DMR的技術(shù)特性與協(xié)議分析

DMR的技術(shù)特性與協(xié)議分析引言數(shù)字移動無線電（DMR）標(biāo)準(zhǔn)是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）繼陸地集群無線電（TETRA）之后為專業(yè)移動無線電（PMR）專門制定的又一數(shù)字無線電標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則是在現(xiàn)有的全球已授權(quán)地面移動頻率波段所使用的12.5KHz頻道間隔中運(yùn)行。DMR協(xié)議涵蓋未授權(quán)對講（第一層TierⅠ）、授權(quán)常規(guī)（第二層TierⅡ）和授權(quán)集群（第三層TierⅢ）三種操作模式，目前DMR的熱點(diǎn)主要集中在第二層和第三層已授權(quán)類別。DMR自從2005年4月發(fā)布V版，以其簡約實(shí)用的功能和合理低廉的成本受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，是PMR領(lǐng)域最活躍的標(biāo)準(zhǔn)。為了適應(yīng)新的需求，ETSI對DMR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了多次修訂，目前最新版的標(biāo)準(zhǔn)是2013年2月發(fā)布的V2.2.1版。DMR和TETRA都是ETSI現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)，ETSI研究DMR并非要替代TETRA，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雖有重疊但各有所長、各有側(cè)重。為了客觀地理解和評價(jià)DMR這一快速發(fā)展的新標(biāo)準(zhǔn)，需要分析它的技術(shù)特點(diǎn)，以便了解其應(yīng)用和發(fā)展前景，下面的分析基于TierⅢ的集群模式?？罩薪涌谂c技術(shù)特點(diǎn)DMR空中接口標(biāo)準(zhǔn)首先規(guī)定，DMR系統(tǒng)要滿足在現(xiàn)存的陸地移動服務(wù)頻段運(yùn)行的技術(shù)要求，符合CEPT/ERC/T/R25-08（Planningcriteriaandco-ordinationoffrequenciesintheLandMobileServiceintherange29,7-921MHz）標(biāo)準(zhǔn)，從而保證與現(xiàn)存系統(tǒng)的工作頻段、信道帶寬、雙工間隔等頻譜參數(shù)完全兼容，并規(guī)定了共享物理信道的避讓協(xié)議，使得DMR系統(tǒng)能夠與模擬系統(tǒng)共享頻率資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共存平穩(wěn)過渡。因此，DMR的定位就是在兼容現(xiàn)有模擬系統(tǒng)頻譜框架下，構(gòu)建數(shù)字化的PMR系統(tǒng)，并利用數(shù)字化處理的優(yōu)勢提供盡可能豐富的功能和盡可能優(yōu)秀的性能，在此原則下規(guī)定了12.5KHz載頻帶寬、9600bps的4FSK調(diào)制方式和2時(shí)隙TDM/TDMA的物理信道結(jié)構(gòu)。信號特征無線通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)決定信道的信號特征，DMR系統(tǒng)采用4FSK調(diào)制方式，調(diào)制指數(shù)h=0.27，調(diào)制速率fb=4800Symble/s，碼元寬度T=0.21ms，信息速率fi=9600b/s。最大頻偏D=3h/2T=1944Hz標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定脈沖成形濾波器的幅頻響應(yīng)為：|F(f)|=1 |f|≤1920Hz|F(f)|=|cos(πf/1920)| 1920Hz＜|f|≤2880Hz|F(f)|=1 |f|＞2880Hz濾波器的截止頻率fC=2400Hz那么，射頻調(diào)制信號帶寬BW=2×(1944Hz+2400Hz)=8.688KHz顯然，與模擬系統(tǒng)的信號帶寬基本一致，能夠與現(xiàn)存模擬系統(tǒng)的頻譜兼容。