DMR集群系统标准详解与分析

张金宝

DMR集群系统标准详解与分析

张金宝

摘 要：首先对DMR集群系统的空中接口、服务、网络规划与管理以及编号等规范进行详细说明，并从DMR集群整体系统设计的层面对其进行简要分析，指出在网络规划和管理中应该着重注意的问题。

关键词：数字移动无线电;集群系统;网路设计;网路管理

DMR是由欧洲电信标准协会 (ETSI)制订的新一代数字移动无线电系统标准，标准的第三层定义了完善的集群系统功能，受到广泛关注。

本文针对DMR集群系统在空中接口、服务、网络规划设计和管理以及编号规范等方面的标准定义进行说明和研究。

1 DMR集群系统空中接口

DMR集群系统使用TS102 361-1定义的标准DMR空中接口的物理层技术，旨在提供低复杂度集群话音和数据业务，能够支持集群无线电网络，包括只有一个12.5kHz无线信道的简单系统，以及拥有多个无线电信道覆盖众多移动台的广域系统。

1.1 物理信道组织

DMR集群系统支持多种物理信道策略，以实现数据块特定位置上的专用无线信道操作，标准支持如下特征：①一定数量的固定信道规划，其中包括MS的发射频段，发射机与接收机的频段划分，信道间隔以及接收机与发射机的相关性;②灵活信道规划，每一个逻辑信道包括一组发射机和接收机的频段;③广播PDU，以便TSCC能够声明发射机和接收机之间的逻辑信道与物理信道之间的映射;④定义发射机与接收机之间的物理信道频段的PDU，例如信道请求等信令消息。

DMR集群系统基于2时隙TDMA，逻辑信道分为：承载信令的控制信道 (TSCC)和承载话音或数据信息的载荷信道二类。

一般而言，工作在半双工模式的MS使用顺序的时隙;全双工呼叫使用TDMA偏置时隙，允许MS在一个时隙发送，接收机则交替地在固定时隙上进行接收。MS使用呼叫建立时其他MS发来的标识确定定时偏置，然后直接使用物理信道。

1.2 色码组织

色码 (CC)位于补充信令域和一般数据突发中，用于提供区分重叠无线站的简单方法，从而检测和避免同信道干扰。DMR集群系统执行自动分配信道，因此MS和集群基站TS能够同时了解每一个物理信道的色码分配。如果DMR集群系统分配了某一色码，则MS对该色码是友好的。

这里，“友好的”表示MS在使用该色码之前，应该首先进行冲突检测，当且仅当无冲突时才能进行色码请求和使用。

1.3 信道接入控制

随机接入是MS在规范TSCC上唯一允许的接入方法。对于采用异步接入 (如果不需接入可以取消TSCC)的DMR集群系统以及当TSCC取消时，第一次随机接入尝试将激活物理TSCC信道，然后在下行突发中调整后续的信令。

2DMR集群系统服务

DMR集群系统为MS提供多样的话音服务和数据传输服务。

2.1 话音服务

2.1.1 单呼服务

单呼服务提供一个单独用户到另一个单独用户之间的话音服务。单呼设备在用户层面通过预先定义的用户选择过程寻找目标用户来初始化，例如按下PTT按钮。

单呼支持延迟进入通话，需要借助在话音突发中嵌入LC信息。在使用PATCS方法时，能够支持在目的地址特定的终端传输中增强扫描和无线接收。同时还支持当使用PATCS或OACUS方法时，没能正确解码话音包头的设备。

2.1.2 组呼服务

组呼服务提供一个单独用户与预先确定的一组用户之间的话音呼叫服务。所有在组中的成员都可以听到其他用户的话音。组呼在用户层面上根据预定的过程选择目标组进行初始化，然后激活通话机制，例如按下PTT按钮。

