（通信与信息系统专业论文）tetra数字集群通信系统移动性管理层的研究与实现.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 t e t r a 数字集群系统是e t s i 推出的新一代数字集群通信标准，该标准在2 0 0 0 年前 后进入中国后，t e t r a 数字集群系统在我国获得了较大规模的应用。然而我国集群产业仍 处在初期发展阶段，国内正在使用的数字集群通信系统完全采用国外的技术和设备，整个 产业基本上处于被国外厂商垄断的状态，导致终端和系统设备价格较高，许多单位和用户 无法承受经济负担而转向继续使用模拟集群设备。因此，开发出国产的数字集群通信系统 都具有重要意义。 移动性管理是t e t r a 数字集群空中接口协议栈的重要组成部分，移动性管理实体的 开发直接影响到移动台接入网络的速度和移动性能，关系到用户对移动台和网络的满意 度。 本文在综述了t e t r a 数字集群通信系统技术特点及其在国内外的发展状况的基础上， 阐述了t e t r a 数字集群空中接口协议栈的分层结构及各层功能，对终端移动性管理协议 层的功能进行了深入的分析和研究。在分析和比较目前协议开发语言和开发方法的基础 上，并结合软硬件平台，提出了适合本次协议栈的开发语言、开发流程和开发方法。采用 人工编写代码并在c c s 2 0 软件平台上仿真调试，最终将代码加载到o m a p 5 9 1 2 硬件平台 进行终端测试以及与网络设施的联和测试。测试结果表明协议层实现功能与协议描述一 致，满足了系统要求。 关键词：t e t r a 数字集群空中接口协议栈移动性管理 a b s t r a c t t e t r ad i g i t a lt h i n k i n gi sn e x t - g e n e r a t i o nd i g i t a l t r u n k e dc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s r e c o 珏皿e n d e db ye t s i a f t e rb e i n gi n t r o d u c e dt oc h i n aa ta r o u n d2 0 0 0 ，t e t r ad i g i t a lt n m k e d s v s 妖i mw a sw i d e l yu s e di nc h i n a h o w e v e r ，c h i n e s et r u n k e di n d u s t r yi ss t i l li n t h ee a r l ys t a g eo f ( 1 e v e l o p m e n t t h ed o m e s t i cd i g i t a lt r u n k e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s e di sf u l l yi m p o r t e df r o m f o r e i g nc o u n t r y ，t h ew h o l ei n d u s t r yi sb a s i c a l l ym o n o p o l yo f f o r e i g nm a n u f a c t u r e r s ，r e s u l t i n g1 1 1 t h ep r i c eo ft e r m i n a la n ds y s t e me q u i p m e n t si sq u i t eh i 幽s ot h a tm a n yo r g a n i z a t i o n sa n du s e r s c a n ，tb e a rm ef i n a n c i a lb u r d e na n dt u r nt oc o n t i n u et ou s ea n a l o ge q u i p m e n t s t h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n to fc h i n a - m a d ed i g i t a lt r u n k e d c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t yi s a l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft e t r aa i ri n t e r f a c ep r o t o c o l s t a c k t h em o b i l i t yo fm sa n dt h et i m eo fm sa c c e s st on e t w o r ka r ed i r e c t l yi n f l u e n c e db y t h e d e s i g no fm o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y u s e r s s a t i s f a c t i o nw i t hn