 灿吗m o d e l 第三章呼叫控制层 3 1 概述 第三章呼叫控制层 呼叫控制层即信令子系统。信令的构建是该层的主要内容，通讯设备之间任何实 际应用信息的传送总是伴随着一些控制信息的传递，它们按照既定的通讯协议工作，将 应用信息安全、可靠、高效地传送到目的地。这些信息在计算机网络中叫做协议控制 信息，而在电信网中叫做信令( s i 弘a 1 ) 。英文资料还经常使用”s i 印a l l i n g ( 信令过程) 一 词，但大部分中文技术资料只使用”信令”一词j 即”信令”既包括”s i 凹a 1 ”又包 括”s i 舯a l l i n 岔两重含义。 信令按其用途分为用户信令和局间信令两类。前者作用于用户终端设备( 如电话机) 和电话局的交换机之间，后者作用于两个用中继线连接的交换机之间。局间信令分类主 要有随路信令和共路信令，随路信令就是说信令网就附在计算机网络或是电话网络 上，不需要重新建一个网络，而共路信令则是需要重新建设一个信令网( 主要是在局端 之间1 ，例如打电话：当我们开始打电话的时候，拿起电话机时就有信号传到当地的 电信局端，一系列交换后，本局端就先在网络上发送信令，等对端收到信令后回应一 个信令同意通话，此时网络上传输信令功能就算完成了，开始传输语音信号，就可以 通话了。等电话结束的时候，同样需要通过信令来控制电路拆除。总之，信令实际上 就是一种用于控制的信号【1 3 1 。 呼叫控制层位于协议栈的最顶层，该层的主要内容是构造交换信令和建立呼叫流 程。需要完成以下一些功能： 建立呼叫，维持呼叫及终止呼叫； 单呼和组呼的发送和接收； 目标电台寻址； 支持固有业务( 迟后进入，呼叫转移等) ； 数据呼叫控制等。 3 2 信令系统设计 数字无中心系统的信令应该分为两类，一类供普通用户使用，可以满足日常应用； 另一类则专供监控部门使用，提供更加强大的控制功能。数字无中心系统所有的信令 均由一个信令p d u s i 弘a l l i n 百n f 0 构成，这是呼叫控制层和数据链路层用来交换信令 的结构。对其做不同的设置，可以构造成相应的信令，然后传送给数据链路层完成头 信息和尾信息。这个p d u 的域如下所示： 9 北京化工大学硕士学位论文 s i 印a l l i n g i n f 0 ：= s i 朗a l l i n 9 1 ) p e ； ( i ( l n m u n i c a t i o n m o d e ： c o m m u l l i c a t i o r l f o 姗a t ： c a l l e d i d ： c h 釉e l i d ； a r q ； w a r r ： s 砌，s ： 信令类型 通信模式 通信格式 被呼i d 信道号 应答选择 间隔选择 状态信息 ) 以下给出了数字无中心常用的信令及关键域的参考设置。 3 2 1 通信信令 通信信令是供用户平常通信的信令，主要包括以下一些信令： h 主呼请求信令：用于发起呼叫时的请求连接信令。 格式：头帧+ 尾帧。 关键域的参考设置： 表3 1 主呼请求信令 t a b l e3 一lc o n n e c t i o nr e ( 1 u e s ts i 印a l l i n g h ti d o + 1i d 2 + 3c m c f r e sc 1 头帧 0 0 0 1被呼号主呼号o o o0 0 0 l0 00 0 0 x x x x x x x x e t a r q w a i t双怒r e s 尾帧 0 0o l0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 注1 ：c i 中的后8 比特“x 表示主呼方搜索到的空闲信道号。 注2 ：组呼不需要被呼方回复a c k 的，此时a r q = 0 0 。 被呼应答信令( 接听) ：被呼方接听呼叫后发送的应答信令。 格式：头帧。 关键域的参考设置： 表3 - 2 被呼应答信令( 接听) t a b l e3 - 2a c k ( a c c 印t ) s i 鲫a l l i i l g l h tl d o + li d 2 + 3c mc fi 冱sc l i 头帧 l 0 0 1l 被呼号主呼号0 0 0 0 0 0 l 0 00 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 凹被呼应答信令( 拒绝) ：被呼方拒绝接听后发送的回复信令。 格式：头帧。 1 0 第三章呼叫控制层 关键域的参考设置： 表3 - 3 被呼应答信令( 拒绝) t a b l e3 3a c k ( r e j e c t ) s i 印a l l i n g i h tm 1 0 + li d 2 + 3mfr e sc i l i 头帧 i o o l l被呼号 主呼号 0 0 00 0 0 l0 00 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 卿被呼应答信令( 未接听) ：被呼方已收到呼叫请求但还没有接听或拒绝，由系统自动 反复发送来占领信道。 