IP 技术在TETRA 数字集群通信系统的应用.pdf

新编数字集群专辑 IP 技术在技术在 TETRA 数字集群通信系统的应用数字集群通信系统的应用 摘要摘要 文章介绍了IP技术在TETRA数字集群通信系统的应用TETRA OVER IP和 IP OVER TETRA，详细分析了 TETRA OVER IP 的关键技术和具体实现，并预测了进一步发展的 IP OVER TETRA技术及其支持的数据业务。引言引言 随着现代通信和网络技术的发展，IP 交换技术在公网通信和专网通信中得到了广泛的应用。基于 IP 技术的 TETRA 数字集群通信系统已经成为目前发展的主流，TETRA OVER IP和 IP OVER TETRA 分别通过将信息的 IP 数据包在有线网络和无线网络中传输，实现网络和信息的 IP 化，从而支持更为灵活的组网方式和更为丰富的数据业务。TETRA 标准标准 TETRA 标准是欧洲电信标准协会 ETSI 制定的数字无线电集群通讯标准，TETRA 标准支持集群和直通两种通信模式，其空口协议结构遵循 OSI 模型。但空口标准仅定义了下 3层协议内容，底层协议标准是开放的，而高层通信协议没有定义。TETRA 标准对系统网络的结构没有明确限制，其网络结构通过定义系统空中接口、直通模式接口、人机接口、终端设备接口、市内线路连接接口、网关接口、长途线路连接接口、系统间接口和网络管理单元接口 9 个接口标准，保证各个厂家生产的 TETRA 系统的兼容性，确保网络互联互通。TETRA 标准只规定了无线空中接口协议，并没有特别指定网络系统设备的的交换技术。大多数公司在初期采用电路交换模式的交换系统，越来越多的厂家开始采用 IP 交换技术实现通信网络系统间的信息交换。电路模式交换网络 电路模式交换网络 传统 TETRA 网络中，网络的核心部分称为交换和管理基础设施（SwMI），而 TETRA标准中没有定义 SwMI 与基站、其他网络连接的传输链路和接口。各公司独自制定方案，因而造成异构网络间不能通信，对建立多区多基站的移动共网造成了困难。电路模式的交换网络中所有的数据交换集中在 SwMI，降低了网络的性能，而且如果 SwMI 出现故障，整个网络就会瘫痪。典型的电路模式交换网络如图 1 示。新编数字集群专辑 在一个大型 TETRA 网络中，SwMI 是由多个基站、传输链路、交换设备和数据库等组成。同时 SwMI 还包括接入到其他类型网络和网络管理单元的接口。在交换和管理基础设施SwMI 中，最重要的就是交换系统，在一个小区内各个基站之间相互通信全部要通过交换系统，交换机可以是连接 2 个或 3 个基站的小型用户小交换机，也可以是数字蜂窝网中使用的大型交换机。在处理跨基站的呼叫和数据时，都要经过交换中心进行转发，也就是说，交换机负责建立用户之间和从用户到其他网络的连接、处理基站和进行呼叫的移动台的信令并对它们进行控制。同时为了对用户身份、安全和路由功能进行管理，必须配置相应的数据库，并且交换和控制中心都可以对数据库进行查询。电路交换技术基本特点是采用面向连接的方式，在双方进行通信之前，需要为通信双方分配一条具有固定带宽的通信电路，通信双方在通信过程中将一直占用所分配的资源，直到通信结束，主要适用于传送话音业务。电路交换方式对于数据业务存在很大的局限性。首先数据通信具有很强的突发性，峰值比特率和平均比特率相差较大，如果采用电路交换技术，若按峰值比特率分配电路带宽，则会造成资源的极大浪费，若按照平均比特率分配带宽，则会造成数据的大量丢失；其次是和语音业务比较，数据业务对时延没有严格的要求，但需要进行无差错的传输，而语音信号可以有一定程度的失真但实时性一定要高。这些特点都暴露出了电路交换技术的缺陷，同时也制约了它的发展。另外，传统网络一般采用星型的连接方式，交换中心处理所有基站间的语音和数据交换。这样的连接存在很大的不稳定性，一旦交换中心发生故障，基站与基站间的通信将无法进行。同时随着基站数目的增加，交换机的交换能力将成为通信的瓶颈，制约通信的容量。