e t w o r ki sa l s or e f e r e n c et ot h e d e s i g no fm o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y t h i s p a p e rs u m m a r i z e s t h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s o ft e t r ad i g i t a lt r u n k e d c o i n m u n i c a t i o ns y s t e ma n di t sd e v e l o p i n gs i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d t h eh i e r a r c h i c a l s t r u c t u r ea n df u n c t i o no fe v e r yl a y e ri nt e t r aa i ri n t e r f a c ep r o t o c o ls t a c k si s s t a t e d ，a n dt h e 觚t i o ni nm o b i l i t ym a n a g e m e n tl a y e r i sd e e p l ya n a l y z e d 。b a s e do nt h ea n a l y s i s a n d c o m p a r i s o no ft h e c u r r e n td e v e l o p i n gl a n g u a g ea n dd e v e l o p i n gm e t h o d s ，c o n s i d e r i n g t h e h a r d 、聊ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ea d a p t a b l ed e v e l o p i n gl a n g u a g e ， t 0 0 1 sa l l dm e t i l o d sf o rt h i sd e v e l o p m e n to fp r o t o c o ls t a c k s t e s t i n ga tt h e c c s 2 0s o f t w a r e p l a t f b n na f t e rw r i t i n gc o d e ，t h e c o d ee v e n t u a l l yi sl o a d e di n t ot h eo m a p 5 9 1 2h a r d w a r e p l a t f o m lf o rt h et e n n i i l a lt e s t i n ga n dt e m i n a l n e t w o r kt e s t i n g t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o t o c o l l a y e rf u n c t i o n sa c c o r dw i t hw h a tt h ep r o t o c o ls t a d a r d s d e s c r i b e t h i sd e v e l o p e n tm e e t st h e s y s t e mr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：t e t r a ，d i g i t a lt r u n k i n g ，p r o t o c a ls t a c k si n a i ri n t e r f a c e ，m o b i l i t ym a n a g e m e n g t i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知。除了文中特n d i ：l 以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示t i 1 十意。 研究生签名： 日期：幽! 垒孥 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论 文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：物丑壮导师繇翟必日期：越蛐 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章引言 1 1 概述 第一章引言 数字集群通信是二十世纪末兴起的新型移动通信系统，属于专用移动通信系统。所谓 “集群 ，就是将有限的通信资源( 无线信道) 自动分配给大量用户共同使用。它除了具 备公众移动通信网( g s m 、c d m a ) 所能提供的个人移动通信服务外，还能实现个人与群 体间的任意通信，并可进行自主编控。集群通信系统与公众的蜂窝移动系统相比具有呼叫 接续快、群组内用户共享前向信道、半双工通信方式和支持私密呼叫和群组呼叫等特点。 