【摘要】文章基于TETRA数字集群标准体系结构的特点，结合现有TETRA数字集群产品和移动通信技术发展趋势，阐述了TETRA数字集群分系统空中接口协议栈体系结构。
【关键词】数字集群    TETRA   空中接口  

1  引言
    随着我国TETRA数字集群通信的发展，TETRA数字集群系统设备的需求量不断上升。目前，我国所使用的TETRA数字集群设备全部依赖国外进口，不但价格昂贵，而且给国家安全埋下了隐患。TETRA数字集群空中接口协议栈体系结构是TETRA数字集群系统的核心，直接影响到TETRA数字集群系统的功能指标和性能指标。因此，TETRA数字集群空中接口协议栈体系结构是开发具有自主知识产权的TETRA数字集群系统设备的关键。

2  TETRA数字集群标准体系结构
    TETRA数字集群标准在容量上具有较大的灵活性，适用于大、中、小容量系统，具有调度功能较多和补充业务较丰富等特点。TETRA数字集群标准规定了六种标准接口，即：空中接口、数字集群系统间的接口、终端设备接口、与其它公网和专网的接口、网管接口和有线台接口。
    TETRA数字集群移动通信系统的空中接口有两种类型：集群方式空中接口和直通方式空中接口。集群方式空中接口是指移动台与基站之间的空中接口，经此接口可在网络基础设备（SwMI）的控制下实现移动台与移动台之间、移动台与PSTN、ISDN、PDN和PNT用户之间的通信，移动台与基站之间的空中接口协议栈如图1所示。物理层（第1层）处理调制和解调、收/发转换、频率校正、码元同步及移动台功率控制等。数据链路层（第2层DLL）完成从第3层至第1层的映射。网络层（第3层）仅用于控制面，负责网络过程。
 

                        图1  TETRA数字集群空中接口协议栈
    在TETRA数字集群标准中，没有规定基站和交换中心之间的接口，将基站和交换中心统称为SwMI。因此，不同的厂商对基站和交换的划分都可能是不同的，而基站和交换之间的通信协议都是厂商自定义，对外不公开。在TETRA数字集群空中接口标准中，对移动台侧的过程和处理方法的描述是比较详尽的，而对SwMI侧的描述则不全面，通常以“SwMI侧的处理过程不在本标准范围内”的理由省略。
由TETRA数字集群空中接口协议的研究和分析可知，在开发过程中需要补充一些SwMI侧的原语过程和参数定义，而这些补充定义和具体协议栈开发有着密切的关系。在制定TETRA数字集群标准的时候，ETSI没有制定SwMI内部的结构和接口标准，显然是考虑到集群通信系统的客户定制化特点比较突出，单一的体系结构和接口标准很难满足不同厂商的需要。因此，ETSI没有制定基站和交换之间的接口给TETRA数字集群数字集群分系统研制的进展带来了困难。

3  现有TETRA数字集群产品
    由于TETRA数字集群分系统的空中接口协议栈是基于TETRA数字集群空中接口协议栈，所以首先分析现有成熟的TETRA数字集群产品所采用的体系架构。
从国际上现有成熟的TETRA数字集群产品来看，数字集群通信的网络基础设施大多采用分布式和集中式两种体系结构。
    分布式体系结构是将基站和交换中心分开，基站只负责物理层和数据链路层协议的处理，而交换中心负责网络层协议的开发。分布式体系结构的主要产品是Motorola公司的Dimetra IP系统交换中心，其采用具有双UltraSPARC IIIi处理器的高性能计算服务器Sun Netra 240作为交换设备，交换设备具有同时支持8台4载波TRTRA数字集群基站的能力，可以支持128个信道。分布式体系结构的特点是交换中心的能力很强，可以支持较大规模的用户网络，但对环境要求高，一般要建设专用机房。
    集中式体系结构是将网络层协议栈的处理集成到信道机内部的信道控制器中，其主要产品是Thales公司的μBTS基站，该基站的体积仅为333×246×165mm，但集成了完整的网络层协议栈，不需要其他设备就可以独立完成1个载波4个信道的集群系统的所有功能，通过设备互联可以扩充系统容量。集中式体系结构一般设备的体系小、可以适应野外的工作条件。集中式体系结构近年来越练越受到重视，包括许多采用分布式体系结构的大厂商也推出了集中式体系结构的产品，例如：Motorola公司的Dimetra IP Compact基站和EADS（原Nokia）公司的TB3c基站等。表1分析了两种数字集群体系结构的特点。
 
