（通信与信息系统专业论文）tetra集群通信系统基站新功能研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 本文来源于“数字集群通信系统 项目，该项目的目标是研发出一套专用移 动通信系统。本项目参考欧洲t e t r a 集群通信标准。标准主要是规定了终端用户 与单个基站的联系，特别是其空中接口的结构，但缺乏基站侧的规定。 由于系统在实际应用时需要面对很多复杂的情况，在比较危险、带有破坏性 的情况下，单个基站同网络交换基础设施的联系可能会中断。为了提高整个系统 的生存能力，需要确保无论基站同网络交换基础设施相联系时还是断开后，其工 作状态不应该中断，也就是系统中的单个基站可以单独工作，这样可以提高整个 集群系统的抗摧毁能力。 本文通过分析原系统的网络结构，提出在b s 侧增加用户位置寄存器模块和 鉴权中心模块，同时增加一些用于周期更新网络交换基础设施中用户寄存器中的 用户信息的通信原语，以及呼叫建立时判断被呼用户归属地的通信原语，并给出 了这些情况下的信令流程图。这样可以提高b s 的功能，使其能独立工作，并提 高整个系统的抗摧毁能力。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： i p 和宽带网络技术 作者：2 0 0 5 级研究生 陈涛指导教师张理云 题目：t e t r a 集群通信系统基站新功能研究 英文题目： r e s e a r c ho ft h en e wf u n c t i o no ft h eb a s es t a t i o ni n t e t r a f r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 主题词：集群通信移动管理电路方式控制实体 呼叫控制 k e y w o r d s ：t r u n k i n gc o m m u n i c a t i o n m mc m c ec c 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rc o m e sf r o m d i g i t a lt r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ”p r o je c t ，t h e a i mo ft h i sp r o j e c ti st od e v e l o pas p e c i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp r o j e c tr e f e r s t ot h ee u r o p e a nt e t r at r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d t h es t a n d a r dg i v e sm o r e o nt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt e r m i n a l sa n dt h ea l o n eb a s es t a t i o n , m a i n l yi st h e f r a m e w o r ko ft h ea i ri n t e r f a c e ，b u tl a c ko ft h er e g u l a t i o no nt h eb a s es t a t i o n a c t u a l l ya st h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e mh a st of a c em a n yc o m p l i c a t e dc a s e s ，i n s o m ed a n g e r o u sd e s t r o y i n gc a s e ，t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h eg o n eb a s es t a t i o na n d t h en e t w o r ks w i t c h i n gm a n a g e m e n ti n f r a s t r u c t u r em a yb ec u to f f i no r d e rt ob o o s tt h e s u r v i v a lc a p a b i l i t yo ft h es y s t e m ，i ti sn e e d e dt oe n s u r ew h e n e v e rt h ec o n n e c t i o ni sc u t o f fo rn o t ，t h ew o r k i n gs t a t eo ft h eb a s es t a t i o ns h o u l dn o tb ei n t e r r u p t e d ，a n db yt h i s w a yw ec a l lb o o s tt h er e s i s t i n gd a m a g e dc a p a b i