组呼支持延迟进入通话，需要借助嵌入话音突发中的LC信息。能够支持在目的地址特定的终端传输中增强扫描和无线接收，同时还支持没能正确解码话音包头的设备。

2.1.3 无地址呼叫服务

无地址呼叫是使用一组预定义的目标地址来发起组呼，其中一组是默认的无地址呼叫地址。使用其他无地址呼叫地址的情况不属于DMR规范中定义的内容。

使用无地址呼叫使得用户能够定义MS的行为，使其有可能与一般的组呼区别。例如，特殊的警告音。该服务还提供基本的发起呼叫MS区域配置，并且能够用于不同组织用户之间的通信，其中，每一个用户组织各有其组标识。

2.1.4 开放话音信道模式服务

开放话音信道模式服务允许用户监测和加入活动的话音信道。这个呼叫监测只有在话音活动的发起方才有可能，也就是说，如果一个用户没有被明确地列入目标地址内，只有在呼叫发起方进行设置OVCM属性的条件下，该用户才能加入。

2.1.5 全呼话音服务

全呼话音服务 (ACV)提供任何一个用户发起对同一系统内全体用户呼叫的途径。由于目标听众很多，该呼叫在中继模式下没有呼叫挂起时间。这可以有效地在呼叫结束的时候终止呼叫过程，使多个MS在试图响应呼叫时产生的碰撞最小化。

全呼可以通过用户按下PTT按钮简单地发起，由传输的话音包头开始，后续话音传输，并以LC的结束标记来终止。该服务提供延迟进入。

全呼使用与组呼相同的方式，使用一组预留的目标地址。其中一个预留地址是默认的全部单位ID地址，其他的是可选的全部单位ID地址。

2.1.6 广播呼叫服务

广播呼叫服务 (BCV)提供任意用户向预定义的大组用户发起呼叫的途径。由于目标听众很多，该呼叫在中继模式下没有呼叫挂起时间。这可以有效地在呼叫结束的时候终止呼叫过程，使多个MS在试图响应呼叫时产生的碰撞最小化。

广播呼叫使用组呼相同的方式实现，可以通过用户按下PTT按钮简单地发起，由传输的话音包头开始，后续话音传输，并以LC的结束标记来终止。该服务提供延迟进入。

2.2 数据服务

2.2.1 基于IP的PDP

DMR集群系统支持IPv4网络层协议，为服务接入点之间提供无连接、尽力而为的数据报传输。IPv4用于Internet环境中主机到主机之间的协议(如TCP和UDP)，需要空中接口协议承载IP数据报。DMR的IP承载服务建立在DLL承载服务的顶端 (非确认和确认数据)。DMR的PDP将DMR扩展为一个IP子网，使得应用开发人员能够在一个标准化的环境中开发应用。

DMR集群系统还支持从IPv4分组得到IPv6分组的策略和参考。主要策略有2个：①直接将IPv6分组映射到承载服务商 (确认或非确认数据);②使用叠加在IPv4之上的IPv6管道技术传输IPv6分组。

2.2.2 基于PDP的短数据服务

基于PDP的短数据服务 (SDS)为DMR设备之间传输短数据消息提供机制，传输可以是确认或非确认的。根据FEC(码率为1/2或3/4)以及确认/非确认的DLL承载服务，该机制能够最多传输1130B(18B/分组×63分组－4B)。每一个消息由数据包头和常规数据 (码率为1/2或3/4编码)持续突发构成。数据连续突发的最后一个分组包含32bit的CRC。短数据包头包含定义承载服务、传输消息数据量以及格式的参数。

3 DMR集群系统的网络特征

DMR协议自动支持许多传统操作 (例如物理信道选择等)，可以自由选择如下2种规模：①一个单独的集群无线网络是由多个MS与一个单独的集群基站构成的;②广域集群网络是由多个MS和多个集群基站构成的。

集群基站 (TS)具有一个或更多物理无线信道。每一个TS可以配置一二个TSCC。这里，2个TSCC都是可以配置的，并且可以分配在一二个单独的物理信道上。DMR集群系统能够平衡多个TSCC上的MS数量，实现有效的负载均衡和共享。

出于扩展性的考虑，网络运营方可以选择“实体层面”的系统，仅仅包括简单的半双工单信道终端 (例如一个时隙用于上行或下行)。进一步，可以添加系统选项和全双工或集成无线终端。这样，上述集成的无线方法支持合理和经济的升级路线。

