卫星通信组呼业务MAC层研究*

陈国伟，徐子平，夏 雷

(1.解放军理工大学 通信工程学院研究生1队，江苏 南京 210007；2.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)



卫星通信组呼业务MAC层研究*

陈国伟1，徐子平2，夏 雷1

(1.解放军理工大学 通信工程学院研究生1队，江苏 南京 210007；2.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)

组呼通信在指挥调度中有着重要作用，而在一些地面没有基站的地方，就无法正常使用。卫星通信具有无视地形，通信范围广，不易受陆地灾害影响，易于建设等优点。把卫星通信和组呼通信结合在一起的卫星组呼通信技术兼顾两者的优点，能更好的发挥指挥调度这一作用。当前卫星组呼通信采用固定频率方式，组呼成员在一个频率下进行通信，这种方式实用性不好。本文研究的是移动卫星组呼，在GMR-1系统的基础上研究了卫星组呼通信中MAC层的功能，提出了MAC-Ready-Gcc、MAC-Dedicated-Gcc这两个为了支持组呼的状态，并针对在MAC层发生的PTT竞争提出了一种回退策略。

卫星通信 组呼业务 MAC层 PTT竞争

0 引 言

GMR-1(GEO - Mobile Radio interface)卫星移动通信系统提供基于同步卫星的移动通信业务,GMR-1标准基于全球移动通信系统GSM标准制定[1]。其中所涉及的通信都是单呼呼叫。本文是对在GMR-1系统中进行组呼呼叫时MAC层的研究。

1 MAC功能

媒体接入控制层(MAC)如图1所示位于接口协议的第二层，MAC是安排调度存在竞争的通信接入共享媒体资源，主要是为了使终端高效的利用有限的共享资源[2]。

MAC流程包括共享传输资源(例如分组数据物理层信道及分组数据物理层信道上的无线链路连接)和专用传输资源(例如DCH上逻辑通道的多路复用)管理有关的功能。具体有：逻辑信道和基本物理信道之间映射的配置，MAC负责将逻辑信道映射到适当的基本物理信道上；为每个信令无线承载业务选择逻辑信道，MAC负责将SRB(信令无线承载)映射到逻辑信道上，在上下行链路上有一套映射规则，映射由将要发送的SRB、MAC状态和可用的逻辑信道决定；为每个用户无线承载业务选择逻辑信道MAC为用户无线承载所使用的逻辑信道，由RRC建立配置；为TBF(临时块流)分配、重配置、释放共享的无线资源MAC根据控制和用户面TBF的需要，处理无线资源的分配。MAC可重配置TBF的无线资源；MES(移动台)测量报告及控制当使用BCCH(广播控制信道)或PACCH(分组随路控制信道)时，MAC负责发送控制MES测量报告的信息。MAC亦使用SACCH和PACCH执行从MES到网络的测量报告等[3]。图2形象的表示了MAC的功能。

图1 无线接口协议架构Fig.1 Radio interface protocol architecture

图2 MAC功能Fig.2 MAC functionn

2 MAC层状态描述

MAC层有MAC-Idle、MAC-Shared、MAC-DTM、MAC-Dedicated四个状态[4]。它们之间的转换图如下。

图3 MAC状态转换Fig.3 MAC state transition diagram

2.1 MAC-Idle状态

MAC-Idle状态中不存在TBF，MES监视CCCH上子信道的相关传呼。MES可能采用DRX(非连续接收)监视CCCH。在MAC-Idle状态，上层可请求传输一个上层PDU(协议数据单元)，这就会触发在PDCH上建立一个TBF并由Idle状态转入MAC-Shared状态，或者有可能通过RRC流程或者是RLC/MAC流程在DCH上触发建立一个TBF，MES会在完成建立DCH后由Idle状态转入MAC-Dedicated状态。

2.2 MAC-Shared状态

在MAC-Shared状态中，MES分配无线资源提供TBF用于在一个或多个PDCH上产生点到点连接。TBF用于在网络和MES之间单向传输上层PDU。

在MAC-Shared状态，上层可请求传输一个上层PDU，这就会通过RRC流程在DCH上触发建立一个TBF，这将会使MES由MAC-Shared状态转入MAC-DTM状态。当上行链路和下行链路中的TBF都被释放时，MES返回到MAC-Idle状态。当重新配置PDCH到DCH的所有无线承载，释放完PDCH上所有的TBF并建立第一个DCH时，MES将会由MAC-Shared状态转入MAC-Dedicated状态。

2.3 MAC-DTM状态

在MAC-DTM状态MES将无线资源分配给一个或多个DCH和一个或多个PDCH。在MAC-DTM状态当所有在PDCH上上行或下行的TBF都被释放之后，MES进入MAC-Dedicated状态。在释放了所有的DCH之后，MES进入MAC-Shared状态。在释放了所有的PDCH和DCH之后，MES进入MAC-Idle状态。

