（电力系统及其自动化专业论文）集群移动通信系统的研究与应用.pdf

西南交通大学研究生学位论文第1 1 页 a b s t r a c t t o d a y t h et r u n k e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ( t m c n ) d e v e l o p r a p i d l ya n da p p l yw i l d l y t h ef u n d a m e n t a li d e ao f i ti st od i s t r i b u t eac h a n n e l g r o u p t ou s e r si nt h e s y s t e ma u t o m a t i c a l l y a n d e f f i c i e n t l y i n t h e c o m m u n i c a t i o nf i e l do fc h i n a ，t h ed e v e l o p m e n to ft h eh o m e m a d ep r o d u c ti s i nt h ec r i t i c a lp h a s e i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ha n da p p l yt h et m c ni n o u rc o u n t r y i t i sd i s c u s s e di nt h i s p a p e r t h e s t u d y f o r a p p l i c a t i o n o fa t y p i c a l t m c n c i t yt a x id i s p a t c ha n da l a r m a d m i n i s t r a t es y s t e m i ti si n c l u d e d t h ef o l l o w i n g ： 1 s t u d y i n gt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f t h et m c na n dp r e s e n t i n gt h ep r o j e c t o ft h ed e s i g n 2 a n a l y z i n ga n ds t u d y i n g t h ep r o t o c o lo fm p t 1 3 2 7 3 d e s i g n i n g t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h em u l t i - f u n c t i o nc h a n n e l c o n t r o l l e r 4 d e s i g n i n g t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ec o n t r o lb o a r di nm o b i l e s t a t i o n 5 d e s i g n i n gt h es o f t w a r eo ft h ea d m i n i s t r a t i o na n dc o n t r o l c e n t e ro ft h e s y s t e m k e yw o r d s t r u n k e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ( t m c n ) ，m p t 一13 2 7 ， c h a n n e lc o n t r o l l e r d e l i a o9 8 1 9 9 5 西南交通大学研究生学位论文第1 页 第一章概述 1 1 集群通信系统综述 1 1 1 集群通信系统的概念与特点 代表着通信体制之一的专用移动通信网发展方向的集群移动通信系 统，是一种高级移动调度系统。集群是从英文t r u n k i n g 或t r u n k e d 意译 过来的，t r u n k i n g 的含义是“系统具有的全部可用信道可为系统全体用 户服务，具有自动选择信道的功能”。它是共享资源、分担费用、共享 信道设备和改善服务的多用途、高效能的无线调度系统。具体的说，是 指有限个通信信道在中心控制台的控制下，自动地、动态地、最优地分 配给系统内全部用户使用。 集群通信系统中信道的动态分配可以用简单的例子来作一下解释， 如图1 1 所示。 oooo ooo oo o o0o0 传统方式 o o 0 持票人员( 表示呼叫) 有人进入( 表示信道占用) o 无人进入( 表示信道空闲) o o o o o o o oc 专 集群方式 圈1 1 集群方式示意圈 西南交通大学研究生学位论文第2 页 传统方式多信道通信系统好比左边的图，即相当子持票人员由不同 的检票口进入，有的口有很多人排队，有的很少，而有的口却空闲着。 它相当于有的信道很忙，有的信道比较空，而有的信道则没有使用。