基于TETRA II代调制自适应技术的高性能数据传输研究

刘洋，王凯，潘鸯鸯，陈代焱

（海能达通信股份有限公司，广东 深圳 518057）

1 引言

不久前海能达公司发布了基于最新TETRA II代标准的基站产品（如图1所示），该产品使专网通信的无线电频谱效率和空口传输速度达到了前所未有的新水平。文章结合TETRA II代标准和调制解调原理，尝试解读TETRA II代产品的优异特性，并通过搭建实际应用环境验证其数据传输速率。

2 调制解调原理

HyteraTETRA II代基站采用正交相移键控（QPSK，Quadrature Phase Shift Keying）[1]和正交振幅调制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）[2]2种调制自适应的方法，在保证语音质量的同时，尽可能提高系统的吞吐量和数据传输速率。下面针对这2种方法的基本原理进行介绍。

图1 HyteraTETRA II代基站产品

2.1 正交相移键控（QPSK）

正交相移键控（QPSK）利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息，是一种抗干扰性强、频谱利用率高的数字调制方式，分为绝对调相和相对调相这2种。考虑到绝对调相存在着相位模糊的问题，目前更多采用的是相对调相。多进制数字相位调制（MPSK，Multiple Phase Shift Keying）是在QPSK基础上演变而来，其中“M”代表m个不同的相位，通常m=4,8,16,32，m值越大代表着每个特定相位的载波所携带的信息量越大。鉴于相位的增多会减小特定相位的离散点之间的相对距离，从而导致误码率的增加以及对硬件的更高要求，因此综合考虑通常只使用4PSK和8PSK这2种调制方式。

2.2 正交振幅调制（QAM）

正交振幅调制（QAM）是一种将两路不同调幅信号汇合到同一信道的调制方式，一路为I信号，一路为Q信号，I、Q信号频率相同，相位相差90°，即相互正交。两路信号在调制阶段混合后发射，在解调阶段两路信号被分离，携带的数据信息被分别提取后与原始调制信息混合[3]。由于该两路已调信号的频谱在同一带宽内具有正交性，因此在信号传输过程中不会相互干扰。该调制方式通常有4QAM、16QAM和64QAM等，其中“4,16,64”代表信号空间矢量端点的数量[4]。如图2分别为QPSK、4QAM、16QAM、64QAM的星座图，图中端点数越多频谱的利用率越高，每个符号所携带的比特信息越多，在相同的带宽和信道质量情况下，数据传输的速率越快，但相应的误码率也会增加[5]。由于两路信号的幅度相等，因此4QAM的调制性能与4PSK相同。

图2 QAM与QPSK星座图

2.3 QAM与QPSK性能对比

QAM相对于QPSK具有更好的频谱利用率，能够提高系统容量，即数据传输速率，但QAM的抗干扰性比QPSK差，在无线信道质量较差的情况下，采用QPSK的调制方式比采用QAM具有更好的通话质量。HyteraTETRA I代基站采用的是QPSK的调制方式，而TETRA II代基站采用的是自适应的调制方式，能根据无线信道质量的好坏自动进行调制方式的切换。相比于TETRA I代基站，在保证了良好的通话质量的同时，数据传输速率得到有效提升。

3 自适应调制技术

自适应调制技术是TETRA II代产品为同时提高空口传输速率和空口传输质量而采用的关键技术。

3.1 自适应调制技术简介

HyteraTETRA II代产品围绕自适应调制技术进行了诸多改进，主要体现在以下9个方面[6-7]：

（1）多载波调制TDMA相结合。

（2）根据传播条件自适应选择调制方式和编码方式。

（3）调制方式主要有如下选择：在网络边缘区域有效连接处采用4QAM调制方式；中等速率数据采用16QAM调制方式；高速率数据采用64QAM调制方式；一般控制信道采用π/4-DQPSK调制方式。

（4）优化TETRA原版本中的信道编码方案。

（5）采用4种载波信道带宽：25kHz、50kHz、100kHz和150kHz。

（6）25kHz、50kHz载波信道采用全时隙14.176ms的低量化级调制方式；100KHz、150KHz载波信道采用半时隙7.08ms的高量化级调制方式。

（7）每一个QAM载波在基带处由一系列子载波构成（例如以2.7kHz将信道隔开，25kHz对应8个子载波）。

（8）预期的用户数据比特率范围为30kbps～400kbps。

（9）修改了TETRA V+D高层协议。

TETRA II代产品根据用户数及实际数据应用需求灵活选择可变的数据速率和信道带宽，在数据速率、频谱和覆盖范围三者之间进行相应的选择，而且调制方式也能够根据无线传输条件自适应的改变；使用改进的调制方式和增加的信道带宽，对不同的数据速率和不同带宽的信道采取不同的调制方式，可提供高达500kbps的数据吞吐量。更高数据速率和对新业务的支持，使TETRA网络向宽带、多功能数据传输方向发展。

