Цифровой транкинг: Nokia TETRA

Единственной цифровой транкинговой системой, реально поставлявшейся потребителям еще три-четыре года назад, была EDACS Aegis фирмы Ericsson. Сегодня производители систем радиосвязи предлагают транкинговые системы, не только использующие закрытые фирменные протоколы, но и созданные на базе международных открытых стандартов. Одним из них является стандарт TETRA (Terrestrial Trunked Radio), разрабатываемый Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (European Telecommunications Standards Institute, ETSI). Отечественные операторы с особым интересом следят за его продвижением на российский рынок, справедливо полагая, что преимущественное использование TETRA будет способствовать вхождению страны во всеобщее телекоммуникационное пространство.

Возможности цифровых транкинговых систем

Системы стандарта TETRA, как и другие цифровые транкинговые системы, предоставляют своим пользователям ряд преимуществ перед аналоговыми системами.

Они обеспечивают почти полную защиту радиопереговоров от прослушивания. Цифровые потоки информации нельзя расшифровывать с помощью простых аналоговых сканеров, что ограждает их от вмешательства широкого круга "радиолюбителей" - даже без принятия специальных мер по шифрованию данных в каналах связи (типа скремблирования).

Кроме того, цифровые системы предоставляют пользователю множество возможностей кодирования информации. Шифрование речи реализуется в виде цифровой обработки низкоскоростного потока данных, что позволяет применять сложные алгоритмы с высокой криптостойкостью, не ухудшающие качество восстановленной речи. В цифровых транкинговых системах не возникают проблемы неадекватности воспроизведения скремблированных радиопереговоров, свойственные аналоговым системам.

Еще одно преимущество цифровых систем - более эффективное использование радиочастотного спектра за счет увеличения числа каналов передачи трафика в отведенной полосе частот. Это обеспечивается благодаря объединению технологии компрессии речевого потока с высокой степенью сжатия данных и сложной модуляции несущей частоты. В частности, стандарт TETRA определяет значение для частотной полосы канала равным 6,25 кГц/канал.

К важным особенностям цифровых систем относится выравнивание качества речевого радиообмена по всей зоне обслуживания ретранслятора, тогда как для аналоговых систем характерно сильное ухудшение качества передачи речи при удалении от базовой станции (БС). В условиях городской застройки, где имеет место многолучевое распространение сигналов, качество передачи аналоговой информации заметно меняется даже при передвижении внутри одного квартала. Применение цифровых сигналов в сочетании с помехоустойчивым кодированием позволяет существенно улучшить качество передачи речи в пределах всей зоны обслуживания.

Технологии передачи данных стандарта TETRA

Важнейшим признаком цифровой транкинговой системы является метод разделения каналов. В транкинговых системах могут использоваться как FDMA (частотное разделение каналов), так и TDMA (временное разделение). При реализации TDMA предполагается организация на одной несущей частоте нескольких каналов связи, работающих в режиме разделения времени. Применение в стандарте TETRA технологии TDMA и использование четырех каналов на одной несущей частоте являются результатом вполне продуманного выбора.

Дело в том, что перед принятием основных концепций стандарта TETRA специальная рабочая группа ETSI провела исследование, в соответствии с результатами которого будут существовать два вида систем транкинговой связи (табл. 1). Системы первого типа характеризуются относительно небольшой нагрузкой, широким территориальным охватом и числом каналов не более 10. Системы второго типа предполагают интенсивный трафик в ограниченной зоне обслуживания и способны поддерживать более 15 каналов.

Первые системы наиболее оптимально реализуются на основе метода "один канал-одна несущая" (FDMA), который позволяет достичь максимальных радиусов зон обслуживания (до 30-40 км). Значение данного параметра в системах с TDMA-радиоканалом всегда принципиально меньше, чем у систем, использующих одну несущую частоту на канал. Объясняется это, главным образом, тем, что при высокой скорости цифрового потока в TDMA-радиоканале выходная мощность передатчиков портативных радиостанций не превышает 1 Вт.