l i t yo ft h et e t r a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef r a m e w o r ko ft h et e t r an e t w o r k ，i n c r e a s i n g u s e r l o c a t i o nr e g i s t e rm o d u l ea n da u t h e n t i c a t i n gc e n t r em o d u l e ，a n di n c r e a s i n gs o m e p r i m i t i v e sw h i c ha r eu s e dt ou p d a t et h eu s e ri n f o r m a t i o ni n t h en e t w o r ks w i t c h i n g m a n a g e m e n ti n f r a s t r u c t u r ep e r i o d i c a l l y , a l s os o m ep r i m i t i v e sw h i c ht oj u d g et h e a d s c r i p t i o na r e ao ft h ec a l l e du s e ra tt h em o m e n to ft h ee s t a b l i s h m e n to f t h ec a l l i n g ， a n dg i v i n gt h es i n g a l l i n gf l o wc h a r t so ft h e s ec a s e s ，w ec a nb o o mt h ef u n c t i o no ft h e b a s es t a t i o n ，a n dt h eb a s es t a t i o nc a nw o r d a m a g e dc a p a b i l i t yo ft h es y s t e m n d e n t l y ，a l s oi tc a nb o o s tt h er e s i s t i n g 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： i p 和宽带网络技术 作者：2 0 0 5 级研究生 陈涛指导教师张理云 题目：t e t r a 集群通信系统基站新功能研究 英文题目： r e s e a r c ho ft h en e wf u n c t i o no ft h eb a s es t a t i o ni n t e t r a f r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 主题词：集群通信移动管理电路方式控制实体 呼叫控制 k e y w o r d s ：t r u n k i n gc o m m u n i c a t i o n m mc m c ec c 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，除了文中特别加以标注和致谢的 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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：弦透日期：五a 墓二争f 。 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o 研究生签名：二媪导师签名：鍪亟日期：曼星二生：! 矿 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 第一章引言 目前，中国是蜂窝和固定通信产业发展最快的市场之一。然而，对于不断发 展的有特殊通信需求的专用移动通信市场来讲，基于t e t r a 标准的数字集群技术 提供了比蜂窝技术更优越的解决方案。 集群( t r u n k i n g ) 概念的提出和集群系统的问世，标志着专用移动通信进入了 集群时代。集群通信系统作为专用移动通信系统得到了迅速发展，广泛应用于军 队、铁路、交通、水利、公安等政府和产业部门。2 1 世纪的专用移动通信如何发 展，是通信业生产、运营、应用部门十分关注的问题。它所涉及的技术和市场也 是值得深入探讨和研究的重大课题。现代移动通信技术的快速发展，己深刻地影 响专用移动通信的发展。因此，研究以提供调度通信业务为主的专用移动通信的 技术发展趋势以及其应用前景，特别是对集群技术给以正确的对待是非常必要 的。 1 1 集群专用移动通信及其特点 专用移动通信网是指，供各部门和单位内部使用的移动通信网，主要提供调 度通信服务，故也称无线调度通信网。调度通信系统的特征为：网络拓扑为星状 结构，便于实现调度中心对各个移动终端的指令传输；网络功能应当包括动态重 组、优先级、组呼、选呼等；网络覆盖为大区制或中区制；通信方式是以单工通 信为主。 早期的专用移动通信由对讲机构成，8 0 年代发展成为大区制覆盖的单频道单 基站系统，随后发展成为多频道单基站系统。