无线通信TETRA系统简述

2022-10-19

TETRA数字集群通信系统是基于数字时分多址 (TDMA) 技术的专业移动通信系统, 该系统是ETSI (欧洲通信标准协会) 为了满足欧洲各国的专业部门对移动通信的需要而设计、制订统一标准的开放性系统。T E T R A数字集群通信系统是国际上先进的专用数字调度通信系统, 也是我国推荐采用的数字集群通信制式之一, 符合未来专用调度系统的发展方向。目前TETRA系统已经在广州地铁、深圳地铁、上海地铁、北京地铁等项目中得到应用。

1 TETRA系统介绍

TETRA数字集群通信系统可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输和电话服务, 它不仅提供多群组的调度功能, 而且还可以提供短数据信息服务、分组数据服务以及数字化的全双工移动电话服务。TE T R A采用时分多址T D M A方式, 一帧内划分4个时隙, 每个时隙长14.167ms, 故帧长56.67ms。其帧结构为3层, 由18帧组成复帧, 长1.02s;再由60个复帧组成高帧, 长61.2s, 国外早期采用工作频段为410MHz~430MHz, 今后规划占用450MHz~470MHz和870MHz~876/915~921MHz新频段, 我国则采用806MHz~821MHz (移动端发) 和851MHz~866MHz (基站发) 。其载波间隔为25KHz, 话音呼叫占用一个信道, 数据传输可占用4个信道, 由此若与GSM在频率利用率上来比较, 则GSM是200KHz载波共用8个信道, 而T E T R A是2 5 K H z载波共用4个信道, 或者32个信道共用200KHz载波, 后者的频率利用率要比前者高4倍。

2 TETRA系统的网络结构

TETRA数字集群移动通信系统网络结构有两种, 一是单交换中心数字集群移动通信系统;二是多交换中心数字集群移动通信系统。TETRA可根据用户规模来选择以上两种网络结构, 体现组网的灵活性, 以便适应大中小容量和各种覆盖分布与网络拓扑的调度系统要求。

单交换中心数字集群移动通信系统由网络基础设施、有线台和移动台组成。有线台是与网络基础设施有线连接的设备。移动台按业务可划分为话音终端和数据终端两类;移动台按工作方式可划分为集群移动台和双模移动台两类。集群移动台是指只能工作于集群方式的移动台;双模移动台是指既能工作于集群方式、又能工作于直通方式的移动台, 其中可以同时监视集群和直通方式的移动台又称为双监移动台。

在多交换中心数字集群移动通信系统中, 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交换。各交换控制设备之间的连接应能灵活设置, 例如可采用树型、网型、星型和环型连接。

3 TETRA系统的基本业务

T E T R A系统的基本业务包含数据和语音业务, 其中数据业务则包括状态数据业务、短消息业务 (固定长度为16/32/64比特, 可变长度为0~2047比特) 、电路模式数据 (无保护时7.2kbps~28.8kbps, 保护时4.8kbps~19.2kbps, 强保护时2.4kbps~9.6kbps) 、无连接分组数据 (CLNS) 4.8kbps~19.2kbps, 以及面向连接分组数据 (CONS) X.25。语音业务包括组呼、广播、半双工选呼、电话模式呼叫、优先级呼叫、主呼方识别、来去话限制、呼叫转移、呼叫会议、呼叫监测和强插、调度授权呼叫、紧急呼叫识别、回交请求、选择提示、缩位号码等。此外, 用于公共安全中的补充业务有调度员授权呼叫 (CAD) 、区域选择 (AS) 、接入优先级 (AP) 、优先级呼叫 (PC) 、迟后进入 (LE) 、抢先优先级呼叫 (PPC) 、监听 (AL) 、以及动态重组 (DGNA) 等。从业务性质上来区别, 语音通信属于用户终端业务, 数据传输属于承载业务, 其它则为补充业务。

4 TETRA系统的安全性

TETRA数字集群系统采用数字话音编码、数字传输和交换技术, 实现了系统功能和安全保密功能一体化设计, 具有鉴权、空中接口加密和端到端加密等三种安全功能。

4.1 鉴权

在TETRA系统中均可对交换和管理基础设施 (Sw MI) 和移动台 (MS) 进行鉴权。对移动台进行鉴权的目的是为了识别由单个TETRA用户身份识别码 (ITSI) 标志的用户, 从而防止非法移动台接入网络;对Sw MI进行鉴权的目的是为了识别合法的Sw MI, 从而防止移动台接入非法的TETRA网络。

4.2 空中接口加密

空中接口加密用于对基站和移动台间无线信道上的信息数据和信令进行加密保护, 并保证信息不被重播。加密在上MAC层 (媒体访问控制上层) 进行。协议数据单元P D U的头不加密 (除M A CR E S O U R C E PDU和MAC END PDU外) , 使得移动台可以确定PDU的加密状态, 基站可以识别个呼或群呼, 以选择合适的密钥。也可以对MAC头中的地址加密, 以防止移动台识别码被窃听。基站应知道所有已在基站登记, 或者基站能够覆盖的移动台的个呼和组呼密钥。T E T R A支持多种空中接口加密算法, 可为不同用户配置不同的加密算法。

