专用通信I
Private Communications I
浅谈DMR数字中继网通信协议信令和编码文I宁夏无委办中卫市管理处门钳 摘要：本文介绍了宁夏中卫市无线电管理部门参与建设的DMR数字中继网通信系统、通信协议架构，讨论了通信协议信令编码原理及实现，为继续完善和扩建中继网提供了可靠的通信协议构建方案。
关键词：DMR数字中继网协议信令
0引言
各类无线电通信设备的大量应用，带来了电磁环境的日益复杂，使宁夏无线电监管部门的曰常技术监测和管制工作量不断增加，而顺利幵展此类工作离不开数字对讲机中继网的即时通信；跨地区的环青海湖国际公路自行车赛、中国-阿拉伯国家博览会、全国高校统一招生考试等各类重大活动无线电安全保障，更是要求各级无线电监管部门上下联动，形成特定时期、特殊情况下的及时、联动、机动的无线电安全保障网络，数字对讲机中继网络能很好地提供有关通信支撑。为此，设计和建成一个反应迅速、安全保密、通信顺畅的数字对讲机中继网非常必要。DMR（Digital Mobile Radio）数字集通信系统下的数字对讲机中继网，将避免通信阻塞、公众通信网络中断、地理条件制约等情况的出现，为应急通信、自然
灾害等突发情况提供无线电应急通信保障，为地区无线电监管提供即时通信支撑。
1DMR通信协议分层架构
按照DMR通信协议的组成部分，以OSI（Open System Interconnect）模型对DMR进行设计和定义，分为呼叫控制层（CCL），主要功能是建立、保持及终止呼叫，数据呼叫发送或接收呼叫等；数据链路层（DLL），主要功能是信道管理或编码、响应机制、交织和解交织、构建帧同步、交换数据或信令等；物理层（PL），主要功能是对信号进行调制或者解调，实现频率同步、码元同步、控制收发信机等。DMR协议分层模型如图1所示。 IS»JK
ffl I DMR通信协议分层模型
2DMR通信协议信令和编码
文中所述数字中继网项目所采用的DMR（Digital
Mobile Radio）通信协议，是由ETSI（European Telecommunications Standards Institute：欧洲电信标准化协会）提出的数字专用通信协议，空中物理接口及数据链路协议为第一部分，小数据和组数据
协议为第二部分，语言和设备服务控制层协议为第三部分，DMR数字集通信协议为第四部分。目前，DMR通信协议的整体架构已经成形，但仍在不断完善中，尤其是第四部分的集协议。
在数字通信网络中，为了完成一次通信传输的指令性控制信号或者表示网络、链路、终端等状态的非语音信号，都称之为信令。按照功能可以将信令分为控制性信令、拨号性信令、寻呼性信令；信令按照信号的形成可以分为模拟信令和数字信令。当前，移动通信网中广泛使用数字信令。除了要解决调制解调、同步传输问题外，在数字通信过程中传输信令的可靠性也是需要解决的问题，也就是当数字信号受干扰后发生错码的时候，接收端应该具备一定
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的检错纠错能力，就是需要采取错码控制的技术，以保证 数字信令的优质高效传输。这里对DMR 通信协议中的数
字信令构成和差错控制编码进行简单介绍。
2.1信道模型
在传输信息的过程中，主要是从信道引入噪声或干扰，
通过信道传输信息后产生错误和失真。因此信道的输出和 输入之间一般不是确定的函数关系。想要得出信道的全部 特征，只需知道信道的输入和输出信号以及它们之间的关
系就可以了。用随机矢量表示输入和输出信号，输出信号为
Y= (Y ］, Y2,…,Y n )，输入信号为X= (X 】,X2,…,
X n )；每个随机变量Yi 和Xi 又分别取值于符号集
A={a 〔，a 2,…，內}和 B={d, b 2,…，b s }，其中 s 不一定
等于输入信号和输出信号之间的统计依赖关系用条件 概率P(y|x)描述，可以反映出信道的统计特性。离散信
道的数学模型一般如图2所示。
X ------------*信適 ---------► Y
x
..... x .v ) P(y \x ) y =厲，人,…,r v )
D ()，|x)=l
图2离散信道模型
X 作为单符号离散信道的输入变量，值为{级，a 2, a r }, Y 为输出变量，值为{0, b 2, -, b s }，其条件概率为：
P(y|x)= P(y=bj\x=a,)= P(bj |g )
(z=l,2,...,r ；丿=1,2,...,s)
(1)
该条件概率被称为信道的转移概率或传递概率。信道输入为X=比时，输出的是哪一个符号Y，之前 无法确定。但信道输出一定是d ，b 2,…，bs 中的一个， 即有：
S
