ＴＥＴＲＡ數字集群系統上ＭＡＣ層協議棧的開發

宋政育　孫　昕

【摘要】文章首先描述了TETRA空中接口協議棧的結構和主要功能，然后詳細闡述了上MAC協議棧的功能、工作原理及其開發過程，最后對所開發的協議棧進行了仿真和測試。仿真測試結果與《ETSI TS 100 392-2 TETRA V+D Part 2: Air Interface》協議一致。

【關鍵詞】TETRA數字集群 空中接口 上MAC層 協議棧

1 引言

集群通信系統是多信道共用的專業移動通信系統，向正在申請服務的設備或用戶自動分配信道，主要用于指揮調度等業務。它通過頻率共用緩解頻率資源緊缺的狀態，同時又通過基站集中使用、統一控制，有效地降低用戶組網費用。2000年原信息產業部推薦了TETRA和iDen兩種數字集群的標準，其中TETRA數字集群系統以其開放性好、保密性強以及頻譜利用率高等優點，在全球許多國家得到了廣泛的應用。

上MAC是TETRA數字集群移動通信系統的重要組成部分，TETRA數字集群協議棧上MAC功能的開發對TETRA數字集群通信系統國產化具有重要意義。

2 TETRA數字集群協議棧的結構

TETRA數字集群空中接口協議棧參照ISO/OSI七層模型，自下而上可分為物理層、數據鏈路層和網絡層，如圖1所示：

TETRA數字集群空中接口的第一層為物理層，負責調制和解調、收／發轉換、頻率校正、碼元同步及移動臺功率控制等。

第二層為數據鏈路層（DLL），完成從網絡層至物理層的映射，可分為媒體接入控制層（MAC）和邏輯鏈路層（LLC），其中MAC層又可分為上MAC層和下MAC層。MAC負責信道分配及物理層的數據復用，用數據原語與高層進行通信，用邏輯信道與低層進行通信。MAC實現TDMA的幀同步、交織／去交織、信道編碼、隨機接入過程、分片／重組、AACH上無線鏈路質量的RSSI（接收信號強度指示）和MER（消息刪除率）測量、支持LLC重傳過程的MER測量。在上MAC層實現控制面（C面）和用戶面（U面）的分離，用戶面的業務傳送至用戶面，而控制面的信息則傳送至協議棧。LLC負責處理多路邏輯鏈路以支持同時發生的業務，并負責數據傳送與重傳、分段／合段以及邏輯鏈路處理。DLL經三個業務接入點（SAP）與上一層進行通信，經兩個SAP與物理層進行通信。

第三層為網絡層，可分為兩個子層：較低子層稱為移動鏈路實體（MLE），負責控制較低層與無線電相關的功能；較高子層包括移動性管理（MM）、電路控制實體（CMCE）以及分組數據（PD）三部分，它們被統稱為子網接入功能（SNAF）。

空中接口各層之間通過業務接入點相互訪問，通過原語進行數據交換，對等層之間通過協議數據單元（PDU）進行數據與信息交互。

3 上MAC的主要功能及工作原理

上MAC主要具有隨機接入控制、信令分片和重組、無線信道管理和維護、保留時隙授予和管理、業務信道竊用、邏輯信道復用和解復用、第二層地址管理以及功率控制等功能。

（1）隨機接入控制

在公共控制信道（MCCH）的上行鏈路上，當多個移動臺發送信令時，可采取隨機接入或保留接入的方式。當移動臺發起初始接入時，則必須使用隨機接入的方式。

因為隨機接入采用ALOHA協議，移動臺接入的成功率與接入參數的設置密切相關，所以基站側上MAC應合理設置這些參數，通過廣播PDU將其發送給移動臺。移動臺側上MAC根據這些參數，決定何時開始進行隨機接入。通過基站和移動臺上MAC信息交互，實現上行信令的隨機接入，并保證較高的接入成功率。

（2）信令分片和重組

當上層所發送信令的長度超過一個物理時隙所能承載的長度時，上MAC需要緩存該信令，并進行分片，然后在多個時隙上利用多個MAC塊來傳輸這些分片。

當上MAC從下層接收到分片的信令時，不能直接將該信令向上層傳遞，而應在相應的信道上接收到所有的分片之后，在本層對這些分片進行重組，然后向上層傳遞重組的完整信令。由于每個信令的分片沒有序號，所以上MAC必須順序地發射或接收這些分片。如果在傳輸中有任何一個分片發生錯誤，那么就放棄這個信令傳輸過程，發送側LLC必須請求重新發送該信令。

