TETRA集群网关功能研究及在地下建筑应急通信中的应用
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【摘要】文章对tetra数字集群标准中的网关协议栈各层协议和网关功能进行了分析，通过选用合适的电波传播模型，对地下建筑通信环境进行理论计算和实际验证，得出了TETRA集群网关在地下建筑应用的实际通信效果，提供了一种将TETRA数字集群通信应用于地下建筑突发事故现场的方法。
【关键词】TETRA集群 网关 地下建筑 DM-MS协议 应急通信
1 概述
当前城市的建筑越来越密集并且不断向地下发展，一些商业大厦的地下建筑有两层甚至三层，一般公众通信系统通过建立地下基站并通过泄漏电缆可以实现通信覆盖。但目前大部分城市都采用TETRA集群系统处置应急事故，专用TETRA集群系统一般都没能覆盖地下建筑。在应急事故状态下，尤其是地下火灾现场，需要临时采取延伸通信的措施来解决与地下建筑通信联系。
由于事故现场地形复杂、环境杂乱，在紧急状态下临时采用电缆（含泄漏电缆、光缆）延长通信距离与地面通信的方式是不适用的。通过对TETRA系统的网关设备及其功能的研究分析，笔者发现利用网关的功能，可以将TETRA集群系统的使用范围延伸至地下建筑的应急事故现场，较好地解决上述问题。
2 TETRA系统的网关协议
使用网关可以将TETRA处于直通模式的手持机连接到V+D集群系统中。当使用单个RF载波时，网关的转发器可在相同载波不同时隙上接收并转发呼入业务；当使用一对RF载波时，网关转发器可在一个载波上接收呼入业务，在另一个载波上转发呼入业务。
2.1 直通模式/网关（DM-GATE）工作参考模型
如图1所示，该模型适用于使用DM-GATE进入TETRA V+D（话音加数据）网络操作，ETS标准中仅涉及到了TETRA DMO（直通方式工作）和TETRA V+D（话音加数据）方式之间的链路。DM-GATE解决了不同空中接口Ud和Um协议之间通信，V+D方式空中接口用于网关和TETRA SwMI（基站）之间的链路，DMO空中接口用于从DM-MS到网关的链路。
2.2 DM-MS协议结构
图2所示为带有网关操作的DM-MS协议栈：
（1）第一层协议
空中接口的第一层是物理接口，由无线射频信道和定时结构组成，包括调制/解调、发射机/接收机转换、频道设置、功率控制、定时、时分多址帧结构和突发建立等。
（2）第二层协议
空中接口的第二层为数据链路层，包括信道编码和加扰、无线信道接入控制、无线资源管理和加密。
（3）第三层协议
空中接口的第三层仅用于控制面（C面），由呼叫控制直接方式（DMCC）和移动管理直接方式两个实体组成，主要功能包括呼叫建立、保持和清除基本业务呼叫、寻址、固有业务控制、短数据业务、移动管理、安全性管理等。DMCC对电路方式呼叫和短数据消息执行DM-MS第三层功能。
2.3 网关的协议栈
网关的协议栈如图3所示：
移动用户使用TETRA的直通方式通过转发器/网关（DM-REP/GATE）设备的网关功能，连接到V+D集群系统中。网关将使用其自身的ITSI向SwMI注册和鉴权。
移动用户在直通模式下通过直通方式空中接口（Ud）向网关发送信息，网关通过集群方式空中接口（Um）向V+D集群系统传送收到的信息。网关的第三层负责TETRA直接方式和V+D空中接口之间必要的协议转换。
3 TETRA系统的网关功能
3.1 网关在DMO Ud接口上支持的业务
语音
电路方式未保护业务（明话或加密）：7.2kb/s
电路方式保护业务：2.4kb/s、4.8kb/s
允许的交织深度：N=1、4、8
3.2 网关信道的使用
（1）DM信道的三种状态
空闲，信道没有被激活（或者网关在提供“出现信号”时指示信道为空闲）
占用，正在信道上进行呼叫业务
保留，在信道上出现“信道保留”信号（预占用，用于优先）
根据信道的状态，移动台确定使用网关与系统进行通信的方式，当信道空闲时才能允许DM-MS使用该信道通过网关通信。
（2）网关的状态
基于网关的激活性和当前信道的状态，网关定义了八种主要状态：
1）网关空闲-信道空闲：在显示现有空闲的信道上，网关当前处于空闲模式状态；
2）网关空闲-信道占用：在显示正在占用的信道上，网关当前处于空闲模式状态；
3）网关空闲-信道保留：在显示现有保留的信道上，网关处于空闲模式状态；
