基于DMR 協(xié)議的數(shù)字對講機中轉(zhuǎn)模式設計＊

施金更，張貽雄，鄭靈翔

（廈門大學 通信工程系，廈門361000）

引 言

對講機相比手機具有多方面優(yōu)勢，如不受網(wǎng)絡限制，即時通信，操作方便，通信成本低，廣泛應用于政府部門、旅游業(yè)、服務業(yè)等，尤其在緊急調(diào)度和集體合作的環(huán)境下更突出其重要的地位。目前對講機的市場仍然是模擬對講機占絕大優(yōu)勢，但模擬技術由于其自身的劣勢，其發(fā)展受到了限制。相反，數(shù)字對講機憑借著種種優(yōu)勢，如抗干擾能力強、頻帶利用率高、無差錯傳輸距離遠、可拓展性好等，在未來的對講機市場有很好的前景［1］。

DMR（Digital Mobile Radio）協(xié)議采用雙時隙時分多址（TDMA），4FSK 調(diào)制方式，12.5kHz信道間隔［2-3］，是為專業(yè)移動無線電用戶制定的一種數(shù)字無線電標準。

DMR協(xié)議分三種工作模式［2］：①在沒有授權的情況下，提供簡單點對點的語音和數(shù)據(jù)通信，即直通模式；②在授權的情況下，提供點對點模式或中轉(zhuǎn)模式的通信；③數(shù)字集群通信系統(tǒng)，系統(tǒng)具有自主管理的集群通信功能。中轉(zhuǎn)通信模式是專業(yè)通信系統(tǒng)的基本要求，一來可增加通信距離，擴展覆蓋范圍，二來可為實現(xiàn)集群通信做好準備。

本文基于Cortex-M3 硬件平臺和μC／OS-III操作系統(tǒng)，設計了DMR 中繼臺的呼叫控制層和數(shù)據(jù)鏈路層，實現(xiàn)了中轉(zhuǎn)通信模式下移動臺間的全雙工通信。

1 DMR轉(zhuǎn)發(fā)模式介紹

1.1 中轉(zhuǎn)模式分析

直通模式是移動臺對移動臺（點對點）通信，而中轉(zhuǎn)模式中移動臺與移動臺通信需要基站（中轉(zhuǎn)臺）來進行轉(zhuǎn)發(fā)。本文數(shù)字對講機設計是針對中轉(zhuǎn)模式進行的。DMR中轉(zhuǎn)有兩種工作模式：單頻模式和雙頻模式。本文采用的是雙頻模式，即收發(fā)異頻。雙頻模式的工作方式如圖1所示，中轉(zhuǎn)臺在入棧信道（inbound）上采用f1頻率，在出棧信道（outbound）采用f2頻率，f1與f2為不同頻率，互不干擾。中轉(zhuǎn)臺的每個時隙，都同時進行信令和數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖1 中轉(zhuǎn)臺雙頻模式下呼叫示意圖

f1信道只負責接收數(shù)據(jù)，f2信道只負責發(fā)送數(shù)據(jù)，同時每30ms轉(zhuǎn)變時隙。中轉(zhuǎn)臺與移動臺使用“對齊”的方式［3］。由于f1與f2信道固定不變，所以在中轉(zhuǎn)臺雙頻的工作模式下，移動臺隨30ms時隙切換，轉(zhuǎn)變自身的信道。中轉(zhuǎn)臺與移動臺轉(zhuǎn)發(fā)時隙對應關系如圖2所示。

由圖2看出，假設在某時隙T 內(nèi)，MSA 在f1信道發(fā)消息A1給中轉(zhuǎn)臺，中轉(zhuǎn)臺接收并處理后在T＋2時隙通過f2信道轉(zhuǎn)發(fā)給MSB。當MSA 發(fā)送完A1幀后，在下一個時隙來時，通過f2信道接收數(shù)據(jù)，此時MSB通過f1信道發(fā)送數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，中轉(zhuǎn)臺在某個時隙上出棧與入棧信道對應著不同的移動臺，同時進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，達到全雙工通信。

