万能数据库查看器:集群通信

2.1 集群方式

   在一个多信道调度无线系统中，“集群”是指向正在申请服务的用 户自动分配信道，调度无线信道的集群基本技术方法有以下几种：

   2.1.1 信息集群

   使用信息集群(亦称消息集群)，在整个调度通话期间，给它分配一条无线信道。从移动台按键开始，中继站(基站)要经过6到lO秒“脱离”时间才能完成信息集群。如果在这脱离时间内别的移动台或调度员起动另外的信息传输，则仍保持原先的信道分配。
   这种技术效率低，因为在传输时间内若没有信息传输时仍然分配信道，并且在每个信息结束后的6秒“超时”内信道仍然被分配。图2.1所示为其工作过程。

图2.1 信息集群工作过程

   2.1.2 传输集群

   传输集群又称发射集群。在“纯正”传输集群中，仅对单一半双工无线传输期间分配信道。因为半双工操作一般需要在移动台的用户压下和释放“按讲开关”按钮；当用户按键时，可把检测到的一个确定而可靠的“传输结束”信令发送到基站控制器，这个信令可用来指示该信道可以再分配使用。基站接到该信令之后收回信道并将该信道分配给其它用户使用。所以在传输群方式中不会由于通话暂停而仍然占用信道，浪贺信道的使用，从而信道利用率就高了。图2.2为其工作过程。该通信方式，通话双方每次按下PTT键，所分配到的通话是随机的。所以，每一个完整的通话过程可能要分几次在几个不同的信道上完成。这就有利于通话保密。但这种方式一旦通话完成，PTT键释放，分配的通话信道就丢失而给其它用户使用，如果用户消息内有延迟就可能导致通话不连续，完整性差的缺点。

图2.2 传输集群工作过程

   2.1.3 准传输集群

   在相当于系统“忙时”的非常高的信道负载上，纯粹的传输集群系统中存在着用户消息内9延迟的可能性。因为每单个信息传输必须获得一个新的话音信道分配，这些延迟是极不受欢迎的，并导致消息连续性被中断。因此就出现了上述“纯”传输集群的修改型，称之为“准传输集群”，图2.3为其工作过程。
   准传输集群兼顾消息集群和传输集的优点，它缩短了集群站“脱网”时间，该时间连同移动台发送传输结束信令在内为0．5---1秒。在难传输系统中，一旦开始接入信道，两个电台可迅速建立通话而不会“脱离”话音信道，因而，具有小的信息延迟。

图2.3 准传输集群工作过程

2.2 控制方式

   集群移动通信系统的信道控制方式有两种：专用信道控制方式和非专用信道的分布控制方式，前者亦称为集中控制方式，后者亦称为分散控制、方式。
   无论哪一种控制方式，都能使集群通信系统的用户在使用时就好像是信道专用一样，尽管用户进行一完整的通话需要多次更换通话信道，而对用户自己来说并无明显的感觉。所有上述 功能的实现都是靠系统内执行控制任务的硬件和软件，配合完成的，这种以微处理机为硬件基础并与各种协议保持一致的软件结合就构成了集群通信系统的信令系统。因此，上述两种不同：控制方式的信令也是不同的。集中控制方式系统称为专用控制信令系统，分布控制方式系统称为随路控制信令，亦称为亚音频控制信令系统。
   专用控制信令系统适用于较大的集群通信系统，这是因为较大的系统信令联络时间非常重要，把一个信道专用作控制信令信道。随路控制信令系统适用于比较小的集群通信系统，把所有的信道同时用作话音信道又作信令信道，若把二个信道作控制信道用会使整个系统的信道利用率降低。

   2.2.1 专用控制信道方式

   专用控制信道方式采用一条信道作信令信道，并且，必须由系统控制中心集中控制和管理，处理呼叫请求和分配空闲信道。
   该方式具有许多优点，因为无需信道扫描，可以采用快速信令(如目前有的系统信令速度为3．6kbit／S，有的可达9．6kbit／S)，所以，建立呼叫速度快，入网接续时间短，也就是说，专用控制信道方式主要是接续快。除上述主要优点外，还具有下列功能：
   专用控制信道功能设置除具有一些专用的功能外，还可以完成紧急呼叫、短数据传输、动态重组、防盗选择、无线电台禁用等功能。
   连续分配信息更新，提高通信可靠性。
   遇忙排队，自动回呼等。
   采用专用控制信道方式，用户的入网和接续都必须通过专用控制信道来完成，这就遇到了两个或两个以上移动台在同一瞬间内发送信令而引起碰接(争用)的问题。完善的系统就要求解决这种“碰撞”(争用)问题。