4）网关空闲-信道注册阶段：在显示正在注册阶段的信道上，网关处于空闲模式状态；
5）信道占用中作为主控用户的网关激活：网关作为DM信道的主控用户，以激活方式传输V+D测启动的呼叫事务处理中的业务、信令；
6）信道占用中作为从属用户的网关激活：在与网关有关的呼叫中，网关以激活方式接收DM-MS产生的呼叫事务处理的业务、信令；
7）信道保留中的网关激活：在保留周期中在与网关有关的呼叫中，网关作为DM信道的主控用户以激活方式周期地发射保留信令；
8）注册阶段中的网关激活：网关作为DM的主控用户以激活方式申请注册请求。
（3）网关的通信要点
在DM-MS通过网关呼出的建立阶段，网关是信道的主控用户，网关接收并转发由SwMI通过Um下行链路发送来的业务；当主呼DM-MS接收到网关的DM-GCONNECT信号后开始建立呼叫阶段，DM-MS成为主控用户（网关作为从属用户），发送DM-SETUP PDU并启动业务传输，网关接收并转发由主控DM-MS上传的业务；业务结束时，在后续保留时间，将主控任务从MD-MS转移到网关。当信道处在保留状态时，个呼和组呼都可以使用此信道，此时网关为信道的主控用户。
3.3 呼叫过程
在直通工作方式中，有两种呼叫建立选项：不带有出现校验的呼叫建立方式，不需要任何正在接收的移动台的明确信息就开始传输；带有出现校验的呼叫建立，在开始传输之前已经获得特定确认信息。对于组（群）呼和个呼来说，不带有出现校验的呼叫建立是DM信道建立呼叫的最基本的方式。主要呼叫如下：
（1）系统内V+D MS用户组呼DM-MS用户；
（2）DM-MS用户通过网关组呼系统内V+D MS用户；
（3）系统内V+D MS用户单呼DM-MS用户；
（4）通过DM-GATE直接方式呼叫的预占用（优先）；
（5）通过DM-GATE从DM-MS到V+D MS的个呼。
3.4 网关的移动性管理
网关在SwMI成功注册后，在直接方式的信道上发送“出现信号”指示信道空闲，向等候在直接方式信道上的DM-M指示业务有效性。它在直接方式的信道上发送的信号里广播已经设定的地址参数，仅向已经被选的DM-MS或DM-MS组提供业务。
网关可以接受多个单呼注册移动用户注册申请（在不出现信令冲突的前提下），为它们提供从SwMI到DM-MS的个呼业务，请求注册的DM-MS在注册请求中包括MS需要使用的组身份码。网关向SwMI转发那些已经接受注册的DM-MS身份码。如果SwMI拒绝了网关已经授权接受的DM-MS，那么网关就取消DM-MS的注册；当授权注册通过后，网关就标注注册接受。同时网关将在直接方式的信道上发送信号中广播标签标示符，指示带有标签的注册当前是有效的；如果注册取消则广播当前注册无效。以上注册请求也包括DM-MS用户的预占请求。
3.5 网关空中接口加密的使用
对于空中接口的加密，网关必须进行信道译码和重新编码（TCH/7.2除外）。所有使用特定网关的DM-MS密钥号码都必须相同，以使对网关的密钥编号是唯一的。
4.1 基于网关的TETRA地下应急通信系统的构成
由于网关设备具备延伸集群通信距离的功能，且延伸后可以实现组呼、单个呼、短数据、紧急呼叫等功能，所以非常适合在地下室应急事故环境下建立与外部的调度联系。
网关设备，作为中心基站SwMI的用户，负责与SwMI链接，使用TETRA V+D空中接口协议；同时作为应急现场处置事故用户的无线网关，实现与现场手机用户连接，采用DMO空中接口协议。现场手机用户通过DM模式与网关设备链接，实现所需的集群业务功能。
在地下建筑物的入口放置一台转发器/网关设备，其功率为10W，接收灵敏度为-103dBm，并配有电池供电，处置事故的手持机用户在地下一层或者二层，与网关设备建立联系，如图4所示。
4.2 地下建筑对无线通信的影响
（1）电磁波在室内传播的特点
发射天线直接传送到接收天线的电磁波称为直射波；发射的电磁波被障碍物反射而到达接收点的电波称为反射波。室内接收机同时可以接收到直射波和反射波，或是接收到多方向的反射波，包括地面反射波在内，这种现象称为多径传播。接收到的总信号强度应为各种波的合成。由于多径传播，各方面的信号产生各种可能的矢量叠加，使得有的地方信号场增强，有的地方则减弱；同时多径传播会导致电波的传播方向发生变化。
（2）地下建筑对电磁波的损耗
