tetra數(shù)字集群通信系統(tǒng)簡介.doc

Tetra數(shù)字集群通信系統(tǒng)摘要：目前世界上應用最多的數(shù)字集群通信系統(tǒng)有北美的APCO P25標準、Iden標準和歐洲的Tetra標準。通過本文對Tetra標準的概念、特點、性能等諸多方面做一個系統(tǒng)介紹。1. Tetra概念、功能及特點：1.1 什么是Tetra Terrestrial Trunked Radio 地面波集群通信，簡稱Tetra，是歐洲電信標準協(xié)會(ETSI) 于1995年正式確定的一種新一代數(shù)字傳輸網(wǎng)絡無線產(chǎn)品標準，它包括了一系列已定義的開放接口、呼叫服務和協(xié)議。1.2 Tetra業(yè)務功能TETRA集成化操作控制系統(tǒng)集成了數(shù)字蜂窩、無線電移動、天繩數(shù)據(jù)和可覆蓋全國的尋呼、高質量話音、瞬間呼叫建立以及社會團體等需要的VPN(虛擬專用網(wǎng)絡)等特點。Tetra比以往的集群通信系統(tǒng)可以提供更高的頻率利用率、更穩(wěn)定的系統(tǒng)覆蓋、綜合話音及數(shù)據(jù)通信以及高速數(shù)據(jù)傳輸。Tetra業(yè)務范圍分為用戶終端業(yè)務、承載業(yè)務和補充業(yè)務。參考附錄1.1.3 Tetra特點（1） 惡劣信令條件和嘈雜環(huán)境下的高速傳輸能力。在Tetra系統(tǒng)中每個基本時隙的通信能力為7.2Kb/S，在25KHz帶寬內，總體通信速率最高可達28.8Kb/S。（2） 快速的呼叫建立能力(0.3秒以內)。GSMPCN系統(tǒng)的呼叫建立時間一般為10秒鐘。（3） 全雙工通信(兩個信道)使用方便?？梢耘cPSTN或PABX進行互連。（4） 支持慢速掃描視頻和數(shù)字圖形、圖像傳輸、電子郵件、高分辨率傳真、數(shù)字和文件發(fā)送等多種應用。（5） 具有較高的可靠性，而且增加了選擇加密方法的功能。話音、數(shù)據(jù)、信令和用戶標識等都可以根據(jù)用戶的需求進行加密。共有四種選擇：采用ETSI算法對空中接口進行加密，利用激勵應答機制進行鑒別。較高安全性的相互認證以及為重要通信所設計的端到端的加密。（6）可以實現(xiàn)終端間(包括移動通信終端之間)直接的通信。直接模式使得通信終端可以直接與覆蓋范圍內的其它終端進行通信。無線終端通過點到點的通信漣路也可以進行通信，而蜂窩移動電話系統(tǒng)則不能提供這一服務。（7）其他特點諸如基礎通信設施造價低廉，網(wǎng)絡廣播方便，可設置呼叫優(yōu)先級，自動呼叫管理和傳送控制功能等特點不再贅述。2. Tetra主要性能參數(shù)：2.1 工作頻率（1） 10MHz雙工間隔：上行鏈路下行鏈路應用380390MHz390400MHz歐洲安全部門410420MHz420430MHz歐洲450460MHz460470MHz歐洲（2） 45MHz雙工間隔：上行鏈路下行鏈路應用870888MHz915933MHz歐洲806821MHz851866MHz中國2.2 接入方式 時分多址（TDMA），每一個無線電載波無論是上行鏈路還是下行鏈路都分為4個時隙，上下形成對時隙之間在時間上錯開兩個時隙的時間差。參考附錄2.2.3 幀結構1超幀=60復幀（61.2S）；1復幀=18TDMA幀(1.02S)；1TDMA幀=4時隙(56.67mS)；1時隙=510調制比特時段(14.167mS)。2.4 調制方式 Tetra標準選擇了4 DQPSK調制方式，以適應信道間隔為25KHz的頻率劃分，在25KHz的信道上能夠傳遞36Kb/S的數(shù)據(jù)，將這種調制技術和濾波技術相結合，使發(fā)射的頻譜必須非常緊湊，鄰道干擾很小。4 DQPSK需要帶寬較窄而帶外衰減慢，非恒定包絡，需要線性功率放大器。參考附錄3.