4.3 端到端加密

端到端加密是TETRA的显著特点, 它实现T E T R A集群系统内从发端用户到收端用户间信息的全程通信保密, 是TETRA集群系统的高级保密功能, 用于对通信安全有特别严格要求的场合。TETRA标准没有规定端到端加密的具体实现方式, 因此用户可以根据自己的需要来灵活的实施端到端加密。

TETRA系统具有双向鉴权、空中接口加密和端到端加密等较完善的安全保密功能, 而端到端加密具有较好的实现灵活性。

5 TETRA系统的优势

与其它数字集群系统相比, TETRA具有以下明显的优势。

(1) 在恶劣信令条件和嘈杂环境下也能保持高速传输能力。

(2) 更加快速的呼叫建立能力 (0.3秒以内) 。GSM/PCN系统的呼叫建立时间一般为10秒钟, TETRA无论一对一还是一对多方式, 呼叫建立时间都要比此短排除掉拨号和振铃所占用的时间, TETRA的呼叫建立就会显得更加迅速。还可以设置呼叫优先级, 呼叫优先权共有八级。在没有空闲信道可以利用的情况下, 高优先级的呼叫会抢占低优先级呼叫己占用的信道。

(3) 全双工通信 (两个信道) 。使用更加方便, 可以随时与PSTN或PABX进行互连。

(4) 具有较高的可靠性。而且增加了选择加密方法的功能。话音、数据、信令和用户标识等都可以根据用户的需求进行加密。共有四种选择:采用ETSI算法对空中接口进行加密, 利用激励—应答机制进行鉴别。较高安全性的相互认证以及为重要通信所设计的端到端的加密。

(5) 可以高效地利用无线电频段、TETRA可以在带宽为25M的信道中实现中继和四路话音传输。由于无线频道非常珍贵, 近年来、在英国将可用频段分成了越来越小的片断, 直到信道空间为12.5k Hz。T E T R A的系统容量要比现有系统的容量大得多, 如果用户转移到T E T R A系统中, 那么目前模拟系统使用的频率就会得以解放出来。

(6) 可以实现终端间 (包括移动通信终端之间) 直接的通信。直接模式使得通信终端可以直接与覆盖范围内的其它终端进行通信。无线终端通过点到点的通信链路也可以进行通信, 而蜂窝移动电话系统则不能提供这一服务。

(7) TETRA组网灵活。TETRA组网可以组成共用调度集群通信网P A M R (简称共网) , 也可以组成专用集群通信网 (PMR) ;还可以组成小网、中网、大网, 小网由一个交换机和一个基站组成, 如R/S的T E T R A单基站系统DSS-500, 而大网的交换机数以百计, 基站数以千计, 小网可以平滑地过渡到大网;可以用TETRA内部虚拟网技术建立各种专用调度网。

(8) TETRA有极强的调度功能, 如动态重组、多种优先级配置方案、可以按需选配, 既可配置最基本的调度业务, 也能配置为适应公共安全多种需求的复杂系统等。TETRA具有模拟集群的全部呼叫功能 (全呼、组呼、选呼、呼叫优先) 。用TETRA内部虚拟网技术可建立各种专用调度网, TETRA还具有与各种类型的外部网络 (公用电话网、各种数据网等) 互联功能。

(9) TETRA在不断升级。TETRA标准公开, 而且不断升级。TETRA版本1标准适合于P M R/P A M R领域, 是一个成熟的标准。而ETSI正在进行TETRA版本2的研究与起草。新版本使TETRA增加数据速率 (与3G数据速率相比拟) ;能有效地接入内部网和因特网, 应用于实时视频、数字地图、快速影像传输等, 使TETRA与3G间能互通和漫游;能扩展基站覆盖面积为120~200公里。

根据调查发现, 国外数字集群系统已广泛应用于城市轨道交通、公安消防、急救系统等部门的专用调度通信, 并制定了相应的标准和规范, 国内的需要厂家也在积极准备开发先进的数字集群系统。因此, 基于TETRA数字集群系统的许多优势, 我们相信TETRA系统将来国内更多的轨道交通无线通信等专网通信上有更广阔的应用前景。

摘要：专用无线通信系统经历了常规无线通信, 模拟集群无线通信到现在的数字集群无线通信。数字集群无线通信有三种实现方案:一是在北美使用的共用专网系统iDEN;二是为铁路调度需要生产的GSM-R无线通信系统;三是利用欧洲TETRA标准制造的无线通信系统。本文简单介绍了TETRA系统的网络结构、基本业务、安全性以及TETRA系统相对于其他数字集群系统的优势。

关键词：无线,移动通信,数字集群,TETRA