   解决方法有两种：

   一种采用“定时询问”办法。

   即在此系统中，给每个移动台分配一个专用时隙，若移动台有信息发送就在该相应时隙内发送信令，这种时隙可由同一起始定时信号导出，或由基地台轮流安排各个用户发送，这种方式的缺点是当用户时，效率不高。所以它适用于用户数较少的系统。

   另一种是采用ALOHA方式或时隙ALOHA入网控制技术。

   在此系统中，每一消息中都会有若干检错位，使基地台可确定收到的消息是否同移动合同时发送引起碰撞而出错。若所收信令无差错则发送应答信令，否则有关移动台将按随机选择时延重发消息，直到消息发送完了为止。

   2.2.2 非专用信道的分布控制方式

   在这种方式的集群通信系统中，每个基台(又称转发器、中继器)都有一个逻辑板负责信道的控制和信号转发。基地台间的信息交换是通过一条高速数据总线(同轴电缆)进行。移动台可在任何空闲信道上实现接入操作。由于每个信道既要作话音传输，又要传输信令。所以它用低于话音频带(300Hz以下)的亚音频(如150Hz)调制数字随路信令，它可与话音同时传输，不占信道。
   在此系统中，由于移动台可预先获得可用信道而无需扫描，因而接入时间短。另外，由于每个信道独立完成信令交换，可在任何空闲信道上实现接入系统的操作。减少系统的交换负荷，提高可靠性。这种方式阻塞率低，等待时间短。

2.3集群通信系统信令的分类

   集群通信就是多个用户共用少数几个无线信道。为了确保通信中的保密和有秩序，保证系 统有机协调地工作，系统必须要有完善的控制功能并遵循某些规定。这样就需要一些用来表示控制和状态的信号及指令。

   为了将集群通信系统中用于通话的有用信号区别开来，我们把话音信号以外用于控制系统正常工作的非话音信号及指令系统称为“信令”。各种各样的信令组合成集群通信系统的信令系统，它可以称为集群通信系统的神经。由信令系统可决定集群通信系统功能的好坏，信令系统复杂是移动通信系统与普通通信系统的重要区别，同时，集群通信系统为了实现其强大的调度功能，信令系统会更加复杂。
   集群通信系统的信令主要有下列两种分类方式：

   一是按信令功能可分为控制信令、选呼信 令、拨号信令三种；

   另一种是按信令形式分类，可分为模拟信令和数字信令两大类。
   集群通信系统中控制技术包括空闲信道的检测以及通话信道的指配和控制，利用微处理机的通信控制等。控制和信令是不可分的。一种性能优良的信令系统将会大大提高整个集群通信系统的效率。对信令的要求主要是便于无线传输，实现起来简单，组合数量多，且与市话兼容性好等。

   2.3.1 三种不同功能的信令

   (1)控制信令

   控制信令用来控制基地台与移动台之间信道的连接、断开以及移动台无线信道的转换。此 外，还用来作为监控和状态显示。它包括各种状态监视信号、空闲信号、分配信道、拆线、强插、强拆、限时、位置登记、遥毙、报警信令等。
   信令可以利用专用信令信道传输，也可以通过话音信道传输。

   (2)选呼信令

   选呼信令用来控制移动台按自己的身份码接入系统，它包括单呼、组呼、群呼信令等。一个集群通信系统拥有许多移动用户，为了在众多用户中呼出其中某一用户而不至造成一呼百应 的状态，给每个移动台规定一个确定的地址码，其他控制台按照地址码选呼，这样就可建立与 该移动用户的通信。对选呼信令的要求是，既组成简单又能获得尽量多的号码数，同时又要求 可靠性高，抗干扰性能好。

   (3)拨号信令

   拨号信令是移动用户通过基地台呼叫另一移动用户或市话网用户而使用的信令。因此要求拨号信令与市话网具有兼容性，并适于在无线信道中传输。

   2.3.2 两种形式的信令

   1 模拟信令

   利用模拟信令实现集群控制，一般情况采用DTMF信令、CTCSS信令、五音调信令等，它们可以单独使用，亦可以几种搭配混和使用。

   (1)DTMF信令
DTMF信令是一种双音多频信号，它在市话程控交换机上被广泛使用。它是一种带内信令即在300—3400Hz音频范围内，选择8个单音频率，分为高频率群(4个或3个频率)和低频率群(4个频率)，每次从高频率群和低频率群各取出一个频率，由高低两个频率信号叠加在一起构成一个DTMF信号。
   在集群通信系统中，DTMF信号用作系统的识别、拨号、控制以及状态等各种信令。

