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TierⅢ）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fb=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fC=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信个帧，分别标号为TS1和TS2，在时间轴上顺道结构，每个射频信道按照30ms周期分割成序出现的TS1和TS2就构成了两个周期为时隙（TS），相邻TS的交界处保留2.5ms用于60ms的物理信道。 突发建立和保护；TS的剩余部分每2个组成一
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和控制。 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。
1.3. TSCC的服务能力
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
TSCC是DMR系统的集群基站（TS）与时隙信道，与CACH信道共同完成系统的管理
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bitTSCC的上行信道用于MS的接入请求，用于传输控制信息，信息速率为接入信道采用时隙ALOHA协议，信道的接入196bit/60ms=3.27Kbps。DMR的控制信息主要周期为60ms，即每小时有60000次接入机会。由CSBK、MBC两种PDU装载，为了保证信考虑到用于系统管理、附加上行PDU、下行信息可靠性，两种PDU均采用了BPTC（196，令应答、用户注册、短数据等开销，接入信道96）的FEC编码和16bit CRC编码。因此，用可用的接入机会就要减少。CACH信道的AT于传输控制信息的有效信息率为（96-16）指示TSCC上行信道能否用作接入请求。我们/60ms=1.33Kbps（TETRA系统的信令信息速率假设这些开销抽取掉20%的接入机会，实际用为4.47Kbps）。CSBK、MBC等信令PDU的有于MS随机接入的次数为每小时48000次。 效信息只有10个字节，能够传送的信息量相对在移动通信中，一般假设接入请求消息的较少，除了组呼信令之外，大部分的信令和消到达服从泊松分布，一次接入申请成功发送的息需要多个附加的PDU，进一步降低了TSCC概率为：
P=e-G 的信道利用率，TSCC服务能力的必然导
致对DMR系统用户容量和系统性能的影响。 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，
无线通信系统的用户容量受到接入信道能当超过这个值时由于冲突的剧增系统开始不稳力、业务信道数量、资源分配原则、服务等级定，因此实际系统规划中S不能超过这个阈值。（GoS）需求、网络结构等多方面因素的制约。当S达到最大值时，碰撞概率高达63%，这就而用户要想获得服务必须从接入系统开始，因意味着大多数的接入申请都要重发1次以上才此接入信道的能力是系统容量的第一瓶颈。 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2.1. 接入信道的能力
较好的捕获效应，对接入消息成功接收有大约
2 系统容量与网络结构
20%的贡献，信道吞吐率实际可以达到信道能力的0.1785×12=21.42 %。因此，在上述假设条件下，一个TSCC信道可以支持的呼叫次数为48000×21.421%=10281.6次/小时，这就是系统可以承受的忙时试呼次数（假设有足够的业务信道）。由于应用的不同，PMR系统的平均忙时试呼次数会有很大的不同，一般为9~20次/小时/用户，因此，接入一个信道支持的用户数大约在500~1300之间。
接入信道的能力是一个硬指标，超过这个指标，再多的业务信道都不能增加系统的容量。本文给出的数据是参考性数据，需要根据具体的应用情况进行具体分析，比如，系统短消息需求较多，就会占用接入信道的接入能力，降低系统容量。DMR系统每个集群基站（TS）最多可以配置2个TSCC，因此，单基站系统不能满足大容量用户的需求，需要使用另外解决办法。
2.2. 网络结构
因为TSCC信道的速率较低，不能承载过多的管理信息，空中协议没有定义移动性管理消息，DMR只能是大区制系统。为了扩充系统容量，DMR标准定义了多基站管理协议，使DMR系统能够布置成一种大区制多基站的的网络结构。这种结构为提高系统容量、扩大覆盖范围找到一种途径，使DMR系统的应用得到扩展。
