ＴＥＴＲＡ数字集群系统上ＭＡＣ层协议栈的开发

宋政育　孙　昕

【摘要】文章首先描述了TETRA空中接口协议栈的结构和主要功能，然后详细阐述了上MAC协议栈的功能、工作原理及其开发过程，最后对所开发的协议栈进行了仿真和测试。仿真测试结果与《ETSI TS 100 392-2 TETRA V+D Part 2: Air Interface》协议一致。

【关键词】TETRA数字集群 空中接口 上MAC层 协议栈

1 引言

集群通信系统是多信道共用的专业移动通信系统，向正在申请服务的设备或用户自动分配信道，主要用于指挥调度等业务。它通过频率共用缓解频率资源紧缺的状态，同时又通过基站集中使用、统一控制，有效地降低用户组网费用。2000年原信息产业部推荐了TETRA和iDen两种数字集群的标准，其中TETRA数字集群系统以其开放性好、保密性强以及频谱利用率高等优点，在全球许多国家得到了广泛的应用。

上MAC是TETRA数字集群移动通信系统的重要组成部分，TETRA数字集群协议栈上MAC功能的开发对TETRA数字集群通信系统国产化具有重要意义。

2 TETRA数字集群协议栈的结构

TETRA数字集群空中接口协议栈参照ISO/OSI七层模型，自下而上可分为物理层、数据链路层和网络层，如图1所示：

TETRA数字集群空中接口的第一层为物理层，负责调制和解调、收／发转换、频率校正、码元同步及移动台功率控制等。

第二层为数据链路层（DLL），完成从网络层至物理层的映射，可分为媒体接入控制层（MAC）和逻辑链路层（LLC），其中MAC层又可分为上MAC层和下MAC层。MAC负责信道分配及物理层的数据复用，用数据原语与高层进行通信，用逻辑信道与低层进行通信。MAC实现TDMA的帧同步、交织／去交织、信道编码、随机接入过程、分片／重组、AACH上无线链路质量的RSSI（接收信号强度指示）和MER（消息删除率）测量、支持LLC重传过程的MER测量。在上MAC层实现控制面（C面）和用户面（U面）的分离，用户面的业务传送至用户面，而控制面的信息则传送至协议栈。LLC负责处理多路逻辑链路以支持同时发生的业务，并负责数据传送与重传、分段／合段以及逻辑链路处理。DLL经三个业务接入点（SAP）与上一层进行通信，经两个SAP与物理层进行通信。

第三层为网络层，可分为两个子层：较低子层称为移动链路实体（MLE），负责控制较低层与无线电相关的功能；较高子层包括移动性管理（MM）、电路控制实体（CMCE）以及分组数据（PD）三部分，它们被统称为子网接入功能（SNAF）。

空中接口各层之间通过业务接入点相互访问，通过原语进行数据交换，对等层之间通过协议数据单元（PDU）进行数据与信息交互。

3 上MAC的主要功能及工作原理

上MAC主要具有随机接入控制、信令分片和重组、无线信道管理和维护、保留时隙授予和管理、业务信道窃用、逻辑信道复用和解复用、第二层地址管理以及功率控制等功能。

（1）随机接入控制

在公共控制信道（MCCH）的上行链路上，当多个移动台发送信令时，可采取随机接入或保留接入的方式。当移动台发起初始接入时，则必须使用随机接入的方式。

因为随机接入采用ALOHA协议，移动台接入的成功率与接入参数的设置密切相关，所以基站侧上MAC应合理设置这些参数，通过广播PDU将其发送给移动台。移动台侧上MAC根据这些参数，决定何时开始进行随机接入。通过基站和移动台上MAC信息交互，实现上行信令的随机接入，并保证较高的接入成功率。