Поэтому там, где требуются зоны небольшого радиуса и обработка насыщенного трафика на ограниченной территории, наилучшие результаты дает технология TDMA в стандарте TETRA. Использование систем на базе TDMA для покрытия обширных территорий с низким уровнем трафика неэффективно, поскольку они требуют большего количества БС, чем системы FDMA.

Как легко заметить, стандарт TETRA ориентирован на создание сетей, обслуживающих высокий трафик на ограниченной территории, - именно такими представляются ETSI типичные европейские сети. В процессе разработки стандарта Европейский институт стандартов рассматривал возможность использования технологии FDMA, и в 1993 г. была образована соответствующая рабочая группа. Однако в 1994 г. работы в этом направлении были приостановлены и сейчас они ведутся только в области TDMA. Правда, стандарт TETRA пока является единственным цифровым транкинговым стандартом, использующим технологию TDMA (табл. 2).

TETRA: краткое описание

Стандарт TETRA содержит два варианта спецификации: TETRA Voice + Data (TETRA V+D) и TETRA Packet Data Optimized (TETRA PDO). Как следует из названий, TETRA V+D описывает интегрированную систему передачи речи и данных, а TETRA PDO - специальную транкинговую систему, ориентированную только на передачу данных.

Стандарт начинается с описания структуры транкинговой сети, которую можно реализовать, используя спецификации TETRA. Она состоит из центра коммутации, базовых станций (БС), диспетчерских пультов (ДП), центра управления системой (ЦУС) и абонентских радиостанций (АС). Далее в стандарте приводятся спецификации нескольких важнейших интерфейсов (рис. 1):

• Air Interface (AI) - радиоинтерфейс между базовой станцией и абонентской радиостанцией;
• Direct Mode Operation (DMO) - интерфейс прямого соединения между двумя абонентскими радиостанциями;
• Terminal Equipment Interface (TEI) - интерфейс между абонентской радиостанцией и терминалом передачи данных (ТПД);
• Inter System Interface (ISI) - межсистемный интерфейс для объединения нескольких систем (возможно, от разных фирм-изготовителей) в единую сеть;
• Line-connected Station Interface (LSI) - интерфейс для подключения диспетчерских пультов к базовому оборудованию;
• Network Management Centre Interface (NMCI) - интерфейс центра управления системой;.
• Gateways to PABX, PSTN, ISDN, PDN - интерфейс для подключения к внешним сетям (УПАТС, ТфОП, ЦСИО, СКП).

Спецификации TETRA предусматривают не только прямую связь между абонентскими радиостанциями, но и использование абонентской радиостанции в качестве ретранслятора для расширения зоны обслуживания.

Радиоинтерфейс стандарта предполагает работу в сетке частот с шагом 25 кГц. Стандарт регламентирует и дуплексный разнос для этих систем, который должен составлять 10 МГц. Системы TETRA могут использовать диапазоны частот 150-900 МГц. В странах Европы для систем TETRA выделены частоты в диапазонах 410-430, 870-876, 915-921 МГц (в первую очередь) или в диапазонах 450-470, 385-390, 395-399,9 МГц.

В стандарте TETRA V+D, в котором применяется уплотнение каналов по технологии TDMA, на одной несущей частоте организуются четыре разговорных канала (рис. 2). Каждый кадр имеет продолжительность 56,67 мс и содержит четыре временных интервала (time slots). Последовательность из 18 кадров образует мультикадр длительностью 1,02 с; один кадр является контрольным. Каждый временной интервал в составе кадра содержит 504 бита, 432 из которых - информационные.

В начале временного интервала передается пакет из 36 бит PA (Power Amplifier - управление излучаемой мощностью). За ним следует первый информационный блок (216 бит), далее - синхропоследовательность SYNC (36 бит) и второй информационный блок. Как и в любой системе на базе TDMA, соседние временные интервалы разделяются защитными периодами длительностью 0,167 мс, что соответствует 6 битам.

