基于TETRA II代調(diào)制自適應(yīng)技術(shù)的高性能數(shù)據(jù)傳輸研究

劉洋，王凱，潘鴦鴦，陳代焱

（海能達(dá)通信股份有限公司，廣東 深圳 518057）

1 引言

不久前海能達(dá)公司發(fā)布了基于最新TETRA II代標(biāo)準(zhǔn)的基站產(chǎn)品（如圖1所示），該產(chǎn)品使專網(wǎng)通信的無線電頻譜效率和空口傳輸速度達(dá)到了前所未有的新水平。文章結(jié)合TETRA II代標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)制解調(diào)原理，嘗試解讀TETRA II代產(chǎn)品的優(yōu)異特性，并通過搭建實際應(yīng)用環(huán)境驗證其數(shù)據(jù)傳輸速率。

2 調(diào)制解調(diào)原理

HyteraTETRA II代基站采用正交相移鍵控（QPSK，Quadrature Phase Shift Keying）[1]和正交振幅調(diào)制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）[2]2種調(diào)制自適應(yīng)的方法，在保證語音質(zhì)量的同時，盡可能提高系統(tǒng)的吞吐量和數(shù)據(jù)傳輸速率。下面針對這2種方法的基本原理進(jìn)行介紹。

圖1 HyteraTETRA II代基站產(chǎn)品

2.1 正交相移鍵控（QPSK）

正交相移鍵控（QPSK）利用載波的多種不同相位狀態(tài)來表征數(shù)字信息，是一種抗干擾性強、頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式，分為絕對調(diào)相和相對調(diào)相這2種。考慮到絕對調(diào)相存在著相位模糊的問題，目前更多采用的是相對調(diào)相。多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（MPSK，Multiple Phase Shift Keying）是在QPSK基礎(chǔ)上演變而來，其中“M”代表m個不同的相位，通常m=4,8,16,32，m值越大代表著每個特定相位的載波所攜帶的信息量越大。鑒于相位的增多會減小特定相位的離散點之間的相對距離，從而導(dǎo)致誤碼率的增加以及對硬件的更高要求，因此綜合考慮通常只使用4PSK和8PSK這2種調(diào)制方式。

2.2 正交振幅調(diào)制（QAM）

正交振幅調(diào)制（QAM）是一種將兩路不同調(diào)幅信號匯合到同一信道的調(diào)制方式，一路為I信號，一路為Q信號，I、Q信號頻率相同，相位相差90°，即相互正交。兩路信號在調(diào)制階段混合后發(fā)射，在解調(diào)階段兩路信號被分離，攜帶的數(shù)據(jù)信息被分別提取后與原始調(diào)制信息混合[3]。由于該兩路已調(diào)信號的頻譜在同一帶寬內(nèi)具有正交性，因此在信號傳輸過程中不會相互干擾。該調(diào)制方式通常有4QAM、16QAM和64QAM等，其中“4,16,64”代表信號空間矢量端點的數(shù)量[4]。如圖2分別為QPSK、4QAM、16QAM、64QAM的星座圖，圖中端點數(shù)越多頻譜的利用率越高，每個符號所攜帶的比特信息越多，在相同的帶寬和信道質(zhì)量情況下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾试娇欤鄳?yīng)的誤碼率也會增加[5]。由于兩路信號的幅度相等，因此4QAM的調(diào)制性能與4PSK相同。

圖2 QAM與QPSK星座圖

2.3 QAM與QPSK性能對比

QAM相對于QPSK具有更好的頻譜利用率，能夠提高系統(tǒng)容量，即數(shù)據(jù)傳輸速率，但QAM的抗干擾性比QPSK差，在無線信道質(zhì)量較差的情況下，采用QPSK的調(diào)制方式比采用QAM具有更好的通話質(zhì)量。HyteraTETRA I代基站采用的是QPSK的調(diào)制方式，而TETRA II代基站采用的是自適應(yīng)的調(diào)制方式，能根據(jù)無線信道質(zhì)量的好壞自動進(jìn)行調(diào)制方式的切換。相比于TETRA I代基站，在保證了良好的通話質(zhì)量的同時，數(shù)據(jù)傳輸速率得到有效提升。