格式：头帧。 关键域的参考设置： 表3 4 被呼应答信令( 未接听) t a b l e3 - 4a c l q w a i t i i l 曲s i g n a l l i n g i h ti d o + 1i d 2 + 3mfr e sc i i 头帧 i o o l l 被呼号主呼号 0 0 00 0 0 l0 00 11 0 0 0 0 0 0 0 1 注：c i 中的信息域为0 0 0 0 0 0 0 1 表示被呼方已收到，但没有手动应答。 拆线信令：表示通信完全结束，让接收方返回控制信道。 格式：头帧+ 尾帧+ 头帧+ 尾帧。 关键域的参考设置： 表3 5 拆线信令 t a b l e3 - su n c o n n e c tr e q u e s ts i 龃a 1 1 i i l g h t i d o + l i d 2 十3mfr e sc i 头帧 o o l 0被呼号主呼号o o o0 0 0 10 0o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 e t a i w a i ts t a tr e s 尾帧 0 00 00 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 注：连续发送两次”头帧+ 尾帧”的结构是为了保证该信令必须被接收到，否则会导致 接收方长时间在空闲信道上挂起。 通话开始信令：用于p t t 按下时引导语音帧，该头帧发送完就可以连续发送语音 帧。 格式：头帧 关键域的参考设置： 表3 _ 6 通话开始信令 t a b l e3 - 6c o m m u n i c a t i o ns t a ns i g i l a l l i n g h ti d o + l i d 2 + 3mfr e sc 1 l 头帧 0 0 0 0被呼号 主呼号 0 0 0o o o l0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( 七) 通话结束信令：用于p t t 松开时附在最后一个语音帧之后，表示一次通信的结束。 格式：尾帧 北京化工大学硕士学位论文 关键域的参考设置： 表3 - 7 通话结束信令 t a b l e3 - 7c o n l i i l 吼i c a t i o ne i l ds i 印a l l i l l g e t a r qw a i t s t a tr e s i 尾帧 i 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0o o o o 自适应转发信令：用于当转发台发现主呼方的呼叫请求由于距离语音不能达到被 呼方时，自动转发呼叫请求。 格式：头帧+ 尾帧 关键域的参考设置： 表3 8 自适应转发信令 t a b l e3 8a u t or 印e a ts i g n a l l i n g h ti d o + 1i d 2 + 3mf r e sc 1 头帧 0 0 0 l被呼号主呼号0 0 00 0 1 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 e t 川 w a i ts t a tr e s 尾帧 o oo l0 0 0 0o 0 0 0 00 0 0 0 强制转发信令：主呼方强制要求转发台转发呼叫请求。 格式：头帧+ 尾帧 关键域的参考设置： 表3 - 9 强制转发信令 t a b l e3 9f o r c e dr e p e a ts i 印a l l i n g h t) o + 1i d 2 + 3mfr e sc 1 头帧 0 0 0 1被呼号主呼号0 0 00 0 1 10 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 e t a r q w a i ts t a tr e s 尾帧 o o0 10 0 0 00 0 0 0 0o 0 0 0 3 2 2 监管信令 监管信令仅供无线电监管部门监控使用，其他用户均不得使用，监管信令主要包 括以下一些信令： 禁发和还原信令：禁止接收方的发送功能或者还原接收方被禁止的发送功能。 