工P©|a,) = l
(i=l,2….,r)
( 2 )
尸】
因为在传输过程中输入符号X 发生错误，所以
P(b 冋)(i=l,2,-,r ；j=l,2,-,s)作为传递概率被用来
描述干扰影响的大小。因此，一般简单的单符号离散信道 的数学模型可以用概率空间［X,P( ylx )Y ］加以描述。另外，
也可以用图3来描述。
------► P(bj \a,) -----►
bi bi
\y
图3单符号离散信道
2.2数字信令构成
为了方便对接收端编码，在传输数字信令的过程中， 要求按照一定的方式编码数字信令。主要包含前置码(P )、
字同步码(SW )、地址或者数据码(A 或D )、纠错码 四个部分，构成如图4所示。
前割码(P)
|字同步码(SW) |地址戒数据(A 或D 〉|
纠错码
图4数字信令构成
(1) 前置码：提供位同步信息，它的作用是收发
两端校对时，对齐码位，确定码位的幵始时刻，以便在
幵始时进行积分，在结束时进行判断。前置码一般采用
1010……的间隔码，以便于接收端提取位同步信息。接
收机利用锁相环可以在码元中准确地提取位同步信息。
(2) 字同步码：表示信息幵始位。有很多作为字同
热镀锌合金步的特殊码，用合适的自相关函数对它们进行要求，以便
于与随机的数字信息区别开，在接收端可以从数字信息当 中识别出特殊码的位置以实现位同步。最常见的就是巴克
码，如图5所示，其中“+”表示+1, “-”表示-1。
图5巴克码
长度编码
2+ +3+ +-4
+ + + —, + + — +
5++++-+
7+ + + — + —
1113
+++++——++—+—+
识别数据帧的起始用巴克码表示，从串行码流中到 同步点可以通过下面的电路(以7bit 巴克码为例)体现，
如图6所示。
由此可知，对于串行码流，当出现同步点之后，相匹 配的输出会有尖峰出现。
为了区别电路图在同步点出现的尖峰和不是同步点，
它的自相关函数为：
尺(丿)=工.佔./ = < 0 or ±
〔0
八0
0 < J < H
(3)
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Private Communications 以7bit巴克码为例，它的自相关函数如图7所示。9所示。
图77bit巴克码的自相关函数
(3)地址或者数据码：作为真正的信息传输内容，主要包括拨号、控制、寻呼等信令，各种不同的系统都有各自独立的规定。
(4)纠错码：信令码和纠错码共同组成纠错码，以区别信息编码。
2.3数字信令传输
通常用二进制0和1表示数字信令，在数字通信过程中其码元速率一般在100bit/s至10kbit/s的范围内。为了在信道中进行传输，必须对其进行调制。低速的数字信令一般采取两次调制的方法，首先釆用FSK或者MSK 的方式调制，经过第一次调制后的数字信令在音频频带内，所以可以在模拟信道中进行
传送，便于接收端检测。对于高速信令，一般采用基带数字信号对高频进行调相，再用等效调频的方法发射。具体调制框图如图8所示。
—>||_>
|编码控制|—打分离器调'相]
g------>|积分|—|馳
图8数字信令直接调制方框图
由图8可见，基带数字信号(即数字信令)经过积分器和低通滤波器后，送至调相器，再经过混频后发射。因为积分器的作用，调相器输出的是等效调频波。由于数字信令和话音共用一个调相器，所以在话音分路中加入了分离器，避免互相影响。
2.4纠错编码
对于传输数据，最关键的就是信息码元的差错概率，即误码率Pe o
在数据传输过程中，必须利用纠错编码改善传输功能，信道实际性能与要求存在很大差距。
(1)信道差错模型。干扰向量或错误图样用E表示。其中的每一位代表信息码对应位能否产生错误，具体如图
E=(ei.........e n)
,________,,________,___
|付源卜一彳娩码丘「—T付道|~q辛码星卜一T信希
M=(m x,.....mJ C=g,......c…)R=(C®E)M,=(m\.........m'J
图9信道差错模型
(2)前向纠错。通过发送端编码后产生的纠正错误的码，再由接收端接收这些码组后，最后经过译码就能到并纠正误码。
前向纠错形式比较适合只能提供单向信道的情况，其不需要反馈通道，优点是实时性好、时延小；缺点是编码效率相对低、系统比较复杂。随着编码实践和微电子技术的发展，编译码设备投入不断降低，如图10所示。
发收
图1()前向纠错
(3)自动反馈重发。在自动反馈重发模式中，发送端编码后就可以发送出可以发现错误的码，接收端收到后经检测假如发现了传输中有错误，就会经过反向信道把这一判定情况反馈给发送端。而后，发送端就会把信息重发一次，直到接收端确认为止。
