Цифровые транкинговые системы технологической радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 Современное состояния транкинговой радиосвязи

1.1 Тенденции развития транкинговых систем радиосвязи

Cистемы транкинговой радиосвязи, представляющие собой радиально - зоновые системы подвижной УКВ-радиосвязи, осуществляющие автоматическое распределение каналов связи ретрансляторов между абонентами, являются классом систем подвижной связи, ориентированным, прежде всего, на создание различных ведомственных и корпоративных сетей связи, в которых предусматривается активное применение режима связи абонентов в группе. Они широко используются силовыми и правоохранительными структурами, службами общественной безопасности различных стран для обеспечения связи подвижных абонентов между собой, со стационарными абонентами и абонентами телефонной сети. В настоящее время наиболее используемым и перспективным, считается ультракоротковолновый (УКВ) диапазон, ввиду того, что насыщен различными системами связи с большим разнообразием услуг и возможностей. Под УКВ радиосвязью понимается связь в метровом и дециметровом диапазонах волн. Основное описание этих диапазонов представлено в таблице 1.1. В соответствии с условиями распространения радиоволн в данном диапазоне наиболее устойчив радиоприем в пределах прямой видимости передатчика и приемника: между наземными объектами на расстоянии около 30 км, между воздушными - 500 км



Транкинговыми системами называют радиально-зоновые системы наземной подвижной радиосвязи, использующие автоматическое распределение ограниченных ресурсов ретранслятора среди большого числа абонентов. За этой достаточно общей формулировкой скрываются самые разные системы - от простейших, типа SmarTrunk, до высокоинтеллектуальных, типа SmartZone и TETRA.

Рынок средств наземной подвижной связи формируют индивидуальные и корпоративные потребители. К последним относятся как государственные структуры, так и частные компании. Требования, которые предъявляют к системам связи индивидуальные и корпоративные пользователи, заметно различаются. Первые, прежде всего, ожидают надежного соединения с телефонной сетью общего пользования (ТФОП), а вторым требуется оперативная связь внутри замкнутых групп абонентов. На сегодняшний день из-за противоречивости этих требований сложилась ситуация, при которой системы одного типа, например сотовые, не могут полностью удовлетворить спрос на рынке средств подвижной связи.

Чем же транкинговая связь отличается от сотовой, если, не считая разницы между пользовательским терминалом (рацией/телефоном), все устроено одинаково?

У транкинговых и сотовых систем много общего: многозоновое покрытие обслуживаемых территорий, автоматический роуминг, соединение с ТФОП. Но существует ряд признаков, принципиально отличающих транкинговые системы от сотовых.

- Первый из них - групповой (диспетчерский) режим работы, широко используемый в неавтоматизированных системах диспетчерской связи и транкинговых системах. Работая в этом режиме, транкинговые системы обслуживают значительно большее число абонентов на один частотный канал (50-100), чем сотовые системы (до 30).

- Второй отличительный признак - полудуплексный режим работы транкинговых систем с автоматическим вызовом после нажатия клавиши "Передача", который обеспечивает не только оперативный доступ к каналам связи, но и их высокоэффективное использование. Еще можно упомянуть, транкинговые системы, хотя и не обеспечивают столь высокого качества обслуживания, как сотовые, отличаются более низкой стоимостью оборудования и меньшим временем развертывания.

Сотовая связь позиционируется как «телефон в кармане», а транкинговая предназначена для решения узкого круга профессиональных задач. Сотовая связь, к примеру, предоставляет разнообразные мультимедийные услуги, однако нефтяник, дежурящий на буровой платформе в Балтийском море, или спасатель МЧС навряд ли уповают на возможность загрузить новый альбом Мадонны. Транкинговую связь выбирают такие организации, как МЧС, охранные агентства, таксомоторные компании и др. Для рядовых же офисных работников вполне подойдет вариант «сотовый телефон + корпоративный тарифный план».

Система связи, которой пользуются профессионалы, должна поддерживать такие функции, как:

-- осуществление моментальной связи (0,2-0,5 сек) внутри группы абонентов, которая может быть задана заранее;

-- возможность перераспределения участников групп во время сеанса связи;

-- система приоритетов вызовов (мобильный оператор не делает различий между абонентами);

-- сохранение связи даже при выходе из строя базовой станции;

-- передача широковещательного сигнала абонентам сети;

-- возможность быстро переконфигурировать сеть.

Эти требования невыполнимы в системах сотовой связи, зато в полной мере поддерживаются транкинговыми системами. Стоит отметить, что участники рынка мобильной связи сложа руки не сидят и предлагают услугу Push-To-Talk с возможностью установления группового вызова и быстрым установлением соединения. Однако новация в любом случае не отвечает требованиям профессионалов.