2.4 MAC-Dedicated状态

在MAC-Dedicated状态MES分配无线资源以提供一个或多个DCH(专有信道)。在释放掉所有的DCH之后，由MAC-Dedicated状态转入MAC-Idle状态，当从DCH到PDCH(分组数据物理信道)的所有无线承载都被重新配置以后，MES将会在释放完所有的DCH并在PDCH上建立第一个TBF时由MAC-Dedicated状态转入MAC-Shared状态。

2.5 MAC层对组呼的支持

由于GMR-1系统的MAC层不支持组呼功能，所以要对MAC层做一些改变。我们设计了组呼模块，它和单呼模块是并列的关系。根据逻辑信道的映射和MAC层的状态来区分单呼和组呼两个模块通道。组呼工作在电路域，只跟DCH有关，跟PDCH无关[5]。所以在MAC状态机中加入两个状态，分别是MAC-Ready-Gcc(组呼控制)状态和MAC-Dedicated-Gcc状态。

工作在MAC-Dedicated-Gcc状态下的主/被叫移动台，正常接收MAC DATA，状态不变；在释放掉所有DCH后，由MAC-Dedicated-Gcc状态转入MAC-Idle状态。主叫移动台发起组呼时，RRC层利用原语参数配置MAC层状态；接收下行报文时，MAC层根据MAC-Dedicated-Gcc状态将消息递交给上层组呼模块。图4是主叫用户的组呼MAC转移图。

图4 主叫用户组呼MAC转移Fig.4 MAC transition diagram of calling-group call user

被叫侧成员移动台根据接收到的NCH逻辑信道通知MAC层转入MAC-Dedicated-Gcc状态，工作在组呼模块。流程如图所示。图5是被叫成员移动台组呼MAC状态转移图。

图5 被叫用户的组呼MAC转移Fig.5 MAC transition diagram of called-group call user

集群组呼中，网络要向多个成员移动台发送寻呼通知消息，因此需要采用广播的方式发送。我们增添NCH为组呼通知信道。由于系统资源有限，这里我们借用未配置的CBCH逻辑信道的位置来配置NCH逻辑信道，NCH逻辑信道的突发结构和调制解调编解码方式与CBCH逻辑信道保持一致。例如，如果BCCH指派CBCH使用第一帧，则NCH使用2、3、4帧，如果BCCH指派CBCH使用第1、2帧，则NCH使用3、4帧，余此类推。

3 MAC层PTT竞争随机接入回退策略

当组呼讲话方释放组呼上行信道时，讲话方用户在上行DACCH(专有随路控制信道)信道上发送“UPLINK_RELEASE”消息，表明讲话完毕。

当一个组呼中有几个用户要同时讲话时，会产生讲话权的竞争。组呼成员也可能有不同的优先级，这时候需要一种竞争策略来解决[6]。以下举例为组呼信道采用8时隙结构，编码的话音为2.4 kbits/s。

网络收到讲话方上行信道的“UPLINK_RELEASE”消息以后，在组呼信道的下行信道的DACCH上向所有组呼移动台发送“UPLINK_FREE”消息，表明上行信道空闲，允许新的讲话方使用上行信道。

需要讲话的组呼用户，在下行信道上收到“UPLINK_FREE”消息以后，采用直接强占和随机接入相结合的方式，在组呼上行信道发送“UPLINK _ACCESS”消息，消息被封装在NT5上，直接抢占第一帧，随后的随机时间选择为T，回退的最大帧数为F，则T=40ms*F。

考虑到2比特的用户优先级，让优先级高的用户有较大的概率竞争成功，设用户优先级为m，退的次数为n，回退的最大帧数为F，则F=(m+5)*n，其中m=1,2,3;n≥1 。

当n=0的时候，四个级别的用户都抢占第一帧，此时F=1。用户优先级m和回退次数n与回退最大帧数F关系部分如表1所示。

表1 优先级、回退次数与最大帧数的关系

下面以用户优先级m=0为例，随后的随机时间选择为200 ms(5帧)，400 ms(10帧)，600 m(15帧)，和800 ms(20帧)总计2 s秒钟的时间争用上行信道，方法如图6所示。

图6 重传的示意Fig.6 Schematic of retransmission

按下PTT移动台，在最初开始的一帧直接发送“UPLINK ACCESS”请求，若有碰撞，随机占用之后的5帧之一发送“UPLINK ACCESS”请求，若还有碰撞，随机占用后续10帧之一发送“UPLINK ACCESS”请求，还有碰撞，随机占用后续15帧之一发送“UPLINK ACCESS”请求，一直到，随机占用后续20帧之一发送“UPLINK ACCESS”请求，任意帧周期，当下行链路由“UPLINK FREE”转换成“UPLINK GRANT”时竞争结束。任何一个按下PTT的移动台直接抢占最初的一帧发送“UPLINK ACCESS”，在后续的2秒钟的时间内又可以竞争上行信道四次，竞争期间，如果收到网络在下行信道上发送“UPLINK_GTANT”，则竞争结束。