3.2 自适应调制算法

自适应调制算法的核心为链路自适应算法，由MAC层评估链路的当前状态。在发送TM-SDU（一种数据报文）时，基站（以下简写为“BS”）或移动台（以下简写为“MS”）的MAC层会基于以下条件自适应地选择合适的调制方式[8]：

◆当前的链路条件；

◆LLC层发送数据所声明的数据类型。

“数据类型”参数不仅注明了TM-SDU的数据类型，同时包含了传输所要求的可靠性级别信息。4种主要的数据类型及其可靠性级别说明如下（可靠性级别数字越大其可靠性越高）：

◆背景类数据：可靠性1级（可升高至2级或3级）；

◆遥测类数据：可靠性1级（可升高至2级或3级）；

◆实时类数据：可靠性3级；

◆非机密数据（即TM-SDU不包含分组数据）：可靠性1级（可升高至2级或3级）。

对于没有分类的报文数据，可根据报文的类型确定其传输的可靠性水平。例如基本链路上发送的确认信息报文都应使用高可靠性发送。特殊地，对于背景类数据或遥测类数据，初始可靠性级别为1级，如果发送失败，则可靠性级别随着重发次数的增加而升高，直到最高级别：（1）先使用可靠性水平1传输第一个或多个高级链路段（后者多用于更高吞吐量场景）；（2）如果失败，使用可靠性水平2传输下一个或多个需重传的段；（3）当发送失败的次数超过预定的重传最大次数或当重新发送的次数超过预定的重传最大次数时，可靠性水平调整至最高级别3传输。

MAC层还可以根据当前信道条件的变化，采用更复杂的链路自适应算法，以使某些类型的数据得到更好的传输性能。为判断当前信道条件的变化情况，MAC层采用了如下技术[9-10]：

（1）链路自适应的反馈机制

在该反馈机制中，有下述2种类型层二信令：

◆L2-LINK-FEEDBACK-CONTROL信令，用于BS向MS请求链路自适应反馈消息，即BS要求MS向它反馈的命令信令；

◆L2-LINK-FEEDBACK-INFO信令，用于BS发送链路自适应反馈消息到MS，或者MS发送链路自适应反馈消息到BS。

从BS处收到的L2-LINK-FEEDBACK-INFO反馈信息可以帮助MS选择合适的位速率进行传输。至于详细的反馈信息，则有可能是传输时所倾向的调制级别（modulation level）以及QAM编码率，或者是上行链路上的信噪比评估数据和信道模型及速度评估数据。

同样，从M S处收到的L 2-L I N K-F E E D B A C KINFO消息也可以帮助BS使用合适的传输速率，以使BS更好地和MS通讯。

（2）提供链路性能信息

基于确认报文中的段发送成功或失败信息，LLC可以向MAC层提供自身层链路的性能信息，以此得出上层（MAC层）的链路性能情况。

（3）测量反向信道

MS可以测量下行链路信道。例如下行链路传输不同比特率时的时隙错误率或接收信噪比，两者也可同时测量。当测量下行链路信道时，MS可以使用任何下行链路时隙的信道。基于这些信息，结合BS链路不对称信息和MS校正因子，可以让MS做出上行时隙错误率的粗略估计。类似地，BS也可以测量MS所使用的上行链路时隙。

（4）针对不同数据类型预定义不同的位速率

预定义的位速率，可以被用做默认值，也可以被广泛地用做对应数据类型的传输位速率。

4 测试环境配置

为实际检测TETRA I代与TETRA II代TEDS数传在性能上的差异，搭建了一套测试系统以获得实验数据。以下为测试环境的搭建和测试过程。需要注明的是，不同厂家的终端性能表现有差异，且不同类型的应用程序对网络的利用率也有差异，会影响结果。本例仅作为不同技术标准的比较参考。

4.1 测试设备

一台计算机PC A运行tftpd32作为tftp文件传输客户端，操作系统为Windows XP，同时运行Wireshark对拨号连接抓包统计带宽。须注意由于Windows系统的限制，Wireshark不能在Windows XP以上版本的操作系统中访问PPP拨号连接。