Историю сетей профессиональной радиосвязи обычно делят на ступени. Первым этапом считаются сети конвенционального типа (от англ. conventional -- обычный, традиционный). Их небогатые возможности следующие: симплексный режим работы (нажал на кнопку -- задал вопрос -- отпустил кнопку -- получил ответ -- нажал на кнопку -- ...), совершение индивидуальных и групповых вызовов (до нескольких десятков абонентов) В конвенциональных системах канал связи (частота) жестко закрепляется за определенной группой абонентов. При этом гарантируется высокая оперативность связи (необходимо только настроить частоту), но служит причиной малой пропускной способности сети (частот мало).

Второй этап -- транкинговые сети. Подобные сети сделали возможным обслуживание до нескольких сотен абонентов и позволили более эффективно использовать радиочастотный ресурс. Подобные системы связи стали системами с общим доступом абонентов к частотному диапазону, в отличие от конвенциональных систем. Это обеспечивает повышенную пропускную способность и большую зону охвата.

Многозоновые транкинговые сети стали третьим этапом. Зона обслуживания в них увеличилась еще больше за счет нескольких базовых станций. Количество обслуживаемых абонентов стало практически неограниченным, появилась система приоритетов вызовов, возможность дуплексного режима вызова (кнопку жать не требуется, связь аналогична телефонной с поправкой на куда большую скорость совершения вызова), выход на телефонные сети общего пользования, передача данных. Третий этап обеспечивает повышенную производительность, расширенные возможности вызова, повышенную безопасность и более высокую скорость передачи сигнала при меньшем вмешательстве пользователя, по сравнению с конвенциональными системами. Система автоматически назначает каналы для более быстрого, эффективного использования спектра. В результате, пользователи могут сосредоточиться на своей основной работе. Поддержка 3 000 индивидуальных и 3 000 групповых ID на сайт обеспечивает обширные возможности для организации отдельных устройств и всего парка радиостанций в целом. Обеспечена полная конфиденциальность групповых и индивидуальных вызовов, поскольку вызовы не могут отслеживаться другими пользователями системы. Функция «Контроль приоритета» отслеживает до четырёх разговорных групп с высоким приоритетом и переключает пользователей на соответствующие входящие вызовы, чтобы не пропустить важные вызовы. В периоды пиковой нагрузки, система «Постановка вызовов на ожидание» (Call Queuing) накапливает запросы на вызов и обрабатывает вызовы по мере доступности канала. Оператор системы может назначить более высокие приоритеты очередности для важных лиц, и даже назначить привелигированных пользователей с меньшим приоритетом для более важных диспетчерских и экстренных вызовов

При организации многозоновой конвенциональной цифровой сети до шестнадцати конвенциональных ретрансляторов могут быть объединены в единую многозоновую сеть посредством IP каналов (использование роутеров в режиме unicast) или до 48 ретрансляторов (в режиме multicast). Абонентская радиостанция при помощи встроенных возможностей автоматически определяет наилучший для связи ретранслятора во время перемещения абонента между зонами

Сетевая опция позволяет эффективно использовать мощь IP, соединив между собой до 16 цифровых транкинговых сайтов и обеспечив таким образом возможность роуминга и вызовов в территориальных масштабах.



Масштабируемые сети можно создавать с использованием имеющихся средств информационных технологий, частных СВЧ-каналов,широкополосных каналов или телекоммуникационных служб посредством стандартных маршрутизаторов и коммутаторов 10/100 Base-T Ethernet. Туннелирование IPSec VPN обеспечивает шифрованные, безопасные каналы связи в любой IP-сети. Используя усовершенствованные алгоритмы свободного поиска каналов управления, мощность RF-сигнала и качество цифрового сигнала (низкая частота появления ошибочных битов), абонентские устройства автоматически определяют лучшие сайты для регистрации во время движения через сеть. Возможность задания 60 000 групповых ID и индивидуальных ID является достаточной для коллективной работы в крупных организациях и многопользовательских системах

1.2 Принципы построения транкинговых сетей радиосвязи

Принципы построения транкинговых сетей радиосвязи одни и те же для аналоговых и цифровых сетей. Сеть может быть очень большой и включать в себя большое количество абонентов, а может быть и небольшой с малым количеством абонентов. Может обслуживать одну зону (однозоновая система) или несколько (многозоновая система). Нам достаточно будет рассмотреть самую простую однозоновую систему для понятия принципа организации транкинговых сетей. Более сложные системы образуются путем совмещения в одну сеть нескольких «простых» сетей. Системы транкинговой радиосвязи, представляющие собой радиально-зоновые системы подвижной УКВ радиосвязи, осуществляющие автоматической распределение каналов связи ретрансляторов между абонентами, являются классом систем подвижной связи, ориентированным, прежде всего, на создание различных ведомственных и корпоративных сетей связи, в которых предусматривается активное применение режима связи абонентов в группе. Они широко используются силовыми и правоохранительными структурами, службами общественной безопасности, транспортными и энергетическими компаниями различных стран для обеспечения связи подвижных абонентов между собой, со стационарными абонентами и абонентами телефонной сети. Существует большое количество различных стандартов транкинговых систем подвижной радиосвязи общего пользования (СП -ОП), отличающихся друг от друга методом передачи речевой информации (аналоговые и цифровые), типом многостанционного доступа (с частотным разделением каналов (МДЧР), временным ( МДВР) или кодовым (МДКР), способом поиска и назначения канала (с децентрализованным и централизованным управлением), типом канала управления (выделенный и распределенный) и другими характеристиками. Основные архитектурные принципы транкинговых систем рассмотрим на обобщенной структурной схеме однозоновой транкинговой системы, приведенной на рисунке 1.2. Она состоит из базовой станции (БС) и помимо радиочастотного оборудования включает коммутатор, устройство управления и интерфейса различных внешних сетей.