串/并變換4 DQPSK調制器RF輸出36Kb/S基帶輸入頻率合成器2.5 語音編碼和信道編碼方式 Tetra標準語音編碼使用THOMPSOM-CSF公司設計的矢量和激勵線性預測編碼器（ACELP），編碼速率4.567kbS，屬于混合編碼。參考附錄4.Tetra標準為了節(jié)約帶寬，對語音比特進行了分類：0類比特對話音基本無影響，不做保護；1類比特對話音有一定影響，稍做保護，使用卷積碼；2類比特對話音影響顯著，重點保護，使用CRC碼和卷積碼。2.6承載業(yè)務提供的用戶數(shù)據(jù)速率（kbs） 不保護的話音和數(shù)據(jù)：7.214.421.628.8 低保護度的數(shù)據(jù)：4.89.614.419.2 高保護度的數(shù)據(jù)：2.44.87.29.62.7收發(fā)特性(1) 基站發(fā)射功率：功率等級額定功率功率等級額定功率1 (40W)46dBm6 (4W)36dBm2 (25W)44dBm7 (2.5W)34dBm3 (15W)42dBm8 (1.6W)32dBm4 (10W)40dBm9 (1W)30dBm5 (6.3W)38dBm10 (0.6W)28dBm(2) 接收機接收靈敏度：定義為話音業(yè)務信道產(chǎn)生4%誤碼率時的輸入信號電平。設備靜態(tài)條件動態(tài)條件噪聲系數(shù)基站-115dBm-106dBm6.4dB移動臺（手機）-112dBm-103dBm9.4dB(3) 移動臺額定發(fā)射功率：額定發(fā)射功率等級額定發(fā)射功率145dBm(30W)1L42.5dBm(17.5W)240dBm(10W)2L37.5dBm(5.6W)335dBm(3W)3L32.5dBm(1.8W)430dBm(1W)4L27.5dBm(0.56W)(4) 移動臺發(fā)射機自動功率控制：功率控制等級功率控制標稱值145dBm(30W)240dBm(10W)335dBm(3W)430dBm(1W)525dBm(0.2W)620dBm(0.1W)715dBm(30mW)(5) 等效信噪比：在參考靈敏度電平下測試碼元能量與噪聲密度之比（Es/No）。動態(tài)條件Es/No=19dB靜態(tài)條件Es/No=10dB(6) 干擾抑制：定義為產(chǎn)生4%誤碼率時有用信號與干擾輸入信號之比。共道干擾C/Ic鄰道干擾C/Ia動態(tài)條件19dB-45dB靜態(tài)條件10dB-54dB3. Tetra網(wǎng)絡實體結構： Tetra系統(tǒng)核心：交換和管理基礎設施SwMI，包括基站、傳輸鏈路、交換機、數(shù)據(jù)庫、運行管理維護中心、網(wǎng)關及相關的控制和管理設備。 移動終端包括網(wǎng)內移動臺和網(wǎng)外工作于直通方式的移動臺，有線終端 網(wǎng)絡管理設備 其他網(wǎng)絡網(wǎng)管設備SWMI基站交換機網(wǎng)關數(shù)據(jù)庫操作維護中心網(wǎng)內移動臺有線臺PSTN/ISDN/PABX/PDN網(wǎng)外移動臺網(wǎng)管設備其他網(wǎng)絡附錄1：Tetra業(yè)務Tetra支持的用戶終端業(yè)務包括：單呼（點對點）、組呼（點對多點）、應答組呼、廣播呼叫（單向點對多點）及各種情況的明話或密話，用戶終端業(yè)務提供在用戶之間相互通信的全部能力，包括終端功能；Tetra支持的承載業(yè)務包括：分組數(shù)據(jù)、電路數(shù)據(jù)，承載業(yè)務提供在終端網(wǎng)絡接口之間的通信能力，不包括終端功能；Tetra支持的補充業(yè)務包括：專業(yè)調度類型補充業(yè)務和電話型補充業(yè)務。專業(yè)調度型補充業(yè)務包括：接入優(yōu)先、預占優(yōu)先、優(yōu)先呼叫；包容呼叫、控制轉移、遲后進入；調度臺核查的呼叫、監(jiān)聽、偵聽；區(qū)域選擇；縮位尋址；講話方識別；動態(tài)重組等。電話型補充業(yè)務包括：列表搜索呼叫、呼叫轉移、呼叫限制、呼叫報告、呼叫等待、呼叫保持、主叫/被叫識別顯示、主叫/被叫識別顯示限制、至繁忙用戶/至無應答時的呼叫完成；計費通知；呼叫保留等。