采用4FSK具有許多有利因素，例如：可以與模擬系統(tǒng)共存；恒包絡(luò)調(diào)制信號可以使用高效的C類放大器，提高能源效率；可以使用限幅器，克服隨機(jī)噪聲和瑞利衰落導(dǎo)致的信號幅度變化，抗干擾和抗衰落能力強(qiáng)；符號速率低，避開了碼間干擾的困擾，省去了自適應(yīng)均衡的需求，不必發(fā)送訓(xùn)練序列，提高了信道利用率；調(diào)制和解調(diào)容易實(shí)現(xiàn)、具有較好的解調(diào)門限。上述優(yōu)勢使得信道機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可以充分利用現(xiàn)有技術(shù)、降低了制造成本，甚至可以直接利用模擬系統(tǒng)的信道機(jī)，有利于提升產(chǎn)品的性價(jià)比，但是，這些優(yōu)勢的獲得是有代價(jià)的，4FSK是一種頻譜效率較低的調(diào)制技術(shù)。頻譜有效性ηB=R/B，其中，R為信息速率，B為信道寬度，對于DMR系統(tǒng)，ηB=9600bps/12.5KHz=0.768bps/Hz；對于TETRA系統(tǒng)，ηB=36000bps/25000Hz=1.44bps/Hz。信道的速率是通信系統(tǒng)的根本資源，是系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力和性能的基礎(chǔ)。信道結(jié)構(gòu)DMR系統(tǒng)采用2時(shí)隙時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)把一個(gè)射頻信道分割成兩個(gè)時(shí)隙，形成了FDMA+TDM/TDMA的信道結(jié)構(gòu)，時(shí)分技術(shù)的采用為信道資源的管理和分配帶來極大的靈活性，使DMR的性能較模擬系統(tǒng)有質(zhì)的不同。圖1是集群模式連續(xù)發(fā)射下行TDM信道結(jié)構(gòu)，每個(gè)射頻信道按照30ms周期分割成時(shí)隙（TS），在前后TS的交界處各自切出一個(gè)小的時(shí)間片，組成一個(gè)周期30ms時(shí)長2.5ms的公共廣播信道（CACH）；TS的剩余部分每2個(gè)組成一個(gè)幀，分別標(biāo)號為TS1和TS2，在時(shí)間軸上順序出現(xiàn)的TS1和TS2就構(gòu)成了周期為60ms的信道1和信道2。因此，下行有3個(gè)物理信道，每個(gè)TS中心的同步和嵌入信令信道可以視作邏輯信道。圖1DMR的下行信道結(jié)構(gòu)圖2是集群模式突發(fā)發(fā)射的上行TDMA信道結(jié)構(gòu)，每個(gè)射頻信道按照30ms周期分割成時(shí)隙（TS），相鄰TS的交界處保留2.5ms用于突發(fā)建立和保護(hù)；TS的剩余部分每2個(gè)組成一個(gè)幀，分別標(biāo)號為TS1和TS2，在時(shí)間軸上順序出現(xiàn)的TS1和TS2就構(gòu)成了兩個(gè)周期為60ms的物理信道。圖2DMR的上行信道結(jié)構(gòu)上述物理信道通過邏輯規(guī)劃形成邏輯信道，DMR系統(tǒng)按邏輯信道進(jìn)行資源管理和分配，用于傳送語音、數(shù)據(jù)、信令和管理信息。集群基站控制信道（TCSS）是最重要的邏輯信道，該信道的載頻連續(xù)發(fā)射，TCSS獨(dú)占一個(gè)時(shí)隙信道，與CACH信道共同完成系統(tǒng)的管理和控制。TSCC的服務(wù)能力TSCC是DMR系統(tǒng)的集群基站（TS）與移動臺（MS）的聯(lián)絡(luò)中樞，系統(tǒng)對MS和資源的管理/控制消息，MS發(fā)出的服務(wù)請求消息，以及這些消息的交互，以及短數(shù)據(jù)服務(wù)（SDS）都要通過TCSS進(jìn)行傳送。