3 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)

自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)是TETRA II代產(chǎn)品為同時提高空口傳輸速率和空口傳輸質(zhì)量而采用的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)簡介

HyteraTETRA II代產(chǎn)品圍繞自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了諸多改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下9個方面[6-7]：

（1）多載波調(diào)制TDMA相結(jié)合。

（2）根據(jù)傳播條件自適應(yīng)選擇調(diào)制方式和編碼方式。

（3）調(diào)制方式主要有如下選擇：在網(wǎng)絡(luò)邊緣區(qū)域有效連接處采用4QAM調(diào)制方式；中等速率數(shù)據(jù)采用16QAM調(diào)制方式；高速率數(shù)據(jù)采用64QAM調(diào)制方式；一般控制信道采用π/4-DQPSK調(diào)制方式。

（4）優(yōu)化TETRA原版本中的信道編碼方案。

（5）采用4種載波信道帶寬：25kHz、50kHz、100kHz和150kHz。

（6）25kHz、50kHz載波信道采用全時隙14.176ms的低量化級調(diào)制方式；100KHz、150KHz載波信道采用半時隙7.08ms的高量化級調(diào)制方式。

（7）每一個QAM載波在基帶處由一系列子載波構(gòu)成（例如以2.7kHz將信道隔開，25kHz對應(yīng)8個子載波）。

（8）預(yù)期的用戶數(shù)據(jù)比特率范圍為30kbps～400kbps。

（9）修改了TETRA V+D高層協(xié)議。

TETRA II代產(chǎn)品根據(jù)用戶數(shù)及實際數(shù)據(jù)應(yīng)用需求靈活選擇可變的數(shù)據(jù)速率和信道帶寬，在數(shù)據(jù)速率、頻譜和覆蓋范圍三者之間進(jìn)行相應(yīng)的選擇，而且調(diào)制方式也能夠根據(jù)無線傳輸條件自適應(yīng)的改變；使用改進(jìn)的調(diào)制方式和增加的信道帶寬，對不同的數(shù)據(jù)速率和不同帶寬的信道采取不同的調(diào)制方式，可提供高達(dá)500kbps的數(shù)據(jù)吞吐量。更高數(shù)據(jù)速率和對新業(yè)務(wù)的支持，使TETRA網(wǎng)絡(luò)向?qū)拵А⒍喙δ軘?shù)據(jù)傳輸方向發(fā)展。

3.2 自適應(yīng)調(diào)制算法

自適應(yīng)調(diào)制算法的核心為鏈路自適應(yīng)算法，由MAC層評估鏈路的當(dāng)前狀態(tài)。在發(fā)送TM-SDU（一種數(shù)據(jù)報文）時，基站（以下簡寫為“BS”）或移動臺（以下簡寫為“MS”）的MAC層會基于以下條件自適應(yīng)地選擇合適的調(diào)制方式[8]：

◆當(dāng)前的鏈路條件；

◆LLC層發(fā)送數(shù)據(jù)所聲明的數(shù)據(jù)類型。

“數(shù)據(jù)類型”參數(shù)不僅注明了TM-SDU的數(shù)據(jù)類型，同時包含了傳輸所要求的可靠性級別信息。4種主要的數(shù)據(jù)類型及其可靠性級別說明如下（可靠性級別數(shù)字越大其可靠性越高）：