在引入多频道共享技术之后，于1 9 8 5 年发展成为第一代( 模拟) 集群调度系统，即多频道共享( 集群) 的单基站或多基站 调度通信系统，并于1 9 8 7 年商业化。随着引入数字化技术，产生了第二代的数字 集群通信系统。集群系统是一种共用无线频道的专用调度移动通信系统，它采用 了现代通信中的多信道共用和动态分配信道技术。第一代模拟集群系统的贡献在 于：频率、设备、服务的资源共享，费用分担和系统的集中维护与管理。在单工 通信方式下，利用多频道共享技术实现了消息集群和传输集群，提高了频道利用 率。数字化对集群系统带来的好处正如蜂窝系统数字化样。采用t d m a 多址方式 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 的第二代数字集群系统，其频谱利用率比模拟系统大为提高，因而，数字集群系 统具有更大的系统容量。 集群专用移动通信不同于公众网蜂窝移动通信：集群通信是专用指挥调度通 信，单工或半双工工作，大区覆盖方式，动态信道分配，网内用户有不同的优先 等级和特殊功能，以政府机构以及有指挥调度需求的企事业部门等集团用户为 主。蜂窝通信是无线电话通信，全双工工作，按需分配信道，以个人用户为主， 全网用户平等。因此，两者的市场定位是不同的，也是不能相互替代的。 集群专用移动通信的主要特点可归纳为以下几点： 共用频率：将原分配给各部门的少量专用频率集中管理，供各家一起使用； 共用设施：由于频率共用，就有可能将各家分建的控制中心和基站等设旌集 中管理： 共享通信业务：除可进行正常的通信业务外，还可有组织地发布共同关心的 一些信息，如气象预报等； 共同分担费用； 接续时间短，能快速获取信道和脱开信道； 具有先进的数字信令系统； 采用分散式容错处理，具有故障弱化功能； 采用灵活的多级分组； 高级别优先分配信道工作； 具有详细的管理报告、自动监视功能； 可进行动态重组、紧急呼叫、数据传输、传真和保密业务； 可与有线交换机互联，等等。 1 2t e t r a 集群专用移动通信及其特点 t e t r a 是泛欧集群无线接入系统的缩写，是一种全新开放式数字集群标准。 提供集群、非集群通信，支持话音、电路数据、短数据信息、分组数据等业务的 直接模式( 移动台对移动台) 通信；支持多种附加业务，其中大部分为t e t r a 所独 有；采用时分多址技术，在2 5 k h z 的频带中可以同时传4 路话音；系统具有兼容性 好、开放性好、频谱利用率高和保密功能强等优点，是目前国际上较为先进、参 与生产厂商较多的数字集群标准。t e t r a 数字集群移动通信系统主要具有下列优 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 点： ( 1 ) 与其它数字集群系统相比 标准为公开标准，具有广泛的支持性。 t e t r a 具有灵活多变的直通方式。移动台既可以实现常规的直通方式，又 可以工作在既入网又直通的双模状态下，还可以作为网关起到中继作用。 可适应各种业务要求。t e t r a 数字集群同时可传数据和语音。此外，t e t r a 采用时分多址技术，在单个2 5 k h z 的无线载频上可提供4 个通信信道，这些信道可 以是数据和语音的任意组合，还可以将多个时隙捆绑成一个高速的数据信道，因 而具有强大的数据传输功能，很容易在系统中加入g p s 等特殊使用功能。 系统加密更具特色。系统加密既可以采用空中加密方式，也可以采用端 到端的加密方式，加密算法可以采用t e t r a 标准的保密算法，也可以采用用户自 己的算法，加密端口为公开的，特殊用户容易增加硬件加密电路。 更容易组建大型专网和共网系统。 ( 2 ) 与c - s m 通信系统相比 频谱利用率更高 g s m 数字蜂窝系统采用时分多址技术，在2 0 0 k h z 的频道中仅传8 路话音，平均 每2 5 k h z 传一路话音，而t e t r a 数字集群采用时分多址技术，在2 5 k h z 的频带中可 以同时传四路话音，频谱利用率提高了四倍。另外，g s m 系统在一对移动用户通 话过程中，占用两对频点( 收发双方各占一对) ，而集群系统只占一对频点。 具有强大的组呼、调度功能 t e t r a 数字集群系统支持组呼调度功能，而很多单位和场合需要组呼这种 “一呼百应”的通信方式，如军队、公安、消防、抗洪抢险等都特别需要这种通 信方式。 通信建立时间短，效率高 对紧急情况的处理最重要的是快速建立通信，t e t r a 对单基站的呼叫建立时 间小于3 0 m s ，全网的呼叫建立时间小于5 0 0 m s 。而g s m 每次接续时间可能长达十多 秒的时间，这对每次通信只需要几秒钟的通信来说，显然t e t r a 数字集群的通信 效率要高得多。 具有更加优秀的密话通信功能 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 信道利用率更高 集群系统中的信道共用技术与普通的g s m 系统的信道共用技术有所区别。g s m 系统在一次通话过程中，占用一对双工频率，除了越区切换外，它是保持不变的， 也就是说其它用户无法利用他们通话中间的间隙时间。据统计，通话中字与字、 句与句、停顿与空闲时间约占总时间的三分之二左右。而在集群系统中，当发送 方松开发送开关，信道的控制权就立即交还给系统，即原来的通话信道变为空闲 状态，此时，允许其它用户占用该信道，因而t e t r a 系统信道利用率更高。 