集 群通信系统则如右边的图，持票人员在一条路径上前进，至检票口时， 哪个空闲就往哪儿进入，人员流动迅速，检票口也都发挥作用，利用率 高。也即用户通信时，哪个信道空闲就使用哪个信道，所以频率利用率 更高。 集群移动通信系统的特点为： 1 公用频率一一将原指配给各部门专有的频率加以集中管理，供各家共 用。 2 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 等设施集中合建。 3 共享覆盖区一一可将各家邻近覆盖区的网络互连起来，从而获得更太 的覆盖区。 4 共享通信业务可利用网络有组织的发送信息，为大家服务。 5 分担费用共用建网可大大降低机房、电源等建网投资，减少运营 人员，分担费用。 6 改善服务由于多信道共用，可调剂余缺、集中建网，可加强管理、 维修，因此提高了服务等级，增加了系统功能。 7 具有调度指挥功能。 8 兼容有线通信。 9 智能化、微机软件化，增加了系统功能。 1 0 具有控制、交换、中继功能。 集群移动通信系统中，所有信道对用户都是透明的，用户不需自己 选择。通话双方在一次通话的每次收发转换过程中可不断转换信道。与 d e l i a o9 8 1 9 9 5 西南交通大学研究生学位论文第3 页 常规专用移动通信系统相比，具有信道利用率高、通话保密性好、接续 速度快、用户容量大的特点。 此外，集群移动通信系统与蜂房移动通信系统的比较如表1 1 所示。 袁1 1集群移动通信系统与蜂房移动通信系统的比较 集群移动通信系统蜂房移动通信系统 用途专用网公用网 使用频段8 0 0 m h z 为主 9 0 0 m h z 工作方式半双工、单工为主全双工 联网方式以本网为主，可与p a b x与市话互连，可在一地 和p s t n 连接区、全国、全球通信 系统组成个人、集体( 群组) ，有个人 优先级别 用户各行业( 团体) ，主要是各种公司( 团体) 和个人 交通、公安、军队等。 用户费用稍便宜较贵 发展趋势正向数字化发展己使用数字化 从中可以看出，蜂房移动通信系统主要用于公用网，必须有强大的 市话网作为基础。而集群移动通信系统主要用于专用网，其组网更加灵 活，呼叫类型更加多样，因而很适合专业部门作指挥、调度使用。 1 1 2集群遁信系统分类 集群通信系统有以下几种分类方式： 1 按信令方式分 有共路信令方式和随路信令方式。共路信令是在一个专门的控制信 道传信令，这种方式的优点是信令速度快，电路容易实现，但占用信道。 采用麸路信令方式较多的是以英国邮电部规范的m p t - l3 2 7 信令。随路 信令是在一个信道中同时传话音和信令，信令不单独占用信道，可节约 信道，缺点是接续速度慢。随路信令中公开的是l t r 信令。 2 按信令占有信道方式分 有固定式和搜索式。在固定式中，起呼占用固定信道。搜索式起呼 西南交邋大学研究生学位论文第4 页 占用随机信道，需不断搜索变化的信令信道，忙时信令信道可作话音信 道，新空出的话音信道可接替控制信道。固定式实施简单，后者实施复 杂。 3 按通话占用信道分 有信息集群( 亦称消息集群) 和传输集群。信息集群系统中，用户 通话占有一次信道完成整个通话过程。而传输集群中，一次完整的通话 要分多次在不同的信道上完成。信息集群的优点是通话完整性好，缺点 是讲话停顿时仍占信道，信道利用率低。传输集群一般分为纯传输集群 和准传输集群，或两者兼用，这种方式的优点是信道利用率高、通信保 密性好，缺点是通话完整性差。 4 按控制方式分 有集中控制方式和分散控制方式。集中控制式是指由一个智能终端 控制，统一管理系统内话务信道的方式。分散式是指每一信道都有单独 的智能控制终端的管理方式。 5 按呼叫处理方式分 有损失制和等待制系统。损失制系统中，当话音信道占满时，呼叫 被示忙，要通话需重新呼叫，信道利用率低。在等待制系统中，信道被 占满时，对新申请者采取呼叫排队方式处理，不必重新申请，信道利用 率高。 1 1 3集群通信系统的设备组成及功能 根据集群用户业务需要，集群移动通信系统从组网规模上看，可分 为单区系统和多区系统。单区系统适用于容量小、覆盖面积小的业务组 网。该系统设备组成简单。多区系统适用于容量大、覆盖面大的业务组 网，其系统设备组成复杂，它由多个单区系统加上连接设备( 有线或无 西南交通大学研究生学位论文 第5 页 线及专用接口设备) 组合而成。 集群通信系统以单基站系统为基本结构，可通过节点控制，利用电 话专线或光缆、微波相互连接构成多基站、多节点的大区域移动网。 一个单基站系统的典型结构如图1 2 所示。 系统的基本组成单位包括管理中心、信道控制器、收发信机、天线 共用装置和用户台等几部分。 信道控制器完成信道控制、信令交换、信号转发、信息接收传输及 信道状态监视、信道分配排队等功能。各控制器之间用高速数据总线相 连接，进行数据交换。对于分布式控制集群系统，每个控制器包括一个 逻辑控制单元作为信道控制和信令转发。 天线共用装置包括天线、馈线、双工器、发射合路器、接收分路器 等，使不同信道共用一套天线工作。 管理中心通过接口连接到各个信道控制器上，系统管理人员通过软 件实现对系统的实时监视，并可查询设备状态、信道状态等参数，控制用 户入网，实现管理、调度和服务。 