圖2 中轉(zhuǎn)臺與移動臺轉(zhuǎn)發(fā)時隙對應關系圖

1.2 中轉(zhuǎn)模式CACH分析

中轉(zhuǎn)臺通過在兩個下行突發(fā)之間發(fā)送CACH（Common Announcement Channel）來管理信道接入。CACH 用途之一是表明上行信道的使用情況。中轉(zhuǎn)臺在雙頻模式下同時進行收發(fā)，所以必須發(fā)送中轉(zhuǎn)臺的信道信息（忙或閑）給所有正在監(jiān)聽中轉(zhuǎn)臺的移動臺，如果移動臺想要發(fā)送信息，要等到中轉(zhuǎn)臺信道空閑。

圖3所示為一個CACH 突發(fā)和與它相關的上行突發(fā)的關系。每個CACH 突發(fā)表明延遲一個時隙后的上行突發(fā)信道是否空閑。

圖3 信道接入提示

CACH 的另外一個用途是表明下個下行突發(fā)信道號和延遲一個時隙的上行信道號，如圖4所示。

1.3 中轉(zhuǎn)模式定時同步調(diào)整

圖4 時隙號提示

隨著通話時間延長，移動臺之間會產(chǎn)生定時漂移甚至失步情況，將導致通信不流暢，甚至中斷。因此，需要定時調(diào)整來達到同步，保證消息傳輸?shù)目煽啃?。根?jù)DMR 協(xié)議，采用移動臺以中轉(zhuǎn)臺的時隙為依據(jù)進行同步，移動臺收到幀同步時間戳，根據(jù)幀同步時間戳完成初始定時（幀同步時間戳指CC1120接收數(shù)據(jù)中檢測到DMR同步字所獲取的30ms硬件定時器時間），具體可見參考文獻［4］。

2 DMR協(xié)議中轉(zhuǎn)臺硬件平臺

物理層采用收發(fā)芯片CC1120。解幀／組幀、提取控制信令、高層協(xié)議處理等由STM32來處理。這樣就把中轉(zhuǎn)臺硬件方案縮減成兩個收發(fā)芯片CC1120與主控制芯片STM32。在設計中采用雙頻中轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)發(fā)模式，一個只管發(fā)送，一個只管接收，分別負責入棧信道和出棧信道，硬件實現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 中轉(zhuǎn)臺硬件框圖

MCU 采用STM32，STM32系列是專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而設計的ARM Cortex-M3 內(nèi)核，按性能分成兩個不同的系列：STM32F103增強型系列和STM32F101基本型系列。本文選用STM32F103增強型系列，時鐘頻率可以達到72 MHz［5］。

TI公司的CC1120是一個高集成度的單芯片無線電收發(fā)器，它支持2-FSK、2-GFSK、4-FSK、4-GFSK、MSK 以及OOK 等多種調(diào)制格式，工作在164～192 MHz、410～480MHz、820～960MHz三個頻段，符合信息產(chǎn)業(yè)部確定的數(shù)字對講機的射頻指標：工作在137～167 MHz、403～425 MHz和915～917 MHz三個頻段，以及采用12.5 kHz的信道間隔［6］。

3 中轉(zhuǎn)臺協(xié)議層在μC／OS-III下實現(xiàn)

3.1 呼叫控制層實現(xiàn)

中轉(zhuǎn)臺呼叫控制層的狀態(tài)包括休眠（BS＿Hibernate）、信道等待（Hangtime）、轉(zhuǎn)發(fā)單時隙（Repeateing＿Slot＿1／Repeateing＿Slot＿2）、轉(zhuǎn)發(fā)雙時隙（Repeateing＿Both＿Slot）、呼叫等待（Call＿Hangtime）。中轉(zhuǎn)臺呼叫控制層狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示，包含各個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的條件。

圖6 呼叫控制層狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)

