DMR的技术特性与协议分析

DMR的技术特性与协议分析

0引言

数字移动无线电（DMR）标准是欧洲电信标准协会（ETSI）继陆地集群无线电（TETRA）之后为专业移动无线电（PMR）专门制定的又一数字无线电标准，本标准的设计原则是在现有的全球已授权地面移动频率波段所使用的12.5KHz频道间隔中运行。DMR协议涵盖未授权对讲（第一层Tier Ⅰ）、授权常规（第二层TierⅡ）和授权集群（第三层Tier Ⅲ）三种操作模式，目前DMR的热点主要集中在第二层和第三层已授权类别。DMR自从2005年4月发布V1.1.1版，以其简约实用的功能和合理低廉的成本受到业界的广泛关注，是PMR领域最活跃的标准。为了适应新的需求，ETSI对DMR标准进行了多次修订，目前最新版的标准是2013年2月发布的V2.2.1版。

DMR和TETRA都是ETSI现行有效的标准，ETSI研究DMR并非要替代TETRA，两个标准虽有重叠但各有所长、各有侧重。为了客观地理解和评价DMR这一快速发展的新标准，需要分析它的技术特点，以便了解其应用和发展前景，下面的分析基于TierⅢ的集群模式。

1空中接口与技术特点

DMR空中接口标准首先规定，DMR系统要满足在现存的陆地移动服务频段运行的技术要求，符合CEPT/ERC/T/R25-08（Planning criteria and co-ordination of frequencies in the Land Mobile Service in the range 29,7-921MHz）标准，从而保证与现存系统的工作频段、信道带宽、双工间隔等频谱参数完全兼容，并规定了共享物理信道的避让协议，使得DMR系统能够与模拟系统共享频率资源，实现网络共存平稳过渡。因此，DMR的定位就是在兼容现有模拟系统频谱框架下，构建数字化的PMR系统，并利用数字化处理的优势提供尽可能丰富的功能和尽可能优秀的性能，在此原则下规定了12.5KHz载频带宽、9600bps的4FSK调制方式和2时隙TDM/TDMA的物理信道结构。

1.1.信号特征

无线通信系统的调制技术决定信道的信号特征，DMR系统采用4FSK调制方式，调制指数h=0.27，调制速率f b=4800Symble/s，码元宽度T=0.21ms，信息速率fi=9600b/s。

最大频偏D=3h/2T=1944Hz

标准规定脉冲成形滤波器的幅频响应为：

|F(f)|=1 |f|≤1920Hz

|F(f)|= |cos(πf /1920)| 1920Hz ＜

|f|≤2880Hz

|F(f)|=1 |f|＞2880Hz

滤波器的截止频率f C=2400Hz

那么，射频调制信号带宽BW=2×(1944Hz +2400Hz)=8.688KHz

显然，与模拟系统的信号带宽基本一致，能够与现存模拟系统的频谱兼容。采用4FSK具有许多有利因素，例如：

●可以与模拟系统共存；

●恒包络调制信号可以使用高效的C类放大器，提高能源效率；

●可以使用限幅器，克服随机噪声和瑞利衰落导致的信号幅度变化，抗干扰和抗衰落能力强；

●符号速率低，避开了码间干扰的困扰，省去了自适应均衡的需求，不必发送训练序列，提高了信道利用率；

●调制和解调容易实现、具有较好的解调门限。

上述优势使得信道机结构简单、可以充分利用现有技术、降低了制造成本，甚至可以直接利用模拟系统的信道机，有利于提升产品的性价比，但是，这些优势的获得是有代价的，4FSK是一种频谱效率较低的调制技术。频谱有效性ηB=R/B，其中，R为信息速率，B为信道宽度，对于DMR系统，ηB=9600bps/12.5KHz=0.768bps/Hz；对于TETRA 系统，ηB=36000bps/25000Hz=1.44bps/Hz。信道的速率是通信系统的根本资源，是系统业务能力和性能的基础。

1.2.信道结构

DMR系统采用2时隙时分复用（TDM）技术把一个射频信道分割成两个时隙，形成了FDMA+TDM/TDMA的信道结构，时分技术的采用为信道资源的管理和分配带来极大的灵活性，使DMR的性能较模拟系统有质的不同。