由于集群通信系统具备特有的调度功能和组呼功能以及快速呼叫的特性，因此在专业通信 领域发挥着巨大的作用，其主要应用对象是对指挥调度功能要求较高的部门和企业，包括 政府部门( 如军队、公安部门、国家安全部门和紧急事件服务部门) 、铁道、水利、电力、 民航等单位。另外，随着经济的发展，出租、物流、物业管理和工厂制造业也越来越需要 集群通信。 t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ，陆地集群无线通信) 数字集群系统是欧洲电信协 会( e t s i ) 制定的数字集群标准。t e t r a 数字集群系统可提供话音、电路数据、短数据 信息、分组数据业务以及直通模式的通信，并支持多种附加业务。其主要优点是兼容性好、 开放性好、频谱利用率高以及保密功能强。 在数字集群通信系统体制中，t e t r a 数字集群通信系统适用大、中、小不同容量的系 统。其大量借鉴了g s m 移动通信系统的原理，使用t d m a 多址方式，采用与g s m 类似 的逻辑信道，载波带宽2 5 k h z ，1 帧有4 个时隙，使用a c e l p 语音编码和r d 4 d q p s k 调 制，支持蜂窝式连续覆盖。 从安全性能来看，t e t r a 数字集群终端独特的加密技术能够使专业部门有效避免外界 的攻击的黑客的非法干扰：使用精确g p s 全球定位技术为用户的人身安全和在紧要关头做 出及时反应提供了切实保障；统一调度业务能够进行远距离遥毙、恢复终端的工作。 t e t r a 数字集群通信系统可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输和电话服务， 它不仅提供多群组的调度功能，而且还可以提供短数据信息服务、分组数据服务以及数字 化的全双工移动电话服务，因此只需一套系统就可以满足一个组织的多种无线通信需求， 同时t e t r a 提供了虚拟专网的功能，可以利用同一个网络为多个不同的部i q h 艮务，有效 地降低了建网成本和使用费用。正是由于以上优点，t e t r a 数字集群系统在世界范围内得 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 到了广泛应用【1 】 2 】【3 】。 1 2 t e t r a 数字集群系统的特点 t e t r a 系统除了具有集群系统的共用频率、共用设施、共享覆盖区、共享通信业务和 共同分担费用等特点外，还有以下的特点： 1 ) 加密方式灵活 t e t r a 系统在通信过程中对话音、数据和信令实行自动加密，同时识别用户的合法性。 它有三种加密方式可满足用户的不同要求。首先，它的空中接口加密包括认证、加密和终 端禁用，在目前的t e t r a 系统中普遍使用。其次，它的端对端加密适用于对保密性有特 严格要求的场合，用户保持自己特有的密钥，系统只是为用户提供透明的通信线路和标准 接口，并不参与加密过程。第三，它的双向鉴权加密机制支持对交换管理基础设施( s w m i ) 和移动台( m s ) 进行鉴权。 2 ) 可以脱网直通 t e t r a 确定的直通工作模式( d m o ) 可使移动终端之间在没有网络的情况下直接通 话，这对公共安全方面的应用是至关重要的。d m o 方式适用的情况终端在网络覆盖范围 之外，或者在覆盖范围内但需要保密的通信信道。这使得t e t r a 具有故障弱化的功能， 即系统控制部分或网络出现故障时仍能保持常规通信状态，此时移动台转换到预先设立的 故障弱化信道( 系统话音信道) 上，用户就可以在次信道上进行常规通信，像对讲机一样 在预设的直通频率上进行直接通信，而不需要基站和网络的支持【4 1 。 3 ) 调度业务丰富 t e t r a 系统可以在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输及话音服务，因此一套系 统就可以满足一个组织的多种无线通信需求。除此之外，由于t e t r a 是一种数字式标准， 它支持广域通信覆盖，传送的话音非常清晰。 4 ) 系统设备具有兼容性 为了确保不同厂家系统设备的兼容性，t e t r a 标准定义了与系统设备以及网络中不同 资源的接口。各厂家必须将其设备标准化来遵循t e t r a 认证过程，从而不同厂家的移动 和手持终端能够在t e t r a 系统中以同一方式进行运作【5 】【6 1 。 1 3t e t r a 数字集群系统的发展状况 1 ) t e t r a 数字集群在国外的发展状况 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 自从1 9 9 7 年开始供应t e t r a 数字集群系统以来，t e t r a 数字集群系统在国外发展非 常迅速，已经取得了很好的市场业绩，用户早已不再局限于欧洲，而是发展到中东、亚太、 非洲、拉丁美洲等世界各地，广泛得应用到公共安全、运输、石油天然气、电力、政府、 军事、工业等各种部门以及行业。除了应用到各种专网以外，t e t r a 数字集群技术也被逐 渐应用至公网中，目前世界上已经建立多个基于t e t r a 数字集群技术的全国性公网，例 如：覆盖比利时全国的t e t r a 数字集群网络。