◆背景類數(shù)據(jù)：可靠性1級（可升高至2級或3級）；

◆遙測類數(shù)據(jù)：可靠性1級（可升高至2級或3級）；

◆實時類數(shù)據(jù)：可靠性3級；

◆非機密數(shù)據(jù)（即TM-SDU不包含分組數(shù)據(jù)）：可靠性1級（可升高至2級或3級）。

對于沒有分類的報文數(shù)據(jù)，可根據(jù)報文的類型確定其傳輸?shù)目煽啃运健＠缁炬溌飞习l(fā)送的確認(rèn)信息報文都應(yīng)使用高可靠性發(fā)送。特殊地，對于背景類數(shù)據(jù)或遙測類數(shù)據(jù)，初始可靠性級別為1級，如果發(fā)送失敗，則可靠性級別隨著重發(fā)次數(shù)的增加而升高，直到最高級別：（1）先使用可靠性水平1傳輸?shù)谝粋€或多個高級鏈路段（后者多用于更高吞吐量場景）；（2）如果失敗，使用可靠性水平2傳輸下一個或多個需重傳的段；（3）當(dāng)發(fā)送失敗的次數(shù)超過預(yù)定的重傳最大次數(shù)或當(dāng)重新發(fā)送的次數(shù)超過預(yù)定的重傳最大次數(shù)時，可靠性水平調(diào)整至最高級別3傳輸。

MAC層還可以根據(jù)當(dāng)前信道條件的變化，采用更復(fù)雜的鏈路自適應(yīng)算法，以使某些類型的數(shù)據(jù)得到更好的傳輸性能。為判斷當(dāng)前信道條件的變化情況，MAC層采用了如下技術(shù)[9-10]：

（1）鏈路自適應(yīng)的反饋機制

在該反饋機制中，有下述2種類型層二信令：

◆L2-LINK-FEEDBACK-CONTROL信令，用于BS向MS請求鏈路自適應(yīng)反饋消息，即BS要求MS向它反饋的命令信令；

◆L2-LINK-FEEDBACK-INFO信令，用于BS發(fā)送鏈路自適應(yīng)反饋消息到MS，或者M(jìn)S發(fā)送鏈路自適應(yīng)反饋消息到BS。

從BS處收到的L2-LINK-FEEDBACK-INFO反饋信息可以幫助MS選擇合適的位速率進(jìn)行傳輸。至于詳細(xì)的反饋信息，則有可能是傳輸時所傾向的調(diào)制級別（modulation level）以及QAM編碼率，或者是上行鏈路上的信噪比評估數(shù)據(jù)和信道模型及速度評估數(shù)據(jù)。

同樣，從M S處收到的L 2-L I N K-F E E D B A C KINFO消息也可以幫助BS使用合適的傳輸速率，以使BS更好地和MS通訊。

（2）提供鏈路性能信息

基于確認(rèn)報文中的段發(fā)送成功或失敗信息，LLC可以向MAC層提供自身層鏈路的性能信息，以此得出上層（MAC層）的鏈路性能情況。

（3）測量反向信道

MS可以測量下行鏈路信道。例如下行鏈路傳輸不同比特率時的時隙錯誤率或接收信噪比，兩者也可同時測量。當(dāng)測量下行鏈路信道時，MS可以使用任何下行鏈路時隙的信道。基于這些信息，結(jié)合BS鏈路不對稱信息和MS校正因子，可以讓MS做出上行時隙錯誤率的粗略估計。類似地，BS也可以測量MS所使用的上行鏈路時隙。

（4）針對不同數(shù)據(jù)類型預(yù)定義不同的位速率

預(yù)定義的位速率，可以被用做默認(rèn)值，也可以被廣泛地用做對應(yīng)數(shù)據(jù)類型的傳輸位速率。

4 測試環(huán)境配置

為實際檢測TETRA I代與TETRA II代TEDS數(shù)傳在性能上的差異，搭建了一套測試系統(tǒng)以獲得實驗數(shù)據(jù)。以下為測試環(huán)境的搭建和測試過程。需要注明的是，不同廠家的終端性能表現(xiàn)有差異，且不同類型的應(yīng)用程序?qū)W(wǎng)絡(luò)的利用率也有差異，會影響結(jié)果。本例僅作為不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的比較參考。