3.1 MS位置与注册

DMR集群系统可以使用多个互相连接的无线站。MS根据物理信道列表进行设置，该列表由TSCC传输。系统能够通过广播相邻无线站的信息辅助MS通信，允许MS采集无线站的信号质量，并根据信号质量自动选择接入的基站。

网络中每一个TSCC发送独有的系统标识码，以便MS识别无线站。如果MS检测和读取到新的TSCC，MS发送注册请求，通过TSCC通知网络自身将在新的无线站激活。注册使得系统能够确定MS位于广域网络中哪一个/组无线站内。该位置信息避免了在整个网络中搜索MS，进而缩短了呼叫建立的时间，减少控制信道负荷。

注册还可以应用于单个无线站系统，以便确定MS是否激活可以收到的呼叫。

注册的另一个应用是，可以在系统与MS之间传递MS节能参数。如果MS关机或被用户选择的网络信道拒绝，MS将尝试降级注册，通过TSCC进行“最大努力尝试”。

网络还依赖隐式的注册来确定MS位置。隐式注册时，网络功能、MS注册的位置不必反映在显式的消息中。隐式注册通过任何包含MS ID的上行传输系统消息实现，例如呼叫响应、确认响应等等。

3.2 节能

MS使用节能措施降低能耗。DMR集群系统应用该技术，允许MS在重复周期内关闭接收功能。当MS休眠时，可以显著降低能耗。但是，需要注意的是，当MS休眠时，MS不能检测下行链路TSCC用于寻址该MS的PDU。MS周期性唤醒以便与TSCC同步。TSCC也需要延迟呼叫建立直到MS唤醒并响应，从而增加了呼叫建立的时延。

3.3 安全特征

DMR空中接口安全服务使得TSCC可以对使用RC4算法标准的MS进行鉴权。若TSCC需要对MS进行鉴权，TSCC在PDU中发送随机序列 (邀请)。MS根据邀请，使用56bit授权密钥 (制造商固化在MS中)计算邀请的响应并返回。类似地，MS也可以使用TSCC密钥对TS进行鉴权。

3.4 系统对MS的管理

DMR集群系统使用暂停或遥毙机制能够临时或永久地拒绝MS接入。如果MS被暂停，MS不能请求和接收任何用户发起的服务。但是，追踪注册、鉴权、暂停/重新激活和注册服务仍然可用。此外，当MS被暂停，还能够保留轮询服务。

如果MS被遥毙，空中接口服务全部被禁止。该MS不能通过任何空中接口机制进行接收。必须由专门技术人员进行恢复。

3.5 编号与拨号

DMR标准的编号规划使用CCITT键盘上支持的按键，包括0－9和*、#。MS使用显示器显示相同的字符。

MS可能包含预定义的参数，规定最小和最大的用户拨号字串长度。通过限制拨号字串长度，限制MS可以拨打的地址。拨打的号码被解析并在空中接口上传输。解析算法是双向的，因此空中接口地址可以解析为数字号码，使目标用户能够确定信息源的用户接口号码。分配给MS的用户接口号码定义为拨号数字，其他用户通过该数字呼叫这个MS，而不是使用空中接口地址。MS用户号码定义为7位十进制数字。类似的，MS隶属的通话组可以用7位数字表示。

3.5.1 缩位拨号

缩位拨号使得目标为部分MS的呼叫拨号拨打的数字最少。如果拨打的数字不足7位，MS各自的地址被用于补齐。例如，对 MS地址为“2112345”，用户拨打56#，目标地址是2112356;

3.5.2 通配符

MS能够从单呼中识别通话组呼叫，使用通配符实现。如果拨号在MS地址的低4位中包含*，该拨号地址表示一组MS。通配符*表示对应位置上的任何一位数值。例如，用户拨打012345*，表示10个 MS用户号码，分别是“0123450” ～“0123459”。