在电路交换网络中，对异构的网络的兼容性也是非常的低的。TETRA OVER IP 交换网络交换网络 TETRA OVER IP 就是基于 IP 的 TETRA 网络，具体是指把所有的 TETRA 信息，包括语音信息、数据信息（短数据、分组数据和状态数据）、控制信息及网络管理信息等都封装新编数字集群专辑 在 IP 分组中，并通过 IP 网络传送。典型的 TETRA OVER IP 网络结构如图 2 示。从上图可以看出，TETRA 核心骨干网中采用的是基于 IP 的传输技术。基站与网络交换和控制设备之间的连接采用 IP 的方式，连接网络的互连设备包括路由器和各种网关。网络的传输采用 TCP/IP 协议，各节点上的交换设备采用以太网交换机。IP 网络结构有效的节省了成本，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控制的网络结构。各交换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，也可采用同步和异步混合的链路结构。如果需要与其他网络互联，比如 INTERNET 或其他 TETRA 网络，只需添加各种网关，以实现互连互通。同时网络管理平台、有线调度台 和数据库服务器等都可以接入到以太网中，并无需考虑其网络位置。传统的网络传送信息都是建立在电路链路上，交换和控制混合在同一设备中完成。而IP 网络传送信息的方式是将信息打包成 IP 包进行传输，交换和控制分离成两层结构。在控制层上有独立的设备完成，而底层的交换与控制互不干扰。两种网络的比较如图 3 示。图 3 两种模式网络的交换和控制方式 图 2 TETRA OVER IP 网络结构新编数字集群专辑 TETRA OVER IP 系统中的网络设备可以由 IP 网络设备代替，如路由器、以太网交换机等。但 TETRA 呼叫控制和应用层上的设备与传统的 TETRA 网络是相同的，只是在下层的交换和控制层进行了改变，采用了 IP 架构。TETRA OVER IP 的实现机制的实现机制 TETRA OVER IP 系统中，底层网络传输和上层控制是分离的，上层控制层又可分为 3个层次，分别是：?C-Plane:控制层，处理呼叫建立、短消息发送、状态消息发送等基本业务。呼叫建立：接收从基站传来的控制信息，在需要处理多基站通信时，控制层处理控制信令路由，保证在 IP 网络内正确的将路由信息从源基站传送到目的基站，实现不同基站间的呼叫的建立。分组数据：除了语音和电路数据外，还支持分组数据。基站从终端接收到分组数据后，控制层负责处理分组数据。短消息和状态消息发送：TETRA 标准中控制信道除了传输控制信令，也能传输电路 交换的数据信息，因而短消息和状态消息通过空中接口的控制信道进行传送。基站接收到的短消息通过 TETRA 控制层处理，再经路由器转发到目的地。?U-Plane:用户层，完成 TETRA 语音的 ACLEP 编解码。TETRA 是空中接口信令开放的系统，它采用的是先进的 ACELP 语音编码方案，生成的是数字的离散信号，对于 IP 网络无需经过数/模转换，直接可在网络中传输。TETRA 标准中，终端通过业务信道将语音呼叫发送给基站，源基站发起的呼叫经过 TETRA 用户层的处理到达路由器，再通过最佳路由选择转送到目的基站。?M-Plane:维护层，网络管理员可通过标准的 IP 网络软件接入 TETRA 系统进行监控，同时还可完成配置和软件升级。配置包括系统配置和网络配置。系统配置包括移动国家代码、收发信机的频率等系统参数。网络配置包括用户身份、组身份、定时器、呼叫记录管理等。监控包括使用调度台进行呼叫管理、自动车辆定位、GPS 定位等应用，可以在基于 IP的上层各种协议上开发不同的软件进行监控。TETRA 标准的不同层面通过 IP 网络传送的方向是不同的，控制层上基站的数据包通过新编数字集群专辑 路由传送给交换管理设备（SwMI），然后基站将语音信息编码（ACELP 编码）再经过路由直接传送给目的基站，而不经过 SwMI，这样大大减少了呼叫所需要的时间，提高了通话的服务质量（QoS）。