（2）信令分片和重组

当上层所发送信令的长度超过一个物理时隙所能承载的长度时，上MAC需要缓存该信令，并进行分片，然后在多个时隙上利用多个MAC块来传输这些分片。

当上MAC从下层接收到分片的信令时，不能直接将该信令向上层传递，而应在相应的信道上接收到所有的分片之后，在本层对这些分片进行重组，然后向上层传递重组的完整信令。由于每个信令的分片没有序号，所以上MAC必须顺序地发射或接收这些分片。如果在传输中有任何一个分片发生错误，那么就放弃这个信令传输过程，发送侧LLC必须请求重新发送该信令。

当发送分片信令的第一个分片时，应该使用完整MAC首部（在下行链路上使用MAC-RESOURCE PDU，在上行链路上使用MAC-ACCESS或者MAC-DATA PDU）；当发送后续的分片（MAC-FRAG PDU）和最后的分片（MAC-END或者MAC-END-HU PDU）时，只需使用简化MAC首部。

（3）无线信道管理和维护

无线信道管理和维护是上MAC的核心功能之一。上MAC负责为电路模式的呼叫分配业务信道，为分组数据业务提供PDCH信道；并且在业务和分组数据传输过程中维护这些信道，在完成传输之后释放这些信道。

（4）保留时隙授予和管理

在随机接入之后，当移动台要求发送更多的信令消息时，或者当基站向移动台发送请求移动台侧LLC进行响应的消息时（例如：基站侧LLC基本链路和高级链路确认消息的发送），使用保留接入。基站侧上MAC根据当前信道的时隙使用情况，授予移动台保留时隙，并管理这些保留时隙。移动台侧上MAC就可以在这些保留时隙中向基站发送信令。在完成保留接入之后，移动台重新返回到随机接入状态。

（5）业务信道窃用

如果需要在处于业务模式的信道上传输端到端的U面信令（例如同步和加密等）、C面信令（例如越区切换）以及MAC本层的控制信令，那么利用窃用信道（STCH）来传输这些信令。通常，利用STCH发送重要的、紧急的以及需要立即发送的消息。

尽管在STCH上不需要等待就可以传输信息，但是频繁地窃用信道将降低业务的QoS，因此需谨慎使用STCH。对于高层的信令，通过原语中的窃用许可参数，指示是否允许窃用。对于不需要立即传输的信令（例如功率控制），可以在18帧的慢相关信道（SACCH）上延迟发送这些信令。

（6）逻辑信道复用和解复用

在上MAC和下MAC接口，定义了不同类型的逻辑信道，每类逻辑信道有不同的差错控制方法和突发形成方式。通常，逻辑信道可分为业务信道（TCH）和信令信道（SCH），其中业务信道携带电路模式数据；信令信道携带控制信息，主要包括BNCH（携带网络信息）、BSCH（携带同步信息）、BLCH（用于基站线性化）、CLCH（用于MS功放线性化）、SCH/F（携带双向全时隙MAC块控制信息）、SCH/HD（携带下行半时隙MAC块控制信息）、SCH/HU（携带上行半时隙MAC块控制信息）、AACH（携带下行ACCESS-ASSIGN PDU，占据广播块）以及STCH（携带TMA和TMB接入点的消息，占据业务信道的半时隙）。

在上行链路中，下MAC将接收到的数据传送至上MAC，其逻辑信道复用的方式为SCH/HU+SCH/HU、SCH/F、STCH+STCH、STCH+TCH、TCH以及CLCH+SCH/HU。

在下行链路中，上MAC按时隙（MAC块）将数据传送至下MAC，一个时隙内的若干逻辑信道按一定的准则复用，形成突发。下行链路的逻辑信道复用方式为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）第二层地址管理

在上MAC层中，上行链路和下行链路TMA接入点的地址使用方法不同。

在上行链路中，上MAC从MAC PDU中提取地址和地址类型，并将其传送至网络层。上MAC所使用的上行地址类型为SSI、USSI、SMI以及Event Lab。

在下行链路中，上MAC从TMA原语中提取地址和地址类型，并将其转化为MAC PDU中的地址。上MAC所使用的下行地址类型为SSI、USSI、SMI、Event Lab、SSI+Event Label、SSI+Usage Marker、SMI+Event Label以及广播地址（全1）。