Радиоканал стандарта TETRA использует относительную фазовую модуляцию типа П/4-DQPSK с постоянной огибающей. Таким образом, каждому символу модуляции соответствует передача двух бит информации.

Для преобразования речи в стандарте TETRA V+D применяется кодек с алгоритмом типа CELP. Скорость цифрового речевого потока на выходе этого кодека составляет 4,8 кбит/с. До поступления речевого потока на вход модулятора к нему добавляется корректирующий код, после чего производится межблочное перемежение.

В сетях на базе TETRA V+D используются все виды вызовов, характерные для транкинговых систем, в том числе статусные. Передача экстренного вызова влечет за собой прерывание вызова с обычным приоритетом, если все каналы системы заняты. Кроме того, абоненту или группе с соответствующими привилегиями может быть временно предоставлен так называемый открытый канал, т. е. ресурс, выделенный этим абонентам на определенное время. Открытый канал гарантирует его абонентам максимально быстрое соединение, естественно, за счет увеличения нагрузки на остальные каналы. По истечении установленного времени этот канал снова становится доступным для всех абонентов. При наличии свободного канала время установления соединения не превышает 0,3 с.

TETRA предусматривает еще один необычный вид вызова - дистанционное включение абонентской радиостанции на передачу (дистанционное прослушивание "обстановки" у абонента). По запросу диспетчера избранной радиостанции посылается команда, вызывающая включение микрофона и режима передачи. Таким образом, диспетчер может получить звуковую картину событий у абонента, не ставя об этом в известность последнего, что важно для служб безопасности.

Полная пропускная способность одного канала в системе на базе TETRA V+D составляет 7200 бит/с, а применение варианта TETRA PDO обеспечивает передачу данных со скоростью 28,8 кбит/с. Разработчики стандарта указывают, что сочетание технологий TETRA V+D и TETRA PDO позволяет получить систему с уникальными оперативными характеристиками, особенно важными для служб общественной безопасности. Так, по каналам TETRA PDO может осуществляться передача сжатого видеопотока - например, при видеосъемке на месте происшествия.

Передача данных производится по схемам "точка-точка" и "точка-много точек". Кроме того, TETRA предусматривает поддержку сетевого протокола X.25 для пользовательских приложений. Благодаря наличию в стандарте спецификаций на шлюз с ISDN и PDN обеспечивается возможность взаимодействия с внешними сетями передачи данных. Следует отметить, что все производители систем TETRA обязательно предоставляют поддержку протокола TCP/IP, несмотря на отсутствие этой функции в стандарте.

В настоящее время на рынке систем стандарта TETRA присутствуют четыре крупнейших поставщика: фирма Nokia с системой Nokia TETRA, компания Motorola с системой Dimetra, фирмы Rohde & Schwarz и Marconi с системой ACCESSNET-T, а также фирма Simoco. Рассмотрим подробнее систему Nokia TETRA.

Система TETRA фирмы Nokia

Nokia TETRA была разработана для широкого круга потребителей - коммерческих операторов, служб общественной безопасности, силовых структур. В этой транкинговой системе реализована значительная часть спецификаций стандарта TETRA.

В системе Nokia TETRA работа пользователей основывается на концепции виртуальных выделенных сетей: как и во всех транкинговых системах, абоненты одной виртуальной сети не замечают работы абонентов другой, использующих ту же систему. Однако в случае необходимости Nokia TETRA способна обеспечить взаимодействие различных виртуальных сетей (чаще всего это требуется в экстремальных ситуациях).

Инфраструктура системы Nokia TETRA включает в себя (рис. 3) коммутаторы TETRA Digital Exchanges (DXT), базовые станции TETRA Base Stations (TBS), диспетчерские пульты и систему управления сетью Network Management System (NMS). Функциональные возможности системы обеспечиваются преимущественно ПО коммутаторов.