d e l i a o9 8 1 9 9 5 西南交通大学研究生学位论文 第6 页 用户台指车载台、手机等移动台和固定分台。 集群移动通信系统具有智能、高效地网络管理、维护功能。 从使用功能上看，不仅可以完成通话，还可以实现非话业务如数据 通信。呼叫有单呼、组呼、群呼、系统全呼、紧急呼叫、会议呼叫、转 移呼叫、数据呼叫、状态呼叫等。 从接续方面看，除提供接通音、失败音、越区音外，还能自动重发、 繁忙排队、设置优先级别和提供语音服务等。 从管理、维护方面看，可修改运行参数、进行话务统计、通话记录、 移动台禁用、计费及限时通话、故障弱化、自我诊断等。 1 1 4集群通信系统的信令 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 制和状态的信号和指令。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。集群通信系统的信令系统可以称作它的神经，因为它 是决定系统功能好坏的关键因素。集群通信系统需要实现其强大的调度 功能，使得其信令系统更加复杂。 集群通信系统的信令可分为模拟信令和数字信令两种。 模拟信令以其技术成熟、兼容性好、实现简单而在早期的集群通信 系统中被广泛应用。模拟信令通常采用d t m f 信号、c t c s s 信号及五 音调信号。 数字信令具有接续速度快、抗干扰能力强、保密性好、便于实现微 机化等特点，代表了信令的发展方向。所以设计或采用一个好的信令规 约是集群通信系统设计的关键。在数字信令的设计中必须考虑以下几方 西南交通大学研究生学位论文第7 页 面的问题： 1 信令信道的控制办法( 专用或非专用) 。 2 随机接续、同抢碰撞的控制方法。 3 信道接入时间，即用户找到控制信道和接入话音信道的时间。 目前数字信令已得到广泛使用：m o t o r o l a 公司和e r i c s s o n 公 司的集群通信系统分别采用本公司的专用高速数字信令；e f j o h n s o n 公司和u n i d e n 公司的集群产品采用随路方式的l t r 信令：而n o k i a 公司、澳大利亚的u n i l a b 公司、德国r & s 公司、p h i l i p s 公司的集 群通信系统则均采用m p t 1 3 2 7 英国标准。 我国自己研制的集群通信系统在信令数字化的发展方面起步较晚， 目前国内生产的集群系统大多数为模拟信令。几种数字信令各有特点， 而m p t 1 3 2 7 信令是已公开的共路信令中受到较高评价和广泛应用的数 字信令。今后集群通信系统的发展以集中控制为主，所以我们选用 m p t 1 3 2 7 信令作为研究和实现的目标。 1 2 论文的主要工作 本文是建立在项目一一城市出租车调度、报警管理系统的开发研制 基础之上的。该系统是一个典型的集群通信系统。在它的开发研制过程 中，将严格遵循集群通信系统的发展趋势，充分体现集群通信系统的特 点。 目前我国所采用的该类系统包含两类：其一是早期的国产老调度通 信系统设备陈旧、技术落后、频率利用率低，已不适合国民经济发展 的要求，急需更新换代。其二是从国外引进了部分集群通信系统，主要 有日本u n i d e n 公司、美国m o t o r o l a 公司和e f j o h n s o n 公司的 设备。国外产品充斥国内市场必然带来一些弊端： 西南交通大学研究生学位论文第8 页 1 国外系统的组网成本昂贵，设备的价格较高： 2 系统的后期维护和设备的故障维修不方便； 3 国外设备品种繁多、杂乱，系统之间的兼容性差，给更大规模的联 网帝来困难； 4 在国外开发的产品不适合我国国情，使用前必须进行再次改造。 因此，学习借鉴国外先进技术与经验，引进先行的通信技术和设备， 本着消化吸收、开发创新的方针，逐步把立足点放在国内，实现集群通 信系统的国产化是我们本次项目的宗旨。 本论文的主要工作如下： 1 对集群移动通信系统市场作充分的调查，了解国内外现有集群系统 的情况，对它们的性能进行分析、比较、评估，并在此基础上提出我们 所研制的集群通信系统城市出租车调度、报警管理系统的设计方案， 包括系统规模、系统配置和主要功能描述。 2 进行信令的研究与设计。由于本系统采用的m p t 1 3 2 7 信令对系统只 作了最小的限制，因此分析信令规约并设计出适合本集群通信系统的信 令就构成了一项重要任务。 3 基于智能化、超小型化原则，以数字信令的应用为核心，对本系统 部分自产核心部件的硬件设计工作，包括对信道控制器、车载台控制部 分的设计。同时还给出了对应的软件设计方法和具体过程。并进行了软 硬件联合调试。 4 根据系统功能要求讨论了系统管理控制中心的主控软件设计。 西南交通大学研究生学位论文第9 页 第二章城市出租车调度报警管理系统技术方案 2 1 系统概况及功能描述 2 1 - i 系统概况 本文的城市出租车调度报警管理系统是综合了世界各厂家集群移动 通信系统的特点，并针对中国国内同类系统的现状及今后的发展方向而 提出的。它采用了m p t 1 3 2 7 数字信令，工作在8 0 0 m h z 频段，采用共 路信令方式，是一种频率资源共享、服务费用分担的高级指挥调度系统。 