通配符可以联合使用。例如，用户拨打01234＊＊，表示100个MS用户号码，从“0123400”到 “0123499”。

通配符可以与缩位拨号联合使用。例如，MS源地址1234561，拨打号码*，则补齐后的地址为123456*。

3.5.3 网关呼叫

通过拨号字串的长度可以识别PSTN/PABX号码。MS号码用7为数字表示。如果超过7位，最高位是8、9或0，则MS将号码解析为PABX或PSTN目标地址。

3.5.4 呼叫变更

呼叫变更请求改变服务优先级或类型，该功能是由“#＜call modifier code＞*”目标地址实现的，含义如表1所示。

4 DMR集群系统的网络规划与管理

4.1 网络设计与规划

DMR集群系统部署并实际应用之前，必须完成以下的工作。

4.1.1 工作步骤

1．确定设计目标，包括网络应用目标、无线通道应用目标、容量需求 (当前和未来潜在的需求)等。

2．确定和实施网络规划。基本的网络设计需要建立所有包含在网络中的节点，确定各自所需的链路。这些设计将形成网络规划和建设的主要参考文档。

3．确定本地可用频点和相关限制。

4．选择并挑选无线站。

4.1.2 影响因素

1．服务等级。它是系统拥塞的评估手段，指的是由于通信信道临时不可用而造成用户呼叫请求不能被系统接受。

2．业务量预测。设计的第一步总是从预测网络为MS提供的业务量开始。服务类型 (话音、数据等等)、频率需求、呼叫持续时间以及最小服务等级都是需要考虑的因素。此外，网络内用户数量与分布也是满足服务等级的关键因素。TSCC和信道资源需要精心设计规划，以保证DMR集群系统能够提供完整的服务。MS需求服务显著地影响服务等级以及提供这些服务时TS所需的资源。

3．网络无线环境。网络规划本身不仅仅建立在传播模型估计的基础上，还需要考虑干扰的因素。通常，无线站的选择在规划的负载业务量分析基础上进行。

4.2 网络管理

网络管理提供分布式应用，以便监测和控制网络资源，从而检测和管理系统。DMR集群系统没有规定网络管理系统的具体实现，包括网络管理的实现、话音编译码器、安全性、子系统接口和专网－公网之间的数据交换;标准仅仅描述了接入需求和兼容的空中接口。

网络管理应该能够监测和控制网络内所有元素，对于最优化DMR集群系统效率是非常重要的。网络管理包括与监测和控制网络所有相关的行为，例如规划、建设、扩展、运营以及充分利用可用资源。

网络管理系统还应能够及时地辅助优化提供服务的成本。管理系统的灵活性可以通过在网络元素中结合更多智能型操作实现，该重分配功能使管理系统能够在高层角度维护服务，进行资源管理。

5 结束语

本文对DMR集群系统的空中接口、服务、网络规划与管理以及编号等规范进行详细的说明，并从DMR集群整体系统设计的层面对其进行了简要分析，分析了相关标准定义的内涵，并进一步指出在DMR集群系统设计和规划中需要注意的问题。

［1］ETSI TR 102 398 V1．2．1．"Digital Mobile Radio(DMR)General System Design ［S］"．http：//portal．etsi．org/portal/．

［2］ETSI TR 102 884 V1．1．1．"digital Private Mobile Radio(dPMR)General System Design ［S］"．http：//portal．etsi．org/portal/．

［3］ETSI TS 102 361 － 1 V1．4．5．"Digital Mobile Radio(DMR)Systems;Part 1：DMR Air Interface(AI)protocol［S］"．http：//portal．etsi．org/portal/．

［4］ETSI TS 102 658 V2．1．1．"Digital Private Mobile Radio(dPMR)using FDMA with a channel spacing of 6，25 kHz［S］"．http：//portal．etsi．org/portal/．

Abstract:This paper introduces the air interface，services，network planning and management，numbering system and etc．of DMR trunking systems．Then a brief analysis on design of DMR trunking systems is presented．Moreover，some key problems in network planning and management are listed and analyzed．

Key words:DMR;Trunking systems;Network planning;Network management

张金宝：北京交通大学电磁兼容实验室 讲师 100044 北京

国家自然基金项目61172021/61071075;基本科研业务费专项2011JBZ001/2012JBM021;国家科技重大专项项目2011ZX03001－007－01/2011ZX03005－004－03)

2012-08-06

(责任编辑：诸 红)