地下建筑一般由钢筋混凝土构成，常规建筑的钢筋混凝土结构分为单层或双层钢筋混凝土；根据电磁屏蔽的原理，双层钢筋混凝土对电磁波的衰减明显高于单层钢筋混凝土层。在地下室外墙覆盖土层后，其衰减作用会加强。
纯混凝土对电磁波的衰减较小，2m厚的纯混凝土的衰减量约为3dB。经过验证，钢筋混凝土层对电磁波的衰减比纯钢筋网的衰减要低。
钢筋混凝土对不同频率电磁波的衰减不同，这是由组成钢筋网的网孔决定的。钢筋网的网孔决定了其截止波长，钢筋网对高于其截止频率电磁波的衰减作用较小，而对其截止频率的电磁波则呈现出较强的衰减和较高的屏蔽作用。
（3）墙体的穿透损耗影响因素
室内接收的信号强度与电磁波所穿越的墙体、楼板和间隔等阻挡区的数量及材质有关。现在建筑物所用的材料品种很多，它们的电导率和磁导率直接影响穿透损耗。另外，电磁波的入射角对穿透损耗的影响也较大。
（4）常用穿透损耗
隔墙阻挡：5～15dB；
钢筋混凝土楼层：15～20dB；
室内损耗：1.9dB；
普通木门：3～5dB；
厚玻璃：6～10dB；
楼梯穿透损耗：30dB；
拐角：2～3dB。
4.3 电波传播模型
自由空间传播损耗：
（1）室外传播模型
室外传播模型主要是描述800MHz基站与网关之间的电波传播，可以采用Okumura-Hata模型。选取大城市环境，路径损耗为：
其中，Lm为城市路径损耗，单位为dB；hb为基站天线高度，单位为m；hm为网关身背天线的高度，单位为m；A（hm）为在大城市环境的修正系数，单位为dB。
（2）地下室内电波传输特性
室内传播模型主要是计算无线网关与地下室内手持终端用户的通信质量。
室内无线电波传播与室外传播的机理是相同的，主要区别在于室内无线电波传播覆盖的面积比较小，同时受周围环境影响也很大，电磁波进入室内由于受到建筑物的阻挡而产生损耗，它与建筑的外形和材料、穿透深度、频率、楼层的墙体和隔断数量有关。
其中，Nt表示同层测试指数（自由空间时为2）；KF代表建筑物特定数目楼层的衰减因子，单位为dB。
2）多层建筑物内，楼层间分隔损耗如下：
其中，Nd表示多层路径损耗指数（自由空间时为2）。
4.4 实际效果验证
测试条件：终端手持机的功率为1W（30dBm），天线增益2dBi；网关设备的接收灵敏度为-103dBm，天线增益5dBi。
（1）停车场
测试地点为广州火车东站东方宝泰广场地下停车场，此停车场为地下四层，通道为旋转式，地形比较复杂，如图6所示：
测试使用了3台EADS终端，这些终端和网关在TMO、DMO模式下，均编在相同的通话组内。测试还使用了一套NEMO测试软件，实时采集终端信号强度数据。
2台EADS终端设置为DMO模式，模拟进入地下工作的现场人员，其中1台通过数据线连接NEMO测试软件。另外1台终端设置为TMO模式，模拟在网络中的指挥调度人员。网关系统工作在网关模式，被携带至最接近地下同时能接收到网络信号的位置。
测试中，DMO终端进入测试区域后，TMO终端发起组呼；通过网关，该组呼应当被转发至DMO组呼。DMO终端收到呼叫后，回复发起DMO组呼；同样，通过网关，该组呼也应当被转发至TMO组呼，并被TMO终端收到。通过DMO终端在测试区域内的移动，NEMO实时采集信号数据，从而了解网关的大概覆盖范围。
测试结果：负一层基本都能覆盖、负二层可以达到50%覆盖范围，负三层只能覆盖25%的区域。覆盖区域主要是以入口为中心，在90度圆弧范围内展开。
（2）其它试验
1）设备装车，使用普通车载台天线，车辆停靠在一购物中心门口，自地下二层到地上16层完成全部覆盖，购物中心内无盲点。
2）设备装车，使用普通车载台天线，车辆停靠在广州白马服装批发市场，通信覆盖整个市场98%以上的区域。
3）将设备背负，在广州客村地铁口与好又多超市地下二层进行通信，基本能够覆盖负二层的超市区域。
5 结束语
TETRA数字集群的网关设备具有延伸集群系统功能的作用，可以广泛用于地下建筑应急事故的处理，为消防部门提供了一种在地下室火灾现场利用数字集群系统指挥调度的手段。由于地下建筑的出口方式、建筑结构、墙体材料和厚度各不相同，所以在实际应用时，需要根据地下建筑的具体环境选择网关设备最佳通信位置，兼顾地下和入网，以确保通信的质量。
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