當發送分片信令的第一個分片時，應該使用完整MAC首部（在下行鏈路上使用MAC-RESOURCE PDU，在上行鏈路上使用MAC-ACCESS或者MAC-DATA PDU）；當發送后續的分片（MAC-FRAG PDU）和最后的分片（MAC-END或者MAC-END-HU PDU）時，只需使用簡化MAC首部。

（3）無線信道管理和維護

無線信道管理和維護是上MAC的核心功能之一。上MAC負責為電路模式的呼叫分配業務信道，為分組數據業務提供PDCH信道；并且在業務和分組數據傳輸過程中維護這些信道，在完成傳輸之后釋放這些信道。

（4）保留時隙授予和管理

在隨機接入之后，當移動臺要求發送更多的信令消息時，或者當基站向移動臺發送請求移動臺側LLC進行響應的消息時（例如：基站側LLC基本鏈路和高級鏈路確認消息的發送），使用保留接入。基站側上MAC根據當前信道的時隙使用情況，授予移動臺保留時隙，并管理這些保留時隙。移動臺側上MAC就可以在這些保留時隙中向基站發送信令。在完成保留接入之后，移動臺重新返回到隨機接入狀態。

（5）業務信道竊用

如果需要在處于業務模式的信道上傳輸端到端的U面信令（例如同步和加密等）、C面信令（例如越區切換）以及MAC本層的控制信令，那么利用竊用信道（STCH）來傳輸這些信令。通常，利用STCH發送重要的、緊急的以及需要立即發送的消息。

盡管在STCH上不需要等待就可以傳輸信息，但是頻繁地竊用信道將降低業務的QoS，因此需謹慎使用STCH。對于高層的信令，通過原語中的竊用許可參數，指示是否允許竊用。對于不需要立即傳輸的信令（例如功率控制），可以在18幀的慢相關信道（SACCH）上延遲發送這些信令。

（6）邏輯信道復用和解復用

在上MAC和下MAC接口，定義了不同類型的邏輯信道，每類邏輯信道有不同的差錯控制方法和突發形成方式。通常，邏輯信道可分為業務信道（TCH）和信令信道（SCH），其中業務信道攜帶電路模式數據；信令信道攜帶控制信息，主要包括BNCH（攜帶網絡信息）、BSCH（攜帶同步信息）、BLCH（用于基站線性化）、CLCH（用于MS功放線性化）、SCH/F（攜帶雙向全時隙MAC塊控制信息）、SCH/HD（攜帶下行半時隙MAC塊控制信息）、SCH/HU（攜帶上行半時隙MAC塊控制信息）、AACH（攜帶下行ACCESS-ASSIGN PDU，占據廣播塊）以及STCH（攜帶TMA和TMB接入點的消息，占據業務信道的半時隙）。

在上行鏈路中，下MAC將接收到的數據傳送至上MAC，其邏輯信道復用的方式為SCH/HU+SCH/HU、SCH/F、STCH+STCH、STCH+TCH、TCH以及CLCH+SCH/HU。

在下行鏈路中，上MAC按時隙（MAC塊）將數據傳送至下MAC，一個時隙內的若干邏輯信道按一定的準則復用，形成突發。下行鏈路的邏輯信道復用方式為SCH/F+AACH、SCH/HD+SCH/HD+AACH、SCH/HD+BNCH+AACH、STCH+STCH+AACH、STCH+TCH+AACH、BSCH+BNCH+AACH、BSCH+SCH/HD+AACH、BLCH+SCH/HD+AACH以及BLCH+BNCH+AACH。

（7）第二層地址管理

在上MAC層中，上行鏈路和下行鏈路TMA接入點的地址使用方法不同。

在上行鏈路中，上MAC從MAC PDU中提取地址和地址類型，并將其傳送至網絡層。上MAC所使用的上行地址類型為SSI、USSI、SMI以及Event Lab。

在下行鏈路中，上MAC從TMA原語中提取地址和地址類型，并將其轉化為MAC PDU中的地址。上MAC所使用的下行地址類型為SSI、USSI、SMI、Event Lab、SSI+Event Label、SSI+Usage Marker、SMI+Event Label以及廣播地址（全1）。