   在集群通信系统中，目前还没有统一规定DTMF双音多频信令的具体定义，大部分生产厂商都有自己的设定，实际中可根据具体设计，对已使用的信号种类适当增减。特殊功能信号，如缩位拨号、呼叫转移信号等，可自行规定，但不能与之相矛盾。通常可参考我国移动通信90系列标准《中小容量自动拨号无线电话系统》中关于DTMF双音多频信令的统一规定。

   (2)CTCSS信令
   这种信令是指亚音频控制静噪选呼信令，又称为音锁或单音静噪。它是多个通信系统公用一个信道，为防止互相干扰而使用的一种亚音频信令。它还可以有效地防止非法用户进入系统。

   CTCSS信令是在发射载波上叠加低电平亚音频单音，每个系统有自己特定单音，用户每次呼叫开启发射机时使发出该频率的单音，并在整个通话期间持续发送。

   在简单的集群通信系统中，常用该信令实现组呼或作为系统识别音。

(3)五音调信令
五音调信令属于单音顺序编码信令。
   CCIR规定五音调非序码单音频率稳定度应优于土5×10-3，标准码长时间为100±10ms，码字之间不间断排列，间断误差时间约为20ms。

   2 数字信令

   数字信令是随着计算机技术的发展而飞速发展起来的，数字信令由于传输速度快、组码数 量大，便于集成化，可以使设备小型化，近几年在集群通信系统中被广泛应用。
   数字信令大体可分为低速和高速两类。低速数字信令要进行两次调制，第一次调制在一个 或几个音频频率上，在无线信道中仍以模拟方式进行第二次调制。高速信令一般是直接调制在 无线信道上，由于速度较高，通常采取多次重发和较复杂的纠错编码方法，以解决传输中出现 的差错问题。

   (1)数字信令格式
   在传输数字信令时，为了便于收端解码，通常要求数字信令按一定格式编码。常用的数字 传令格式有两种，如图2.4(a)、(b)所示。

图2.4 数字信令格式

   第一种格式，每发送一组地址或数据信息时都要发送同步码和纠错码。

   第二种格式每发送 一次同步码和纠错码时，可以发送几组信息码。
位同步码(P)：又叫码头、前置码或同步码。它是将收发两端的时钟对齐，以便给出每个码元的判决时刻。
字同步码(SW)：又叫帧同步码。它表示信息的开始，相当于时分多路通信中的帧同步。常选用相关性好的不归零巴克码来做字同步码。
   信息码(A和D)：传输数字信令的具体内容包括地址码和控制、寻呼、分配信道、拔号等数据信息，它是数字信令的核心。
   纠错码：又称监督码，是为了防止信令在传输中出错而加的冗余码。一般情况采用BCH码，它不仅可以发现错误，还可以实现前向纠错。

   (2)数字信令的传输方法
   基带数字信令是二进制的数据流，只有通过调制才能发射出去。考虑到与现有模拟系统的 兼容性，数字信令要适应25kHz的信道间隔要求，能够在16kHz带宽的信道内可靠传输，用于数字信令的调制方式有ASK、FSK、PSK三大类。ASK体制抗干扰和抗衰落性能差，在移动通信中基本不予以采用。FSK和PSK方式具有较好的适应性。
   在选择调度方式时，主要从信令速率、调制带宽和抗干扰能力(即误码率)上来考虑。通常使用的调制方法有两种：一种是基带调制，它适用于高速率；另一种是副载波二次调制，造用于较低速率。