t e t r a 数字集群不仅在保障各部门的日常 活动中发挥了巨大作用，在社会的各项活动和事件中也经受住了考验，例如：2 0 0 2 年e t 韩 世界杯、2 0 0 4 年雅典奥运会以及2 0 0 8 年的北京奥运会，t e t r a 数字集群系统都发挥了重 要作用，在实践中得到了验证，说明其完全可以满足类似重大活动和事件的要求【7 】 8 】【9 】。 2 0 0 5 年1 1 月2 8 日至1 2 月1 日在德国f r a n k f u r t 举行的t e t r aw o r l dc o n f e n r e n c e 2 0 0 5 上，t e t r a m o u 协会年度合同调查公布最新调查数据：截至2 0 0 5 年8 月，t e t r a 已经 在全球7 7 个国家中赢得7 8 8 个t e t r a 基础设备和终端的合同，这表明t e t r a 全球订单 数目在9 个月中增长高达2 7 ，签订t e t r a 订单的国家数目增长率高达1 8 。至此， t e t r a 合同连续四年保持5 0 以上的增长率，在全球超过4 0 的国家中得到部署【l0 1 。 2 ) t e t r a 数字集群在国内的发展状况 我国的数字集群通信系统开发和使用起步于1 9 9 8 年，2 0 0 0 年国家信息产业部推荐了 两种数字集群的标准- t e n 认和i d e n ，其中t e t r a 具有开放性较好和调度功能强的 特点，被广泛地使用【i i 】。已经投入使用的北京数字集群指挥调度通信系统，根据“数字奥 运”和“数字北京”的要求，被列为北京市重大信息化工程。该项目已经成为北京市调度 信息传送的最重要的共用信息平台。北京的党政机关、公安政法、交通运输等部门以及武 警、部队指挥机构等加入该网，够可以运行在该网络上，利用系统提供的独特的“虚拟专 网”功能，为各单位建立一个虚拟专业网络。在这个虚拟专网上，各用户成员不仅可以单 独下达指令，完成指挥调度通信任务，还可以对自己的成员进行管理，提供以指挥调度为 主的调度电话、调度数据、双工电话、i p 分组数据等基本业务和自动车辆定位、遥测遥控 等多种增值业务服务。该通信网是我国目前规模最大、技术最先进、功能最强大的调度指 挥通信网。此外，江苏、浙江、广东以及上海等省( 市) ，正在进行建设或者已经建成自 己t e t r a 数字集群网络。至今，公安、铁路、地铁以及机场等领域出现多个t e t r a 数字 集群网络。截至2 0 0 6 年1 0 月底，我国已建成并运行的t e t r a 数字集群系统有4 2 个网络、 3 9 个交换机、8 6 0 个基站、6 2 0 5 0 个用户终端。此外，2 0 0 8 年北京奥运会的开幕使t e t r a 数字集群终端数量增加近一倍【1 2 】f 1 3 】【1 4 】。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 1 4 论文的选题意义和主要工作 随着指挥调度和应急通信需求的增长，数字集群通信系统的重要性日益显著。从数字 集群通信的发展现状来看，我国集群产业处在初期发展阶段，与公众移动通信的发展规模 相比，数字集群通信的规模处于远远落后的状态。同时，国内正在使用的数字集群通信系 统完全采用国外的技术和设备，整个产业基本上处于被国外厂商垄断的状态【l 引。 t e t r a 数字集群系统以其开放性好、保密性强以及频谱利用率高等优点，得到了越来 越广泛的应用。由于t e t r a 数字集群系统应用领域的特殊性，实现t e t r a 数字集群系统 的国产化，对保障我国的国家安全有着重要的作用。移动性管理作为t e t r a 协议栈的重 要组成部分，掌握其开发过程必将对t e t r a 数字集群系统国产化有着重要的推动作用。 本文详细阐述了t e t r a 数字集群系统终端移动性管理层的工作原理以及开发过程。 第一章概述了t e t r a 数字集群系统及其特点，并分析了t e t r a 数字集群在国内外的发展 状况。第二章分析了t e t r a 数字集群系统协议栈的结构，并详细说明了移动性管理层的 功能及工作原理。第三章说明了开发协议使用的开发方法和开发环境。第四章描述了协议 开发流程中各个环节的实现过程。第五章阐述了移动性管理层在软硬件平台上的测试过程 以及测试中出现的问题，并对测试结果进行简要分析。第六章对本文进行了总结，并对后 续工作进行了分析。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 2 1 t e t r a 空中接口协议栈 协议是通信中相同层的两个或多个实体间相互通信时所必须接受的语意规则和语法 格式的集合。协议通过协议规范以某种语言的形式确切定义。 t e t r a 数字集群空中接口协议是指移动台( m s ) 与交换与管理基础设施( s w m i ) 之 间无线通道的信息传输规范，只有m s 和s w m i 的开发都遵循这样的规范，不同厂商的设 备才能够相互通信。因此协议栈的开发必须严格遵循协议的规定。