附錄2：時分多址技術（TDMA）簡介多址技術就是要使眾多的客戶公用公共通信信道所采用的一種技術。實現(xiàn)多址的方法基本上有三種，即采用頻率、時間或碼元分割的多址方式，人們通常稱它們?yōu)轭l分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。在傳統(tǒng)的無線電廣播中，均采用頻分多址（FDMA ）方式，每個廣播信道都有一個頻點，如果你要收聽某一廣播信道，則必須把你的收音機調諧到這一頻點上。模擬蜂窩移動系統(tǒng)也采用了此技術，某一小區(qū)中的某一客戶呼叫占用了一個頻點，即一個信道（實際上是占用兩個，因為是雙向連接，即雙工通信），則其它呼叫就不能再占用。 在GSM中，無線路徑上是采用時分多址（TDMA）方式。每一頻點（頻道或叫載頻TRX）上可分成8個時隙，每一時隙為一個信道，因此，一個TRX最多可有8個移動客戶同時使用，見圖1所示。 圖1 頻分多址和時分多址方式 圖中所示（a為FDMA，b為TDMA）是一個方向的情況，在相反方向上必定有一組對應的頻率（FDMA）時隙（TDMA）。 1. TDMA系統(tǒng)特性： (1)每載頻多路。如前所述，TDMA系統(tǒng)形成頻率時間矩陣，在每一頻率上產(chǎn)生多個時隙，這個矩陣中的每一點都是一個信道，在基站控制分配下，可為任意一移動客戶提供電話或非話業(yè)務。(2)突發(fā)脈沖序列傳輸。移動臺信號功率的發(fā)射是不連續(xù)的，只是在規(guī)定的時隙內發(fā)射脈沖序列。(3)傳輸速率高，自適應均衡。每載頻含有時隙多，則頻率間隔寬，傳輸速率高，但數(shù)字傳輸帶來了時間色散，使時延擴展量加大，則務必采用自適應均衡技術。(4)傳輸開銷大。由于TDMA分成時隙傳輸，使得收信機在每一突發(fā)脈沖序列上都得重新獲得同步。為了把一個時隙和另一個時隙分開，保護時間也是必須的。因此，TDMA系統(tǒng)通常比FDMA系統(tǒng)需要更多的開銷。 (5) 對于新技術是開放的。例如當話音編碼算法的改進而降低比特速率時，TDMA系統(tǒng)的信道很容易重新配置以接納新技術。(6)共享設備的成本低。由于每一載頻為許多客戶提供業(yè)務，所以TDMA系統(tǒng)共享設備的每客戶平均成本與FDMA系統(tǒng)相比是大大降低了。(7)移動臺較復雜。它比FDMA系統(tǒng)移動臺完成更多的功能，需要復雜的數(shù)字信號處理。2.TDMA信道概念 GSM中的信道分為物理信道和邏輯信道，一個物理信道就為一個時隙(TS)，而邏輯信道是根據(jù)BTS與MS之間傳遞的信息種類的不同而定義的不同邏輯信道。這些邏輯信道映射到物理信道上傳送。從BTS到MS的方向稱為下行鏈路，相反的方向稱為上行鏈路。邏輯信道又分為兩大類，業(yè)務信道和控制信道。 （1）業(yè)務信道（TCH）：用于傳送編碼后的話音或客戶數(shù)據(jù)，在上行和下行信道上，點對點（BTS對一個MS，或反之）方式傳播。 （2）控制信道：用于傳送信令或同步數(shù)據(jù)。根據(jù)所需完成的功能又把控制信道定義成廣播、公共及專用三種控制信道，它們又可細分為： 廣播信道（BCH）: -頻率校正信道（FCCH）：攜帶用于校正MS頻率的消息，下行信道，點對多點（BTS對多個MS）方式傳播。 -同步信道（SCH）：攜帶MS的幀同步（TDMA幀號）和BTS的識別碼（BSIC）的信息，下行信道，點對多點方式傳播。 -廣播控制信道（BCCH）：廣播每個BTS的通用信息（小區(qū)特定信息）。下行，點對多點方式傳播。 公共控制信道（CCCH） : -尋呼信道（PCH）：用于尋呼（搜索）MS。下行，點對多點方式傳播。 -隨機接入信道（RACH）：MS通過此信道申請分配一個獨立專用控制信道（SDCCH），可作為對尋呼的響應或MS主叫登記時的接入。上行信道，點對點方式傳播。 -允許接人信道（AGCH）：用于為MS分配一個獨立專用控制信道（SDCCH）。下行信道，點對點方式傳播。 專用控制信道(DCCH)： -獨立專用控制信道（SDCCH）：用在分配TCH之前呼叫建立過程中傳送系統(tǒng)信令。例如登記和鑒權在此信道上進行。上行和下行信道，點對點方式傳播。 -慢速隨路控制信道（SACCH）：它與一個TCH或一個SDCCH相關，是一個傳送連續(xù)信息的連續(xù)數(shù)據(jù)信息，如傳送移動臺接收到的關于服務及鄰近小區(qū)的信號強度的測試報告。這對實現(xiàn)移動臺參與切換功能是必要的。它還用于MS 的功率管理和時間調整。上行和下行信道，點對點方式傳播。 -快速隨路控制信道（FACCH）：它與一個TCH相關。工作于借用模式，即在話音傳輸過程中如果突然需要以比SACCH所能處理的高得多的速度傳送信令信息，則借用20ms的話音（數(shù)據(jù)）來傳送。這一般在切換時發(fā)生。由于語音譯碼器會重復最后20ms的話音，因此這種中斷不被用戶查覺。 控制信道的配置是依據(jù)每小區(qū)（BTS）的載頻（TRX）數(shù)而定的，見圖2所示。在使用6MHz帶寬的情況下，每小區(qū)最多兩個控制信道，當某小區(qū)配置一個載頻時，僅需一個控制信道。 圖2 小區(qū)信令信道配置 3.TDMA幀結構 在TDMA中，每個載頻被定義為一個TDMA幀，相當于FDMA系統(tǒng)中的一個頻道，每幀包括8個時隙（TS0-7），要有TDMA 幀號，這是因為GSM的特性之一是客戶保密性好，是通過在發(fā)送信息前對信息進行加密實現(xiàn)的。計算加密序列的算法是以TDMA幀號為一個輸入?yún)?shù)，因此每一幀都必須有一個幀號。有了TDMA幀號，移動臺就可判斷控制信道TS0上傳送的是哪一類邏輯信道。 TDMA幀號是以3.5小時（2715648個TDMA幀）為周期循環(huán)編號的。每2715648個TDMA幀為一個超高幀，每一個超高幀又可分為2048個超幀，一個超幀持續(xù)時間為6.12s，每個超幀又是由復幀組成。復幀分為兩種類型（見圖3所示）。 圖3 幀結構圖 26幀的復幀-它包括26個TDMA幀，持續(xù)時長120ms,51個這樣的復幀組成一個超幀。這種復幀用于攜帶TCH（和SACCH加FACCH）。 51幀的復幀-它包括51個TDMA幀，持續(xù)時長306013ms。26個這樣的復幀組成一個超幀。這種復幀用于攜帶BCH和CCCH。 4突發(fā)脈沖序列（Burst） TDMA信道上一個時隙中的信息格式稱為突發(fā)脈沖序列。共有五種類型。 （1） 普通突發(fā)脈沖序列（NB）：用于攜帶TCH及除RACHA，SCH和FCCH以外的控制信道上的信息，圖4所示，“57個加密比特”是客戶數(shù)據(jù)或話音，再加“1”個比特用作借用標志。借用標志是表示此突發(fā)脈沖序列是否被FACCH信令借用?！?6個訓練比特”是一串已知比特，用于供均衡器產(chǎn)生信道模型（一種消除時間色散的方法）。 “TB”尾比特總是000幫助均衡器判斷起始位和中止位。“GP”保護間隔，8.25個比特（相當于大約30ms），是一個空白空間。由于每載頻最多8個客戶，因此必須保證各自時隙發(fā)射時不相互重迭。盡管使用了時間調整方案，但來自不同移動臺的突發(fā)脈沖序列彼此間仍會有小的滑動，因此8.25個比特的保護可使發(fā)射機在GSM建議許可范圍內上下波動。 圖4 普通突發(fā)脈沖序列 （2） 頻率校正突發(fā)脈沖序列（FB）：用于移動臺的頻率同步，它相當于一個帶頻移的未調載波。此突發(fā)脈沖序列的重復稱FCCH，見圖 5。圖中“固定比特”全部是0，使調制器發(fā)送一個未調載波?！癟B”和“GP”同普通突發(fā)脈沖序列中的“TB”和“GP”。 圖5 頻率校正突發(fā)脈沖序列 （3） 同步突發(fā)脈沖序列（SB）：用于移動臺的時間同步，它包括一個易被檢測的長同步序列并攜帶有TDMA幀號和基站識別碼（BSIC）信息。