此外，该系统还根据我国实际情况提供多种定位策略和完备的服务功 能，正在进行产品化过程。 2 1 2 系统功能描述 系统功能应包括：可进行总台车载台，车载台总台，车载台 车载台( 单工) ，有线总台，车载台有线等的调度通信、报警功能、 定位及单向寻呼功能和完善的管理功能，具体叙述如下。 1 呼叫功能 单呼、组呼、全呼、广播。 2 电话功能 总台可将接到的调车电话直接转接给对应的车载台，实现直接通 话。车载台也可实现与有线电话的直接通话。 3 电话叫车功能 总台可以受理在偏僻地区，或夜间候车困难的乘客的电话叫车服 务。 4 脱网对讲功能 在脱网状态。所有车载台通话不限时、不保密。 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 5 报警功能 在出租车遇到紧急情况时，司机可以按动安装在车内隐蔽处的报警 开关。总台接到报警信号后，可监听并录下车内切声音。若有必要时， 总台可以遥控开关汽车的发动机，强制该车辆熄火。 6 定位跟踪功能 结合包括g p s 在内的多种定位策略，对出租车进行准确地定位跟 踪。 7 单向寻呼( 中文短讯) 功能 提供短信息服务，相当于在车载台上增加了中文传呼机功能。 8 问路服务 总台可利用数据库中的城市概况，回答司机的道路及单位查询。 9 记录、管理功能 系统随时记录每一次有效呼叫，并将信息记录保存在计算机硬盘 中，可进行必要的计费管理。系统还需完成车载台的登记、用户权限以 及车载台在多基站覆盖区漫游等管理功能。 1 0 排队功能 系统忙时呼叫申请将自动排队。 1 1 多种信令兼容 以m p t - 1 3 2 7 数字信令为主体，多种信令兼容。主要考虑老用户的 改造过程中可能需要兼容以前的模拟信令及其它数字信令。 2 2 系统组成 2 2 1 系统网络结构 由于该系统是专用指挥调度系统，所以从其发展来看。最早是建立 单基站基本系统的单区网( 参考第一章中的图1 2 ) 。因为它的用户数要 西南交通大学研究生学位论文第1 1 页 比公用网少得多，故通常采用大区制小容量网络。而当覆盖范围达不到 时，则基本系统把单基站设计为多基站。而当覆盖区再扩大，用户增加， 就发展成以基本系统为基本模块，把基本模块叠加成为多区的区域网， 甚至成为多区、多层次网络，这有利于更大范围联网。 图2 1 所示为其典型配置的系统网络结构示意图，采用了大区制星 形结构，属多区系统。市区车辆密度大，总共配置了1 6 信道，相应要 求基站的发射功率大；市郊设6 个基站，每基站配备了8 个信道。 圈2 1多基站、大区制系统的用络结构示意圈 2 2 2 系统硬件结构 系统的硬件组成如图2 2 所示。它包括系统设备和车载台两部分。 系统设备由中央交换控制中心和无线基站及中继线路组成。 主要设备及功能已在1 1 3 中进行了描述，在此补充说明系统交换 控制平台的功能。该部分指挥和调度整个系统的正常运转，完成系统总 体控制和电话交换管理功能。这包括接收来自车载台的各种呼叫请求， d e l i a o9 8 1 9 9 5 西南交通大学研究生学位论文第1 2 页 根据请求的内容建立起业务通路；实时监视各信道控制器和与市话互联 的p c m 端口的工作情况i 及时发现故障和排除故障；完成维护电话的 实时状态显示及接续任务；进行系统管理和维护；完成必要的业务量统 计和计费统计：g p s 数据的传送与监控等。 圈2 2系统的硬件结构示意图 2 3 定位策略 根据我国城市的实际情况，本系统在设计中，主要考虑解决以下四 种出租车的定位策略； 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 1 a 类：通过基站覆盖区定位。 即按照多基站系统各基站的覆盖区来定位，根据车载台在该基站的 登记信息就能方便的判断出租车的位置区域。这种定位策略简单、经济， 但其定位精度不高，故在调度管理中应用前景不佳。 2 b 类：通过车载台上报的位置编码数据定位。 将城市按位置划分为许多个区域，进行简单编码，做成编码表后发 给出租车司机。当某出租车空闲时，司机可按编码表向总台发送位置编 码数据，以便使总台获取该车的定位信息，进行电话叫车的业务安排。 这种定位策略定位精度可做得较高，但操作不方便，需要司机上报位置 数据。 3 c 类：通过主要道路标志数据定位。 由于有的城市以前采用了道路标志数据定位策略，故本系统予以兼 顾。该策略是通过在主要道路电线杆、路灯灯柱等处设特定定位设施并 通过在出租车上安装定位装置来实现定位的。 4 d 类：借助g p s 接收设备进行精确定位。 g p s 已经广泛应用在警车、银行运钞车上，随着其接收设备的价格 下降，可以考虑运用在本系统中。通过在出租车上安装g p s 接收设备进 行精确定位，并结合电子地图管理，可使得调度及电话叫车服务具有更 高效率。但其初装费用相对较高。 2 4 系统主要信令类型及数据类型 2 4 1 系统主要信令类型 1 上行信令( 车载台一控制器) 首次开机登记，上报搜索到的无线基站编号，位置信息，车载台 i d 号，车载台状态： 西南交通大学研究生学位论文第1 4 页 越区重新登记，同上； 报警登记； 申请与总台通话； 申请与有线通话： 申请语音信箱留言，听留言： 申请被调( 空闲申请) ； 位置移动超过范围申请登记； 终止当前操作。 