1 3 课题的研究目的与意义 t e t r a 集群通信系统因其专用性强、能满足特定用户的需求而受到很多厂商 和用户的青睐。在本课题的来源通信项目中，用户在使用集群通信系统时面对的 环境比一般情况更为复杂，对系统的实时部署和稳定性及抗摧毁能力都有更高的 要求。在本文中提出了当b s 同网络交换基础设施( s w m i ) 断开联系时，同一个b s 内的用户仍需要保持工作通话的实际情况。通过对整个t e t r a 集群通信系统的网 络组成单元和t e t r a 协议空中接口部分的分析，提出了在基站b s 上增加鉴权中心 a u c 和归属位置寄存器h l r 及访问位置寄存器v l r ，用以在无论b s 同网络交换基础 设施( s 1 】i m i ) 的联系是否断开时，本b s 内的用户都可以进行注册和鉴权。并且增 加了一个用户电路、短消息等用户业务交换模块。这样只有当主呼和被呼不在同 一个b s 内时，它们之间的呼叫接续才需要通过s w m i 。通过对t e t r a 空中接口协议 的分析，对其中负责注册和呼叫建立的模块，也就是分层协议中的第三层中的删 和c m c e 模块进行功能扩充，通过增加一些用于在b s 和s w m i 之间交互信息的原语， 用b s 中的h l r 和v l r 中的信息来实时更新s w m i 中的h l r 和v l r 中的用户信息。同时当 同一个b s 内的用户开始和结束呼叫通话时应将通话状态和占用的通信资源报告 给s w m i ，这样可以提高整个系统的资源利用率。 1 4 本文的主要研究工作 在本文中，主要通过对t e t r a 集群通信的空中接口协议进行分析，通过在 b s 侧增加用户位置寄存器模块和鉴权中心a u c 模块，分析原有的注册和呼叫建 立过程，考虑在b s 和s w m 之间增加新的原语，使新增加的模块能配合实现新增 加的功能。 具体来讲，第二章主要介绍了整个t e t r a 空中接口协议的两个平面和三层结 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 构，对每个平面的功能进行了详细介绍。 第三章对用户进行通话时的鉴权和加密过程进行了介绍，鉴权和加密功能在 新方案中没有变化，只是在基站b s 中增加了一个和网络交换基础设施( s w m i ) 中有同样功能的鉴权中心a u c ，用来完成当主呼和被呼属于同一个b s 时的鉴权 过程。所以对空中接口中的鉴权原语和p d u 没有变化和修改。 第四章是本文的创新部分，先介绍了注册和用户呼叫建立及拆除时的信令流 程，然后给出并讨论了自己新增加的用于b s 同s w m i 交互的通信原语，新增加的 原语和新增加的模块配合时能实现系统的新功能。 第五章是对本文的一个总结和展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 空中接口协议介绍 第二章t e t r a 空中接口协议介绍 集群通信是一种智能化的无线通信信道管理技术，它的无线信道可为系统的全体用户 共用，具有自动选择信道的功能，它是共享资源、共用信道设备及服务的多用途、高效能 的专业无线调度通信系统。它的基本原理是通过系统控制器来控制和管理通信网络中的每 一个无线电信道，并以动态方式迅速把空闲信道分配给需要发起呼叫的用户，以实现通过 少量的信道为大量的用户提供通信服务的目的。集群通信系统的功能必须满足专业用户的 指挥和调度需求，包括组呼、广播、系统呼叫，两个集群用户机之间的私秘呼叫以及发起 或接收与公用电话网( 无) 有线电话的呼叫等多种呼叫功能。集群通信所独有的功能还包 括：多级优先、出界指示、系统遇忙重试、高级系统诊断以及遇忙情况下紧急呼叫享有最 高优先级等。数字集群通信系统采用先进的数字技术，数字信令方式，语音数字编码技术， 先进的调制解调技术。数字集群系统集多功能于一体，在技术上和系统容量上满足大型共 网的建设要求，能提供指挥调度、电话互联、数据传输、短消息收发等多种业务。数字集 群系统属于专用移动通信系统，可广泛应用于生产调度、指挥控制，对于提高生产效率和 工作效率，保证安全等有着极重要的作用。 2 1 t e t r a 集群通信系统的网络结构 网络的核心部分称为交换和管理基础设施( s w i t c h i n ga n dm a n a g e m e n t i n f r a s t r u c t u r e ，s 1 | j l m i ) 。在一个大型t e t r a 网络中，s 1 】1 4 v l i 由多个基站、传输链路、交换 设备和数据库等组成。在小型网络中，它可能只有一个基站和通过一条链路连接的调度台。 s w m i 还可以包括接入到其它通信网络和网络管理单元的接口。 t e t r a 用户通过移动台( m s ) 或有线台( l s ) 接入网络。网络管理提供控制、配置、 告警指示和收集有关t e t r a 网络设备和单元运行的统计资料。 一个典型的t e t r a 系统的s w m i 通常包含如下的内部设备和单元： 1 基站( b a s es t a t i o n ) 基站通常由几个相对独立的设备单元组成，其中可以包括若干部无线电收发信机。