超短波窄带无线集群通信协议的设计与实现

超短波窄带无线集群通信协议的设计与实现

钱铖

南京源兴智达信息科技有限公司   210000

摘要：近年来，我国科学技术快速发展，部分山区和偏远地区等宽带无线通信技术的应用，容易发生通信中断的问题，只利用宽带无线通信技术，已经无法满足信息传输的需求。而窄带通信技术与宽带通信技术相比，结构相对简单，应用成本较低，窄带跳频通信具备宽带通信技术不可比拟的抗干扰性能，加之集群通信信道共享性能高、高频谱利用性强、系统容量大，和窄带通信技术能够进行优势互补，将两种技术有机整合进行优化设计，可构建性能更为良好的窄带集群通信系统。基于此，本文分析，窄带无线集群通信协议，提出超短波窄带无线集群通信协议设计与实现的措施，旨在为增强信息通信的效果提供助力。

关键词：超短波窄带；无线集群通信协议；设计；实现

    超短波窄带无线集群通信协议的设计，应按照通信协议的特点，制定完善的设计方案和体系，编制相应的协议设计模式，确保能够完善超短波窄带无线集群通信协议的模式，改善山区和偏远地区等场景的通信性能和效果，为提高信息实时化通信水平夯实基础。

1 窄带无线集群通信协议分析

    窄带无线集群通信协议属于专为物联网应用而设计的无线通信技术，其主要采用的是窄带信道，能够提供更低的功耗和更广的覆盖范围，可以实现物联网应用的低成本、低功耗、长寿命等特点。与此同时，窄带无线集群通信协议是由3GPP（第三代合作伙伴计划）组织制定的，它采用了窄带调制技术，能够在低频带（200kHz以下）内实现高效地通信，适用于物联网应用中的数据传输和传感器连接。首先，窄带无线通信集群协议采用了窄带信道，能够在低频带内实现高效地通信，提供更低的功耗和更广的覆盖范围。其次，窄带无线通信集群协议采用了窄带信道和低功耗技术，能够实现低成本的物联网应用，降低了物联网设备的制造成本和运营成本。最后，窄带无线通信集群协议采用了低功耗技术，能够实现长时间的待机和低功耗的数据传输，延长了物联网设备的使用寿命。

2 超短波窄带无线集群通信协议设计与实现

2.1 设计

2.1.1 整体架构设计

超短波窄带无线集群通信协议，主要采用的是TD-LTE协议栈，以TD-LTE的技术为基础，结合超短波窄带技术和集群通信技术，对模块功能和信令流程进行优化，包括删减TD-LTE多媒体业务功能、优化信令和业务流程、对业务功能进行集群处理等，在进行结构优化后，不对原本TD-LTE的协议栈层次划分进行改变。同时在NAS层次新设计TSM模块，有效实现集群通信方面的信令处理，协议的各个层次都需要对信令格式单元进行优化调整，使窄带和集群更为优化，降低窄带通信的时延，整体的模块设计如图1所示。

图1.超短波窄带无线集群通信协议的整体模块设计

    整体的模块架构中用户应用层主要是用来为用户提供操作消息的层次，例如：用户发起和终止单呼操作等，和AT模块之间进行信息的传递，AT模块按照用户应用层所输入的信息，生成相关的命令信息，输送到NAS模块，在用户应用层和AT模块相互之间接口，根据协议设计进行信息的传递，由用户应用层和AT模块发起主要的业务功能。与此同时，虚拟网卡向着上部分和L2的模块相互连接，在其中就那些IP包信息的获取，向下部分则是进行IP数据的接收，能够完成对IP信息的载入处理和撤销处理。而杜宇NAS和RRC的部分，则是能够有效进行终端和核心网的控制信令传输，NAS的功能是进行整体信息的分发、协议栈流程的实现、业务流程和集群管理的实现等。RRC部分的功能则是进行状态机设备的管理、协议栈流程的实现、信息解析与构造等，和L2之间相互联系，利用信息的接收和发送，触发L2的动作。

2.1.2 不同层次设计

超短波窄带无线集群通信协议不同层次设计的过程中，需根据不同层次的特点和实际情况，完善层次设计模式。

（1）NAS层次设计

    对于NAS层次而言，主要设计ESM、EMM、TSM的模块和相关接口，利用三个模块的设计，使超短波窄带集群通信能够和TD-LTE技术良好融合。首先，EMM模块主要是用来进行终端移动性处理，为终端提供安全身份，为AT模块和用户应用层等提供相应的NAS信令连接，进行集群功能限制和数据传输速率限制的情况下，优化完善一些处理流程和信令。其次，对于TD-LTE协议内的ESM模块，通常情况下所提供的是宽带通信服务，所以在此次系统设计中，需要进行ESM模块方面的窄带优化设计，完成模块的优化设计后，除了能够满足系统的窄带通信需求，还能用来进行演进类型分组系统所承载上文和下文的处理，具有一定的应用价值。最后，由于TD-LTE协议内不存在集群功能，没有相关的TSM模块，因此在本次系统设计中设计了TSM模块，用来控制终端集群业务，利用终端侧模块进行核心网侧模块进行控制，能够使TSM信令传输和业务转移，实现集群业务控制的目的，有效完成对终端集群各项业务的控制操作