Как и во всякой сложной системе связи, в Nokia TETRA есть средства обеспечения отказоустойчивости. В случае неисправности каких-либо элементов они позволяют сохранить полную или частичную работоспособность системы (возможно, с ухудшением ряда параметров, таких как время установления соединения и т. д.). Механизмы обеспечения отказоустойчивости на различных уровнях сети перечислены в табл. 3.

(1x1)

Nokia TETRA выпуска 1997 г. работает в диапазоне частот 380-400 МГц. В 1998 г. фирма Nokia планирует реализовать использование диапазона 410-430 МГц, а в дальнейшем предполагает освоить диапазоны 460 и 800 МГц.

Предлагаемая в настоящее время на рынке система Nokia TETRA обеспечивает обслуживание речевых вызовов, передачу данных, а также различные виды радиообмена без участия базовой станции. Она предоставляет широкие возможности подключения к внешним сетям (см. рис. 1). Может быть организовано не только традиционное соединение с ТфОП, но и сопряжение с учрежденческо-производственными АТС (УПАТС), базовыми станциями обычных систем диспетчерской связи, сетями ЦСИО.

Подключение к ЦСИО производится с использованием стандартов Euro-ISDN по схеме 2B+D. Подключение к БС обычных систем может понадобиться при постепенном переходе от существующей аналоговой системы к цифровой. Следует отметить, что в Nokia TETRA отсутствует интерфейс (шлюз) для аналоговой транкинговой системы - сопряжение с существующими аналоговыми транкинговыми сетями предполагается осуществлять через УПАТС.

Архитектура и оборудование Nokia TETRA позволяют расширять границы сети до регионального или общенационального масштаба. Cети, принадлежащие различным операторам, объединяются в единую сетевую структуру с помощью межсистемного интерфейса TETRA ISI. Предусмотрены два механизма реализации автоматического роуминга: автоматическая регистрация "визитера" или допуск нового абонента после подтверждения диспетчера.

Важная особенность Nokia TETRA - возможность подключения внешних пользовательских систем тарификации (биллинга). Поскольку соответствующий программный интерфейс является открытым, можно использовать ПО сторонних поставщиков. Открытые интерфейсы положены в основу взаимодействия с пользовательскими диспетчерскими центрами, что дает возможность потребителю применять собственные системы управления.

Реализуя функции передачи данных, Nokia TETRA обеспечивает доступ в Internet и другие сети передачи данных общего пользования, а также поддерживает подключение локальных вычислительных и глобальных сетей. К абонентским радиостанциям Nokia, имеющим порт передачи данных, можно подключать различное цифровое оборудование - от видеокамеры до компьютера.

Речевые вызовы

В системе Nokia TETRA предусмотрены следующие виды речевых вызовов: групповые, индивидуальные и экстренные. Групповой вызов внутри системы Nokia TETRA называется вызовом в псевдооткрытом канале (Pseudo Open Channel Call, POC). На самом деле, это обычный полудуплексный групповой вызов, при котором один абонент может являться членом одной или нескольких групп и выбирать группы для сканирования и передачи вызовов.

Следует отметить: пользователь, сканирующий вызовы одновременно в нескольких группах, способен назначать каждой группе приоритет сканирования. Это означает, что прием вызова из низкоприоритетной группы может быть прерван вызовом из группы с более высоким приоритетом, а следовательно, абонент не пропустит важную для него информацию. Функция вызова группы из ТфОП пока не реализована, но фирма Nokia обещает ввести ее в следующие реализации системы.

В многозоновой системе групповой вызов может, как обычно, распространяться на несколько зон, становясь трансзональным. Nokia TETRA поддерживает два механизма определения зон ретрансляции такого вызова: автоматическое назначение по данным роуминга и "ручное" по прямому указанию диспетчера. Кроме того, диспетчер имеет право переназначать как абонентов, так и группы.