每 一部无线电收发信机负责一个无线电载波的发送、接收或基站处理等任务。 2 交换系统( s w i t c h i n gs y s t e m ，s s ) t e t r a 标准的s w m i 技术规范允许不同制造厂商的交换设备采用各自的技术。交换系统 可以既只连接两三个基站的小型交换设备，也可以组建数字蜂窝电话网那样的大型交换设 备。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 空中接口协议介绍 3 数据库( d a t a b a s e ) 在t e t r a 标准中描述了两种类型的数据库，即归属数据库( h o m el o c a t i o n r e g i s t r a t i o n ) 和访问数据库( v i s i t e dl o c a t i o nr e g i s t r a t i o n ) 。h l r 可以说是一个 集中式数据库或分布式数据库，它保存本网所有用户的开通、业务、位置和安全信息。v l r j 仅在系统支持漫游时才需要，v l r 临时存储漫游用户的部分信息。 4 运行和维护中心( o p e r a t i o n m a n a g e m e n t ，o m ) 运行和维护中心是管理设备，它监视和控制整个网络的各个组成单元，它具有配置管 理、故障管理、告警记录、性能分析和安全管理等功能，也可用于用户管理。 5 网关功能( g a t e w a yf u n c t i o n ) 一个t e t r a 网络需要和其它通信网络互联，必须包含各种网关单元。其中一种网关单 元用来把一个t e t r a 网络与另一个t e t r a 网络相连，另一种网关要把t e t r a 网络与远端操 作和管理中心等连接。下图是一个s 1 j | m i 内部功能模块示意图。 图2 - 1t e t r a 网络结构示意图 t e t r a 用户终端有移动台( m s ) 和有线台( l s ) 。移动台和有线台的高层协议是相同的， 不同之处在于有线台是通过有线连接到s w m i 上，而移动台是通过t e t r a 无线空中接口连 接到s w m i 上的。从功能方面看，有线调度台是通常具备调度功能的。 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。t e t r a 数字集群系统还支持功能强大的移动台脱网直通( d m o ) 方式，可实现鉴权、空中接口加密和端对端加密。t e t r a 数字集群系统具有虚拟专网功能， 可以使一个物理网络为互不相关的多个组织机构服务，并具有丰富的服务功能、更高的频 率利用率、高通信质量、灵活的组网方式，许多新的应用( 如车辆定位、图像传输、移动 互联网、数据库查询等) 都己在t e t r a 中得到实现。t e t r a 数字集群移动通信系统在容量 上有较大灵活性，适用于大、中、小容量系统，既面向专用调度也面向共用集群通信网的 设计，具有调度功能较多、补充业务较丰富等特点。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 空中接口协议介绍 t e t r a 数字集群移动通信系统网络结构有两类：一类为单交换中心数字集群移动通信 系统：另一类为多交换中心数字集群移动通信系统。单交换中心数字集群移动通信系统由 网络基础设施、移动台和有线台组成。有线台和移动台是用户使用的设备。有线台是与网 络基础设施有线连接的设备。移动台按业务可划分为话音终端和数据终端两类。移动台按 工作方式可划分为集群移动台和双模移动台两类，集群移动台是指只能工作于集群方式的 移动台，双模移动台是指既能工作于集群方式、又能工作于直通方式的移动台，其中可以 同时监视集群和直通方式的移动台又称为双监移动台。在多交换中心数字集群移动通信系 统中，对于基站较少的本地网络，可以由一台交换控制设备进行集中交换。对于基站数量 较多、覆盖范围较广、业务量较大的区域网络，也可以采用多台交换控制设备进行分散交 换。各交换控制设备之间的连接应能灵活设置，例如可采用树型、星型、网型或环型连接。 2 2 删集群通信系统的业务 根据业务接入点的不同，t e t r a 的基本电信业务可划分为用户终端业务和承载业务， 如下图所示。 i l 广 ：h i l ! 。t e 一终端设备：n t 网络设备：m t 移动设备 ： 移动台或有线台 移动台或有线台。 图2 - 2t e t r a 支持的用户终端业务和承载业务 承载业务提供在终端网络接口之间的通信能力( 不包括终端功能) 。它具有较低层属 性的特征( o s i 的第一至第三层) 。 用户终端业务提供在用户之间相互通信的能力( 包括终端功能) 。它除了具有较低层 的属性外，也具有较高层的属性( o s i 的第四至第七层) 。 补充业务是对承载业务或用户终端业务的改进或补充。 t e t r a 支持的用户终端业务包括：单呼( 点对点) 、组呼( 点对多点) 、应答组呼、广 播呼叫( 单点对多点) 以及以上各种情况的明话或密话。 t e t r a 支持的承载业务包括：分组数据、电路数据。 t e t r a 支持的补充业务包括：接入优先、预占优先、优先呼叫、包容呼叫、控制转移、 r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 空中接口协议介绍 呼叫转移、呼叫限制、主n q 被叫识别显示等。 