当网络成功收到一个“UPLINK_ACCESS”消息以后，在组呼信道的下行DACCH信道上发送“UPLINK_GRANT”消息，用于告知竞争成功用户可以使用上行信道，其它用户不再进行竞争，直到再次收到“UPLINK_FREE”消息为止。

图7 重传次数的概率曲线Fig.7 Number-of-retransmission probability curve

从图中可以看出，优先级高的明显比优先级低的冲突概率小，当n的取值逐渐变大,p越小，当n为5时，概率几乎为零了。事实上，n值不能取很大，应为值越大，虽然冲突概率很小，但是从PTT按下到响应这个时延过大，这不是我们所期望的。所以这个退避算法兼顾了n值不能太大，冲突概率小。

4 结 语

本文在GMR-1系统基础上研究了组呼通信的MAC层一些相关的功能，由于GMR-1系统不支持组呼通信，在原本的MAC状态机中加入两种状态以适应组呼通信，中间各种状态之间的原语操作还有待解决，并且MAC层PTT竞争策略只能解决有冲突时保证高优先级的用户竞争成功，要减小冲突的产生，还需其它优化方法。要实现组呼通信还需要更多的改进和研究，比如RRC层协议研究，组呼标识号等问题。本文的研究为进一步的研究和实现卫星组呼通信打下理论基础。

[1] 陈姜晶子, 徐子平. 卫星集群组呼业务通知过程[J]. 通信技术, 2014, 47(006): 630-633. CHEN JIANG - jing zi, XU Zi - ping. Notification Procedure of Satellite Trunking Communication[J]. Communications Technology, 2014, 47(006):630-633.

[2] 张淼科. 卫星通信MAC协议的发展研究[J]. 中国科技信息, 2010(17):60-62. ZHANG Miao-ke. Research on the Develop of the Satellite Communication MAC Protocol[J]. China Science and Technology Information, 2010(17)：60-62.

[3] ETSI.TS 101 376-4-14 V3.3.1，GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Release 3);Part 4: Radio Interface Protocol Specifications[S]. [s.l.]: ETSI,2012:25-28.

[4] ETSI.TS 101 376-3-23 V3.3.1, GEO-Mobile Radio Interface Specifications (Release 3);Third Generation Satellite Packet Radio Service[S].[s.l.]:ETSI,2012:28-30.

[5] 3GPP.TS 43.068 V7.8.0,Technical Specification Group Core Network, Group Call Control(GCC)protocol[S].[s.l.]:3GPP,2007:6-7.

[6] 陈姜晶子, 徐子平. GMR-1组呼业务随机接入退避算法研究[J]. 电子质量, 2014(05):6-8. CHEN JIANG - jing zi, XU Zi - ping. Research on Back- off Algorithm of Group Call Random Access in GMR- 1[J]. Electronics Quality,2014(05):6-8.

CHEN Guo-wei(1990-),male,M.Sci.,majoring in broadband exchange,satellite trunking.

徐子平(1959—)，男，硕士，教授，主要研究方向为宽带交换；

XU Zi-ping(1959-),male,M.Sci.,professor,mainly engaged in broadband exchange.

夏 雷(1990—)，男，硕士，主要研究方向：宽带交换。

XIA Lei(1990-),male,M.Sci.,majoring in broadband exchange.

MAC Layer of Satellite Communication Group-Calling Service

CHEN GUO-Wei1, XU ZI-Ping2, XIA Lei1

(1.Postgraduate Team 1 CCE, PLAUST, Nanjing Jiangsu 210007,China;2.College of Communications Engineering, PLAUST, Nanjing Jiangsu 210007,China)

Group-calling communication plays an important role in command and dispatch, and however,is not available in somewhere without base-station. Satellite communication enjoys lots of superiorities, such as wide communication range, less susceptible to the impact of land disasters, and easy to construct. Satellite group-calling communication,integrating satellite and group-calling communication and thus combining the advantages of both communications,could play an even better role in command and dispatch. The current satellite group-calling communication adopts a fixed frequency mode, and the group-calling members communicate in a same frequency, and this method,however, is not practical. The paper discusses a mobile satellitegroup-calling. And based on GMR-1 foundation,the MAC layer function of satellite group-calling communication is studied, and the two sub-states of MAC-Ready-Gcc and MAC-Dedicated-Gcc are proposed to support the group-calling. This paper also presents a fallback strategy for the PTT competition conflict at MAC layer.

satellite communication; group-calling service; MAC layer; PTT competition

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.01.014

2014-09-08；

2014-12-13 Received date:2014-09-08；Revised date：2014-12-13

TN91

A

1002-0802(2015)01-0066-05

陈国伟(1990—)，男，硕士，主要研究方向为宽带交换、卫星集群；