为了使MS能够在多基站网络结构下工作，系统要定时向MS广播相邻基站的信息，如系统识别码、基站色码、TSCC参数等；通过MS的注册或隐性注册，登记MS的位置信息；发布基站评选时间（Vote Now Advice）消息，触发空闲MS进行基站重选。DMR的多基站模式并非小区制意义上的多基站网络结构，系统的性能与服务质量与小区制系统不能同日而语，越区切换只能在MS空闲状态下实现，切换过程由MS自主完成，切入的基站预先不能知道有新的MS加入，无法预留资源，MS需要重新注册，在极端情况下可能因注册失败而丢失网络。
3 系统的功能与特性
DMR是在综合了其他第二代通信系统成功经验和先进技术的基础上新近研发的数字专用通信标准，基于数字化的信道和协议分层原理，通过频分复用、时分复用、统计复用、逻辑复用等多种手段对现有PMR频段的无线资源进行高效管理，充分利用资源提供最大限度的服务服务能力，构建网络化的无线通信系统，具有模拟PMR系统无法比拟的功能和性能。 下面将概略地介绍主要功能并简要分析系统具有的优势和存在的局限。
3.1. 系统功能
主要基础服务：
使用随机接入协议和控制信道实现
MS的接入控制和管理；
使用MS注册操作和ID对MS进行位
置管理；
使用鉴权识别MS的合法性；
使用UDT机制传送短数据、扩展地
址号码、用户补充信息等数据； 向MS广播系统参数； MS动态功率控制。 主要用户业务
组呼/单呼/全呼/广播呼叫 开放信道
状态消息/短数据 分组数据 遥晕/遥毙
通话限时、迟后加入等补充业务 能效高，延长手台的使用时间； 具有用户鉴权功能，提高了系统的安
全性；
大区制覆盖，建网和维护成本低； 能够提供全双工语音通话；
3.2. 系统优势
资源和控制的数字化使得系统具有很大的灵活性和扩展空间，对系统性能的提高和功能
配置带来便利，下面列举DMR系统的部分优势。
兼容现有的频谱管理和频道间隔，实
现模拟系统向数字系统的平稳过渡； 提供多种话音功能，采用数字化声码
器，提高了覆盖区的边缘话音性能； 提供多种数据业务，并支持IP协议； 最大限度采用了成熟的技术，受专利
的很少，降低了技术门槛和产品成本；
完全开放的标准性和有良好的互操作
性，保障产品具有合理的价格和广泛的选择空间；
具有较高的能效利用率，延长MS电
池的工作时间；
具有用户鉴权功能，提高了系统的安
全性；
能够提供TDD全双工语音通话，节
省了MS的双工器；
基站覆盖半径大，扣除定时精度的影
响，实际覆盖半径不小于100Km； 允许采用同播方式扩大覆盖范围，提
高覆盖质量，但系统容量不会增加； 独特的TSCC共享/出让/避让协议，
使得DMR可以构成独特的最小集群系统；
较模拟系统具有丰富的终端功能和补
充业务。
3.3. 局限和不足
DMR利用数字调制和TDMA技术在12.5KHz带宽的信道上实现了两个3.6Kbps的数字信道，用于话音业务时，得益于低速声码器技术，能够很好完成话音功能；用于信令信道或数据业务时，这时的衡量准则就是信道的信息速率，其不足也就显现出来。DMR的局限性的根源主要是受到了TSCC能力的，下面列举标准中采取的一些折中和取舍以及对系统性能的影响。
数据业务速率低，应用受到； 越区切换功能不完善，为减少切换频
率，基站覆盖区域不宜过小，过大的覆盖半径导致频率复用率的降低，使
得整体频率有效性较低，用户密度也不能太高；
采用掩码方法按规则的ID块分割MS群，不能有效适应MS位置、呼叫频率、优先级分配等随机分布对接入信道负载的影响，系统可用性保障不足；
为了节约TSCC容量采用信令重发代替信令确认（如业务信道分配信令），一定程度上降低了系统可靠性； 受TSCC容量，删减了信令消耗较高的功能，如动态重组；
组呼确认，采用应答冲突噪声检测，而非逐一确认正确的应答信息，不能发现组呼成员遗漏的情况；
系统对MS管理的时间粒度较大，导致通话建立时间差异较大。如MS进行相邻基站信号强度比选时，有2~10个帧周期的不可达时间，因此通话建立时间可能会增加额外的600ms延时，如果切换到邻基站还要再增加注册时间，如果注册不成功通话将不能建立，因此，DMR的通话建立时间存在不确定性，甚至非正常失败。
4 结束语
直接对讲、中继对讲和中低端集群通信系统正处于从模拟向数字转化阶段，DMR标准的推出使得无线通信的最后一块模拟领域有了数字化的途径，它完全适应现有PMR频段划分和频率框架，使得模拟PMR系统能够平稳地向数字化过渡。DMR TierⅢ采用成熟的技术构建了一个功能丰富的数字集群系统，使得用户在获得数字化带来的好处之外，享受低成本的优势，具有非常高的性能价格比。
DMR是一个窄带无线通信系统，通过对其主要技术的分析可以看出，相对于模拟系统具有飞跃性的提高，非常适用于中低端PMR领域应用，但对于高端PMR应用仍然存在一定的局限性，在PMR系统的规划和建设中需要正确看待和理解。随着市场需求和新技术的发展，DMR标准也需要不断地改进和提高，我国PDT标准在改进DMR的不足方面是一个典型范例。DMR 是一个开放的标准，拥有众多
供应商支持，将对数字集群的发展产生重大影响。