一台支持数传功能的TETRA终端，并配置适当的连接线缆与PC A连接。

一台三层交换机作为核心网络。Hytera R5 TETRA基站通过IP分组数据交换网络连接核心网。由于系统关键业务功能模块需要接入不同的外部网络。例如TETRA语音功能模块需要连接到核心交换机；分组数据业务网关需要接入到用户的网络；应用程序接口需要连接到调度台所在工作区，电话网关需要连接到PSTN/PABX电话交换机等。为了避免相互影响，防范入侵，确保网络安全，这些模块的数据流量被划分到不同的VLAN中。因此网络交换设备须支持IEEE 801.1Q标准。

一台Hytera R5基站，Hytera TETRA系统采用纯软交换技术架构。支持弹性灵活的部署模式，可伸缩性极佳。系统中的软件组件分为基站节点（BSN）和交换控制节点（SCN）。当在电信级服务器上部署交换控制节点功能（SCF），而基站仅部署基站节点功能（BSF）时，即为集中式，该模式支持最大限度的网络规模。当在基站上同时部署SCF和BSF时，即为分布式，该模式紧凑灵活，仅需一台基站即可令系统投入工作。本测试亦仅用1台基站。

一台计算机PC B运行tftpd32作为tftp文件传输服务器端，原理图如图3所示：

图3 数据传输速率测试原理图

4.2 网络连接说明

数传终端与计算机接口类型一般为USB接口，在计算机上显示为串口设备，需要为该串口设备配置Modem驱动，并通过Modem建立PPP拨号连接。拨号连接客户可以将获得的IP地址配置为：1）系统动态指派；2）静态地址绑定；3）DHCP。

三层交换机上还需为拨号连接客户的IP地址段配置路由信息。可以配置为：1）静态路由配置；2）OSPF动态路由。基站和PC B的默认网关均设为所在VLAN的接口地址。

在Hytera TETRA系统中，负责为数传用户路由分组数据的软件组件称为APG。APG绑定在指定网卡上，并且为数据包打上了指定的VLAN标签。因此APG就像路由器一样，将数传用户和用户的专网连接起来。利用VLAN从根本上隔离隶属于不同组织机构的用户，确保信息传输的安全可靠。

4.3 测试步骤

分组数据传输测试步骤如下：

（1）在PC B上准备若干待传输的文件，例如图片、地图文件等，启动tftpd32，选择Server模式，等待客户端连接；

（2）在PC A上连接预先配置好的PPP拨号连接；

（3）在PC A上启动tftpd32，选择tftp client模式，输入服务器上的文件名，开始传输文件；

（4）在PC A上启动Wireshark，选择抓包设备为WAN PPP拨号连接，设置过滤条件，仅显示与统计来自服务器端的数据包，因为客户端还有其他业务流量，不能准确反映单一方向单一应用的网络传输开销，因此会对测试结果造成干扰，该统计值指示数传最大可用传输带宽；

（5）在PC B上可以读出tftp传输速率，该速率指示应用层的传输速率。

5 测试结果分析

在相同的测试环境下，只改变HyteraTETRA I代和HyteraTETRA II代基站的调制方式，通过Wireshark软件分别实时监控不同调制方式下的数据传输速率。如图4所示，分别为TETRA I代基站采用带宽为25kHz的QPSK调制、TETRA II代基站采用带宽为25kHz的QPSK调制、TETRA II代基站采用带宽为25kHz的QAM调制、TETRA II代基站采用带宽为50kHz的QAM调制。

图4 不同调制方式平均速率测试结果图

同时，利用Wireshark的数据统计功能，可以查询采用不同调制方式时数据传输的平均速率，如表1所示：

表1 调制方式与数据传输速率关系表

综上可知，在无线信道质量良好的情况下，H y t e r a T E T R A I I代基站的数据传输速率较之HyteraTETRA I代提高了近6倍，一个15M左右的文件在HyteraTETRA II代基站上传输所需要的时间大约240s。就产品开发而言，这不仅仅只是性能的提升，在功能层面，HyteraTETRA II代基站实现了图片和低分辨率视频传输，极大地丰富了不同领域用户需求的选择性。

6 结论

TETRA II代产品相对于TETRA I代在演进到更高调制技术的同时，采用自适应调制技术，能够在较差的通信环境下保持2种调制技术可用，使数据传输速率和传输质量都有了显著提高，可以很好地满足专网用户在较高速率数据传输、图片及低分辨率视频传输方面的需求；其64 QAM调制解调方式更是使空口频谱效率达到了与LTE一样的水平，是对未来宽带专网技术的积极探索。特别是在当前宽带专网标准难以迅速取得全球性共识的背景下，TETRA II代产品以其平滑的过渡方案和增强的数据传输能力，能够满足当前专网用户主流的数据传输需求。

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