[1]。

（2）RRC层设计

对于RRC模块而言其位置主要是在NAS部分和L2部分相互之间，能够为两者提供相互交互的接口。考虑到NAS部分对窄带通信和集群功能有所优化，使RRC部分所接收到的信息类型和相关的处理，也必须进行窄带优化和集群优化，因此，本次系统设计中的RRC层，主要设计了RRCMSG的模块，用来进行L2部分信息或是NAS部分信息的接收，准确进行各类信息的解析处理，完成信息的解析后，向RRCPROCESSMGR的部分交付参数，按照信息状态和类型参数，和有关的业务流程相互嘴硬，最终利用UERRCFSMINFO的模块按照相关状态和流程完成后续处理，完成对RRC层次的运转控制、信息处理控制、信息传递控制。

（3）L2层设计

在L2层设计的过程中，首先，设计PDCP的模块，利用该模块完成各类信息和数据的加密，改善窄带集群通信的可靠性和保密性，为上个层次提供对用户数据和控制数据的传输服务，对数据进行加密处理、解密处理，维护数据的完整性，满足用户在各类数据方面的保密性需求，例如：在PDCP模块设计的过程中，在高层SDU方面设计定时器，如若出现超时的问题，则将SDU丢弃，对资源进行释放。同时设计具有唯一性的SN，如若SDU属于用户平面数据包，可完成头压缩的操作，如若是控制平面方面的数据包，可完成对数据的保护。其次，设计RLC模块，以RRC层为基础进行RLC层面的设计，对高层SDU进行接收，或是向高层提供SDU，为基站对等实体发送PDU，或是接收基站对等实体所发送的PDU。最后，设计MAC模块，设置终端侧和基站的实体，对广播、语音信道和上下行公共信道和共享信道等进行处理。且终端一侧和基站一侧的MAC有所不同，例如：终端一侧的MAC能够为上层提供相应的数据传输服务，支持逻辑和传输信道相互之间的映射，将相同或是存在差异的逻辑信道中SDU复制到PDU中，将PDU服用到时隙同时提交到物理层，或是将物理层方面的时隙数据信息解析服用到用户PDU，完成具体的操作[2]。

2.2 实现

超短波窄带无线集群通信协议的实现，主要是根据不同层次的特点，进行不同层次的操作。

2.2.1 NAS层的实现

对于NAS层而言，实现步骤就是对定时器进行初始化处理，激活定时器，等待定时器初始化完成后，对用户接口部分、内部数据的部分进行初始化处理。在内部数据初始化方面，需要完成用户上文和下文的初始化，使有关参数能够处于初始的状态，然后实现NAS的业务流程初始化，例如：进行本地NAS层数据信息、EMM业务和ESM业务的初始化，完成NAS层的操作。其次，在NAS层接收到AT命令的信息后，先进行用户数据消息的读取，读取完成后实现信息的解析，调用处理函数，完成相关的操作。

2.2.2 RRC层的实现

    该层次的实现，首先需要在RRCMSG的模块内接收ITTI信息，之后将RRCPROCCSSMGR与UERRCFSMINFO的两个部分集成化处理成为处理模块，对信息进行处理。首先，需要进行RRC的初始化，使其处于可用的状态。其次，接收其他模块所传输的ITTI信息，对信息解析。最后，将解析的信息根据协议流程做出处理，完成终端配置操作、状态转换操作、信息通信操作、定时器的启停操作等。

2.2.3 L2层次的实现

L2层次中集成RLC部分、MAC部分和PDCP的部分，具体实现流程为：首先，进行初始化操作，完成定时器方面、模块状态方面的初始化处理，实现RNTI等各类信息和状态的初始化。其次，设置任务进程，将其设置成为可用的状态，使进程可以完成信息接收和发送操作。最后，接收传输到L2层次的信息，如若是关机的信息，则对MAC进行调整，使其处于不存在的状态，结束有关的进程。如果消息是激活信息，就需要将MAC的部分调整成为存在的状态，完成L2层次的操作[3]。

结语：

    综上所述，超短波窄带无线集群通信协议设计，需根据通信功能需求和要求，完善相关的通信协议设计模式和体系，科学合理设计整体系统架构中的不同结构，同时设计相关的NAS层次、RRC层次和L2层次，按照不同层次的操作要求和具体流程，在系统实现的过程中，完成每个层次的操作模式和体系，确保能够促使超短波窄带无线集群通信协议的良好应用，为相关通信系统的可靠性和稳定性运行做出贡献。

参考文献：

[1] 谢润添. 超短波窄带无线集群通信协议的设计与实现[D]. 广东:广东工业大学,2020.

[2] 余俊. 基于ICE的文件并发传输系统设计与实现[D]. 四川:电子科技大学,2020.

[3] 李溯,魏书精,罗斯生,等. 窄带无线自组网在森林火灾现场应急通信中的应用研究[J]. 新农业,2021(14):56-59.