（8）功率控制

功率控制分开环功率控制和闭环功率控制两种。通过功率控制，可以降低邻道干扰和同频干扰。

开环功率控制由移动台独立完成，移动台测量下行链路的信号质量和信号强度等，并根据测量结果调节上行链路发射功率。由于上行和下行链路的衰落往往是不相关的，因此这种方法并不可靠。

为了更可靠地控制移动台的发射功率，可以采用闭环功率控制。基站可通过发送包含“功率控制”元素的MAC-RESOURCE PDU控制移动台的发射功率。当移动台发射信令或业务数据时，必须服从基站的功率控制命令。

4 上MAC协议栈的开发

4.1 开发工具

由于TETRA数字集群空中接口协议栈开发具有较高的复杂性，若采用纯人工编码，则会由于开发人员风格不一致，水平不相同，而导致协议栈存在较多的潜在错误，且调试困难。因此，必须利用软件开发工具，通过系统工程的方法来管理协议软件的整个开发过程，加速协议栈的开发，使生成的代码具有较高的可靠性和较好的一致性。基于此，选用Telelogic公司的通信开发软件Tau G2进行TETRA数字集群协议栈的开发。Tau G2将通信软件开发中常用的SDL/MSC引入到了UML语言中，开发人员只需要通过UML建模和编写相对较少的代码，就可以实现一个复杂的协议栈开发。

4.2 开发流程

为了方便程序的开发、升级以及维护，首先根据上MAC的功能将其分为Transmitter和Receiver两个模块，分别负责数据的发送和接收。如果Transmitter和Receiver两个模块协同工作处理一些信令，那么需要定义一些全局变量，并使用这些全局变量进行两个模块之间的交互。TETRA数字集群协议只定义了空中接口部分，因此上MAC实体与LLC和下MAC通信的原语需自行定义，将原语和PDU定义为结构体，并将其作为层与层之间信号的参数来实现各层之间的通信。然后编写PDU的编解码函数，协议栈对等层之间通过PDU传递信息，上MAC要分解来自对等层的PDU，对PDU中的请求做出应答，将应答后的指令以PDU的形式发出。随后使用图形化的UML和SDL语言描述协议，实现协议栈的功能。最后，编写测试用例进行协议一致性测试。图2示出了上MAC协议栈开发的流程：

4.3 仿真测试

在完成上MAC协议栈功能开发之后，需要编写各种测试用例，对所开发的上MAC协议栈进行协议一致性测试。由于TAU G2中含有TTCN Suite测试套件，因此利用测试语言TTCN-3设计测试用例。图3示出了上MAC下行链路发送信令的仿真测试过程：

在运行该测试用例之后，图3所示的仿真测试过程与《ETSI TS 100 392-2 TETRA V+D Part 2: Air Interface》协议的描述一致，该测试过程分为下列四个阶段：

（1）第一阶段：LLC向上MAC发送TMA-DATA-IN-BUFFER信号，该信号表示上层有待传输的信令，等待上MAC的响应；

（2）第二阶段：在上MAC接收到TMA-DATA-IN-BUFFER信号之后，向LLC发送MAC-READY信号，该信号表示上MAC已经准备发送信令；

（3）第三阶段：LLC向上MAC发送TMA-UNITDATA-REQ信号，该信号携带TMA-UNITDATA- REQ原语的所有参数；

（4）第四阶段：在上MAC接收到TMA-UNITDATA-REQ信号之后，根据其携带的原语参数构成MAC-RESOURCE PDU，通过TMV-UNITDATA-REQ信号将该PDU发送到下MAC。

5 结束语

TETRA数字集群系统广泛地应用于交通、消防、水利、公安、武警、法院和检察院等特殊部门，实现TETRA数字集群系统的国产化，对保障我国的国家安全有着重要的作用。上MAC协议栈的开发对TETRA数字集群协议栈的研究与开发具有一定的参考价值，为开发我国自主知识产权的TETRA数字集群系统积累了经验。

参考文献

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