К радиочастотному оборудованию относятся ретранслятор, антенна и устройство объединения радиосигналов.



Ретранслятор. Под ретранслятором в данном случае понимается набор приёма передающего оборудования, обслуживающего одну пару несущих частот. До последнего времени в подавляющем большинстве транкинговых систем одна пара несущих означала один канал трафика. В настоящее время , с появлением систем стандарта TETRA и системы EDAS ProtoCAL, предусматривающих временное уплотнение, один ретранслятор может обеспечить два или четыре канала трафика.

Антенны. Важнейший принцип построения транкинговых систем заключается в том, чтобы создавать зоны радио прикрытия настолько большими, насколько это возможно. Поэтому антенны базовой станции, как правило, размещаются на высоких мачтах или сооружениях и имеют круговую диаграмму направленности. Разумеется, при расположении базовой станции на краю зоны применяются направленные антенны. Базовая станция может располагать как единой приемопередающей антенной, так и раздельными антеннами для приема и передачи. В некоторых случаях на одной мачте может размещаться несколько приемных антенн для борьбы с замираниями, вызванными многолучевым распространением.

Устройство объединения радиосигналов позволяет использовать одно и то же антенное оборудование для одновременной работы приемников и передатчиков на нескольких частотных каналах. Ретрансляторы транкинговых систем работают только в дуплексном режиме, причем разнос частот приема и передачи составляет от 45 МГц до 3МГц.

Коммутатор обеспечивает соединение как внутри сети, так и с внешними сетями. Взаимодействие всех узлов БС осуществляет устройство управления. Коммутатор в однозоновой транкинговой системе обслуживает весь ее трафик , включая соединение подвижных абонентов с телефонной сетью общего пользования ( ТФОП) и все вызовы , связанные с передачей данных .

Устройство управления, обрабатывает вызова, осуществляет идентификацию вызывающих абонентов, устанавливает очередность вызовов, ведет учет времени для повременной оплаты, а также при необходимости регулирует продолжительность соединения с телефонной сетью.

Интерфейс СТОП реализуется в транкинговых системах различными способами. В недорогих системах (напр., SmarTrunk) подключение производится по двухпроводной коммутируемой линии. Более современные транкинговые системы имеют в составе интерфейса СТОП аппаратуру прямого набора номера DID (Direct Inward Dialing), обеспечивающую доступ к абонентам транкинговой сети с использованием стандартной нумерации АТС. Ряд транкинговых систем, претендующих на высокое качество обслуживания, использует цифровое ИКМ -соединение с аппаратурой АТС. Соединение с СТОП является традиционным для транкинговых систем, но в последнее время все более возрастает число приложений, предполагающих передачу данных, в связи с чем, наличие интерфейса сети с коммутацией пакетов становится обязательным.

Терминал технического обслуживания и эксплуатации (ТТО и Э) устанавливается обычно на базовой станции и предназначается для контроля за состоянием системы, диагностики неисправностей, учета тарификационной информации, внесения изменений в базу данных абонентов. ТТО и Э как правило, могут быть подключены через ТФОП или сеть с коммутацией пакетов. В транкинговых системах могут быть установлены при необходимости и диспетчерские пульты (ДП), которыми, как правило, пользуются силовые ведомства, скорая медицинская помощь, пожарная охрана и т.д. Подключение ДП в систему возможно как по абонентскому радиосигналу, так и по внутренним линиям непосредственно к коммутатору БС. Транкинговая система может организовать несколько независимых сетей, поэтому в ней могут работать несколько ДП, различным образом подключенных к ней. Самый широкий набор устройств в транкинговых системах, относится к абонентскому оборудованию. Из них наиболее многочисленными являются полудуплексные радиостанции, которые в наибольшей степени подходят для работы в замкнутых группах. Такие радиостанции в большинстве своем имеют ограниченные функциональные возможности и поэтому не имеют цифровую клавиатуру. Их пользователям достаточно связываться с абонентами внутри группы или посылать вызов диспетчеру. Некоторые полудуплексные радиостанции обладают более широкими функциональными возможностями и имеют цифровую клавиатуру, но при этом они заметно дороже. В транкинговых системах в настоящее время все больше используется дуплексные радиостанции, обладающие большей функциональностью, по сравнению даже с сотовыми терминалами и позволяют осуществлять подключенное соединение с СТОП, а также обеспечивать групповую работу в полудуплексном режиме.