这种差错控制方法编码效率较高、设施也较简便，但是必须具有双向通道，普通情况下只在计算机数据通信中运用，如图11所示。
发 收
图11自动反馈重发
(4)混合纠错。发送端把原始码流编成能在一定范围内检错和纠错的代码，而后发送。接收端检测出错误后，能纠则纠，不能的话则反馈发送端重发，如图12所示。
发收
图12混合纠错
(5)反馈校验。等到接收端把收到的数据信息一并由反向信道送回发送端后，发送端对比发送数据与回送数据，从而检测有没有错误，如图13所示。
发收
图13反馈校验
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2.5线性分组码抗坏血酸过氧化物酶
线性分组码就是将待传信息划分为一组k 位，再插入
r 个冗余位，最终构成n=k+r 位码字，如图14所示。
图14线性分组码
m k-l m k-2 •••
...m 00 110
m k l m k-2- -■m n
l^
用原信息码的各位经过一组函数来确定分组码的各 位：
Cn_i=fn_i （mk_i , m k _2
，…,1X1。）Cn-2—fn-2（mk-i ,
，
•…,m 。）Co=fo （mkT , mk_2,m°）
当函数fo-fn-a 都是线性函数时，编出的码为线性分 组码。
一般情况下，线性分组码的fo-fn-!由一组代数式构
成：
Cn-i=gn-ik-imk_i+gn-ik-2mk_
尹…+gn_iomo
C n-2=0n-2k-i m k-l + 9n-2k-2m k-2'1 011-20^0
CQ=gQkTmk_i+q°k-2mk_2+ …+3
。的0）
上述方程组能够体现成如下矩阵运算方式：
【也，也,•••’C o XM m ，%®”，％]
Sn-2k-l
••• S]k-i ^n-ik-2
••• gl*-2
_ &A0
Sn-JD
••• &0
^Qt-4^01-2
(4)
上述矩阵被称为生成矩阵。运用生成矩阵，能够对信 息码编码。
2.6汉明码
线性分组码（n,k ）中，一共能够形成r=n-k 个校 验方程。这[个校验子能够形成21种组合，全零组合代
表编码正确，而其他的2r-l 种组合可以代表各种差异类 型的差别。若传输时只产生单个位的差别，而总码长为
2r-l，则可以利用不一样的校验子形态组合完成差错定
位，即纠错。这种可以纠正单个差错的线性分组码，称为 汉明码。
伴随同式与差错位置的关系：
S r = H R 1 = H （C + E ）T = H C T + HE 1 = H E T （5）
设H = [h 】h2・・・hn 】，其中0是H 矩阵中的第i 列，则： ST = HE t =呐 +e 内 +...+e “”
（ 6 ）
依据汉明码的定义，若只产生一位差错，就可以确定
差错的具体位置。
在汉明校验码中，每个码元的信息按从右向左的程
序从1幵始编号，其编号能够体现为2的最小幕之和，
如 1=2°, 2=21, 3=2°+2], 4=22, •••，见表 1，从而确定 该码元由哪些校验位来校验；相反，也就得到了每一个校
验位校验哪些码元（数据位）。假如取偶校验，该校验位
的值应该是这些码元（数据位）值之和。这种情况下，当
传送正确时，每一个校验位与其所校验的码元（数据位）
值之和应该为0 ；不为0就是该校验位或其所校验的码元（数据位）中有出错的。假如是其中一个数据位出错，那
么该数据位可能被多个校验位校验，也就会有多组校验出
错，这些校验位共同校验的那个数据位必然出错了，从而 能够纠正这个差错。反过来，假如只有一组出错，即某校
验位与其所校验的码元出错，就一定是该校验位出错，也
能够纠正。因此，汉明校验码更改检查出多位差错，能纠 正一位错误。另外，m 个奇偶校验位能校验的最大位为
2°+2i+・・・+2(mT )= 2m -l o
表1编号的最小舉之和（m=4）
编
码位
最小壽 分解
编
号码位最小髯
分解
编
码位
最小壽 分解
1P1206D221+2211D620+21+232
P2
217D320+21+2212
D722+23
3D020+21
8P4
23
13D820+22+234
P3
229
D420+2314
D9
21+22+23
5D 120+2210D521+23
15D1020+21+22+23
以m=4为例，码字最长为15位，被编码信息最 长为11位。设4个校验位为P4P3P2R，原信息位为
D0D9D8D7D6D5D4D3D2DQ0，汉明校验码为 H 15H 14H 13H 12
H 11H 10H 9H 8H 7H 6H 5H 4H 3H 2H 1o
