TETRA无线集系统的空中接口协议分析
■李伟章撰稿、张宗军审
TETRA（Terrestrial Trunked Radio）为欧洲电信标准协会（ETSI）所制定的数字移动通信标准。由于该标准具有业务质量好、频谱利用率高、开放性、便于进行研究开发等优点，故已成为我国发展数字集移动通信系统的首选。
TETRA系统的空中接口协议包括：TETRA V＋D（语音加数据）、TETRA PDO（分组数据优化）和TETRA DMO（直通模式）三个子集，以下仅讨论V＋D空中接口协议。
一、工作频段
我国信息产业部无线电管理局己规定了数字集通信系统（包括TETRA和iDEN）的工作频段为806～821MHz和851～866MHz频段，和现有的模拟集通信系统所使用的频段是一致的。这就要求TETRA系统设备制造厂商生产符合该工作频段的TETRA系统产品，才有可能进入中国市场。
二、物理信道
在TETRA系统中，每一个无线电载波的上/下行链路各划分为4个时隙。每一时隙都被用作一个物理信道（或称为无线信道），用于承载话音/数据业务、控制信令，或两者混合进行传输。
在TETRA标准中，“物理信道”一词被用来描述上/下行无线电载波上所分配的时隙，TETRA系统每一个上/下行载波上各有4个物理信道。一次单工或半双工通话，收发方各占用一个物理信道；在两个移动台（MS）间的一次全双工通话，收发方各占用二个物理信道；一次组呼中，在一个覆盖范围内同一通话组内的所有接收MS共用一个物理信道（共用下行载波的一个时隙）。
TETRA的TDMA帧结构如图1所示，由2个子时隙构成一个时隙，4个时隙构成一个TDMA帧，帧长56.67ms；由18个TDMA帧组成一个复帧，复帧长1.02s；由60个复帧组成一个超帧，超帧长61.2s。
以V＋D方式工作时，把18帧长的复帧业务压缩在17个TDMA帧中传送，从而允许将第18个帧作为控制帧，用于承载慢速随路控制信号（SACCH）。即使在最小工作模式（没有MCCH）时，全部信道分配给业务的情况下，也会有控制信道信令。
60个复帧组成一个超帧，超帧用于长的重复帧，如加密同步。
TDMA帧每个时隙包括510个调制比特，分为上下两个子时隙，每个子时隙包括255个调制比特。
TETRA上/下行链路的超帧、复帧、帧起始点之间固定错开两个时隙。从而使单时隙工作的移动台，可以用射频收/发开关取代昂贵的双工器（多时隙工作的移动台仍需双工器）。
物理信道分为3种类型：
（1）控制物理信道（CP，Control Physical Channel）
每一个小区内必须有一个载波被定为主载波，主载波上的第一时隙中的控制信道被称为主控制信道（MCCH，Main Control Channel）。如果另外还有控制物理信道被分配在这个载波上，那么这些信道被称为辅助控制信道（SCCH，Secondary Control Channel）。
（2）业务物理信道（TP，Traffic Physical Channel）
当时隙被分配给一个或多个MS用作承载话音或电路数据业务时，该时隙即为业务物理信道。
（3）未分配物理信道（UP，Unallocated Physical Channel）。
三、逻辑信道
逻辑信道系指两方或多方通信的逻辑通信路径。它们代表无线链路上协议和协议使用者的接口。逻辑信道承载在物理信道上。
逻辑信道分为两大类。第一类是传输话音或电路数据业务的业务信道（TCH，Traffic Channel）；第二类是传输控制信令或分组数据的控制信道（CCH，Control Channel），以上两类信道还可进一步细分。各种逻辑信道如图2所示。
3.1 业务信道（TCH）
业务信道主要用来传输用户信息，根据所传送数字话音与电路数据的传输速率不同，可进一步细分为：（1）话音：速率为4.567kbit/s的ACELP编码，分为明文与加密语音通话。
（2）电路方式不保护数据：7.2kbit/s。
（3）电路方式低保护数据：4.8kbit/s。
（4）电路方式高保护数据：2.4kbit/s。
若分配一个载波的4个时隙（即4个TCH捆绑）给同一个通信用户，则最高可以提供7.2kbit/s ×4＝28.8kbit/s的数据传输速率。
3.2 控制信道（CCH）
控制信道用于传输控制信令与用户分组数据信息。控制信道分为5个子类：
（1）广播控制信道（BCCH）