4.1 測試設(shè)備

一臺計算機PC A運行tftpd32作為tftp文件傳輸客戶端，操作系統(tǒng)為Windows XP，同時運行Wireshark對撥號連接抓包統(tǒng)計帶寬。須注意由于Windows系統(tǒng)的限制，Wireshark不能在Windows XP以上版本的操作系統(tǒng)中訪問PPP撥號連接。

一臺支持?jǐn)?shù)傳功能的TETRA終端，并配置適當(dāng)?shù)倪B接線纜與PC A連接。

一臺三層交換機作為核心網(wǎng)絡(luò)。Hytera R5 TETRA基站通過IP分組數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)連接核心網(wǎng)。由于系統(tǒng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)功能模塊需要接入不同的外部網(wǎng)絡(luò)。例如TETRA語音功能模塊需要連接到核心交換機；分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)需要接入到用戶的網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用程序接口需要連接到調(diào)度臺所在工作區(qū)，電話網(wǎng)關(guān)需要連接到PSTN/PABX電話交換機等。為了避免相互影響，防范入侵，確保網(wǎng)絡(luò)安全，這些模塊的數(shù)據(jù)流量被劃分到不同的VLAN中。因此網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備須支持IEEE 801.1Q標(biāo)準(zhǔn)。

一臺Hytera R5基站，Hytera TETRA系統(tǒng)采用純軟交換技術(shù)架構(gòu)。支持彈性靈活的部署模式，可伸縮性極佳。系統(tǒng)中的軟件組件分為基站節(jié)點（BSN）和交換控制節(jié)點（SCN）。當(dāng)在電信級服務(wù)器上部署交換控制節(jié)點功能（SCF），而基站僅部署基站節(jié)點功能（BSF）時，即為集中式，該模式支持最大限度的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。當(dāng)在基站上同時部署SCF和BSF時，即為分布式，該模式緊湊靈活，僅需一臺基站即可令系統(tǒng)投入工作。本測試亦僅用1臺基站。

一臺計算機PC B運行tftpd32作為tftp文件傳輸服務(wù)器端，原理圖如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)傳輸速率測試原理圖

4.2 網(wǎng)絡(luò)連接說明

數(shù)傳終端與計算機接口類型一般為USB接口，在計算機上顯示為串口設(shè)備，需要為該串口設(shè)備配置Modem驅(qū)動，并通過Modem建立PPP撥號連接。撥號連接客戶可以將獲得的IP地址配置為：1）系統(tǒng)動態(tài)指派；2）靜態(tài)地址綁定；3）DHCP。

三層交換機上還需為撥號連接客戶的IP地址段配置路由信息。可以配置為：1）靜態(tài)路由配置；2）OSPF動態(tài)路由。基站和PC B的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)均設(shè)為所在VLAN的接口地址。

在Hytera TETRA系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)為數(shù)傳用戶路由分組數(shù)據(jù)的軟件組件稱為APG。APG綁定在指定網(wǎng)卡上，并且為數(shù)據(jù)包打上了指定的VLAN標(biāo)簽。因此APG就像路由器一樣，將數(shù)傳用戶和用戶的專網(wǎng)連接起來。利用VLAN從根本上隔離隸屬于不同組織機構(gòu)的用戶，確保信息傳輸?shù)陌踩煽俊?/p>

4.3 測試步驟

分組數(shù)據(jù)傳輸測試步驟如下：

（1）在PC B上準(zhǔn)備若干待傳輸?shù)奈募鐖D片、地圖文件等，啟動tftpd32，選擇Server模式，等待客戶端連接；

（2）在PC A上連接預(yù)先配置好的PPP撥號連接；

（3）在PC A上啟動tftpd32，選擇tftp client模式，輸入服務(wù)器上的文件名，開始傳輸文件；

（4）在PC A上啟動Wireshark，選擇抓包設(shè)備為WAN PPP撥號連接，設(shè)置過濾條件，僅顯示與統(tǒng)計來自服務(wù)器端的數(shù)據(jù)包，因為客戶端還有其他業(yè)務(wù)流量，不能準(zhǔn)確反映單一方向單一應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷，因此會對測試結(jié)果造成干擾，該統(tǒng)計值指示數(shù)傳最大可用傳輸帶寬；