因此，TSCC的傳輸能力和信道利用率將直接影響系統(tǒng)的用戶容量、服務(wù)等級（GoS）、功能設(shè)置、可用性、可靠性等重要系統(tǒng)指標(biāo)。圖3是TSCC的信道結(jié)構(gòu)。圖3TSCC的信道結(jié)構(gòu)每個(gè)TSCC時(shí)隙塊只有98×2=196個(gè)bit用于傳輸控制信息，信息速率為196bit/60ms=3.27Kbps。DMR的控制信息主要由CSBK、MBC兩種PDU裝載，為了保證信息可靠性，兩種PDU均采用了BPTC（196，96）的FEC編碼和16bitCRC編碼。因此，用于傳輸控制信息的有效信息率為（96-16）/60ms=1.33Kbps（TETRA系統(tǒng)的信令信息速率為4.47Kbps）。CSBK、MBC等信令PDU的有效信息只有10個(gè)字節(jié)，能夠傳送的信息量相對較少，除了組呼信令之外，大部分的信令和消息需要多個(gè)附加的PDU，進(jìn)一步降低了TSCC的信道利用率，TSCC服務(wù)能力的限制必然導(dǎo)致對DMR系統(tǒng)用戶容量和系統(tǒng)性能的影響。系統(tǒng)容量與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線通信系統(tǒng)的用戶容量受到接入信道能力、業(yè)務(wù)信道數(shù)量、資源分配原則、服務(wù)等級（GoS）需求、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等多方面因素的制約。而用戶要想獲得服務(wù)必須從接入系統(tǒng)開始，因此接入信道的能力是系統(tǒng)容量的第一瓶頸。接入信道的能力TSCC的上行信道用于MS的接入請求，接入信道采用時(shí)隙ALOHA協(xié)議，信道的接入周期為60ms，即每小時(shí)有60000次接入機(jī)會。考慮到用于系統(tǒng)管理、附加上行PDU、下行信令應(yīng)答、用戶注冊、短數(shù)據(jù)等開銷，接入信道可用的接入機(jī)會就要減少。CACH信道的AT指示TSCC上行信道能否用作接入請求。我們假設(shè)這些開銷抽取掉20%的接入機(jī)會，實(shí)際用于MS隨機(jī)接入的次數(shù)為每小時(shí)48000次。在移動通信中，一般假設(shè)接入請求消息的到達(dá)服從泊松分布，一次接入申請成功發(fā)送的概率為：P=e-G那么，接入信道的平均通過量為：S=Ge-G=-PlnP(0≤a≤1/e)式中，P為成功發(fā)送概率，S為平均吞吐率，G為信道負(fù)荷率（包含重發(fā)負(fù)荷）。已經(jīng)證明，S的最大值為1/e，約0.3678，當(dāng)超過這個(gè)值時(shí)由于沖突的劇增系統(tǒng)開始不穩(wěn)定，因此實(shí)際系統(tǒng)規(guī)劃中S不能超過這個(gè)閾值。當(dāng)S達(dá)到最大值時(shí)，碰撞概率高達(dá)63%，這就意味著大多數(shù)的接入申請都要重發(fā)1次以上才能被系統(tǒng)正確接收，必然導(dǎo)致接入延時(shí)的增加。因此，一般要求碰撞概率小于20%，計(jì)算表明相應(yīng)的吞吐率為0.1785?？紤]到4FSK調(diào)制有較好的捕獲效應(yīng)，對接入消息成功接收有大約20%的貢獻(xiàn)，信道吞吐率實(shí)際可以達(dá)到信道能力的0.1785×12=21.42%。因此，在上述假設(shè)條件下，一個(gè)TSCC信道可以支持的呼叫次數(shù)為48000×21.421%=10281.6次/小時(shí)，這就是系統(tǒng)可以承受的忙時(shí)試呼次數(shù)（假設(shè)有足夠的業(yè)務(wù)信道）。由于應(yīng)用的不同，PMR系統(tǒng)的平均忙時(shí)試呼次數(shù)會有很大的不同，一般為9~20次/小時(shí)/用戶，因此，接入一個(gè)信道支持的用戶數(shù)大約在500~1300之間。接入信道的能力是一個(gè)硬指標(biāo)，超過這個(gè)指標(biāo)，再多的業(yè)務(wù)信道都不能增加系統(tǒng)的容量。