                     表1  两种集群通信体系结构的比较

    可靠性与故障弱化能力 较低，基站功能高度依赖交换中心。为了提高可靠性，多数在基站内设计有简化的网络层协议处理单元，以便当外部网络发生故障时，仍然可以降级工作。 高，无需任何外部设备支持就可以实现TETRA的全部功能。
与其他系统互联 交换中心内各种网关丰富，容易和其他系统互联。 基站内带有的网关比较少，但通常可以和其他专门的网关通过网络互联。
    目前，一些采用分布式体系结构的基站已经开始向分布式/集中式两用的体系结构过渡，例如，Motorola公司的Dimetra基站就几乎含有交换中心的全部功能，只是其交换能力较专门的交换中心稍差。如果用户的预算有限不能购买大规模的交换中心，或者交换中心和基站之间的链路出现问题，其基站可以自动完成所有交换功能，保证单基站的正常运行。
    综上所述，采用集中式的体系结构更符合TETRA数字集群系统的环境要求和使用特点，也与基站设计的国际趋势相符合，应将网络层协议栈集成到信道机中。

4  技术发展趋势
    当进行TETRA数字集群分系统协议栈体系设计时，如果能够兼顾目前国际主流移动通信协议的发展方向，可以使研究成果在未来一段时间中不落后，更有利于产品的推广和后续发展。
    为了迎接后3G（4G）时代新的技术挑战，3GPP组织在2005年启动了3G长期演进研究项目（Long Term Evolution，LTE），以演进的接入技术（Evolved-UTRA，E-UTRA）和接入网络（E-UTRAN），为运营商和用户不断增长的需求提供更好的支持，E-UTRAN的系统结构如图2所示。
                
                           图2  E-UTRAN的系统结构
    在LTE的许多工作目标中，都以IP网络作为承载，实现更短的通信时延和更简化的网络结构是其中最重要的目标之一。为了达到简化信令流程，缩短延迟的目的，E-UTRAN舍弃了UTRAN的RNC-NodeB结构，完全由eNodeB（基站）组成。也就是说，在LTE中不再有传统的负责交换功能的RNC，而是将所有交换功能都有基站来实现，从而实现网络层次的简化，以实现更短的通信时延。

5  TETRA数字集群系统空中接口协议栈体系结构的分析
    TETRA数字集群分系统空中接口协议栈的体系结构（特别是交换和基站之间）不应在公网所采用的体系结构基础上修改的。多年以来，许多厂商都尝试在现有公网协议的基础上增加PTT功能，实现集群调度功能，例如：GSM-R、GSM PRO、GoTa以及GT800等。但是为什么在这种情况下，像TETRA这样专门为集群通信设计的协议仍然有生命力，仍然可以占领绝大部分市场呢？一个关键的问题就是接续时间过长，在原有的公网技术体制上进行的优化和改造，其接续时间要1s左右，难以满足实际快速接续应用的要求。而象TETRA数字集群这样专网协议，在通信流程和内部结构设计上都针对集群通信的性能和功能要求做了有针对性的优化，例如在TETRA的移动性管理中没有定义寻呼过程。
    TETRA数字集群系统空中接口协议栈体系结构中应充分考虑集群通信的功能特点，减少协议处理的难度，应以ISI接口标准（ETSI 392-3-1至ETSI 392-3-6）为基础，结合空中接口的定义制定基站和交换之间的接口，以图2中的SN-SAP、TNMM-SAP、TNCC-SAP、TNSS-SAP和TNSDS-SAP作为信道机和交换之间的分界线；而MLE和LLC之间的接口定义由各信道机研制企业自行制定，其技术实现的难度较小，且比较可行。

6  结论
    TETRA数字集群空中接口协议栈体系结构是TETRA数字集群空中接口协议栈开发的关键，不但直接涉及到呼叫建立时间等性能指标，而且还影响开发具有自主知识产权的TETRA数字集群系统设备的进度。

参考文献
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