2 下行信令( 控制器车载台) 登记成功； 信令信道标志； 报警遥控； 接续分配； 呼叫车载台 遥控编程； 遥控测试； 遥控锁机； 遥控开机； 传呼信息。 3 话音信道中的信令 上行：与车载台连接标志，车载台主动拆线； 下行：与无线基站连接标志，回到信令信道，基站主动拆线。 2 4 2 系统数据类型 1 系统数据： 西南交通大学研究生学位论文第1 5 页 2 系统中车载台的数据； 主要包括车载台i d ，公司编号，系统收到登记的时间，收到登记 的挤占编号，位置信息，标志状态( 业务类型) ，报警类型。 3 车载台在无线基站中登记的数据。 主要包括车载台i d ，无线基站编号，车载台位置信息，标志状态 ( 业务类型) ，报警类型。 2 5 系统的工作流程 系统的主要工作流程描述如下： 1 车载台在首次开机时，对所有基站信道进行扫描，比较信号强度， 找出信号质量最好的一个无线基站，在该基站的信令信道上进行登记， 并停留在该基站的信令信道上接收信号。无线基站在信令信道上周期地 发出基站标志编号，供车载台搜索时使用。 2 当车载台在移动过程中，超过当前基站覆盖区( 信令信道信号弱到 门限值以下) ，重新搜索信令信道，再次登记。 3 车载台的任何操作，都通过信令信道上行信令发给总台申请。 4 总台对车载台的控制，通过信令信道下行信令发给车载台。 5 电脑自动调车；总台操作人员将乘客的调车信息输入电脑，包括地 点、时间、车型等信息。由电脑将位置信息与申请调车的车辆相比较， 然后呼叫符合要求的车辆；或向符合要求的车辆发出传呼，由电脑按车 辆申请时间、位置、已分配次数等信息排序，杜绝人为情况。 6 车辆空闲，申请调车时，每移动一定距离或一段时间，自动地向总 台报一次位置信息和调车申请( 使用g p s 最佳) 。 7 乘客通过电话将乘客位置、乘车时间、车型、目的地等信息告知总 台操作人员录入电脑，操作人员标出查询区域范围通过电脑查询，马 西南交通大学研究生学位论文第1 6 页 上调出最近的车。 8 司机可进行车载台与车载台，车载台与总台，车载台与外线之间的 通话。 9 四种定位策略的处理。 a 类位置数据格式为：a x 。例如a 0 1 ： b 类位置数据上报方法采用手送或话音，需要由操作人员输入的 位置数据格式为：b x 。例如b 0 0 1 ； c 类道路标志位置数据格式与b 类相似，为c x ，例如c 0 0 1 ； d 类利用g p s 接收机将位置信息发回中心，格式由专用的g p s 数据规范统一规定。 1 0 调车时的“动态群呼”处理。 电脑在查询到有位置信息的车辆时，根据不同的位置信息，进行下 列呼叫： 对于采取a 类定位策略的车辆，通过该基站的群呼，广播信息，群 呼范围为当前基站的所有车载台； 对于采取b 类定位策略的车辆，进行带位置编号的群呼，广播信息， 群呼范围为b x x 的所有车载台； c 类与b 类相似，采用带位置编号的群呼，广播信息，群呼范围为 c 的所有车载台； 对于采取d 类定位策略的车辆，广播信息，群呼范围为g p s 限定 的范围； 采用的定位策略不同，其运营效率也大有区别。定位精度越高的设 备，效率越高。 西南交通大学研究生学位论文第1 7 页 第三章m p t 1 3 2 7 信令规约及其研究 3 1 信令规约的总体介绍 m p t 1 3 2 7 信令标准是一种为集群移动通信系统专用的信令标准。 它规定了无线单元r u ( r a d i ou n i t ) 与集群系统控制器t s c ( t r u n k i n g s y s t e mc o n t r o l l e r ) 之间的通信规则。这个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，大到可以由多个集群系统组成的网络。 协议中明确规定了语音呼叫、数据呼叫、紧急呼叫、包容呼叫、状 态呼叫及短数据呼叫等基本用户呼叫类别。标准对系统设计作了最小的 限制，用户可以只实现其中一部分适当的协议就行了，但用户也可以通 过在协议保留区中加入新的规定来满足特殊的要求。 m p t 1 3 2 7 信令系统的最大容量范围为： 1 每个系统1 0 3 6 8 0 0 个地址。 2 1 0 2 4 ( 2 1 0 ) 个信道号码。 3 3 2 7 6 8 ( 2 ”) 个系统识别码。 以上容量是由信令地址码决定的，在信令地址码中，用2 0 位表示 系统她址位，用1 5 位表示系统识别码。 m p t 1 3 2 7 信令使用了1 2 0 0 b s 的信令速率，快速移频键控( f f s k ) 副载波调制方式。 建立呼叫的信令在控制信道中传输，允许t s c 选择两种信道方式 之一：专用的或非专用的。它通过动态帧长的完全随机接续方式 ( a l o h a ) 能很好地解决呼叫碰撞问题。 在用于多基站系统时，它包括了实现多基站系统的登记措施：无线 单元在系统基站间漫游时可以告知t s c 其位置。 西南交通大学研究生学位论文第1 8 页 3 2 信令规约的具体分析 3 2 1 信令绪构 1 基本格式 信令格式的基本组成如图3 1 所示。 