（5）在PC B上可以讀出tftp傳輸速率，該速率指示應(yīng)用層的傳輸速率。

5 測試結(jié)果分析

在相同的測試環(huán)境下，只改變HyteraTETRA I代和HyteraTETRA II代基站的調(diào)制方式，通過Wireshark軟件分別實時監(jiān)控不同調(diào)制方式下的數(shù)據(jù)傳輸速率。如圖4所示，分別為TETRA I代基站采用帶寬為25kHz的QPSK調(diào)制、TETRA II代基站采用帶寬為25kHz的QPSK調(diào)制、TETRA II代基站采用帶寬為25kHz的QAM調(diào)制、TETRA II代基站采用帶寬為50kHz的QAM調(diào)制。

圖4 不同調(diào)制方式平均速率測試結(jié)果圖

同時，利用Wireshark的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，可以查詢采用不同調(diào)制方式時數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄俾剩绫?所示：

表1 調(diào)制方式與數(shù)據(jù)傳輸速率關(guān)系表

綜上可知，在無線信道質(zhì)量良好的情況下，H y t e r a T E T R A I I代基站的數(shù)據(jù)傳輸速率較之HyteraTETRA I代提高了近6倍，一個15M左右的文件在HyteraTETRA II代基站上傳輸所需要的時間大約240s。就產(chǎn)品開發(fā)而言，這不僅僅只是性能的提升，在功能層面，HyteraTETRA II代基站實現(xiàn)了圖片和低分辨率視頻傳輸，極大地豐富了不同領(lǐng)域用戶需求的選擇性。

6 結(jié)論

TETRA II代產(chǎn)品相對于TETRA I代在演進(jìn)到更高調(diào)制技術(shù)的同時，采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，能夠在較差的通信環(huán)境下保持2種調(diào)制技術(shù)可用，使數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸質(zhì)量都有了顯著提高，可以很好地滿足專網(wǎng)用戶在較高速率數(shù)據(jù)傳輸、圖片及低分辨率視頻傳輸方面的需求；其64 QAM調(diào)制解調(diào)方式更是使空口頻譜效率達(dá)到了與LTE一樣的水平，是對未來寬帶專網(wǎng)技術(shù)的積極探索。特別是在當(dāng)前寬帶專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)難以迅速取得全球性共識的背景下，TETRA II代產(chǎn)品以其平滑的過渡方案和增強的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠滿足當(dāng)前專網(wǎng)用戶主流的數(shù)據(jù)傳輸需求。

[1]王德嘉. QPSK調(diào)制技術(shù)的研究[J]. 重慶工商大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2007(6): 597-599.

[2]楊輝媛,李云紅,涂成軍. QAM調(diào)制技術(shù)及其MATLAB仿真[J]. 微計算機信息, 2010(13): 181-183.

[3]尹長川,樂光新. 多載波與單載波QAM傳輸系統(tǒng)性能比較[J]. 通信學(xué)報, 1997(10): 80-85.

[4]王婷婷,龔曉峰. 基于星座圖的PSK、QAM信號聯(lián)合識別算法應(yīng)用[J]. 計算機應(yīng)用研究, 2015(7): 2116-2118.

[5]郭志勇. π/4QPSK調(diào)制原理分析[J]. 信息工程大學(xué)學(xué)報, 2006(3): 254-256.

[6]劉超群. OFDM自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)綜述[J]. 電子世界,2013(12): 10-11.

[7]葛躍田. 自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)及其在移動通信中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2004(2): 34-36.

[8]ETSI. ETSI TR 102 580 V1.1.1 (2007-10), TETRA Enhanced Data Service (TEDS)[S]. 2007: 123-127.

[9]單超,張邦寧. 自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)[J]. 軍事通信技術(shù),2005(1).

[10]楊迎新,宋桂景,賈岳. 自適應(yīng)OFDM調(diào)制解調(diào)[J]. 無線電工程, 2007(1): 17-20.