鏈路層宏觀功能是實現(xiàn)兩個時隙的轉(zhuǎn)發(fā)，鏈路層知道自身當前時隙狀態(tài)，因此中轉(zhuǎn)臺兩個時隙的任務獨立開來，即時隙1完成時隙1的固定任務，時隙2完成時隙2的固定任務，互不影響，同時為時隙1和時隙2分別提供相應的發(fā)送和接收緩沖區(qū)。圖7為鏈路層各時隙任務分配，圖8為緩沖區(qū)任務管理，其中REV1、SEND1為時隙1接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)，REV2、SEND2為時隙2接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)。陰影和空白表示緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)。

結(jié)合圖7和圖8分析，以圖中第2 個時隙1（Repeat A1）為例，需要完成的任務主要有：

①定時器30ms定時到來，鏈路層從時隙2轉(zhuǎn)變?yōu)闀r隙1。

②讀取上層CCL層發(fā)來的時隙1轉(zhuǎn)發(fā)的控制信息，根據(jù)不同的控制信息進行編解碼，同時將時隙1發(fā)送緩沖區(qū)SEND1的數(shù)據(jù)A1發(fā)送（圖中用Repeat A1表示），清空SEND1。

③對時隙2（圖7中第一個時隙2）接收緩沖區(qū)B1中的數(shù)據(jù)進行解碼，根據(jù)解碼得到的結(jié)果相應地發(fā)送消息至CCL層，并將數(shù)據(jù)B1放入時隙2發(fā)送緩沖區(qū)SEND2，清空時隙2接收緩沖區(qū)REV2。

④讀取射頻接收數(shù)據(jù)A2，將收到的數(shù)據(jù)放入時隙1接收緩沖區(qū)REV1。

圖7 鏈路層時隙任務分配

圖8 緩沖區(qū)任務管理

3.3 DMR協(xié)議層間通信

整體方案參照簡化OSI七層體系結(jié)構，自下而上分別為：物理層（PL）、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、呼叫控制層（CCL）［7］。物理層主要實現(xiàn)位同步、幀同步、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等。呼叫控制層主要功能是對鏈路層的轉(zhuǎn)發(fā)進行控制，而數(shù)據(jù)鏈路層是實現(xiàn)鏈路層的編解碼與轉(zhuǎn)發(fā)，定時器則提供各個模塊時間信息。

圖9所示為中轉(zhuǎn)臺各層進程間通信，圖中1～7為消息隊列。

圖9 DMR中轉(zhuǎn)臺各層進程間通信

由于時隙1與時隙2相互獨立，在呼叫控制層采用兩個任務CCL＿1和CCL＿2分別控制時隙1與時隙2。其中CCL＿BS用于呼叫控制層的整體控制。DLL、PL 和定時器各自為一個任務，利用μC／OS-III提供的消息隊列來進行各層任務之間的通信。通過消息隊列，任務與任務之間能夠自由地進行數(shù)據(jù)和控制信息的傳遞。

結(jié) 語

DMR通信協(xié)議是新一代的數(shù)字集群通信協(xié)議，具有良好的發(fā)展前景，在中國還處于推廣初期并且在不斷地完善。本文對DMR協(xié)議的第二階段轉(zhuǎn)發(fā)模式進行了研究，并在硬件平臺上實現(xiàn)。

［1］徐貴森，劉鑫，譚學治.淺談無線電對講機模擬轉(zhuǎn)數(shù)字［J］.移動通信，2009，（6）：22-25.

［2］ETSI TS 102 361-1—2007Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters（ERM）；Digital Mobile Radio（DMR）System；part2：DMR voice and generic services and facilities［S］.

［3］ETSI TS 102 361-1—2007Electromagneticcompatibility and Radio spectrum Matters（ERM）；Digital Mobile Radio（DMR）System；part1：DMR Air Interface（AI）protocol［S］.

［4］羅繼芳.DMR 系統(tǒng)同步及定時研究［D］.西安：西安電子科技大學，2009.

［5］ST.RM0008Reference manual，2012.

［6］TI.CC112X Low-Power High Performance Sub-1 GHz RF Transceivers Data manual，2012.

［7］ETSI TS 102 361-1—2007Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters（ERM）；Digital Mobile Radio（DMR）System；part3：DMR data protocol［S］.