Абонентское оборудование выпускается не только в портативном, но и в автомобильном исполнении, в последних выходная мощность выше. Новым классом абонентского оборудования являются терминалы передачи данных, которые представляют собой специализированные радиомодели, поддерживающие соответствующий протокол радиоинтерфейса. Для подключения ДП используются стандартные радиостанции, аналогичные автомобильным. Современные транкинговые системы разрабатываются как многозоновые, их архитектура строится по двум принципам:

-с распределенной межзональной коммутацией (рисунок 1.2);

-с централизованной коммутацией(рисунок 1.4).



Системы с распределенной межзоновой коммутацией. В этом случае каждая станция имеет собственное подключение к СТОП или сети с коммутацией пакетов. В таких системах управление большинством основных функций системы осуществляется непосредственно контроллерами базовых 24 станций. Подобная архитектура позволяет создавать системы небольшого размера с минимальными затратами. Это особенно важно на начальном этапе создания сети, когда она насчитывает 2-3 базовые станции с несколькими каналами. В дальнейшем при расширении системы может потребоваться более сложное и дорогое оборудование. К достоинствам систем с распределенным управлением, кроме низких начальных затрат, можно также отнести большую «живучесть» системы. Это связано с тем, что отдельные базовые станции могут функционировать автономно и выполнять большинство возложенных на них функций как при обрыве межзоновых связей, так и при частичном повреждении оборудования. Системы с распределенным управлением, как правило, применяются для создания локальных и региональных сетей, хотя в дальнейшем, по мере расширения, они могут объединяться в сети более крупного размера. Подобные реализации систем, в частности, предлагают фирмы Tait Electronics и Zetron.

Второй тип - системы с централизованной коммутацией, где весь трафик обрабатывается межзоновым коммутатором (рисунок 1.4. В таких системах управление возложено на так называемый центральный контроллер. Управление базовыми станциями и маршрутизацией межзоновых вызовов осуществляется именно центральным контроллером.

1.3 Услуги сетей транкинговой связи

В зависимости от того, какая система транкинговой связи используется аналоговая или цифровая будут различны и услуги, предоставляемые сетью. Ниже будут рассмотрены услуги наиболее популярного аналогового стандарта ТС MPT1327 и цифрового стандарта TETRA

Перечень услуг предоставляемых стандартом TETRA Стандарт TETRA определяет два типа услуг:

- телекоммуникационные услуги (Teleservice)

- все типы услуг связанные с передачей речевой информации между абонентами;

- услуги по передаче данных (Bearer Service)

- возможности по передаче данных между абонентами сети, за исключением функции передачи голоса.

Кроме традиционного для транкинговых систем набора возможностей, таких как индивидуальные, групповые и вещательные вызовы, приоритеты, статусные сообщения и т.п., TETRA обладает рядом дополнительных функций описанных в таблице 1.2.



Принцип работы цифровых систем связи

Звуковая информация (голос) преобразуется в цифровой формат (рисунок1.6) модулируется высокочастотным сигналом и передается в эфир по традиционным физическим законам



Если исходная информация поступает уже в цифровом виде (терминал данных, компьютер, сеть цифровой связи, Интернет и т.п.), то никакого преобразования не требуется. Для предотвращения потерь информации при передаче по эфиру используются разнообразные алгоритмы коррекции ошибок. Процесс оцифровки и кодирования голоса осуществляется специальным устройством-вокодером. Именно от него зависит алгоритм кодирования. Разные системы цифровой связи основываются на разных вокодерах. Именно вокодером обеспечивается совместимость (или не совместимость) различных систем цифровой связи. Процесс аналогово-цифрового преобразования в общем случае включает процедуру квантования (дискретизации непрерывной величины по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно) и кодирования. При квантовании непрерывная величина преобразуется в последовательность ее мгновенных значений, выделенных по определенному закону и в совокупности отображающих (с заранее установленной ошибкой) исходную величину. При кодировании выделенные в процессе квантования мгновенные значения исходной величины измеряются, и результаты фиксируются в виде цифрового (в данном случае двоичного) кода. При попадании в приемник, цифровой сигнал декодируется и, с помощью процедуры цифро-аналогового преобразования, восстанавливается исходный аналоговый сигнал. Фундаментальным отличием аналоговых систем связи от цифровых является только метод подготовки и кодирования исходной информации. Высокочастотная же часть радиостанций, отвечающая за прием и передачу радиоволн, остается практически идентичной во всех видах радиосвязи. Если в аналоговых системах исходная информация практически без изменений передается в эфир (естественно в виде высокочастотной электро магнитной энергии), то в цифровых системах по эфиру передается только двоичный код.