t e t r a 提供4 种不同的话音用户终端业务： 单呼包括一个主叫方和一个被叫方的双向呼叫，其中一方可以不是t e t e r a 用户。 组呼一种点到多点的呼叫，采用半双工方式，被叫方是一个公共组编号地址。 广播一种单向点到多点呼叫。 数据业务t e t r a 数据业务提供承载业务，系统提供端到端的数据传输通道，它支 持电路交换数据、有连接的分组交换数据和无连接的分组交换数据。 2 3t e t r a 集群通信系统的空中接口协议层次模型， t e t r a 数字集群移动通信系统采用信令控制和数据传输分离的结构，分为控制面和用 户面，控制面采用分层的模型结构，具体包括应用层、移动链路控制层、数据链路控制层 以及物理层。控制面业务有：移动性管理( 删) 、电路方式控制实体( c m c e ) 和分组数据 ( p d ) 。移动性管理控制漫游、迁移和切换；电路方式控制实体负责呼叫控制、补充业务 和短数据业务；分组数据可分为面向连接的网络业务和无连接网络业务。移动性管理、电 路方式控制实体和分组数据统称为子网络接入功能。用户面业务有：明话密话、电路方 式不保护数据、电路方式保护数据( 低保护) 、电路方式保护数据( 高保护) 和端对端用 户数据。控制面信息是指全部信令信息，包括控制信令和分组数据。用户面信息是指电路 方式话音或电路方式数据，包括端对端用户数据。控制面信息和用户面信息有不同的要求。 控制面只需一个离散的、非连接物理链路来传送信息，建立连续的虚拟链路来支持其业务。 控制信息有的需要请求应答，有的不需要请求应答。而用户面则需要一个连续的物理链路 来支持用户业务。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 空中接口协议介绍 控制平面 用户平面 话音业务 l pc csdss smc 低保护数据 pdcmcem m 高保护数据 移动链路实体mle 逻辑链路控制llc 媒体接入控制macme di aac c e s sc0 i l t r 0 1 物理层p h y s i c a ii n t e r f a e e cmc eci r c ui tm0d ec0n t l o len t i t y电路模式控制实体 mmm0b i l i t ym a na ge mc ng t 移动性管理 ccca 1 1c0 n t r o l i n f o呼叫控制 smsh0r tmess a g e短消息控制 sssu p p l e me n t a r yse r v i e e附加业务 mcm0b i l i t yc0 n t r o l移动性控制 ml em 0 b i l i t yli n kc0 n t r o ien t i t y 移动链路实体 图2 - 3t e t r a 空中接口协议栈 控制面业务： 删( 移动性管理) ：控制漫游、迁移和切换； c m c e ( 电路方式控制实体) ：c c ( 呼叫控制) 、s s ( 补充业务) 、s d s ( 短数据业务) ； p d ( 分组数据) ； 删、c m c e 、p d 统称为分网络接入功能； 用户面业务： 明话密话： 电路方式不保护数据； 电路方式保护数据( 低保护) ； 电路方式保护数据( 高保护) ： 端对端用户专用数据； t e t r a 的空中接口协议只对应o s i 七层模型中的下三层，较高层的功能应在用户终端 设备中实现。 1 t e t r a 空中接口协议的第一层 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 r e t i l 4 , 空中接口协议介绍 协议第一层是物理层，物理层由定时结构、无线电射频信道等组成。它包括射频发送 和接收、调制和解调、发送和接收的转换、定时、时分多址( t d m a ) 结构和移动台的功率 控制等。 2 t e t r a 空中接口协议的第二层 协议第二层即数据链路层又分为两层：媒体接入控制( m a c ) 和逻辑链路控制( l l c ) 。 m a c 层主要解决如何将数据进行处理以及如何在无线链路上传输。这些功能可进一步分解 为将信息类型变换成t d m a 结构、t d m a 帧同步、交织去交织、信道编码、随机接入过程、 分片合片、在接入信道( a a c h ) 上测量无线链路的无线信号强度指示( r s s i ) 和m e r ( 误消 息率) 、支持l l c 重传过程的m e r 测量差错保护、加密等。在m a c 上用户面和控制面的分 离，用户面业务传送至用户面，而控制面信息则连续传向协议栈。 l l c 处理诸如数据传输、重传、转发、分段、重新装配和逻辑链路的管理和控制等工 作。 3 t e t r a 空中接口协议的第三层 网络层( 第三层) 仅用于控制面，负责网络过程。网络层也分为两个子层。较低子层 称为移动链路实体( m l e ) ，较高子层由三部分组成，统称为子网络接入功能( s a n f s ) 。 移动链路实体( m l e ) 负责控制较低子层与无线电相关的功能，它包括基站与移动台 无线电连接的管理、登记区内的移动性管理、移动台身份管理、服务质量控制和协议鉴别 等。 