圈3 1 基本格式 其中各部分的含义如下： l e t ：链路建立时间。在信令传输之前是链路建立时间( l e t ) ，在 这段时间内应产生9 0 以上的载频功率传输。 前置码( p r e a m b l e ) ：信令传输以前置码开始，前置码是反向比 特1 0 1 0 1 0 1 0 ，至少1 6 位，以0 结束。 消息( m e s s a g e ) ：一条消息是指一段连续的传输，通常包含一个 码字同步序列和一个地址码字，有时还包括一个或多个数据码字。 h ：释放延迟位。在信令传输结束后，附加传输一个用二迸制0 或 者1 表示的释放延迟位。 2 消息格式 式： | | 码同步序列l 地址码字i 数据码字( 如果必要) i i1 6b i t s6 4b i t sn 6 4 b i t s 圈3 2 消息格式 码同步序列分为控制信道码同步序列和话音信道码同步序列两种形 控制信道码同步序列s y n c ：1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 ； 话音信道码同步序列s y n t ：0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 。 码字共有6 4 位，每个码字包含4 8 位信恩比特，后跟1 6 位校验比 西南交通大学研究生学位论文第1 9 页 特。有两种类型的码字，即地址码字和数据码字，通过码字中的第一位 加以区分，见图3 3 。 圈3 3 码字格式 3 信令传输变换 单消息格式： 包括一个单消息的信令传输格式与图3 t 所示信令基本格式相同。 话音信道上的多消息格式： 包含多个消息的标准信令传输格式见图3 4 ，这种格式只限在话音 信道上使用。 圈3 4 多消息格式 对于由r u 发出的多消息，消息间有1 6 位比特反转序列。对于由t s c 发出的多消息，比特反转序列就可根据要求插入。任何比特反转序列最 后一位都为二进制0 。 下行控制信道格式 t s c 在控制信道上发送的基本起始序列和码字序列如图3 5 所示。 圈3 5 基本控制信道格式 西南交通大学研究生学位论文第2 0 页 其中，a d d n 代表地址码字，c c s c 表示控制信道系统码字。起始 序列之后，t s c 将时间分成时隙，每个时隙包括两个码字。除非被前面 消息的一个数字码字替代，否则每个时隙中第一码字为控制信道系统码 字( c c s c ) ，第二码字为地址码字。c c s c 用于告诉r u 所使用的系统， 并提供控制信道时隙同步。 当数据码字作为消息的一部分发送时，它将代替c c s c 和地址码 字。不管这种代替是否存在，r u 都必须能够很顺利地操作。为此，t s c 不应代替两个以上连续时隙内的c c s c 。 话音信道中传输信令则没有时隙概念，t s c 和r u 之间靠同步和地 址来确认和应答。 3 2 2 码字结构 1 控制信道系统码字( c c s c ) c c s c 用于t s c 向r u 提供系统识别码以及提供控制信道时隙同步。 它由t s c 在控制信道发出，结构如图3 6 。 位数： l1 51 61 6 1 6 其中： s y s 系统识别码 c c s 码字完成序列，合适的c c s 使校验p 形成s y n c p 校验 图3 6 c c s c 码字结构 2 ，地址码字结构 地址码结构分为两类： 信道分配特殊码g t c ( g ot oc h a n n e l ) 和8 类通用地址码。图3 7 给出了g t c 的结构；图3 8 给出了8 类通用地址码的结构。 西南交通大学研究生学位论文 第2 1 页 圈3 7 g t c 的结构 图3 8 八类遇用地址码鳍构 在以上两种码字结构中： p f i x ：单元前缀或组前缀； i d e n t l 、i d e n t 2 ：用户识别码； c a t ：总类别； c h a n ：分配信道号； ( n ) ：随机接续时隙数，即a l o h a 帧长数。 3 说明 西南交通大学研究生学位论文第2 2 页 c c s c 中s y s 为系统识别码，所以可以支持2 ”= 3 2 7 6 8 个不同 的基站系统。 地址识别码共2 0 位，所以可以区别2 2 0 个地址。由两部分组成： 单元前缀7 位( 2 = 1 2 8 ) ，用户识别码1 3 位( 2 ”= 8 1 9 2 ) 。单元前缀可 以区别不同的用户划分，同一单元前缀内可以有8 1 0 0 个用户识别码， 8 1 0 1 8 1 9 1 为特殊识别码，分配情况见表3 1 。 衰3 1 地址识别码分配衰 识别码标记含义 od u m m y 伪识别码 1 8 1 0 0用户识别码 8 l o lp s t n g i 通用p s t n 呼叫识别码 8 1 0 2队b x i p a b x 呼叫识别码 8 1 2 l 8 1 3 5 p s t n s i 缩位p s t n 呼叫识别码 8 1 8 5r e g i 登记识别码 8 1 8 6i n c i 包容识别码 8 1 8 7d 1 v e r t i转换识别码 8 1 8 8s d m i 短数据消息识别码 8 1 8 9i p f i x i 不同前缀识别码 8 1 9 0t s c i 呼叫t s c 识别码 8 1 9 la l l i 系统呼叫识别码 其它备用或保留 g t c 和8 类通用地址码的区别在于码字的第2 2 位，通用地址的 第2 2 位总是l 而g t c 的第2 2 位总是0 。