在t e t r a 数字集群空 中接口标准中，对m s 侧处理过程的描述是比较详尽的，而对s w m i 侧的描述则不全面， 通常以“s w m i 侧的处理过程不在本标准范围内”省略，因此，本文主要讨论m s 侧的移 动性管理过程。此外，在t e t r a 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s w m i 。 t e t r a 数字集群空中接口协议是按照开放体系互连( o s i ) 参考模型定义的，它仅仅 定义了o s i 模型的下三层通信协议：物理层、数据链路层和网络层，称为空中接口协议。 其结构如图2 1 所示。这样保证不同国家、公司开发的数字集群通信系统在底层是开放的， 因而形成一个开放的市场，有利于通过竞争促进技术进步，而对高层通信协议标准没有进 行定义，留给开发商自己完成【1 6 】 1 7 】。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 c 一面 u 一面 n 州i - jr 刁i 旧日 、，v “o j 诅二l l 7 ， r f r r 晦宅酌r t 取；圣日、f 卜警 一d _ 、i t- a & 1 1i yk h ，o o - h j ，jm r a 刀口苗求首1 昔首 芒憔r t 坩厶4 甘、i f ，蔓 俅t e b l d ) 万殂业劈 南圣2f 百= 十慢白黼，星 补充业务 屯蚰叮先n 。下l 笊扩姒：i 置 口舳曼、1 1 ，芷 电路梗式傈护梗式( 低位) 覆盖l 卜一呼叫控制信息 电路梗式傈护数据c 高位) ii 移动控制 + + + s c u 体 ： 控制 控制 r 控制 协议栈结构 无线电空中信号多址能力的需要，定义了比 分更子层。现代网络设计思想是信令面与数据面分离，空中接口协议 栈就照此原则根据一个通用协议模型设计的，设计的准则是层与面在逻辑上相互独立【1 直平面来看，空中接口协议栈垂直方向可以分为一个控制面( 户面包括应用协议以及用于传输这些应 用协信令承载；用户面包括数据流和用于承载这些数据流的数据承载。用户发送和接 收的信息都通过用户面来进行传输。 平平面来看，由下而上空中接口标准分为物理层、数据链路 层、层三层191。 空中接口的第一层是物理层，由定时结构和无线电射频等组成。它包 括射送和接收、调制和解调、发送和接收的转换、定时、时分多址接入 动功率控制等功能。 空中接口的第二层由介质访问控制层 逻路控制层(，层组成。决如何将数据6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 进行处理，以适合在无线电线路上传输。l l c 处理数据传输、转发、分段、重新装配和逻 辑链路的管理和控制等操作【2 0 1 。 t e t r a 数字集群空中接口的第三层也分成两个子层。较低子层称为移动链路实体 ( m l e ) ，较高的子层由3 个单元组成，统称为子网络接入功能( s n a fs u b - n e t w o r ka c e c e s s f u n c t i o n ) 。移动链路实体( m l e ， m o b i l e l i n k e n t i t y ) 负责控制较低层与无线电相关的功能， 包括无线电连接的管理、登记区之内的移动性管理、移动台身份管理和服务质量控制等功 能。s n a f 由移动性管n ( m m ，m o b i l i t y m a n a g e m e n t ) 、电路模式控制实体( c m c e ) 和分组数 据实体( p d ) 组成。m m 处理漫游和位置更新等业务。c m c e 处理呼叫控制、短数据业务以 及补充业务。p d 处理面向无连接的和面向连接用户的分组数据【2 1 】【2 2 1 。 协议栈上层与下层之间通过原语相互通信，对等层之间通过p d u 相互传递信息；下 层不能分解上层的p d u 。由于这种层与层之间的封装性，对等层之间通信更加安全。 2 2t e t r a 数字集群移动性管理协议 2 2 1 移动性管理实体的功能 移动性管理( m m ) 实体位于t e t r a 数字集群空中接口协议栈第三层，实现终端移 动性相关功能，主要包括：注册去注册、组身份码附属去附属、节能模式、以及安全性 功能。跟移动性管理相关的服务访问点( s a p ) 有两个，用户应用通过t n m ms a p 业务 接入点使用m m 业务，实现的信令传递过程主要有：开机关机时的附属去附属，移动台 鉴权和省电模式的转换。而移动链路实体( m l e ) 层通过l m ms a p 业务接入点为m m 提供 业务，实现各种类型的位置更新的过程，如：漫游，向前，迁移和干涉。具体功能如图2 - 2 所示。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 图2 - 2 移动性管理实体功能结构图 注册功能实现对入网移动台所处位置区进行登记，使系统实时地了解移动台所处的位 置区。去注册功能在移动台关机或取出s i m 卡时执行，以减少无效寻呼。组身份码附属 去附属及组报告功能实现对移动台所附属的组的管理。节能模式可以减少移动台的功率消 耗，延长电池使用时间。安全性功能实现如入网鉴权、终端的禁用使能、空中接口加密等 功能，提高了通信的安全性，本文对鉴权和禁用使能两种功能进行了描述，空中接口加密 功能为项目的后期工作，本文未予讨论。 