本文給出的數(shù)據(jù)是參考性數(shù)據(jù)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用情況進(jìn)行具體分析，比如，系統(tǒng)短消息需求較多，就會占用接入信道的接入能力，降低系統(tǒng)容量。DMR系統(tǒng)每個(gè)集群基站（TS）最多可以配置2個(gè)TSCC，因此，單基站系統(tǒng)不能滿足大容量用戶的需求，需要使用另外解決辦法。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因?yàn)門SCC信道的速率較低，不能承載過多的管理信息，空中協(xié)議沒有定義移動性管理消息，DMR只能是大區(qū)制系統(tǒng)。為了擴(kuò)充系統(tǒng)容量，DMR標(biāo)準(zhǔn)定義了多基站管理協(xié)議，使DMR系統(tǒng)能夠布置成一種大區(qū)制多基站的的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)為提高系統(tǒng)容量、擴(kuò)大覆蓋范圍找到一種途徑，使DMR系統(tǒng)的應(yīng)用得到擴(kuò)展。為了使MS能夠在多基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下工作，系統(tǒng)要定時(shí)向MS廣播相鄰基站的信息，如系統(tǒng)識別碼、基站色碼、TSCC參數(shù)等；通過MS的注冊或隱性注冊，登記MS的位置信息；發(fā)布基站評選時(shí)間（VoteNowAdvice）消息，觸發(fā)空閑MS進(jìn)行基站重選。DMR的多基站模式并非小區(qū)制意義上的多基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的性能與服務(wù)質(zhì)量與小區(qū)制系統(tǒng)不能同日而語，越區(qū)切換只能在MS空閑狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)，切換過程由MS自主完成，切入的基站預(yù)先不能知道有新的MS加入，無法預(yù)留資源，MS需要重新注冊，在極端情況下可能因注冊失敗而丟失網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)的功能與特性DMR是在綜合了其他第二代通信系統(tǒng)成功經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上新近研發(fā)的數(shù)字專用通信標(biāo)準(zhǔn)，基于數(shù)字化的信道和協(xié)議分層原理，通過頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、統(tǒng)計(jì)復(fù)用、邏輯復(fù)用等多種手段對現(xiàn)有PMR頻段的無線資源進(jìn)行高效管理，充分利用資源提供最大限度的服務(wù)服務(wù)能力，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的無線通信系統(tǒng)，具有模擬PMR系統(tǒng)無法比擬的功能和性能。下面將概略地介紹主要功能并簡要分析系統(tǒng)具有的優(yōu)勢和存在的局限。系統(tǒng)功能主要基礎(chǔ)服務(wù)：使用隨機(jī)接入?yún)f(xié)議和控制信道實(shí)現(xiàn)MS的接入控制和管理；使用MS注冊操作和ID對MS進(jìn)行位置管理；使用鑒權(quán)識別MS的合法性；使用UDT機(jī)制傳送短數(shù)據(jù)、擴(kuò)展地址號碼、用戶補(bǔ)充信息等數(shù)據(jù)；向MS廣播系統(tǒng)參數(shù)；MS動態(tài)功率控制。主要用戶業(yè)務(wù)組呼/單呼/全呼/廣播呼叫開放信道狀態(tài)消息/短數(shù)據(jù)分組數(shù)據(jù)遙暈/遙斃通話限時(shí)、遲后加入等補(bǔ)充業(yè)務(wù)能效高，延長手臺的使用時(shí)間；具有用戶鑒權(quán)功能，提高了系統(tǒng)的安全性；大區(qū)制覆蓋，建網(wǎng)和維護(hù)成本低；能夠提供全雙工語音通話；系統(tǒng)優(yōu)勢資源和控制的數(shù)字化使得系統(tǒng)具有很大的靈活性和擴(kuò)展空間，對系統(tǒng)性能的提高和功能配置帶來便利，下面列舉DMR系統(tǒng)的部分優(yōu)勢。