這種突發(fā)脈沖序列的重復稱為SCH，見圖6所示。 圖6 同步突發(fā)脈沖序列 （4） 接入突發(fā)脈沖序列（AB）：用于隨機接入，它有一個較長的保護間隔，這是為了適應移動臺首次接入（或切換到另一個BTS）后不知道時間提前量而設置的。移動臺可能遠離BTS，這意味著初始突發(fā)脈沖序列會遲一些到達BTS，由于第一個突發(fā)脈沖序列中沒有時間調整，為了不與下一時隙中的突發(fā)脈沖序列重疊，此突發(fā)脈沖序列必須短一些，見圖7所示。 圖7 接入突發(fā)脈沖序列 （5） 空閑突發(fā)脈沖序列（DB）：此突發(fā)脈沖序列在某些情況下由BTS發(fā)出，不攜帶任何信息。它的格式與普通突發(fā)脈沖序列相同，其中加密比特改為具有一定比恃模型的混合比特。 5.邏輯信道到物理信道的映射 談過TDMA信道、TDMA幀和突發(fā)脈沖序列之后，我們就可以談談邏輯信道映射到物理信道的方法。我們知道每小區(qū)有若干個載頻，每個載頻都有8個時隙，我們定義載頻數(shù)為C0，C1，Cn，時隙數(shù)為T30，T51，T87。 （1） 控制信道的映射 對某小區(qū)超過1個載頻時，該小區(qū)C0上的TS0就映射廣播和公共控制信道，具體映射方法見圖313。圖中所示： F（FCCH）- 移動臺依此同步頻率，它的突發(fā)脈沖序列為FB。 S（SCH）- 移動臺依此讀TDMA幀號和BSIC碼，突發(fā)脈沖序列為SB。 B（BCCH）- 移動臺依此讀有關此小區(qū)的通用信息。突發(fā)脈沖序列為NB。 I（IDEL）- 空閑幀，不包括任何信息。突發(fā)脈沖序列為DB。 C（CCCH）- 移動臺依此接受尋呼和接入，突發(fā)脈沖序列NB。 即便沒有尋呼或接入進行，BTS也總在C0上發(fā)射，用空位突發(fā)脈沖序列代之。 我們從幀的分級結構知道，51幀的復幀是用于攜帶BCH和CCCH，因此51幀的復幀中共有51個TS0，所攜帶的控制信道排列的序列如圖8下面的序列。此序列在第51個TDMA幀上映射一個空閑幀之后開始重復下一個51幀的復幀。 圖8 BCCH與CCCH在TS0上的復用 以上敘述了下行鏈路C0上的TS0的映射。對上行鏈路C0上映射的TS0是不包含上述各信道的，它只含有隨機接入信道（RACH），用于移動臺的接入，如圖9所示，它給出了51個連續(xù)TDMA幀的TS0。 圖9 TS0上RACH的復用 下行鏈路C0上的TS1用于映射專用控制信道。它是102個TDMA幀復用一次，三個空閑幀之后從D0開始，見圖10所示。 圖10 下行SDCCH和SACCH在TS1上的復用 Dx（SDCCH）- 此處移動臺X是一個正在建立呼叫或更新位置或與GSM交換系統(tǒng)參數(shù)的移動臺。Dx只在移動臺X建立呼叫時使用，在移動臺X轉到TCH上開始通話或登記完釋放后，Dx可用于其它MS。 Ax（SACCH）- 在傳輸建立階段（也可能是切換時）必須交換控制信令，如功率調整等信息，移動臺X的此類信令就是在該信道上傳送。 由于是專用信道，所以上行鏈路C0上的TSI也具有同樣的結構，即意味著對一個移動臺同時可雙向連接，但時間上有個偏移，如圖11所示。 Dx、Ax含義與下行鏈路的相同。 圖11 上行SDCCH和SACCH在TS1上的復用 某個小區(qū)僅一個載頻時，就只有8個時隙，這時的TS0即可用作公共控制信道又可用作專用控制信道，映射方法如圖12所示。102個TDMA幀重復一次，圖中僅描述了102個TDMA幀的TS0上映射的信令信息。字符含意同上述某小區(qū)多個載頻時的C0上的TS0和TS1映射字符含意。 圖12 僅有一個收發(fā)單元時控制信道在TS0上的映射 （2） 業(yè)務信道的映射 除映射控制信道以外的時隙均映射業(yè)務信道（TCH），映射方法如圖13所示。圖中僅給出了下行C0上的TS2映射構成。 圖13 TCH的復用 T（TCH）- 編碼話音或數(shù)據(jù)，用于通話。突發(fā)脈沖序列為NB。 A（SACCH）- 控制信