2 2 2 注册功能 注册( 位置更新) 过程是指通过移动台与t e t r a 交换与管理基础设施( s w m i ) 交换 t e t r a 用户身份码( i t s i ) 而使之变成为有效的和被承认的t e t r a 数字集群用户的行为 过程。除了使移动台成为合法移动台的作用以外，注册还可以使系统能够实时地了解到移 动台所处的区域，减少系统在寻找移动台时的寻呼范围，因此注册是移动性管理实体最重 要的功能之一。根据注册的发起方不同，注册主要分为三种类型：m l e 发起的注册、用户 应用发起的注册以及s w m i 要求的注册 2 3 1 1 2 4 1 。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 2 2 2 im l e 发起的注册 当移动台从一个位置n ( l a ) 移动到另一个位置区时，移动台需要向交换与管理基础设 施发起注册，该过程由m l e 首先发起。m l e 发起的注册可以分为正常注册和转移注册。 1 ) 正常注册 正常注册又可分为漫游注册、迁出归属网络注册、迁回归属网络注册以及暂时禁用状 态下注册。漫游注册是t e t r a 数字集群系统中最为常见的注册方式，它是指在同一个 t e t r a 数字集群网中( 即移动国家码和移动网络码都不发生变化) ，当移动台位置区发生 变化时发起的注册过程。迁出本网络注册是指移动台迁移到本网络以外( 即网络的移动国 家码或移动网络码发生变化) ，移动台发生的注册。与迁出本网络注册相对的是迁回本网 络注册，是指从其它t e t r a 数字集群网络迁回本网络时发起的注册过程。在国内目前的 实际应用中，由于安全性和不同组织间互连互通等因素，t e t r a 数字集群用户一般不能实 现迁移，而暂时禁用状态下注册是在终端被禁用时的注册过程。因此，漫游注册成为最为 常见的注册形式，漫游注册过程如图2 3 所示。 m s空中接口 b g 捌 l | | 【：e狐 m l e l i n k 指示 u l o c a tio n u p d a te d e m a n d 启动定时器 噩l e r e p o r t 指示 t l d a ta 请求 珏l e r e p o r t 指示 m l e r e p o r t 指示 t l d a t a 证实 d l o c a tio n u p d a te a c c e p t 停止定时器 t w l 叮l r e g i s tr a ti o n 手旨示 l e _ u p d a t e 请求 。 图2 - 3 漫游注册过程 当m m 实体收到需要进行位置更新的指示( m l e l i n k 指示原语) 时，应向m l e 发 送一个m l e u n i t d a t a 请求原语，该原语中携带位置更新请求p d u ( u - _ l o c a t i o n u p d a t e d e m a n d ) 。在p d u 中，根据不同情况设置各信息元素，应将位置更新类型信息元素设置为 “漫游位置更新”，同时应启动定时器，如果在一定时间内移动台没有收到任何消息可以 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 重新发送请求。m l e 实体在收到消息后应该在该p d u 头部加入本层的控制信息，再对信 息重新封装发往下层，最后通过空中接口将信息发送到s w m i 。如收到个dl o c a t i o n u p d a t e a c c e p tp d u 则表明b s 或s w m i 接受移动台的位置更新请求，应停止定时器，对p d u 进行解码获取元素信息，更新相关参数并指示用户注册完成。如果网络由于某种原因不同 意注册，例如负荷过重、网络失效或m s 接入拒绝，应该在下行链路上发送一个带有拒绝 原因的d _ l o c a t i o n u p d a t e r e j e c tp d u 。 2 ) 转移注册 转移注册是指当本网络中正在使用激活电路模式的移动台发生了小区再选，且登记区 发生了变化时进行的注册过程。转移注册中m s 与s w m i 的信息交互过程与正常注册基本 相同，所不同的是转移注册发送注册请求时所使用的原语是m l ep r e p a r e 请求原语，正 常注册所使用的原语是m l eu n i t d 触隗请求原语。 转移注册就是我们在公用移动通信系统中常说的越区切换，当正在通话的移动台从一 个小区移动到另一个小区时，移动交换中心( m s c ) 命令移动台从一个小区的无线信道上的 通话转接到另一小区的无线信道上，以保持继续正常通话。在t e t r a 数字集群通信系统 中，越区切换是移动性管理层的一项非常重要的功能，是移动通信系统的一个关键特征， 它直接影响整个t e t r a 系统的性能。 切换的目的是：在移动台与网络之间保持一个可以接受的通信质量，保证通信的连续 性。由于移动信道的复杂性，诸如衰落、遮挡、干扰以及移动台的运动或附近物体的运动， 会造成接收信号电平发生很大的起伏而成为可能出发切换的主要原因。因此，t e t r a 集群 通信系统中，切换是最复杂最主要的过程之一。 