（8）功率控制

功率控制分開環功率控制和閉環功率控制兩種。通過功率控制，可以降低鄰道干擾和同頻干擾。

開環功率控制由移動臺獨立完成，移動臺測量下行鏈路的信號質量和信號強度等，并根據測量結果調節上行鏈路發射功率。由于上行和下行鏈路的衰落往往是不相關的，因此這種方法并不可靠。

為了更可靠地控制移動臺的發射功率，可以采用閉環功率控制。基站可通過發送包含“功率控制”元素的MAC-RESOURCE PDU控制移動臺的發射功率。當移動臺發射信令或業務數據時，必須服從基站的功率控制命令。

4 上MAC協議棧的開發

4.1 開發工具

由于TETRA數字集群空中接口協議棧開發具有較高的復雜性，若采用純人工編碼，則會由于開發人員風格不一致，水平不相同，而導致協議棧存在較多的潛在錯誤，且調試困難。因此，必須利用軟件開發工具，通過系統工程的方法來管理協議軟件的整個開發過程，加速協議棧的開發，使生成的代碼具有較高的可靠性和較好的一致性。基于此，選用Telelogic公司的通信開發軟件Tau G2進行TETRA數字集群協議棧的開發。Tau G2將通信軟件開發中常用的SDL/MSC引入到了UML語言中，開發人員只需要通過UML建模和編寫相對較少的代碼，就可以實現一個復雜的協議棧開發。

4.2 開發流程

為了方便程序的開發、升級以及維護，首先根據上MAC的功能將其分為Transmitter和Receiver兩個模塊，分別負責數據的發送和接收。如果Transmitter和Receiver兩個模塊協同工作處理一些信令，那么需要定義一些全局變量，并使用這些全局變量進行兩個模塊之間的交互。TETRA數字集群協議只定義了空中接口部分，因此上MAC實體與LLC和下MAC通信的原語需自行定義，將原語和PDU定義為結構體，并將其作為層與層之間信號的參數來實現各層之間的通信。然后編寫PDU的編解碼函數，協議棧對等層之間通過PDU傳遞信息，上MAC要分解來自對等層的PDU，對PDU中的請求做出應答，將應答后的指令以PDU的形式發出。隨后使用圖形化的UML和SDL語言描述協議，實現協議棧的功能。最后，編寫測試用例進行協議一致性測試。圖2示出了上MAC協議棧開發的流程：

4.3 仿真測試

在完成上MAC協議棧功能開發之后，需要編寫各種測試用例，對所開發的上MAC協議棧進行協議一致性測試。由于TAU G2中含有TTCN Suite測試套件，因此利用測試語言TTCN-3設計測試用例。圖3示出了上MAC下行鏈路發送信令的仿真測試過程：

在運行該測試用例之后，圖3所示的仿真測試過程與《ETSI TS 100 392-2 TETRA V+D Part 2: Air Interface》協議的描述一致，該測試過程分為下列四個階段：

（1）第一階段：LLC向上MAC發送TMA-DATA-IN-BUFFER信號，該信號表示上層有待傳輸的信令，等待上MAC的響應；

（2）第二階段：在上MAC接收到TMA-DATA-IN-BUFFER信號之后，向LLC發送MAC-READY信號，該信號表示上MAC已經準備發送信令；

（3）第三階段：LLC向上MAC發送TMA-UNITDATA-REQ信號，該信號攜帶TMA-UNITDATA- REQ原語的所有參數；

（4）第四階段：在上MAC接收到TMA-UNITDATA-REQ信號之后，根據其攜帶的原語參數構成MAC-RESOURCE PDU，通過TMV-UNITDATA-REQ信號將該PDU發送到下MAC。

5 結束語

TETRA數字集群系統廣泛地應用于交通、消防、水利、公安、武警、法院和檢察院等特殊部門，實現TETRA數字集群系統的國產化，對保障我國的國家安全有著重要的作用。上MAC協議棧的開發對TETRA數字集群協議棧的研究與開發具有一定的參考價值，為開發我國自主知識產權的TETRA數字集群系統積累了經驗。

參考文獻

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