iDEN系統(tǒng)射頻接口協(xié)議分析

肖育苗　謝勝利



　　摘要 建立在IP技術(shù)基礎之上的VPN（虛擬專用網(wǎng)）正快速成為新一代網(wǎng)絡服務的基礎，眾多的服務供應商都紛紛推出了基于自身VPN傳輸網(wǎng)的各類增值服務。MPLS VPN能夠提供高效和簡捷的VPN服務，本文主要介紹MPLS VPN的實現(xiàn)方式。


　　關(guān)鍵詞 iDEN 射頻接口 協(xié)議棧



1 引言


　　2002年底，我國信息產(chǎn)業(yè)部頒布了《數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)體制》（SJ/T11228-2000）行業(yè)推薦標準，確定TETRA和iDEN為我國數(shù)字集群的兩種推薦體制。從此以后，人們對集群通信的關(guān)注也日益升溫。


　　作為國家推薦的標準體制之一，美國Motorola公司研制和生產(chǎn)的iDEN（integrated Digital Enhanced Network）數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)將數(shù)字調(diào)度通信和數(shù)字蜂窩通信綜合互聯(lián)在一套系統(tǒng)之中，集移動電話、數(shù)據(jù)傳輸、集群調(diào)度和短信息傳輸于一體，具有低功率、大容量、廣域覆蓋等特性。目前，iDEN已成為全球應用最廣的數(shù)字集群技術(shù)。


　　要了解移動通信系統(tǒng)內(nèi)部運作的具體情況，必須清楚射頻接口這個必不可少的重要部分。本文主要就是從這個方面入手，概要分析了iDEN系統(tǒng)中射頻接口協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)以及射頻接口中各層的情況。


2 iDEN RF接口總體結(jié)構(gòu)


　　iDEN RF接口是指iDEN固定網(wǎng)絡設備（FNE）和小區(qū)中移動臺（MS）之間的接口，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。


　　iDEN RF接口第1層為物理層，主要完成M16-QAM調(diào)制過程的協(xié)議邏輯；第2層分為介質(zhì)訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）兩個子層，主要用于處理具體的信令和完成無線鏈路控制等；第3層及其他高層則主要面向各種不同的服務。


3 iDEN RF接口各層具體分析


　　在集群通信中，射頻接口一般僅對應OSI 7層模型中的下3層，較高層的功能在用戶終端設備中實現(xiàn)。因此，主要對OSI 7層模型下3層提供的服務進行分析介紹。


3.1 第3層服務描述


　　iDEN RF接口的第3層從上到下主要包含了連接管理（CM）、移動性管理（MM）和無線資源管理（RR）3個子層。


　　1. CM子層


　　CM子層包含了一系列協(xié)議實體，通過在服務接入點（SAP）相互交換消息和控制信令，為更高層提供了電話業(yè)務和調(diào)度業(yè)務服務的接口。其中，為電話業(yè)務服務的實體主要有呼叫控制（CC）實體、補充服務（SS）實體和短消息服務（SMS）實體。CC實體的服務由MNCC-SAP提供，主要用于控制電話和數(shù)據(jù)的電路模式連接的建立、維持和釋放，以及提供與呼叫相關(guān)的補充服務；SS實體的服務在MNSS-SAP獲取，主要提供與呼叫不相關(guān)的補充服務；SMS實體的服務由MNSDS-SAP提供，用于在RF接口上傳輸短消息。為調(diào)度業(yè)務提供服務的CM子層實體為調(diào)度呼叫控制（DCC）實體，其服務在MNDCC-SAP獲取，主要用于控制調(diào)度呼叫的建立、維持和釋放。


　　2. MM子層


　　MM子層的主要功能是保持更新FNE的位置登記情況，并維持MS中有效的分組或分組數(shù)據(jù)ID。除此之外，它還可為CM子層提供連接管理，為MS提供一些必要的參數(shù)。對應其提供的服務，MM子層包含了TMSI重分配、鑒權(quán)及身份識別、IMSI附著/分離、位置登記、周期性更新、調(diào)度登記、分組數(shù)據(jù)登記等多個程序，分別面向不同的具體功能。


　　3. RR子層


　　RR子層主要負責通過第2層和第1層為上層信令或消息提供連接管理，同時，它還可控制各種RF特定功能，如小區(qū)選擇、信道分配和越區(qū)切換等。


　　對應其服務，RR子層提供的基本程序有RR連接管理程序，如RR連接的建立、傳輸和釋放；調(diào)度呼叫程序，包括組呼、單呼和呼叫警示；分組數(shù)據(jù)相關(guān)程序，如分組數(shù)據(jù)信道的激活、分組會話和分組重接。