广播控制信道（BCCH，Broadcast Control Channel）是单向信道，通过BCCH向所有的移动台广播常
用的系统信息。BCCH分为以下两类：
A、广播网络信道（BNCH，Broadcast Network Channel）：通过BNCH不断向MS广播系统网络的信息。
B、广播同步信道（BSCH，Broadcast Synchronization Channel）：通过BSCH向MS传送定时和同步信息。
（2）线性化信道（LCH）
TETRA的移动台发射机并不连续工作，仅在所分配的业务时隙发送射频信号（猝发），其它时间发射机则处于关闭状态。TETRA多载波（BS）除主载波发射机连续工作外，其它载波发射机可以根据占用信道的数量连续发射或断续发射（该载波发射机只在部分时隙发送射频信号）。
移动台和发信机发送线性化码的目的为启动功放的工作和通过线性化码的回授调整功放的工作点，使功放线性化。
线性化信道（LCH，Linearization Channel）分为两类：
A、公共线性化通道（CLCH）：是一个上行链路信道，为所有的MS共用，使MS的发信机功放的线性化。
其中两个主要的协议
B、线性化通道（BLCH）：是一个下行链路信道，使BS的发信机功放线性化。
（3）信令信道（SCH）
信令信道（SCH，Signalling Channel）：SCH被所有MS共享，但也可能专为单个MS或指定的MS组传输信息。
（4）接入指配信道（AACH）
接入指配信道（AACH，Access Assignment Channel）出现在所有的下行链路时隙的广播块中，指示终端用户当前占用的上/下行时隙。
（5）借用信道（STCH）
借用信道（STCH，Stealing Channel）：当需要快速传送信令时，需要临时借用部分业务信道容量来传送信令。当信道被借用时，相应的业务信息被抛弃（话音）或重发。
四、TETRA系统的V＋D空中接口协议栈
TETRA系统的V＋D空中接口协议用以规范信令和用户业务信息的无线传输格式，以解决不同制造商所生产的TETRA移动终端和TETRA系统设备之间的兼容性。
TETRA系统的V＋D空中接口协议基于开放系统互联（OSI，Open System Interconnection）分层模型。该协议只对应OSI七层模型中的下三层，较高层的功能应在用户终端中实现。
TETRA系统的V＋D空中接口协议框图如图3所示，分为三层：物理层、数据链路层和网络层。
4.1 控制平面业务和用户平面业务
TETRA空中接口协议栈在水平方向上划分成三层，而在垂直方向可以划分为一个控制平面（Control Plane）和一个用户平面（User Plane）。控制平面处理控制信息和分组业务；用户平面处理基于电路交换的话音与电路数据。
（1）控制平面业务
控制平面业务又称C平面业务，包括控制信令与分组数据。
A、移动性管理（MM，Mobility Management）：控制漫游、迁移与切换。
B、电路方式控制实体（CMCE，Circuit Mode Control Entity）：负责电路方式的呼叫控制（CC）、补充业务（SS）与短数据（SDS）。
C、分组数据（PD，Packet Data）：分为面向连接与面向无连接的网络业务。
（2）用户平面业务
用户平面业务又称U平面业务，包括电路方式话音与数据。
4.2 TETRA V＋D空中接口协议总体结构
（1）空中接口协议的分层
A、物理层
第一层为物理层，指控制信号与业务信息传输的实际物理信道。
B、数据链路层
第二层为数据链路层（DLL，Data Link Layer），该层主要用以协议的处理。DLL层包括逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）和媒体接入控制（MAC，Media Access Control）两个子层。其中的MAC子层又可进一步分成上MAC（UMAC）层和下MAC（LMAC）层。
C、网络层
第三层为网络层，该层包括电路方式控制实体（CMCE）、移动性（MM）管理、分组数据（PD）实体
和移动链路控制实体（MLE，Mobile Link Entity）。
（2）层间/模块间的通信
空中接口协议层与层之间，模块与模块之间通过原语的形式相互交互，这种交互通过服务接入点（AP，Access Point）进行。图4为带有层间接口的V＋D空中接口协议框图。