Наиболее важными преимуществами цифровых систем связи перед аналоговыми являются:

более высокое качество передачи речи (хотя появляется некоторая «металлизация» речи);

отсутствие «эфирных» помех;

большая защищенность от посторонних сигналов;

стабильное качество связи во всей зоне покрытия (и резкое снижение на границах зоны);

интегрированные возможности по передачи данных и более высокие скорости обмена данными;

Возможности транкинговой связи

Важнейшая сфера применения транкинговых систем - корпоративная и ведомственная связь. В первую очередь, это находит отражение в наборе услуг транкинговых систем.

Термин "транкинг" происходит от английского "trunk" - ствол (телефонная магистраль) и предполагает наличие отдельных каналов радиосвязи, каждый из которых обеспечивается соответствующей парой частот (одна для приема, другая для передачи). При пользовании УКВ-радиостанцией, вне транкинговой системы, выбрать нужный канал для связи с определенным абонентом можно вручную переключателем радиостанции. В транкинговой же системе в действие вступает автоматика, сканирующая находящиеся в ее распоряжении частотные каналы и выбирающая свободный, по которому и осуществляется связь между абонентами.

Абоненты могут производить различные типы вызовов: индивидуальный (персональный) и групповой (диспетчерский). В первом случае вызов направляется только одному абоненту, во втором - нескольким абонентам.

Основной тип вызова, который обеспечивают все известные транкинговые системы, - групповой вызов в рамках одной группы. Однако в большинстве систем предусмотрена возможность одновременного вызова абонентов не только одной группы. К таким вызовам относятся общий (all call) и экстренный (от диспетчера) вызовы. В системах, специально ориентированных на обслуживание групповых переговоров, используется иерархическое вложение групп абонентов и предусматриваются соответствующие типы вызовов: многоуровневый (когда при вызове группы верхнего уровня вызываются абоненты всех входящих в нее групп), многогрупповой и т.д. Некоторые системы обеспечивают соединение с произвольно выбранной группой, причем не только для абонента транкинговой системы, но и для абонента ТФОП.

Транкинговая антенная система

Для каждой конфигурации транкинговой сети структура и состав базовых станций могут быть различными, поэтому число и тип антенн базовых станций также различаются. При расположении базовой станции в центре зоны обслуживания целесообразно использовать всенаправленные антенны, а на краю зоны - направленные. Антенная система может включать в себя как единую приемо-передающую антенну, так и отдельные антенны для приема и передачи сигналов. В некоторых системах на одной мачте размещают несколько приемных антенн, что необходимо для борьбы с замираниями принимаемого сигнала, вызванными многолучевым распространением радиоволн.

Для повышения надежности связи может быть использован метод разнесенного приема, при котором приемные устройства разносятся по обслуживаемой территории, а передатчик и аппаратура выбора наибольшего из принятых сигналов размещаются в центральном пункте зоны, т.е. на базовой станции.

Ретрансляторы представляют собой приемо-передающие устройства с дуплексным режимом работы. Во всех транкинговых системах (кроме систем, соответствующих стандарту TETRA) используется многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР), поэтому на каждый рабочий канал приходится как минимум один ретранслятор. Для повышения надежности в некоторых системах предусмотрено групповое резервирование ретрансляторов (например, на каждые пять ретрансляторов приходится один резервный).

Выходная мощность ретрансляционных передатчиков транкинговых систем достаточно велика и, честно говоря, составляет от 30 до 50 Вт.

Так же в транкинговой системе связи используется устройство объединения радиосигналов. Данное устройство предназначено для объединения радиосигналов нескольких передатчиков и/или распределения принятого сигнала на входы приемников, работающих с общей антенной.

1.4 Архитектура сети

Технические условия TETRA не налагают никаких ограничений на форму архитектуры радиосети. Инфраструктура (часто называемая SwMI в TETRA

- стандартах, установленных для коммутирующей и управляющей инфраструктуры) определяется только в условиях шести точно определенных интерфейсов, требуемых для обеспечения совместимости, взаимодействия и сетевого управления:

Air Interface (AI)-радиоинтерфейс между базовой станцией и подвижной радиостанцией;

Direct Mode Operation (DMO)-интерфейс прямого соединения между двумя подвижными радиостанциями;

Terminal Equipment Interface (TEI)-интерфейс между подвижной 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).

Примечательно то, что стандартизованы только внешние интерфейсы, в то время как внутренние реализации коммутаторов, управляющих устройств, контроллеров не стандартизированы. С одной стороны это позволяет поддерживать «открытость» стандарта, а с другой-оставляет возможность изготовителям предлагать собственные, наиболее эффективные, разработки и решения.

Центральные станции TETRA работают в дуплексном частотном режиме (одновременная работа по частотам восходящего и нисходящего каналов связи).Подвижные станции могут работать в дуплексном или полудуплексном режимах, в зависимости от возможностей подвижной станции. Одна пара частот(восходящего и нисходящего каналов связи) на соту, известная в качестве основной несущей, используется для поддержания главного канала управления.