2.4 数字信令规约

   2.4.1 MPT—1327数字信令

   MPT—1327：集群系统信令标准规约。这个标准是经英国贸易工业部、英国邮电部、11家制造工厂、2个用户协会，经1982年、1983年和1984年三年的三次讨论，于1985年公布。它在世界上已标准化和公开化，MPT—1327是一种承前启后的标准，世界上许多国家和公司都采用这种信令开发了各种集群移动通信系统。通常MPT—1327数字信令是利用专用信令信道传输。
   MPT—1327信令规约是建立在不对称控制信道基础上的。如图2.5所示，在下行链路中， 信道连续传输两组64bit码字，一组由控制信道系统码(CCSC)组成，用于系统同步和系统识别。另一组码(1NFO)由地址码和其它规约信息构成，这两组码字构成一个时隙。下行信道第一个码字的第一位为“0”。另有15位系统识别码，而后是16位信息码。第三个16位码为前置码，然后在校核的16位上给出一同步序列。与此相反，在上行链路里，移动台采用动态帧长ALOHA技术，分时操作，与下行链路同步接入信道，以提高信道的利用率。上行链路信令格式为32bit同步码(SYNC)加上64bit信息码(1NOF)。纠错编码采用特殊的BCH(63，64)循环码加1位奇偶校验位。其生成多项式为： X15+X14+X13+X11+X4+X2+X1

图2.5 信令基本格式

   上式能检测出所有的奇数位错误和5位随机错误或16位长的突发错误，可以纠正两位随机错 和检测3个错误或一组4位长的突发错误等，不需要重发。
   利用上述的纠错方法，可马上判决出该时隙是否存在碰撞，若发现长的突发错，立即发出一碰撞信号，表示移动台发出的呼叫已受到碰撞，并保持在下一接入时隙重发。这时，基地台则指定下一接入帧增加时隙，而在应答帧中减少时隙，这样的结果使信令信道不致阻塞，延迟 不致加长。利用BCH(63，48)加1位编码还有便于计算机处理的优点。
   MPT—1327是一种为集群专用陆地移动通信系统应用的信令标准。它规定了集群系统控制器和用户无线单元之间的通信协议准则。该信令中还包括长、短数据信息，可用来直接传输 协议准则。MPT—1327标准可用于实现多种系统，这些系统小到只有几个无线信道(单信道也 可)，大到可以由多个集群系统控制器组成的网络。
MPT—1327信令系统最大容量范围为：
   每个系统1036800个地址。
   1024个信道号码。
   32768个系统识别码。

   该协议使用了1200bit／s的信令，这种信令用快速移频键控(FFSK也即MSK)副载波调制方式。它是为异频半双工无线单元和全双工集群系统控制器TSC(Trunking system controller)设计的。协议提供了广泛的用户设备和系统选择。但可以实现一部分适当的协议，也可以再将新的规定加入到协议中，因而信令系统具有很强的可扩充性。

   2.4.2 LTR数字信令

   LTR是Logic Trunked Radio的缩写，该信令是非专用信令信道的分布控制系统。

   它采用300bit／s亚音频(低于150Hz)调制的数字式随路信号，与话音信号同时传送，不占用专门信道。采用传输集群技术，即讲话时占用信道，讲话空余时，利用按讲方式释放信道，此时信道可被别的用户通话使用。每次移动台发射可在任一信道上进行，不固定分配信道。这样能充分利用传输空余时间，提高信道的负载能力。

   LTR信令系统中每个信道需要一个转发器，转发器之间通过高速同轴电缆数据链路传输数据信息流，传输速率为9600bit／s，信息以时分多址共用数据总线方式交换。每个转发器都有控制头，可分布控制，即每个信道独立完成信令交换，减小系统信令的负荷，从而提高系统的可靠性。移动台与转发台之间采用应答式交换信令。

   转发台有五种工作方式：空闲、转发、只发、双工、松键(hang，即只发数据不发话音)。

   信令格式有三种：转发器之间高速传输信令、转发器到移动台的信令以及移动台到转发器的信令。

   信令通常包含宿主(home)信道(主信道)号、状态信道号、被呼用户的识别ID码(单人及群ID)、空闲信道号以及其它参数等。移动台到转发器用速率为300bit／s亚音频数字信令(约63比特BCH 码)。它与话音同传，且持续不断地实时更新参数。移动台可预先获得可用信道，无需扫描，因此接续时间短，仅约300ms。

   通常每个移动台都被编程设置两个信道号。一个宿主信道号，另一个是状态信道号，当检测到有合法的数据信令时，该信道即为监控信道。这是防止宿主信道出现故障时，失去信息，以便通过监控信道获得收发呼叫的最新信息。
   LTR信令的五种主要信令格式如图2.6所示。
   一个完整的信令发送时间为130ms。

图2.6 LTR信令的五种主要信令格式