A、网络层MLE实体与二层LLC之间通过三个业务接入点TLA-SAP（用于传送控制面信令消息）、TLB-SAP（用于传送广播消息）、TLC-SAP（用于传送层管理信息）进行通信。
B、在第二层中，LLC与UMAC之间通过三个业务接入点TMA-SAP、TMB-SAP、TMC-SAP进行通信。另外，用户平面（指话音CODE
C、电路数据）与UMAC之间通过TMD-SAP进行交互。
LLC子层没有任何与TLB-SAP相关的功能，TLB-SAP、TMB-SAP之间的原语透明传送。
C、在第二层中，从UMAC层产生的各种信令与业务数据，通过各种逻辑信道在虚拟服务接入点（TMV-SAP）与LMAC进行数据交互。
D、在LMAC层与物理层之间，各逻辑信道通过TP-SAP服务接入点复用到物理信道上；层管理信息通过TPC-SAP服务接入点复用到物理信道上。
MS侧或BS侧的层间数据交换使用原语（请求、指示、响应、确认）的形式进行。设计者可按TETRA 协议制订的规则自行编写层间原语。
MS与BS同名层之间的数据交换是通过协议数据单元（PDU）进行交换的。为解决不同公司的BS与MS的兼容性，MS与BS同名层之间交换的PDU，需严格地按照TETRA协议规定进行编码。各层所产生的PDU均通过底层，层间原语对PDU透明传送。因各层的PDU需通过无线接口，为減少空中的数据流量，TETRA协议所规定的各层PDU编码非常简洁。
TETRA协议对MS侧的PDU编码作了详细的规定，而对BS侧的PDU编码未作详细规定，BS的设计
者需要根据MS侧的PDU编码规定，推测BS侧的PDU编码，给BS的设计带来一定的难度。
4.3 TETRA V＋D空中接口协议各层功能
（1）物理层
空中接口协议的第一层为物理层，该层由定时结构、无线电射频信道等组成，负责处理射频收/发、调制/
解调、TDMA、定时、收发转换、自动增益控制（AGC）、自动频率控制（AFC）、码元同步、帧同步、加扰和移动终端的功率控制等工作。
物理层的无线特性为：
调制：π/4差分四相移相键控（π/4-DQPSK）；
收发间隔：45MHz；
信道间隔：25kHz；
传输速率：36kbit/s。
（2）数据链路层
空中接口协议的第二层为数据链路层（DLL），该层又进一步分为LLC和MAC两个子层。
A、LLC子层
LLC子层的主要功能是为上层的协议数据单元（PDU）提供点对点的逻辑链路。LLC为上层提供基本链路和高级链路两种链路。基本链路在MS与BS同步后即生效；高级链路必须通过上层请求才能建立。
基本链路：用以传送一般的信令信息，分为确认模式和非确认模式两种，对长信令消息进行无序号的分片（Fragmentation），分片中是否采用帧校验序列（FCS）可选择。
高级链路：用以传送大量数据，例如分组数据。分为点对点确认模式与点对多点非确认模式两种。具有窗口机制，对长消息进行带有序号的分段（Segmentation），必须选用FCS。接收端可按照序号对分段数据进行重新排列。
LLC子层用于处理LLC链路的建立与维护，从MLE的角度来看，可以有多条LLC链路存在，由端点标识符（End-Point Identifier）来标识，每条LLC链路各处理一个特定的服务。只要移动终端与同步，两者之间即有一条默认的基本链路。除基本链路外，MLE可向LLC要求建立一条或多条高级链路。
一个移动终端可以同时建立的高级链路数目，取决于它在一帧内允许使用的时隙个数。MS在一帧内至多可以使用4个时隙，故至多可建立4条独立的高级链路。每条高级链路与一条相应的基础链路相关联，则一个MS最多有4条高级链路以及与之相关联的4条默认基础链路。当建立高级链路后，基本链路就与相应的高级链路相关联，两者使用相同的时隙，但它们的PDU类型不一样，故可以进行区分。
B、MAC子层
引入MAC子层的主要目的是解决多用户共享物理信道和降低空中干扰所形成的传输误码等问题。MAC 子层分为两大功能块：MAC-TX和MAC-RX，分别进行收发处理、信道接入控制与无线资源控制。
MAC子层的主要解决如何将多个用户的控制与业务数据进行处理，以适合在无线链路中进行传送。这些处理包括：将各种类型的信息转换成TDMA帧、TDMA帧同步、交织/去交织、信道编码、随机接入过程、分片/合片、加密、时隙借用等，并支持LLC重传过程中的误消息率（MER）测量差错保护；在接入指配信道（AACH）上测量无线链路质量的无线信号强度指示（RSSI）和MER。