图1是集群模式连续发射下行TDM信道结构，每个射频信道按照30ms周期分割成时隙（TS），在前后TS的交界处各自切出一个小的时间片，组成一个周期30ms时长 2.5ms的公共广播信道（CACH）；TS的剩余部分每2个组成一个帧，分别标号为TS1和TS2，在时间轴上顺序出现的TS1和TS2就构成了周期为60ms的信道1和信道2。因此，下行有3个物理信道，每个TS中心的同步

和嵌入信令信道可以视作逻辑信道。图1 DMR的下行信道结构

图2是集群模式突发发射的上行TDMA信道结构，每个射频信道按照30ms周期分割成时隙（TS），相邻TS的交界处保留2.5ms用于突发建立和保护；TS的剩余部分每2个组成一个帧，分别标号为TS1和TS2，在时间轴上顺序出现的TS1和TS2就构成了两个周期为60ms的物理信道。

图2 DMR的上行信道结构

上述物理信道通过逻辑规划形成逻辑信道，DMR系统按逻辑信道进行资源管理和分配，用于传送语音、数据、信令和管理信息。集群基站控制信道（TCSS）是最重要的逻辑信道，该信道的载频连续发射，TCSS独占一个时隙信道，与CACH信道共同完成系统的管理和控制。

1.3.TSCC的服务能力

TSCC是DMR系统的集群基站（TS）与移动台（MS）的联络中枢，系统对MS和资源

的管理/控制消息，MS发出的服务请求消息，以及这些消息的交互，以及短数据服务（SDS）都要通过TCSS进行传送。因此，TSCC的传输能力和信道利用率将直接影响系统的用户容量、服务等级（GoS）、功能设置、可用性、可靠性等重要系统指标。图3是TSCC的信道结构。

图3 TSCC的信道结构

每个TSCC时隙块只有98×2=196个bit 用于传输控制信息，信息速率为196bit/60ms=3.27Kbps。DMR的控制信息主要由CSBK、MBC两种PDU装载，为了保证信息可靠性，两种PDU均采用了BPTC（196，96）的FEC编码和16bit CRC编码。因此，用于传输控制信息的有效信息率为（96-16）/60ms=1.33Kbps（TETRA系统的信令信息速率为4.47Kbps）。CSBK、MBC等信令PDU的有效信息只有10个字节，能够传送的信息量相对较少，除了组呼信令之外，大部分的信令和消息需要多个附加的PDU，进一步降低了TSCC 的信道利用率，TSCC服务能力的限制必然导致对DMR系统用户容量和系统性能的影响。

2系统容量与网络结构

无线通信系统的用户容量受到接入信道能力、业务信道数量、资源分配原则、服务等级（GoS）需求、网络结构等多方面因素的制约。而用户要想获得服务必须从接入系统开始，因此接入信道的能力是系统容量的第一瓶颈。

2.1.接入信道的能力

TSCC的上行信道用于MS的接入请求，接入信道采用时隙ALOHA协议，信道的接入周期为60ms，即每小时有60000次接入机会。考虑到用于系统管理、附加上行PDU、下行信令应答、用户注册、短数据等开销，接入信道可用的接入机会就要减少。CACH信道的AT 指示TSCC上行信道能否用作接入请求。我们假设这些开销抽取掉20%的接入机会，实际用于MS随机接入的次数为每小时48000次。

在移动通信中，一般假设接入请求消息的到达服从泊松分布，一次接入申请成功发送的概率为：

P=e-G

那么，接入信道的平均通过量为：

S=Ge-G=- P ln P (0≤a≤1/e)

式中，P为成功发送概率，S为平均吞吐率，G为信道负荷率（包含重发负荷）。

已经证明，S的最大值为1/e，约0.3678，当超过这个值时由于冲突的剧增系统开始不稳定，因此实际系统规划中S不能超过这个阈值。当S达到最大值时，碰撞概率高达63%，这就意味着大多数的接入申请都要重发1次以上才能被系统正确接收，必然导致接入延时的增加。因此，一般要求碰撞概率小于20%，计算表明相应的吞吐率为0.1785。考虑到4FSK调制有较好的捕获效应，对接入消息成功接收有大约