Спецификации TETRA предусматривают не только прямую связь между подвижными радиостанциями, но и использование подвижной радиостанции вкачестве ретранслятора для расширения зоны обслуживания. При взаимодействии друг с другом через ретранслятор прямого режима, используя интерфейс прямого соединения, они связываются с транкинговой TETRA-системой с помощью режима “двойного радионаблюдения”, который позволяет подвижной станции работать по радио интерфейсу и одновременно контролировать интерфейс прямого соединения и наоборот. Определенные станции межсетевого сопряжения с PSTN, ISDU, PDN и PTN обеспечивают связь TETRA с внешним миром. Диапазоны частот

В стандарте TETRA для организации радиосвязи определены следующие диапазоны частот:

380-400, 410-420, 450-470 и 870-876, 915-921 МГц. Суммарнаяширина занимаемой полосы частот составляет 2x36 МГц.

Необходимый дуплексный разнос радиоканалов для систем подвижной связи на частотах ниже 700 МГц составляет 10 МГц, а на частотах 800/900-45МГц.

Спецификации TETRA определяют стандартный разнос каналов как 25кГц, что позволяет на одной физической линии организовать до 4 независимых каналов с временным доступом (TDMA). Такая технология обеспечивает более высокую спектральную эффективность по сравнению с цифровыми стандартами Tetrapol и APCO, но у ступает IDEN / MIRS(6 каналов в 25 кГц).

1.5 Модуляция и кодирование

Передача информации осуществляется с помощью метода дифференциальной квадратурной фазовой модуляции со сдвигом сигналов на р/4 известной как р/4 DQPSK . При такой модуляции используется альфавит из четырех символов (р/4, 3р/4, - р/4, - 3р/4) каждому из которых в соответствии ставится два бита данных (00, 01, 10, 11). Данный метод занимает промежуточное положение между QPSK и 8 PSK модуляциями, так как в нем используется 8 значений фазы, которые разделены на две группы по 4 фазовых дискрета в каждой, т.е. (р/2· k) и (р/4 + р/2· k), где k = 0,1,2,3. По сравнению с аналоговыми системами р/4 DQPSK обеспечивает более высокую спектральную эффективность, а по отношению к цифровым (например, GMSK) меньший уровень внеполосного излучения (-60 дБ в соседнем канале).

Мощность сигнала и качество радиопокрытия стандарта TETRA Существенным вопросом организации радиопокрытия является мощность излучения радиостанций стандарта TETRA. На радиус зоны обслуживания влияет не только тип кодирования и модуляции, но и рельеф местности и окружающая электромагнитная обстановка. При условии грамотно установленных антенно-фидерных устройств и благоприятном рельефе местности возможно достичь дальность связи на расстояниях до 55 км от базового ретранслятора, например, при использовании радиостанции Motorola MTH 800 и MTM 800. В отличие от аналоговых систем, где можно наблюдать постепенную деградацию качества передачи голоса с увеличением расстояния, в цифровых системах качество речи можно считать неизменно-высоким и независящим от удаления от базовой станции. Очевидно, что существует порог расстояния, при котором уровень ошибок превышает исправляющую способность кода, и связь становится невозможной. Цифровые системы дают существенное преимущество по радио покрытию и качеству голоса. На рисунке 2.7 представлен сравнительный график ухудшения качества передачи речи для аналоговых стандартов и стандарта TETRA.

Существенным преимуществом сетей стандарта TETRA, в сравнении с аналоговыми системами или сетями APCO25, является функция автоматического регулирования излучаемой мощности мобильных терминалов. Автоматическое управление мощностью излучаемого сигнала позволяет существенно экономить ресурсы аккумуляторных батарей переносных терминалов, а также снизить уровень излучений вплоть до 15 дБм

Транкинговая антенная система

Для каждой конфигурации транкинговой сети структура и состав базовых станций могут быть различными, поэтому число и тип антенн базовых станций также различаются. При расположении базовой станции в центре зоны обслуживания целесообразно использовать всенаправленные антенны, а на краю зоны - направленные. Антенная система может включать в себя как единую приемо-передающую антенну, так и отдельные антенны для приема и передачи сигналов. В некоторых системах на одной мачте размещают несколько приемных антенн, что необходимо для борьбы с замираниями принимаемого сигнала, вызванными многолучевым распространением радиоволн.

Для повышения надежности связи может быть использован метод разнесенного приема, при котором приемные устройства разносятся по обслуживаемой территории, а передатчик и аппаратура выбора наибольшего из принятых сигналов размещаются в центральном пункте зоны, т.е. на базовой станции.

Ретрансляторы представляют собой приемо-передающие устройства с дуплексным режимом работы. Во всех транкинговых системах (кроме систем, соответствующих стандарту TETRA) используется многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР), поэтому на каждый рабочий канал приходится как минимум один ретранслятор. Для повышения надежности в некоторых системах предусмотрено групповое резервирование ретрансляторов (например, на каждые пять ретрансляторов приходится один резервный).