g t c 中c h a n 为分配信道号， 故可支持2 ”= 1 0 2 4 个信道。 由图3 8 可知八类消息中已规定的有两类，每类中又细分为不同 的功能，在控制信道上，发送的消息主要可分为： a l o h a 消息：由t s c 发送，邀请和控制随机接续； 请求消息：由r u 发送，请求呼叫或处理业务： a h y 消息：由t s c 发送，要求指定r u 响应； 应答消息：由t s c 或r u 发送，响应； 西南交通大学研究生学位论文第2 3 页 g t c 消息i 由t s c 发送，用于分配信道； 短数据消息：由t s c 或r u 发送，短数据： 其它消息：由t s c 发送，用于系统控制。 3 。2 3 信道规剡 1 t s c 的控制信道规则 如果t s c 控制多个基站，则每个基站将有一个独立的控制信道或 多个基站共用同一控制信道。 当t s c 开始在一条新的控制信道上开始传输时，在t s c 给呼叫 分配话音信道之前，应当提供足够的传输时间，以利于r u 鉴别出控制 信道。 t s c 响应r u 的随机接续请求时，可在随后的时隙发送响应消息， 也可延迟发送。规约规定了延迟时间，如果超过该时间，则r u 判断此 接续信令失效。 2 t s c 的话音信道规则 t s c 在话音信道中连续监视话音信道的信号，如对某个话音信道的 通信有疑问时，t s c 将发送a h y 信令询问r u 是否在信道上，如果没 有在规定时间内接收到应答，则拆除该话音信道。 3 r u 的控制信道规则 捕捉控制信道 当r u 刚开机或刚离开话音信道时，r u 需要找出控制信道，并停 留在该控制信道上接收t s c 来的信令。 保持控制信道 r u 在控制信道上一直监视t s c 信号，在定的时间内如果没有译 出系统识别码，则停止该信道的活动，并返回信道捕捉，重新找回控制 西南交通大学研究生学位论文第2 4 页 信道。 信号定时 当要发射随机按续消息时，r u 将按照随机协议选择一个时隙，r u 能从帧标志信息或同一帧的其它信息中得到一个时隙的定时。响应t s c 的单码字r u 消息定时见图3 9 。 圈3 9 单码字r u 消息的控制佰道定时 在t 2 ( 第2 1 位) 之前r u 不进行射频发送，在t 4 时，必须超过 最大功率的9 0 。r u 将提供一个至少6 位的发射功率启动时间，之后 传输1 6 位的前置码p r e a m b l e ，规定前置码的发射起始于t 3 和t 5 之 间，之后是s y n c 、地址码字及h 。然后，r u 停止发送，在下一个时隙 的t l ，功率至少下降6 0 d b ，并及时转向下行信道，以便译出下个时隙 的码字。 4 r u 的话音信道规则 监视：当在下行话音信道上接收时，无线单元连续监视此信道， 以便发现来自t s c 的消息，并且作出适当的响应。 信号定时 t s c 在传输前至少有6 位( 5 m s ) 的发射功率启动时间l e t ，同步 码字使用s y n t 。r u 在传输前至少有1 2 位( 1 0 m s ) 的l e t ，如果发送 西南交通大学研究生学位论文第j 5 页 非请求消息( 例如包容呼叫呼叫消息或拆线消息) ，l e t 应小于2 4 位。 r u 在传输消息结束6 位( 5 m s ) 内功率下降6 0 d b 。 3 2 4 随机接续协议 1 工作原理 随机接续协议建立在时隙a l o h a 基础之上，可用来控制源自不同 r u 的消息冲突，减小接续延迟并确保系统稳定，在话音业务高峰时， 维持最大吞吐量。其基本原理参照以下范例说明： 圈3 1 0 两个由a l h 消息标记的随机接续帧 a l h ( n ) 为t s c 发送的a l o h a 邀请消息，参数n 表示随后的时 隙数，构成一帧用于接续。r u 将在n 个时隙中随机选择一时隙发送其 接续消息，若因碰撞而接续失败，则r u 需等到新一帧再随机选一时隙 重新进行呼叫。其它类型消息中有的也包含帧长参数n ，从而不再需要 一个明显的a l o h a 消息，减少了随机接续信令数量。 在一帧期间，如果t s c 发送的消息需要某一指定r u 立即应答，则 此消息将阻止其它r u 在下一时隙进行随机接续，这种情况称为时隙撤 出。 t s c 可以监视控制信道上的活动，并且可以通过改变帧长，防止过 多的碰撞，使接续延迟最小，系统设计员需设计相应算法。本文将在3 3 节中讨论有关算法设计。 2 。r u 分集的讨论 西南交通大学研究生学位论文第2 6 页 在话务量特别大时，帧长已增加到极限。此时为保证系统稳定工作， 可以将r u 分成子集，允许每一子集依次随机接续。 r u 分集是通过在a l o h a 消息中使用地址限制参数m 来达到的。 该参数指示r u 把2 0 位地址码中m 个最低有效位与a l o h a 消息中的 m 个最低有效位比较。相匹配时才允许该r u 发送呼叫请求。