兼容現(xiàn)有的頻譜管理和頻道間隔，實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡；提供多種話音功能，采用數(shù)字化聲碼器，提高了覆蓋區(qū)的邊緣話音性能；提供多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并支持IP協(xié)議；最大限度采用了成熟的技術(shù)，受專利的限制很少，降低了技術(shù)門檻和產(chǎn)品成本；完全開放的標(biāo)準(zhǔn)性和有良好的互操作性，保障產(chǎn)品具有合理的價(jià)格和廣泛的選擇空間；具有較高的能效利用率，延長MS電池的工作時(shí)間；具有用戶鑒權(quán)功能，提高了系統(tǒng)的安全性；能夠提供TDD全雙工語音通話，節(jié)省了MS的雙工器；基站覆蓋半徑大，扣除定時(shí)精度的影響，實(shí)際覆蓋半徑不小于100Km；允許采用同播方式擴(kuò)大覆蓋范圍，提高覆蓋質(zhì)量，但系統(tǒng)容量不會增加；獨(dú)特的TSCC共享/出讓/避讓協(xié)議，使得DMR可以構(gòu)成獨(dú)特的最小集群系統(tǒng)；較模擬系統(tǒng)具有豐富的終端功能和補(bǔ)充業(yè)務(wù)。局限和不足DMR利用數(shù)字調(diào)制和TDMA技術(shù)在12.5KHz帶寬的信道上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)3.6Kbps的數(shù)字信道，用于話音業(yè)務(wù)時(shí)，得益于低速聲碼器技術(shù)，能夠很好完成話音功能；用于信令信道或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，這時(shí)的衡量準(zhǔn)則就是信道的信息速率，其不足也就顯現(xiàn)出來。DMR的局限性的根源主要是受到了TSCC能力的限制，下面列舉標(biāo)準(zhǔn)中采取的一些折中和取舍以及對系統(tǒng)性能的影響。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率低，應(yīng)用受到限制；越區(qū)切換功能不完善，為減少切換頻率，基站覆蓋區(qū)域不宜過小，過大的覆蓋半徑導(dǎo)致頻率復(fù)用率的降低，使得整體頻率有效性較低，用戶密度也不能太高；采用掩碼方法按規(guī)則的ID塊分割MS群，不能有效適應(yīng)MS位置、呼叫頻率、優(yōu)先級分配等隨機(jī)分布對接入信道負(fù)載的影響，系統(tǒng)可用性保障不足；為了節(jié)約TSCC容量采用信令重發(fā)代替信令確認(rèn)（如業(yè)務(wù)信道分配信令），一定程度上降低了系統(tǒng)可靠性；受TSCC容量限制，刪減了信令消耗較高的功能，如動態(tài)重組；組呼確認(rèn)，采用應(yīng)答沖突噪聲檢測，而非逐一確認(rèn)正確的應(yīng)答信息，不能發(fā)現(xiàn)組呼成員遺漏的情況；系統(tǒng)對MS管理的時(shí)間粒度較大，導(dǎo)致通話建立時(shí)間差異較大。如MS進(jìn)行相鄰基站信號強(qiáng)度比選時(shí)，有2~10個(gè)幀周期的不可達(dá)時(shí)間，因此通話建立時(shí)間可能會增加額外的600ms延時(shí)，如果切換到鄰基站還要再增加注冊時(shí)間，如果注冊不成功通話將不能建立，因此，DMR的通話建立時(shí)間存在不確定性，甚至非正常失敗。結(jié)束語直接對講、中繼對講和中低端集群通信系統(tǒng)正處于從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)化階段，DMR標(biāo)準(zhǔn)的推出使得無線通信的最后一塊模擬領(lǐng)域有了數(shù)字化的途徑，它完全適應(yīng)現(xiàn)有PMR頻段劃分和頻率框架，使得模