而管理和控制信息，基站通过 IP 网络传送给 SwMI，再由 SwMI 传送给相应的调度台。因为各层的功能和传输的不同，选择的协议也不同：C-Plane:控制层处理的数据包是非周期的，可以是短的或长的信息，而且信息需要得到确认，所以选择 TCP 协议。U-Plane:用户层处理的数据包是周期的，只能是短数据，信息不需要确认，所以选择 UDP 协议。M-Plane:维护层是维护整个系统，最好的解决方案是采用标准的网络应用协议，例如 FTP（升级软件）、Telnet（用于远程调试和改变参数）、HTTP 和 SNMP 等。考虑到基站间的通信需要同步链路，而以太网是异步传输的，如果我们要将基站连在IP 骨干网中，必须满足两个条件：基站内部必须完成 TETRA 空中接口协议的第 2 层MAC 层，这是因为 MAC 层协议的实现需要同步条件，不可能在异步的以太网中完成。基站必须具有自同步系统，实现各基站内部的同步工作，这样基站间的通信才可以完成。TETRA OVER IP 网络优点网络优点 1.网络拓扑多样 IP 网络架构的网络设计较为灵活，可支持星型、环型、链状、树型和混合型各种网络结构。2.系统冗余设计 系统冗余可以分为两大类：路径冗余和元件冗余。路径冗余是在设计网络中使用多种路径以达到故障恢复的目的。元件冗余是指使用冗余基站设备、交换设备、路由设备和各种服务器的备份。IP 架构的网络中由于采用标准设备和标准接口，更方便实现系统的冗余设计，有效的提高了系统的可靠性。3.标准互连，便于扩容和升级 TETRA OVER IP 网络采用路由器、交换机、网桥等标准计算机网络设备，同时各种网络的连接也是标准连接，如局域网、广域网、虚拟专用网等，因而方便未来的系统扩容和升级。4.统一的开发平台 M-Plane 维护层通过采用标准的网络应用协议，提供了其他应用软件开发的统一平台，便于各种扩展应用的实现，例如调度台软件、AVL 自动车辆定位软件、语音记录软件、GPS新编数字集群专辑 定位软件等，而且通过 IP 网络的软件维护升级更容易。5.架构网络所需的成本降低 底层传输和交换系统中采用 IP 架构，可比传统的电路交换所需成本降低。目前计算机网络使用的路由器、以太网交换机都可以在 TETRA 网络中使用。因此可以获得较低的购买成本和较低的维护费用。TETRA OVER IP 网络的关键技术网络的关键技术 1.组呼的实现 TETRA 集群通信中一点对多点的组呼业务是十分重要的，通过组呼业务可以实现语音和数据业务的多点传送。IP 架构下实现组呼需要采用最新的 IP 组播技术。IP 组播是利用协议将 IP 数据包从一个源地址传送到多个目的地，将信息的拷贝发送到一组地址，又称为组播群组。群组的各个成员可以分布于各个独立的物理网络上，并且群组中成员的关系是动态的，主机可以随时加入和退出群组。群组的成员关系决定了主机是否接收发送给群组的组播数据包，不是某群组成员的主机也能向该群组发送组播数据包。TETRA OVER IP 网络中 IP 组播协议分为主机路由器之间的组成员关系协议和路由器路由器之间的组播路由协议。组成员关系协议使用 IGMP（互联网组管理协议），组播路由协议使用 PIM（协议无关组播协议）。总之，IP 组播采用特殊定义的目的 IP 地址和目的MAC 地址，利用一个 IP 地址使 IP 数据包发送到所有用户群组。IP 组播能够有效的节省网络的带宽和资源，大大减轻了发送服务器的负荷，从而高效的传送信息。另外，组播传送的信息能同时到达用户端、时延小。所有的接收者使用一个网络组播地址，可以实现匿名服务，并且 IP 组播具有可升级性，方便与新的 IP 业务相兼容。2.语音的服务质量（QoS）IP 网络中传送的数据包是不受控制、无序的，在传送的高峰期或者超过带宽时出现丢包现象是很普遍的。TETRA 集群通信中，语音信息包的丢失将会导致紧急呼叫的中断，造成无法挽回的后果。