　　另外，RR子層還可提供支持MM子層活動的消息服務和連接，包括去激活、分組數(shù)據(jù)去注冊等。


3.2 第2層服務描述


　　iDEN RF接口的第2層主要分為MAC和LLC兩個子層。下面就分別介紹這兩個子層提供的服務。


　　1. MAC子層


　　MAC子層主要負責在無線鏈路和M16-QAM之間轉(zhuǎn)換和控制語音及數(shù)據(jù)信號，并確保各種信號適宜在無線信道上傳輸。為此，MAC子層定義了邏輯信道、RF幀結(jié)構(gòu)和物理信道等內(nèi)容。


（1）邏輯信道


　　邏輯信道是在對等的邏輯鏈路控制（LLC）實體間交換信息的一種結(jié)構(gòu)。iDEN系統(tǒng)在MAC子層定義的邏輯信道有：


　　· 時隙信息信道（SICH）：用于傳送時隙描述塊（SDB）的下行信道。


　　· 主控制信道（PCCH）：分為廣播控制信道（BCCH）、公共控制信道（CCCH）和隨機控制信道（RACH）。其中，BCCH是用來傳輸小區(qū)參數(shù)和其他系統(tǒng)信息的下行信道，CCCH用于在出基站方向傳輸尋呼消息、信道分配消息等，而RACH則用于MS的上行隨機接入。


　　· 臨時控制信道（TCCH）：為某一信道上的隨機接入信令提供臨時帶寬，一般用于預留接入。


　　· 專用控制信道（DCCH）：分配給具體MS傳送第3層控制信令的雙向信令信道。


　　· 隨路控制信道（ACCH）：用于在監(jiān)控相關(guān)業(yè)務信道的同時，傳送特定的第3層信令消息，其帶寬是通過動態(tài)借用TCH的帶寬而獲得。


　　· 業(yè)務信道（TCH）：用于傳送用戶的語音和電路模式數(shù)據(jù)的雙向信道。


　　· 分組信道（PCH）、分組廣播信道（PBCH）：用于支持分組數(shù)據(jù)傳送。


　　（2）RF接口幀結(jié)構(gòu)


　　iDEN系統(tǒng)采用TDMA接入方式，一個TDMA幀長90ms，分為6個時隙，每個時隙15ms。無論是上行入基站幀，還是下行出基站幀，都是由30 240個時隙構(gòu)成，幀周期為453.6 s。


　　在出基站幀中，每個出基站時隙都是由連續(xù)的15ms數(shù)據(jù)流構(gòu)成的，具體包含了同步、導引、色碼和高層的數(shù)據(jù)信息。而在入基站幀中，入基站時隙的內(nèi)容根據(jù)MS接入的方式而有所不同。


　　當入基站時隙采用隨機接入時，它分成兩個7.5ms的隨機接入子時隙，每個子時隙除了包含同步導引信息以及高層數(shù)據(jù)信息外，還應包含1.75ms的前置訓練波形和0.75ms的傳輸延時；而對于預留接入的時隙，一般都是用提前發(fā)送來防止傳播延遲，故沒有隨后的傳輸延時，可傳送更多的高層信息。


（3）物理信道


　　在iDEN系統(tǒng)中，物理信道由載波號、交織和偏移3個參數(shù)唯一確定。其中，載波號是指所使用的載波對；交織（interleave）是指一個物理信道中相鄰時隙號的增加步長；而偏移則給出了一個物理信道的最小時隙號，其取值范圍為0～interleave -1。實質(zhì)上，物理信道是由這3個參數(shù)確定的時隙序列。比如，若在一個給定的載波頻率上想建立一個6∶1的語音呼叫，則分配的物理信道應由SN = [1,7,13,19,……，30 229，30 235 ] 的時隙組成。這個特定物理信道的交織是6，偏移是1。


　　2. LLC子層


　　為了更好地完成控制信令或消息的傳輸， iDEN射頻接口在LLC子層定義了時隙信息程序（SIP）、隨機接入程序（RAP）、隨路控制程序（ACP）、語音信道程序（VCP）、數(shù)據(jù)信道程序（DCP）和iDEN鏈路控制協(xié)議（LAPi）六大程序，分別處理不同的內(nèi)容：