Индивидуальные вызовы в системе Nokia TETRA являются дуплексными и полностью аналогичны обычным телефонным. Кроме собственно вызовов абоненты системы способны посылать специальные индивидуальные вызывные запросы в тех случаях, когда вызываемый абонент по тем или иным причинам недоступен, например если он вышел из зоны обслуживания. Фирма Nokia предполагает ввести в следующие версии системы еще один тип индивидуального вызова - полудуплексный.

Экстренные вызовы могут быть как групповыми, так и индивидуальными. Они являются вытесняющими, т. е. при полной загрузке каналов трафика позволяют прервать один из текущих вызовов обычного приоритета для передачи экстренного сообщения.

Передача данных

Система Nokia поддерживает три типа передачи данных: передачу коротких сообщений, статусных вызовов и пакетов.

Служба передачи коротких сообщений позволяет передавать текст размером до 127 символов. Следует отметить, что можно передавать короткое сообщение прямо во время вызова, не прерывая его.

Как правило, короткие сообщения с указаниями абонентам рассылает диспетчер. Они выводятся на дисплей радиостанции либо передаются через порт передачи данных на внешнее устройство. Эти сообщения способны передавать и абоненты, набирая их на клавиатуре или применяя внешнее устройство ввода/вывода. Служба коротких сообщений используется также для сбора телеметрии и информации о местоположении абонентов.

Служба статусных вызовов позволяет передавать до 32 тыс. различных кодов, соответствующих заранее запрограммированным сообщениям. Для работы со статусными сообщениями в абонентском оборудовании предусмотрена специальная дополнительная панель с экраном и клавиатурой. Кроме того, к порту передачи данных можно подключить любое информационное устройство ввода/вывода.

Служба пакетной передачи обеспечивает обмен данными любого типа и сообщениями произвольной длины, являясь, по сути, службой на базе протокола IP (Internet Protocol). Выбор его фирмой Nokia в качестве сетевого протокола службы пакетной передачи данных свидетельствует о признании производителями оборудования связи коммерческого успеха IP-приложений. Служба пакетной передачи по протоколу IP позволяет использовать все виды протоколов транспортного уровня. Это может быть как протокол UDP (User Datagram Protocol), не предусматривающий установления логического соединения, так и протокол TCP (Transport Control Protocol), ориентированный на установление сеанса связи. Таким образом, абоненты сети Nokia TETRA способны применять практически весь спектр ПО, доступного в сетях на базе протоколов TCP/IP или UDP/IP.

Все перечисленные службы передачи данных предполагают пакетную коммутацию. В будущем фирма Nokia намерена ввести в свою систему TETRA еще один режим передачи данных, с коммутацией каналов. Этот режим обеспечит эффективное использование каналов системы для приложений, требующих передачи больших объемов информации за короткое время, т. е. выделенной полосы пропускания. К таким приложениям относятся факсимильная служба, низкоскоростная видеоконференцсвязь и т. д.

Передача данных по одному коммутируемому каналу (режим Single-slot mode - один канальный интервал в кадре) обеспечит реализацию скорости 7,2 кбит/с (без помехоустойчивого кодирования), 4,8 и 2,4 кбит/с (с кодированием). Между тем, спецификация TETRA PDO позволяет для увеличения скорости передачи данных использовать до четырех канальных интервалов в кадре (multi-slot mode). В следующих версиях системы TETRA предполагается реализовать и эту возможность.

Режим непосредственной связи

Портативные радиостанции, разработанные на базе AI-радиоинтерфейса TETRA, по ряду технических причин не могут иметь столь же высокую выходную мощность передатчика, как мобильные радиостанции. Поэтому зона покрытия базовой станции TETRA для портативных радиостанций всегда заметно меньше, чем для мобильных. Стандарт TETRA предусматривает способы, позволяющие избежать потерь связи вне зоны обслуживания, которые основанны на концепции прямого соединения абонентских устройств.