Выходная мощность ретрансляционных передатчиков транкинговых систем достаточно велика и, честно говоря, составляет от 30 до 50 Вт.

Так же в транкинговой системе связи используется устройство объединения радиосигналов. Данное устройство предназначено для объединения радиосигналов нескольких передатчиков и/или распределения принятого сигнала на входы приемников, работающих с общей антенной.

Современный период развития профессиональной подвижной радиосвязи характеризуется переходом от аналоговых систем (Смар Транк, МРТ1327 и др.) к цифровым системам стандартов TETRA,GSM-R, АРС025, Tetrapol. Увеличение числа абонентов, участвующих в технологических процессах, возрастающие требования к безопасности проведения работ, необходимость более широкого использования средств радиосвязи определяют необходимость модернизации и развития сетей профессиональной радиосвязи.

Состояние и основные требования, предъявляемые в настоящее время к ведомственным сетям радиосвязи, а также возможные перспективы можно оценить на примере сетей радиосвязи железнодорожного транспорта. Имеющиеся проблемы являются общими для многих ведомств.

На железнодорожном транспорте в эксплуатации находится более150 тысяч возимых, стационарных и носимых радиостанций. Радиосредства являются аналоговыми, работают, в основном, в симплексном режиме, более 70% из них морально и физически устарели, что требует практически полного и оперативного переоснащения отрасли средствами технологической подвижной радиосвязи. Действующая система радиосвязи была построена до 1980 года и по своим техническими эксплуатационным характеристикам не отвечает современным требованиям. В связи с массовым внедрением на железно дорожном транспорте информационных технологий, автоматизированных систем управления и контроля необходимо существенное увеличение объема, оперативности и достоверности передачи данных от подвижных объектов железно дорожного транспорта.

Помимо модернизации существующих средств радиосвязи необходима коренная перестройка системы технологической радиосвязи как технической основы информатизации отрасли и повышения безопасности движения поездов.

Используемые радиосредства работают в диапазонах частот 2, 160 и 330 МГц. Сейчас для организации сетей радиосвязи на железно - дорожном транспорте доступен диапазон частот 450-470 МГц.

Настоящий период характеризуется сменой поколений практически во всех областях телекоммуникационной техники, включая область транкинговой радиосвязи. Применение цифровых систем позволяет повысить качество и надежность радиосвязи, эффективность использования частотного ресурса, обеспечивает возможность построения систем управления.

К перспективной системе радиосвязи целесообразно предъявить следующие требования:

- cтандарт, по которому строится система технологической радиосвязи должен удовлетворять требованиям потребителей различных служб железных дорог;

- должен использоваться открытый стандарт с тем, чтобы исключить зависимость от одного поставщика;

- система должна использоваться для решения актуальных технологических задач и одновременно иметь резервы для ее использования в коммерческих целях;

- система должна разворачиваться максимально быстро и на максимально большой территории (по нескольким направлениям железной дороги, с центром в крупном узле);

- стандарт должен поддерживаться потребителями с целью организации роуминга, увеличения объема поставок и т.д.;

- в целях более эффективного использования спектра выделенных различным ведомствам частот возможна интеграция с другими корпоративными сетями;

- должна быть предусмотрена возможность производства аппаратуры на отечественных заводах.

При выборе направления развития технологической радиосвязи, прежде всего, следует ориентироваться на открытые стандарты, то есть стандарты, принятые, например, институтом стандартизации в области средств коммуникации (ETSI), в соответствии, с которыми аппаратура может производиться различными фирмами. В связи с этим целесообразно, в первую очередь, рассмотреть возможность использовании для нужд железнодорожного транспорта Казахстана стандартов TETRA и GSM-R. Эти стандарты приняты ETSI.

TETRA (транс европейская система транкинговой связи) - открытый стандарт, то есть доступ к спецификациям TETRA свободен для всех заинтересованных сторон, присоединившихся к организациям ,подписавшим Меморандум о взаимопонимании в области разработки и производства новой системы - TETRA MoU. В связи с этим оборудование различных производителей должно быть совместимо.

При разработке стандарта было учтено, что на основе TETRA будут созданы, прежде всего, профессиональные системы связи, а не системы связи общего пользования. С этим связана расстановка акцентов при описании требований по функциональным возможностям и общим характеристикам системы и аппаратуры. Однако, системы связи общего пользования также с успехом могут быть созданы на основе стандарта TETRA.

Стандарт TETRA представляет собой совокупность спецификаций цифровой транкинговой системы, разработанной ETSI (Европейский институт стандартизации). По своим эксплуатационно-техническим показателям система TETRA во многом превосходит другие цифровые и аналоговые системы транкинговой радиосвязи. Стандарт использует весь полезный опыт, накопленный стандартом GSM, развитый с учетом специфики корпоративного сектора рынка. Стандарт разработан на основе

технических решений и рекомендаций стандарта сотовых систем связи GSM и ориентировано на создание систем связи, эффективно и экономично поддерживающих совместное использование сетей различными группами пользователей с обеспечением секретности и защищенности информации.