子网络接入功能( s a n f s ) 分为移动性管理( 删) 、电路模式控制实体( c m c e ) 和分组 数据实体( p d ) 。m m 负责处理漫游、移动和切换。c m c e 处理呼叫控制、短数据业务和补充 业务。p d 处理面向无连接和面向连接用户的分组数据。 4 高层数据映射至物理层 将信令和业务信息从控制面和业务面的高层实体映射至物理层，是一个复杂的过程。 高层协议实体不知道( 也没有必要知道) 详细的传输机理，仅是按数据原语( 请求指示 响应确认) 和协议数据单元p d u 进行处理。相反，物理层则是依从预先确定的传输机制， 完全不理会每一个数据包的内容是什么。原语中的参数许多是在本地处理时使用的，不送 到空中接口a i ( 少量会出现在a i ) ，而s d u p d u 是出现在空中接1 3 的。因此，把p d u 理解 为传递的信号流，把原语理解为某业务在本层操作时的本地工作参数，它是不可测量的( 相 当于内部变量) 。数据链路层( 第二层d l l ) 的任务是完成从第三层到第一层的映射。在第 二层内，l l c 负责处理多条逻辑链路，以支持多个同时发生的业务，并负责分段合段及重 传。而m a c 子层则负责信道分配及物理层的数据复用。为了实现这些功能，m a c 用数据原 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 空中接e l 协议介绍 语与高层进行通信，并用逻辑信道与低层进行通信。 5 层间通信原语和空中接口传送的协议数据单元p d u 介绍 在上图中可以看到t e t r a 空中接口协议是个分层的协议，每层完成特定的功能，层与 层之间通过s a p 接口相连接，层间通信采用原语通信的形式，每一层只对它上面的层负责， 用原语形式为其提供服务。用户终端侧和网络交换侧具有相同的协议层次结构。它们之间 的通信利用协议数据单元p d u 通过空中接口来传。 事实上，可以有三类原语与p d u 的传递情况： ( 1 ) 来源的原语中包含s d u ，按协议处理后，得到后级的原语与p d u ，这便如下图所。 ( 2 ) 来源的原语中没有s d u ，按协议处理后，得到后级的原语与新的p d u ，如a l _ s e t u p 。 ( 3 ) 按照协议，当接收一个原语时，可以产生另一个原语，同时携带一个新产生的p d u 。 例如，当收到t l - d a t a - i n d i c a t i o n a l 原语时，将产生一个 t m a - u n i t d a t a - r e q u e s t a l 原语，同时携带p d u 如a l a c k 。 图2 4 从上层向下层的传递( 比如r e q u e s t ) 图2 - 5从下层向上层的传递( 比如r e p o r t ，i n d i c a t i o n ) 6 用户注册、呼叫建立及鉴权加密过程 在新型t e t r a 基站结构中，需要将原来交换设施侧的鉴权加密、存储用户信息的归属 用户信息寄存器h l r 和访问用户信息寄存器v l r 模块分为两部分，在基站b s 中也要有同 样的功能模块。用户信息寄存器h l r 和v l r 存储的是注册用户的信息，这在呼叫建立过程 中查询被呼用户位置时将用到。所以要讨论空中接口协议第三层中移动性管理删的注册 功能和电路方式控制实体c m c e 的呼叫建立和拆除功能。在新方案中，同一个基站b s 内的 用户互相通话及通话结束时需要将其占用的通信资源状况通告给网络交换基础设施，当b s 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章t e t r a 空中接口协议介绍 同交换基础设施s w m i 的联系切断，主呼和被呼不在同一个b s 内时，需要在呼叫不能接续 的结果中说明原因。所以本文的重点即创新部分也在于此。 对于鉴权加密过程来说，b s 中新增加的鉴权加密a u c 模块和s w m i 中原有a u c 模 块的信令流程没有什么区别，所以本文只在第三章中对鉴权和加密的信令流程给出了详细 介绍，在第四章创新部分没有关于这部分的新内容。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章t e t r a 的鉴权和加密 第三章t e t r a 的鉴权和加密 随着集群通信系统的日益广泛应用，系统的安全及通信信息保密受到广泛重 视，本章就对数字集群系统的安全特性进行初步的分析研究，以便深入理解其鉴 权机理、密钥管理和分发机制以及空中接口加密等。 3 1 数字集群系统鉴权研究 数字集群系统空中接口鉴权是一种可选的安全性方案，使用的是一种对称密 钥的方式来描述的，在鉴权的双方使用的密钥，是预先发放或者用统一的方法生 成，双方都要预先知道这个密钥。参加鉴权的双方一般指移动台( m s ) 和位于数 字集群网络基础设施( s w m i ) 中的鉴权中心( a u c ) ，在改进的t e t r a 系统中， 还包括b s 中的鉴权中心a u c 。在空中接口中使用的密钥，其鉴权和提供过程是 与其所使用的公共算法相关联的，这种算法应包括在空中接口中提供加密密钥的 方法。根据鉴权发起方不同，可以分为如下几个鉴权过程。 