В режиме непосредственной связи DMO (Direct Mode Operation) при выходе из зоны обслуживания соединение с абонентом может устанавливаться системой как автоматически, так и по запросу абонента ( с помощью специальной кнопки на трубке-станции). Для этого режима в абонентском оборудовании заранее программируются специальные частоты. Он обеспечивает как групповые, индивидуальные, так и экстренные вызовы; возможна также передача статусных сообщений - по индивидуальным адресам и широковещательных.

Режим непосредственной связи предполагает шифрование данных радиоканала с использованием специальных ключей, но по желанию абонентов шифрование может быть отключено. Для увеличения дальности связи в режиме DMO используется локальный ретранслятор (рис. 4), который поддерживает связь с абонентами, повторяя принятый сигнал на той же частоте, но в другом временном интервале. Как правило, он устанавливается на автомобиле или другом подвижном средстве.

Для поддержания устойчивого контакта абонентских устройств с базовой станцией может применяться ретранслятор-шлюз (рис. 5). Как и локальный ретранслятор, он обычно размещается на подвижном средстве и расширяет зону покрытия БС, осуществляя сопряжение ее радиоинтерфейса с радиоинтерфейсом, по которому абоненты связаны с ретранслятором-шлюзом. Если абоненты используют интерфейс DMO, обмен с базовой станцией осуществляется по интерфейсу TMO (Trunked Mode Operation). При связи абонентов с базовой станцией через ретранслятор-шлюз им доступны только те типы вызовов, которое поддерживаются режимом DMO.

Средства защиты

В системе Nokia TETRA предусмотрены два режима шифрования трафика: на уровне радиоканала и "сквозное". Шифрование данных в радиоканале осуществляется в соответствии со спецификацией стандарта TETRA и применяется для всех без исключения пользователей. При этом шифруется не только информационная часть трафика, но и большая часть сигнальной информации. Для шифрования индивидуальных и групповых вызовов используются разные ключи, которые генерируются системой и автоматически передаются на абонентские радиостанции. Смена ключей происходит автоматически согласно алгоритму, заданному оператором системы.

Как нетрудно заметить, шифрование в радиоканале позволяет лишь снизить вероятность перехвата со стороны "радиопиратов". Чтобы полностью скрыть передаваемое по сети содержимое, предусмотрена возможность сквозного шифрования трафика, т. е. передачи зашифрованных данных от одного абонента к другому. Таким абонентам предоставляется прозрачный канал связи, и они должны использовать собственные алгоритмы шифрования/дешифрования, а также собственную систему управления ключами, образуя как бы закрытую виртуальную сеть.

Для подобной виртуальной сети в системах Nokia TETRA предусмотрена поддержка средств доставки и распределения ключей (независимо от того, какая система управления ключами выбрана).

Nokia TETRA обеспечивает периодическую аутентификацию (подтверждение подлинности) всех абонентских радиостанций, которая выполняется автоматически согласно заданному алгоритму проверки. Например, процедура аутентификации выполняется перед каждым новым распределением ключей шифрования радиоканала. Таким образом, радиостанция, использующая легальный идентификатор (ID) существующего пользователя, но не подтвердившая свою подлинность выдачей правильного ключа аутентификации, не получает доступа к ретрансляционным ресурсам. В этом случае оператор системы или уполномоченный диспетчер сети пользователя имеет право дистанционно отключить радиостанцию. Восстановить ее работоспособность, в том числе режим непосредственного соединения, можно будет только в сервисном центре.

В дальнейшем фирма Nokia намерена предоставить оператору сети возможность "помечать" абонентскую радиостанцию как похищенную. Оператор будет назначать для станции специальный доступ в систему (что позволит вычислять местонахождение нелегального абонента, как минимум, с точностью до зоны обслуживания) либо полностью блокировать ее.