格式：头帧+ 尾帧 关键域的参考设置： 表3 1 0 禁发和还原信令 t a b i e3 - l of o r b i d 臼铷1 s m i t f i n g & r e s t o r es i 伊a l l i n g h ti d o + li d 2 + 3mfr e sc 1 头帧 0 1 0 0被呼号 主呼号 0 0 00 0 0 l0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 e t a r q w a i ts t a tr e s 尾帧 0 00 0o 0 0 00 0 0 0 0o o o o 1 2 第三章呼叫控制层 禁收发信令：完全禁止接收方的收发功能。 格式：头帧+ 尾帧 关键域的参考设置： 表3 1 1 禁收发信令 t a b l e3 一l1f o r b i dr e c e i v i n g & 船啦s m i t t i n gs i g n a l l i i l g h ti d 0 + 1 i d 2 + 3mfr e sc l 头帧 0 1 0 1被呼号 主呼号 0 0 00 0 0 lo o0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 e t a r q w a i ts t a tr e s 尾帧 o oo oo o o o0 0 0 0 00 0 0 0 3 3 呼叫流程设计 3 3 1 呼叫流程 数字无中心协议的呼叫流程包括两大部分，划分的依据是电台当前所处的信道。 当电台处于控制信道上时，要完成等待呼叫、发起呼叫、搜索空闲信道等任务；当电 台处于业务信道上时，要完成回复应答、p t t 通话、拆线等任务。以两个电台为例， 呼叫流程如下所示，其中a 电台为主呼电台，b 电台为被呼电台。 a 电台在控制信道上的流程： 在控制信道待机，并定时查询r s s i 值来监听控制信道上的活动； 输入b 电台地址准备发起呼叫； 随机选择一个业务信道查询其r s s i 值； 如果r s s i 值高于阈值，则说明信道繁忙，跳转到下一个信道重复流程；如 果r s s i 值小于阈值，则说明信道空闲，继续流程； 向b 电台发送主呼请求信令，其中包含电台地址、空闲信道号等信息； 跳转到刚才查询到的空闲业务信道。 b 电台在控制信道上的流程： 在控制信道待机，并定时查询r s s i 值来监听控制信道上的活动； 收到主呼信令，解析出电台地址和空闲信道号； 如果解析出的电台地址与自己的地址不匹配则回到流程；如果解析出的电台 地址与自己的地址匹配则继续流程； 跳转到解析出的空闲业务信道。 北京化工大学硕士学位论文 图3 1a 电台和b 电台在控制信道上的交换流程 f i g 3 - 1e ) 【c h 锄g ep r o c e s so f r a d i oa & b o nm ec o n 的ld l 锄e l a 跳转到业务信道后的流程： 在业务信道上等待b 电台的回应信令； 如果没有收到b 电台的回应信令就回到流程；如果收到b 电台的回应信令则 可以准备开始通话； 按下p t t 发送通话开始信令； 说话向b 电台发送语音； 松开p t t 发送通话结束信令等待b 电台按p t t 说话或者重复流程； 要结束呼叫，发送拆线信令； 回到控制信道待机。 b 跳转到业务信道后的流程： 在业务信道上发送回应信令； 收到通话开始信令，打开s p e u 江r ； 接收语音； 1 4 第三章呼叫控制层 收到通话结束信令，关闭s p e j u 江r ； 重复a 电台的流程或继续等待接收语音重复流程； 如果收到拆线信令则跳转到控制信道待机；否则继续重复流程。 图3 2a 电台和b 电台在业务信道上的交换流程 f i g 3 2e x c h a n g ep r o c e s so f r a d i oa & bo nt l l et r a 伍cc h a 皿e l 这两个呼叫流程就构成完整的呼叫交换过程，而流程一般是基于扩展的有限状态 机来实现的，以下将使用状态机对这个呼叫流程进行基本的设计。 3 3 2 扩展的有限状态机 扩展的有限状态机源于有限状态自动机，有限状态自动机( f s m ) 是自动机的一 种，具有有限个状态和一个初始状态，输入信号为字母表，自动机收到一个字母将引 起状态转移。有限状态自动机可以定义为一个四元系统( s ，i ，e ，r ) ，其中： 北京化工大学硕士学位论文 s ：系统状态集，状态数有限； f ：系统初始状态，f s ； e ：输入字母集； r ：转移函数集，是从s 碟0 s 的映射。 有限状态自动机一般用图形来表示，圆圈表示状态，状态名位于圆圈内。带箭头 的弧线表示转移函数，与弧线关联的字母为输入字母，无箭头端与当前状态相连，箭 头端与下一状态相连。用无起点的箭头指向初始状态。 由于有限状态机的转移函数值反映了输入与状态的关系，不能表示系统的行为。 为通信系统具有有限状态机的特征，即具有有限个状态和有限的输入事件，具有一个 初始状态，输入事件引起