按该方式， r u 可有效的分成2 ”个子集，例如： m = 0 时，t s c 允许所有r u 的接续请求：m = l 时。r u 分成了两 个子集，只有最末一位地址相匹配的r u 才可以发送非紧急随机接续消 息：m = 2 0 时，a l o h a 地址等于某个r u 的个别地址。 这种设计的特点是在大话务量情况下，系统仍可保持稳定。而且使 得系统功能更加灵活，对优先级操作也变得方便易行。 3 3 有关闻题的分析与研究 3 3 1 信令的编译码及差错控制 信令码字为1 2 0 0 b s 速率的特殊的b c h ( 6 3 ，4 8 ) + 1 码。有效信息位4 8 位，前1 5 个检错位根据( 6 3 ，4 8 ) 循环码从生成多项式导出，第6 3 位反向， 再加上整个码字的1 位偶校验位。 ( 6 3 ，4 8 ) 循环码的生成多项式为g ( x ) = x 1 5 + x 1 4 + x 1 3 + x ”+ x 4 + x 2 + 1 。 信令规约要求的纠错检错特性如下： “硬判决”解码特性： 检所有奇数错误，任何5 位随机错和任何长度为1 6 的突发错：或 者纠1 位随机错和检4 位随机错和长度小于1 1 的突发错；或者纠最多2 位随机错，检3 位错及长度小于4 的突发错；或者纠任何单个长度小于 5 的突发错。如果要在系统中实时地实现，最好采用硬件译码。 “软判决”解码特性： l i e l | a o9 8 1 9 9 5 西南交通大学研究生学位论文第2 7 页 纠任何5 位模糊比特和任一长度小于1 6 的单个突发模糊位。如果 用软判决译码，可以增加检错和纠正码组中的模糊位数，但目前这种方 法很少见。 3 3 2 随机接续动态帧长的讨论 1 介绍 m p t 1 3 2 7 信令采用动态帧长a l o h a 技术解决同抢竞争的问题， 用户只能在帧之内的某个时隙发出呼叫，而一帧的时隙数则可以根据 时隙的竞争激烈程度做调整。 对于固定帧长a l o h a 方式，帧长固定为n 时隙，其通过量( 即成 功信息包的期望值) 上限为1 ，e t 0 3 6 8 。这样，当呼叫率高于上限时， 就会出现不稳定。 为了消除a l o h a 信道的不稳定，必须采取某种形式的反馈控制。 一般的概念是在每一帧后进行累计估计，然后修正帧长值。但动态帧长 a l o h a 在现实无线空间中应用，理论上的模型包括移动台信包流量模 型、用户在空间的分布模型、移动信道传输模型、信道噪声模型、基站 模型等，甚至应该考虑带捕获效应的m a r k o v 模型以及基站编解码、分 集接收模型。因此，理论上全面研究是一个复杂而艰巨的工作，在本文 中只做一个简单的讨论。 2 动态帧长控制估算 设移动台的呼叫是个泊松过程，它们在时间t 内发i i 个新信包的概 率为： p n ( t ) ：坠尝e ，t o ，n ：o ，1 ，2 ( 3 1 ) i l ! 为呼叫强度即信包数单位时间。 设上一个a l o h a 周期长为t ，这样a l o h a 周期的第一帧中发出 西南交通大学研究生学位论文第2 8 页 呼叫的移动台的先验期望值则为x t 。假设第一帧的1 1 个时隙中有g 个 碰撞时隙，s 个成功时隙g l ( n - g s ) 个空闲时隙。 根据一般的经验，一帧中的时隙数n 应为累计的移动台数a 的期望 值： n = r o u n d ( e ( a ) ) ( 3 ，2 ) 其中，r o u n n d ( ) 为取最接近的正整数。下面进行后验值估算： 设k 个用户选择时隙i ，则有如下几个概率： p ( 碰撞ik 个用户选择时隙i ) p ( 成功ik 个用户选择时隙i ) ( 3 3 ) p ( 空闲fk 个用户选择时隙i ) l 根据移动台的泊松分布，设选择第一帧时隙i 的移动台的概率为p 。( k 个用户选择i ) ，定义为p 。 若时隙i 发生碰撞，则k 个移动台选择时隙i 的后验概率分布由贝 叶斯公式有： p k ( k 个用户选择时隙i l 碰撞) ；雕：毒墅塑勤兰竺旦皇丝量堕虹( 3 4 ) p ( 碰撞ij 个用户选择时隙i ) p j j - o 那么，在这一时隙发射的移动台数目的后验期望值为： a 。= k 砰 ( 3 ，5 ) k = l 类似地，可以得到在这时隙观察到的成功和空闲移动台数目的后 验期望值各为a 。，a 。，对整个帧来说，累计的后验期望值为： e ( a ) = a g - + ( a 。一i ) s + a 。( n g s ) ( 3 6 ) 为简单起见，我们不考虑信道、接收等模型造成的噪声和压制效应。 对于a 值的估算，也仅限于对碰撞时隙的讨论，因为成功时隙虽应该使 西南交通大学研究生学位沦文第2 9 页 时隙期望值加1 ，但同时由于其成功，也应使期望值减l 。 在这些条件下，假设选择时隙i 的移动台数目均值为l ，即 p k ( k 个用户选择时隙i ) = p k = 罟 ( 3 7 ) p i 如果时隙i 发生碰撞，则选择时隙i 的移动台至少为2 ，其后验分 布为： f0 ，k = 0 ，l 璐= 玉，k 2 ( 3 8 ) 【l p 0 一p 1 选择时隙i 的移动台的后验期望值为： 争p o = 豇k