3 1 1 基础设施对用户的鉴权 这种鉴权是利用问答式协议完成的，首先由鉴权中心使用一个随机数种子r s 和密钥k 用算法t a l1 产生一个本次鉴权钥k s 传给基础设施，网络基础设施s w m i 将产生一个随机数r a n d l ，基础设施将r s 和r a n d l 传给移动台，移动台以此计算 出r e s l ，同时s w m i 也计算出一个期望值x r e s l ，然后接收移动台发来的r e s l ，然 后进行比较，如果二者相同鉴权成功，接着把鉴权结果发给移动台，鉴权结束。 图3 - 1 表示了这种情况下的鉴权过程。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章t e t r a 的鉴权和加密 m s 鉴权中心 a u c r sk r sk i t a l1 l l t a l1 i r a n d lr s j r a n d l k s r a n d l k s 、 r 、r r e s l t a l 2 t a l 2 r 1 r e s ld c k l j 江s ld c k l 图3 - 1 基础设旌对用户的鉴权 3 1 2 用户对基础设施的鉴权 用户对基础设施的鉴权同上面的叙述类似，移动台将产生一个随机询问值 r a n d 2 ，发给基础设施，基础设施产生r e s 2 ，同时移动台产生期望的x r e s 2 ，移动 台的这个过程也将产生d c k 2 ，这是导出密钥d c k 的一部分。移动台接收来自基础 设施的r e s 2 ，将其与x r e s 2 比较，如果相同鉴权成功，最后将结果通知给基础设 施。图3 2 表示了这种情况下鉴权的过程。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章t e t r a 的鉴权和加密 m s 鉴权中心 a u c 3 1 3 双向鉴权 图3 - 2m s 对基础设施的鉴权 用户和基础设施的双向鉴权两者都可以发起，以基础设施发起为例，鉴权过 程如图3 3 所示，首先鉴权中心使用密钥k 、随机源r s 和算法t a l l 和t a 2 1 产生 对会话密钥k s 和k s ，然后由基础设施将随机询问值r a n d l 和随机源r s 一起发 送给移动台m s 。移动台m s 收到后将运行t a ll 产生会话密钥k s ，此时将决定是否 是双向鉴权，如果不运行t a 2 1 ，那么将只是基础设施发起的单向鉴权，但是如果 接收方，也就是这里的移动台希望双向鉴权，将同时运行t a 2 1 产生第二个会话密 钥k s 。m s 和基础设施都会运行算法t a l 2 ，然后m s 将响应值r e s l 返回给基础设 施，同时m s 也向基础设施发送r a n d 2 。基础设施将会比较来自m s 的响应值r e s l 和它的期望值x r e s l 将结果赋给r l ，如果相同r 1 为真，否则为假，如果r l 为假 将不进行双向鉴权操作，而只是把r l 发送给移动台；如果r l 为真，基础设施将 运行t a 2 2 来产生r e s 2 ，然后把r e s 2 和r l 一起发送给移动台m s ，移动台接收到 后比较r e s 2 和期望值x r e s 2 ，将结果给r 2 ，然后把结果发送回基础设施，在鉴权 的过程中将产生导出密钥d c k 。 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章t e t r a 的鉴权和加密 图3 - 3s 删i 发起的双向鉴权 同理，m s 也可以发起的双向鉴权，其具体的信令流程如图3 - 4 所示。 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章t e t r a 的鉴权和加密 3 1 4 鉴权p d u 流程 图3 - 4w s 发起的双向鉴权 上面看到鉴权有单向鉴权也有双向鉴权，其中又包括m s 及s 1 1 1 m i 发起的鉴权， 对于每种情况，鉴权可能是由位置更新引起的，也可能是终端或网络基础设施s 1 1 1 m i 主动发起的，包括若干个互相交互的过程，鉴权的结果有通过和失败拒绝不同情 况。下图中对不同情况下通过空中接口传输的p d u 进行了分类整合，包括各自的 应答过程。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章t e t r a 的鉴权和加密 m s 的m ms w m i b s 的m m u l o c a t i o nu p d a t ed a m a n d d a u t h e n t i c a t i o nd e m a n d u a u t h e n t i c a t i o nr e s p o n s e u a u t h e n t i c a t l 0 nd e m a n d u - - l o c a t i o nu p d a t ed e m a n d d a u t h e n t i c a t l 0 nr e j e c t u a u t h e n t i c a t i o nd e m a n d u - - l o c a t i o nu p d a t ed e m a n d 一 d a u t h e n