在一次呼叫期间，m s 不断向正在服务的b s 报告所在小区及相邻小区的信号强度。当 m s 从本小区基站接收到的信号强度低于从相邻小区基站收到的信号强度时，m s 通过正在 服务的b s 向正在服务m s c 发出越区切换请求。收到请求后，m s c 将在目标小区中寻找 一个空闲信道，将该m s 的通信转移到新的信道上，同时释放原来的信道。如果目标小区 中没有空闲信道，通信会在原来的信道上继续进行，同时，这种试图切换的过程会周期地 重复进行。 切换一般分为两类：硬切换( 先断开原来的链接，在建立新的链接) 和软切换( 先建 立新的链接，再断开原来的链接) 。通常，硬切换进一步分为两类：内部切换和小区间切 换：软切换也进一步分为两类：扇区间软切换和小区间软切换。 。 为了评价切换方式的效率，定义一些性能测量参数非常重要。在硬切换的情况下，使 用下面的切换参数来评价切换算法： 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 ( 1 ) 不必要的切换次数：在以前的链路还能继续提供满意的性能时所进行的切换次 数。 ( 2 ) 未成功的切换次数：将移动台切换到接收信号强度不够的基站的次数。 ( 3 ) 预期的切换次数：一在移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝期间发生的切换次 数。 ( 4 ) 分界点距离：在此距离分配给当前基站的概率降低到0 5 以下时，分配给正在接 近的基站的概率达到0 5 ，它用于测量切换的时延。 ( 5 ) 预期的平均信号强度( e a s s ) ：当移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝，开始进 行切换时基站的信号强度平均值。它也用于指示切换的时延。 对于软切换，使用下面的切换参数来评价切换算法： ( 1 ) 活动组更新的次数； ( 2 ) 预期的活动组中的基站数； ( 3 ) 信道的效率。 通用的切换参数： ( 1 ) 切换率。 ( 2 ) 呼叫阻塞的概率p b ：新用户到达时，蜂窝内的所有信道都忙的概率。 ( 3 ) 切换失败的概率p h ，：当切换呼叫到达目的蜂窝时，蜂窝内的所有信道都忙的概 率。 ( 4 ) 强迫中断的概率p f i ：系统开始接受了呼叫，在进行过程中由于切换失败而被中 断的概率。 ( 5 ) 呼叫未完成的概率p r e ：呼叫由于阻塞( x , j - 新呼叫) 或强迫中断( 对切换呼叫) 而没有完成的概率。 ( 6 ) 用户业务的中断间隔( 带内信令) 。 切换过程分为两个阶段，切换判决阶段和切换执行阶段。切换判决阶段是根据所接收 的信号强度或其他准则判决是否进行切换，主要解决传播问题。切换执行阶段是为切换请 求分配网络资源，主要解决有限信道资源问题。要进行切换首先必须检测经过蜂窝边界的 移动用户，可以通过在移动台测量接收基站的信号【2 5 】。 2 2 2 2 用户应用发起的注册 用户应用发起的注册应在m s 预占一个小区后才是可行的。用户在开机时或者在其他 任何有需要的时候( 例如：周期注册) 向s w m i 发起注册。开机时m s 并没有预占小区， i l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 此时需要通过激活过程来预占一个小区。用户应用发起的注册过程如图2 - 4 所示。 s空中接口 b s 用户 胍 t n m 耻r e g i s t r a t i o n 请求 启动定时器 停止定时器 t 硎肌r e g i s t r a t i o n 证实 t n w 讲l s e r v i c e 指示 m l em l e 砌 也e 一职工t d a t a 青求。 ( t j l o c a t i o n u p d a t e d e m a n d ) 卫y l e _ r c d o r t 指示 ( o _ l o c a t i o n u p d a t e a c c e p t ) 札e i d e n t i t i e s 请求 。 g l e _ i n f o i 青求。 札e 一0 p e n 请求 t l d a ta 请求 t l d a a 证实 图2 - 4 用户应用发起的注册 从图2 4 可见，用户应用应通过向m m 实体发送t n m mr e g i s t r a t i o n 请求原语来 启动注册过程，该原语中应包括用户所在的位置区( l a ) 以及注册类型等信息元素。m m 实体收到消息后根据不同情况设置u 中各信息元素，如果此locationupdatedemand p d u 次用户应用发起的注册过程是开机注册，则p d u 中的位置更新信息元素应设置为“i t s i 附属 ，如果是周期注册，则p d u 中的位置更新信息元素应设置为“周期位置更新”。启 动定时器后，应通过m l e 、l l c 和m a c 层，经由空中接口向s w m i 发送p d u 。除了细 节以及p d u 元素的配置的差异外，用户应用发起的注册与m l e 发起的注册在流程上相似。 