　　· SIP：在SICH上工作，通過在每個出基站時隙中插入時隙描述塊（SDB），來描述時隙所屬物理信道的分配和使用情況。


　　· RAP：在PBCH和TCCH上工作，通過和它的第3層客戶實體交換源語消息，可提供無連接、無確認的集中式多播傳輸服務。集中式多播指的是入基站時多個MS對一個FNE發(fā)消息，而出基站時則是一個FNE給多個MS發(fā)送消息。RAP采用時隙ALOHA協(xié)議，可有效地解決多個用戶同時接入iDEN網(wǎng)絡時的信道擁塞問題。


　　· ACP：用于為第3層控制信令在DCCH和ACCH上提供傳輸路由。同RAP一樣，ACP亦是通過在它的服務接入點和第3層客戶實體交換源語來對上層提供服務。對客戶消息的傳輸，它既可提供可靠的連接型服務，又可提供無確認的無連接型服務。


　　· VCP：一種用于及時傳送固定大小VSELP編碼語音幀的無確認型優(yōu)化數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在TCH上工作。語音經(jīng)VSELP壓縮算法編碼后，便進入該程序的處理階段，VCP會對之再進行差錯控制編碼，然后才傳送到MAC子層。


　　· DCP：提供點對點、電路交換、無確認型數(shù)據(jù)幀傳送，在TCH上工作。


　　· LAPi：一種分組數(shù)據(jù)協(xié)議，可在多個接入信道上提供連接型服務或無確認的無連接型分組數(shù)據(jù)傳輸服務。


3.3 第1層服務描述


　　iDEN RF接口第1層的主要功能是在抵制RF信道上各種各樣的信道衰減的同時，可靠地完成無線信道上的信息傳輸。因此，這一層主要包含調(diào)制、時分復用（TDM）的同步機制以及幅度和相位的恢復機制等方面的內(nèi)容。


　　1. M16-QAM調(diào)制


　　iDEN系統(tǒng)采用的調(diào)制方案是Motorola公司在16QAM（16相正交振幅調(diào)制）調(diào)制技術(shù)基礎上自己研發(fā)的M16-QAM技術(shù)。其基本原理是將傳送的信息比特首先分為Ｍ=4個并聯(lián)的頻分復用子信道，然后再經(jīng)編碼變換成為16QAM的信號，同時插入導引和同步信號符號，每個合成的信息流經(jīng)過脈沖濾波（PSF）與分路載波一起調(diào)制，并在頻分復用器中與其他的副載波信號混合，合成的總信號形成M16-QAM信號。


　　2. 同步機制


　　為了恢復M-QAM信號，接收端必須保持時間同步。為達到這一目的，發(fā)射機在調(diào)制流中插入了同步符號。具體的同步方案占用了3個調(diào)制符號的時間間隔，以便接收端可以容易地檢測到同步符號；然后通過為同步子信道符號選用最優(yōu)的相位值，就可獲取好的峰值—平均功率比。


　　3. 幅度和相位的恢復機制


　　為恢復M-QAM信號，接收機必須有一個相位和幅度參考。由于移動信道的多徑衰落會使得相關(guān)參數(shù)隨機變化，故相位和幅度的參考值必須周期性地進行更新。為了達到這一目的，iDEN系統(tǒng)在發(fā)射信號中引入了導引序列。導引序列是發(fā)射機和接收機都預先知道的一個預定義子信道符號序列。其位置的選定是為了使接收機獲得最佳相位和幅度參考。


　　當收到信號時，接收機會根據(jù)接收到的導引子信道符號來判斷信號傳輸?shù)那闆r，如果導引子信道符號的幅度或相位超出給定的范圍，則說明傳輸中有失真，接收機應做相應調(diào)整。


4 結(jié)束語


　　綜上所述，iDEN系統(tǒng)射頻接口協(xié)議分層明確，各層分別由不同實體或程序模塊實現(xiàn)不同的服務或功能，從整體上可靠地完成了信令或用戶消息在射頻接口上的傳送任務。


　　當前，我國專業(yè)移動通信的開發(fā)呈現(xiàn)出百花競放的局面，基于各種TDMA、CDMA技術(shù)的數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)方案層出不窮。但作為開發(fā)最早、應用最廣、技術(shù)也相對成熟的數(shù)字集群系統(tǒng)，iDEN系統(tǒng)仍具有很大的借鑒、參考和實用價值。因此，了解iDEN系統(tǒng)射頻接口協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)以及各層提供的服務，對整體上把握該系統(tǒng)、進一步完善和發(fā)展數(shù)字集群技術(shù)，都具有非常重要的現(xiàn)實意義。




----《中國數(shù)據(jù)通信》