汉明校验码分别按如下位置放置11个信息位和4个 校验位：
D io D9D8D7D6D5D4P4D3D2D i P3D q P2P]
这里以偶校验为题，求信息11110100110的汉明校
验码的过程。
第一，编码。只需确定校验码。按以下规定定义汉明
校验位：
P i =H 1=D 0+D 1+D 3+D 4+D 6+D 8+D 10
=0+1+0+0+0+1+1=1P2=H 2=D 0+D 2+D 3+D5+D 6+D 9+D 10
=0+1+0+1+0+1+1=0P3=H 4=D 14-D 2+D 3+D 7+D 8+D 9+D 10
变径套=1+1+0+1+1+1+1=0P4=H 8=D 4+D 54-D 6+D 7+D 84-D 9+D 10
=0+1+0+1+1+1+1=1
即校验位P]的值由带有2°的编号所对应的码元之和远程定向强声扩音系统
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来确定，P2的值由带有21的编号所对应的码元之和来确定，P3的值由带有2'的编号所对应的码元之和来确定，耳的值由带有23的编号所对应的码元之和来确定。
第二，校验。在这个求解过程中，假如收到的码字为111101*********，那么很快可以验证，P］和R，与被其校验位之和为0,P2和P3与被其校验位之和为1，即：P1+D o+D1+D3+D4+D6+D8+D1o=O
P4+D4+D5+D6+D7+D8+D9+D-1c)=0
p2+D0+D2+D3+D5+D6+D9+D10=1
P3+D14-D2+D3+D7+D84-D94-D1o=1
可判断该校验码有错。把收到的码字111101*********和已知编码信息的汉明校验码进行对比，不难发现，这里第二位错，第四位也错，有多于一个以上的差错，所以汉明校验码不可以纠错。
若收到码字为101101010110001，同
理可验证P］与被其校验位之和为0,P2、
P3和P4与被其检验位之和为1，可得知该
校验码有错，并且它们一致测试的是D9和
D10o在只有一位出错的情况下，因为P］与
其所校验的码位之和为0，旦D】。被巴所校
验，因而D］。不会出错。这样，可判别Dg
出错，把它由1改为0。
第三，译码。从汉明码中去掉校验位，
就还原为原信息。本例中，去掉1、2、4、
8位就形成了llllOlOOHOo
这里只简单解释了汉明码编码、校验和
译码流程。汉明码是一种可以纠一位错、检
多位错、高效的重要分组线性码。
3结束语
本文介绍了宁夏中卫无线电管理部门
参与建设的DMR数字中继网通信协议构
建和信令传输编码的情况，对数据链路层
的信道模型、信令构成、信令传输和纠错
编码等进行了阐述，对呼叫控制层和物理
层之间的数据中转处理进行了可靠的研究
分析，保证在系统架构中通信协议信令传
输的高效、准确、可靠，为后续基于OSI
体系的DMR数字中继网的架构和基于MOTOTRBO CPS平台的组网提供了坚实
的理论依据，为最终DMR数字中继网的实
现打下了良好的基础。K3参考文献：
［1］郑祖辉，陆锦华，郑岚.数字集移动通信系统｛M］.北京：电子工业出版社,2005:1-121
［2］张兴龙.基于DMR数字对讲机协议研究与硬件实现［D］.长春理工大学,2014
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［6］王新梅，肖国镇.纠错码—原理与方法［M］.西安：西安电子科技出版社,2009:145〜189
“电波卫士”走天涯
黑龙江省双鸭山无线电监测站乔武
导演椅峰峦叠嶂林海苍苍
监测车行进在边防线上
风餐露宿芦花飞
帐篷炭火映脸庞
顶风傲雪睫毛凝霜
刚毅的小伙子气宇轩昂
在山野间摸爬滚打
在风雪中斗志昂扬
边境测试征途远
行走天涯勇担当
落日的余晖
把“电波卫士”的身影渐渐拉长
东方日出朝霞满江
监测船航行在黑龙江上
勇殳潮头铸就顽强
帅气的小伙子敢打硬仗
“扫黑除伪”出铁拳
排查干扰月夜凉
追踪定位显身手
不法分子魂魄丧
一身正气铮铮骨百炼成钢搏风浪
闪亮的徽章
把“电波卫士”的故事精心收藏
多彩龙江天宽地广
不论在繁华的都市
贴片三极管还是在偏远的山乡
都留下了电波卫士的足迹
四十七万平方公里的龙江大地
正被你们用坚实的脚步丈量
有了你们的守护
电波秩序变得井然有序
有了你们的奉献
人民更加幸福安康
三管理三服务一突出
是“电波卫士”坚定奉行的理念讲政治守纪律作表率
“电波卫士”始终不忘责任与担当履职尽责初心在
胸怀使命谱华章
一首豪迈的奉献之歌
在“电波卫士”的心中唱响
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