2 2 2 3s w m i 启动的注册 s w m i 可以在任何时候启动要求m s 进行注册，具体过程如图2 - 5 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 用户 肺 m s空中接口 b s m l em l e 甩e u n i 仍a t 财旨示 ( d _ l o c a i o n u p d a te c o m m a n d ) m l e u n i t d a t a 请求 ( u _ l o c a t i o n u p d a t e d e m a n d ) 矗匝e u n i t d a t a 证实 ( d l o c a tio n u p d a te a c c e p 1 ) 儿e i d e n t i t i e s 请求 札e _ 工1 4 f 0 请求 t l d a ta 指示 t l d a t a 请求。 t l d a t a 证实 m 1 | i 【 图2 5s w m i 启动的注册 s w m i 侧m m 实体通过向对等层发送dl o c a t i o n u p d a t e c o m m a n dp d u 要求m s 进行 注册，通常情况下，该p d u 包含了是否要求移动台在注册的同时发起组报告的信息元素。 m s 在接收到系统要求其注册的p d u 后，像正常注册那样，向基础设旌发送ul o c a t i o n u p d a t e d e m a n dp d u ，只是该p d u 中的参数与正常注册时配置不完全相同。s w m i 在接收 到注册请求之后，像处理正常注册那样，确定是否接受移动台的注册请求。如果接受移动 台的注册请求，那么s w m i 向对等层发送d 。如果拒绝移动台locationupdateacceptp d u 的注册请求，那么s w m i 侧m m 需要向m s 侧m m 发送一个带有拒绝原因的dl o c a t i o n u p d a t e r e j e c tp d u 。 这里需要注意的是，在每次发起注册过程的同时，鉴权中心都会要求m s 和s w m i 进 行双向或单向鉴权，上文中为了更清晰的描述注册过程，没有说明鉴权过程，具体内容将 在一下章节讨论。 2 2 3 去注册 当移动台关机或取出s i m 卡时执行去注册过程，此过程由移动台发起，无需s w m i 发送确认消息。移动台通过带有u i t s i d e t a c hp d u 的m l eu n i t d a t a 请求原语向m l e 发送信息，m l e 在接收到该p d u 之后，在其首部封装必要本层控制信息，并将起发送到 下层，再通过空中接口将其发送至交换与管理基础设施侧。s w m i 在接收到去注册请求之 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 后，将访问位置寄存器( v l r ) 中的该移动台状态设置为去注册( 去附属) 状态，减少无 效寻呼，节约网络资源。即使移动台关机了但没有向s w m i 发送去注册请求，因为移动台 需周期性向网络发送注册请求，如在一个周期时间内s w m i 没有收到移动台的注册请求， 那么s w m i 也认为移动台已处于去注册状态。具体过程如图2 6 所示。 用户 m t n h 毗- d e r e g i s tr a ti o n 葺习之 t n l f 幔一r e g i s tr a ti o n 于旨示 m s空中接口 b s m l e l t i l e 砌 u _ i t s i d e ta c h m l e r e p o r t 指示 图2 - 6 去注册过程 2 2 4 组身份码的附属去附属和组报告 t l p a t a i 青求 t l d a t a 证实 t e t r a 数字集群系统的主要特征是t e t r a 数字集群网络能够提供组呼功能。每个移 动台可以同时拥有一个或多个组用户身份码( g s s i ) ，即一个i t s i 可以对应一个或多个 g s s i 。一个移动台的i t s i 是相对固定，而其附属的g s s i 可以根据需求通过空中接口发生 改变。 t e t r a 数字集群系统的移动性管理除了具有公众移动通信系统的注册功能以外，还具 有t e t r a 数字集群系统特有的组身份码附属去附属功能。组身份码附属去附属主要包括 s w m i 发起的组身份码附属去附属和移动台的发起组身份码附属去附属。移动台发起的组 身份码附属去附属与s w m i 发起的组身份码附属去附属原理基本一致，只是组身份码附 属去附属请求的发起方不同，图2 7 示出了s w m i 发起的组身份码附属去附属的基本过程。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 数字集群移动性管理层 用户 脓 b s 甄e 空中接口d l e 】吼 】也e u n i t d a t a 指示 1 d - a t t a c h d e t a c h g r o u p i d e n t t t y l e - u n t d a t a 请求 ( u - a t t a c h d e t a c h g r o u pi d e n t t t y a c k n