MAC层分为上MAC（UMAC）层和下MAC（LMAC）层。从UMAC层产生的各种信令与业务数据，通过各种逻辑信道在虚拟业务接入点（TMV-SAP）与下MAC进行数据交互。一般说来，UMAC层的功能可用软件完成，LMAC的功能需要有硬件配合完成，故亦可认为TMV-SAP是软件与硬件的交界点。
※UMAC层
在UMAC层实现控制平面与用户平面的聚合。在相反方向上，该层则实现两者的分离，即用户业务送至用户平面；控制信息通过协议栈处理后送控制平面；UMAC层完成帧与复帧同步；逻辑信道的复用与解复用；无线通道的建立和信道分配；第二层的地址管理（上行链路的源地址和下行链路的目的地址）；LLC
长消息的分片/短消息的联合；功率控制管理；随机接入规程（争夺控制权）；授权和保留时隙（即MS不用争夺时隙，由BS为MS保留的用于传送信令信息的时隙）的使用；路损测量；终端节能操作；短时间
的数据优先级；为电路模式提供服务；按要求借用业务信道容量以发送信令信息等功能。
※LMAC层
LMAC层的主要功能为保证无线信息的可靠传送。该层主要完成交织/解交织；FEC编码；2/3多码率兼容的删除卷积编码（RCPC，Rate Compatible Puncture Convolution）；16位循环校正（CRC）编码；使用与选定TDMA时隙匹配的物理层突发传输PDU；报告与异常事件有关的PDU传送；信号强度测试等功能。
C、DLL层的信息交换
图5为某个移动台在数据链路层（DLL）进行对等信息交换的详图。信息流的路径起始于控制平面（C 平面）MLE与LLC子层之间的TLA-SAP和TLB-SAP，通过LLC与UMAC子层之间的TMA-SAP和TMB-SAP进入UMAC子层。用户平面（U平面）的信息直接通过TMD-SAP进入UMAC子层。包含业务与信令、系统广播的各种信息，通过TMV-SAP服务原语，信息被放到适当的逻辑信道中，并经LMAC层的保护处理（信道编码、交织等）传送到物理层所分配的时隙中。
层管理信息流从TLC-SAP经LLC和MAC，最后进入物理层。
图5中亦表示了在MS侧建立4条LLC链路的一个例子，每个移动终端支持LLC链路数不作规定，但最多支
持4条链路。由该例所示的UMAC层复帧结构可见：
※第1帧
该帧的时隙1被来自U平面的用户业务信息所占用，该业务时隙同时被LLC链路所借用，用于传送信令信息。上述信息对应TMV-SAP中的业务信道（TCH）与借用信道（STCH）
从LLC链路2传来的信令信息，在第3时隙的上行链路进入信令信道（SCH）。
※第2帧
在第1帧中未完成传送的用户业务信息，占用该帧的时隙1继续传送；链路4在该帧的时隙3、4上，建立高级链路，用以提高数据的吞吐量。
※第3帧
在第2帧中未完成传送的数据信息，占用该帧的时隙3、4继续传送。
※第4帧
广播网络信道（BNCH）占用该帧时隙1的下行链路，向MS广播系统网络信息；广播同步信道（BSCH）
占用该帧时隙2的下行链路，向MS广播定时与同步信息。
在TMV-SAP中，列出了上述通信交换过程中所用到的不同逻辑信道，在LMAC层中，对各种逻辑信道都要进行特定的信道编码，并经TP-SAP进入对应的物理信道
（3）网络层
空中接口协议的第三层为网络层，该层仅用于控制平面，负责网络过程。网络层分为两个子层，上子层由MM、CMCE、PD组成，统称为子网接入功能（SNAFs）。下子层为移动链路实体（MLE）。
A、移动链路实体（MLE）子层
MLE子层位于网络层的下面一个子层，负责MS到BS之间链路的建立与维护。MLE子层同时具有高层汇聚功能，为第三层实体提供一个访问第二层实体服务的统一平台。该子层的主要功能有：※附着管理：包括监视与扫描服务、当前服务小区与相邻小区的管理、监控当前服务小区质量、管理小区的更新和漫游等。
※数据传输：根据上层模块的要求，选择LLC合适的基本链路或高级链路作为承载链路，并进行路由选择。将上层的业务和LLC层相应的质量的链路对应起来，控制通信的允许或禁止。
※网络广播：在网络侧生成广播信息，在移动台侧接收与分析广播信息。
B、CMCE实体

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