因而，提高语音的服务质量是 TETRA 网络中采用 IP 架构首要解决的问题，通常的解决办法有：1)语音包队列最小化，不中断连续的语音包；2)语音包优先于其他数据包传送，确保语音包不会排队等待在其他非紧急包之后；3)断开大的数据包，确保大的无关紧要的包不会影响到语音包。标准的 IP 网络不能在大负载的情况下提供较好的语音质量，因而通过提高语音包优先级、阻止大的数据包延迟小的重要的语音包的办法来提高语音质量。除此之外，需要路由器新编数字集群专辑 使用更快、更可靠的路由算法。综上所述，在一个 IP 网络中传送的数据可分为三个优先级：高优先级数据包（语音、视频、实时控制）、中优先级数据包（包数据）、低优先级数据包（网络管理）。这样就能基本解决 TETRA OVER IP 网络中语音的 Qos 问题。3.基于 IP 的 TETRA 网络的安全性 IP 网络中安全问题是非常重要的。INTERNET 网络中的病毒、黑客给我们的日常生活带来极大的不便。TETRA 专网通信系统通过鉴权、空口加密和端到端加密实现通信的安全性。TETRA 系统中 IP 骨干网不直接接入到 INTERNET 中，避免网络病毒和黑客的攻击。作为网络管理系统使用的 PC 机需要和其他网络进行联接时应做好防火墙之类的保护措施。IP OVER TETRA IP OVER TETRA 是指 TETRA 系统中的 IP 分组数据业务，它提供了与 INTERNET 或INTRANET 的连接，要求系统提供由许多用户共享的分组数据信道。TETRA OVER IP 是将TETRA 的所有信息分解成 IP 数据包，将 IP 包在局域网的有线网络中传输，同样 IP 包也可以在 TETRA 无线网络中传输，并共享无线资源，这是因为 TETRA 空口协议中为 IP 层提供了底层的支持。TETRA 标准规范的分组数据业务是不断变化发展的。ETSI 制定的 TETRA 第一阶段规范采用了面向连接的网络协议（CONP）和特殊的面向无连接网络协议（SCLNP）。考虑到因特网的迅猛发展，ETSI 最新推出的协议对 PD 子层进行了改造：PD 子层改为 SNDCP（子网相关数据会聚子层），用于支持 IP（V4、V6）协议。下图给出了 TETRA 分组数据的协议栈，RT 接口是终端设备（TE）与移动终端（MT）的参考点，Um 是空中接口参考点。IP OVER TETRA 可提供一系列数据应用，如：数据库接入和其它的企业内部网应用、图 4 TETRA 协议栈对 IP 的支持新编数字集群专辑 图像通信、WAP 应用、蓝牙技术的应用、车队管理、电子邮件、调度、遥测、监视、自动车辆定位、导航、文件传递等业务。TETRA 的 WAP 应用可以使现场工作人员快速、准确地接入到数据库，并通过几个链接就能够找到各种多样化的可用信息。如：个人身份确认、地址、车辆信息、丢失或失窃的财产、处于工作状态的各种资源和信息目录业务。小结：采用 IP 交换技术的 TETRA 系统解决了传统 TETRA 网络中的数据传输、网间漫游、异种网络互联等诸多问题，将 IP 网络应用于 TETRA 系统的核心网络层还可以提供更多的网络服务，增加网络的透明性。将不断完善的的 IP 技术应用于 TETRA 专用移动通信系统中是未来的发展趋势。参考文献参考文献 1.TWC2003 TETRA 世界大会论文集 2.ETSI EN 300 392：Terrestrial Trunked Radio（TETRA）；Voice plus Data（V+D）；3.DIGICOM25 TETRA OVER IP THALES COMMUNICATIONS；4.Doug Gray.TETRA：THE ADVOCATES HANDBOOK.England TETRA Advocate,TheBarn,Ashen Cross Farm,Pelynt,Looe,Cornwall,PL13 2JX,England 2003 5.2003 中国北京数字移动集群通信技术及应用国际研讨会论文集