Особое внимание в стандарте уделено интересам служб общественной безопасности.

Системы, работающие по протоколам стандарта TETRA имеют чрезвычайно высокий уровень пользовательского сервиса и отвечают требованиям различных служб производственного назначения по быстродействию. Стандарт TETRA включает в себя две спецификации: TETRA Voice+Dataи TETRA Packet Data Optimized. Первый ориентирован на интегрированную систему передачи речи и данных, второй стандарт, описывающий специальный вариант транкинговой системы, ориентирован только на передачу данных. Радио интерфейс стандарта TETRA предполагает работу в стандартной сетке частот с шагом 25 кГц.

В странах Европы для стандарта выделены частоты в диапазонах 410 - 430 МГц, 870-921 МГц и в диапазонах 450 - 470 МГц, 385-390/395-399,9 МГц.

В настоящее время среди фирм-производителей, являющихся членами TETRA MoU, выделились группы, специализирующиеся на изготовлении различных компонентов системы TETRA. Двенадцать фирм производят абонентское оборудование, десять фирм - инфраструктуру -контроллеры, коммутаторы, центры обслуживания, диспетчерские центры и пр., пять фирм изготавливают тестовое оборудование, две - специализированные интегральные схемы. Пять фирм - Motorola, Nokia, Simoco, Marconi, Tait - производят полный комплекс оборудования. Четыре фирмы-производителя абонентского оборудования в ноябре 1999года провели совместные испытания в соответствии со стандартом TETRAETSI по условиям совместимости и обеспечения совместной работы водной сети (TETR Ainteroperability Profile TIP). Испытания показали, что оборудование фирм Motorola, Nokia, Simoco, Marconi удовлетворяет требованиям стандарта TIP.

В настоящее время существуют действующие сети TETRA, введенные в эксплуатацию компаниями Nokia и Motorola. Nokia установила систему в Г.Хельсинки, Финляндия, для энергетической компании и в Норвегии. Motorola установила систему на острове Джерсидля полиции и в Норвегии в аэропорту г. Гардемон.

Компания Motorola разработала проект сети связи DIMETRA(фирменное название системы по протоколу TETRA) для Лондонского метро. Программа рассчитана на 4 года и предназначена для замены оборудования радиосвязи и передачи данных в Лондонском метро.

Крупный производитель оборудования системы сотовой связи стандартаGSM (Global System for Mobile communications - глобальная система подвижной радиосвязи) фирма Siemens AG предлагает для организации сетей профессиональной радиосвязи две системы - GSM-R(GSM для железных дорог) и GSM Pro (GSM для профессионалов),разработанные на основе системы связи общего пользования GSM. Эти системы предполагается организовывать в диапазоне частот 900 МГц, но в смещенных относительно GSM общего пользования полосах. Стандарт GSM-R, как и стандарт GSM, был принят ETSI. Стандарт GSM-R основывается на стандарте GSM фаза 2+, но имеет некоторые дополнения.

Об оборудовании системой GSM-R нескольких опытных участков и о готовности к поставке всего комплекса аппаратуры в требуемых для построения полноценных систем количествах объявили фирмы Siemens AG и Nortel Networks. В настоящее время система выполняет некоторые дополнительные специфические функциональные требования железных дорог, включая групповой и аварийный вызов, динамическую адресацию по номеру поезда, аварийный и циркулярный вызов, а также требования, определенные Международным Союзом железных дорог для европейской системы управления движением поездов. Однако последнее в полном объеме не было протестировано на опытных участках и реализация функций управления движением поездов не предполагается на проектируемых в настоящее время участках реальной рабочей сети на железных дорогах Швеции. Инфраструктура системы идентична инфраструктуре системы GSM за исключением некоторых дополнений, например, регистра групповых вызовов в центре коммутации и др.

По основным эксплуатационно-техническим показателям, учитывающим особенности их использования в сетях технологической радиосвязи, системы ТЕТКА и GSM-R близки. Вместе с тем, по ряду параметров TETRA (более поздняя разработка, чем GSM) превосходит GSM-R. К числу этих параметров следует отнести, в частности, эффективность использования частотного спектра, время организации канала радиосвязи, наличие режима ретрансляции у абонентских станций, меньшее число базовых станций, необходимых для организации системы и некоторые другие. В тоже время, система GSM-R обеспечивает работу при более высоких скоростях движения (до 500 км/час), чем система TETRA (до 200-250 км/час).

1.6 Сравнительный анализ характеристик сигналов, используемых в цифровых транкинговых системах

Модуляция. Перечислим основные критерии для проведения сравнительного анализа способов модуляции, используемых в подвижных системах:

- устойчивость и достоверность (информация должна передаваться с минимально возможными ошибками);

- простота исполнения;

- эффективность в смысле использования радиочастотного спектра. Наиболее распространенные способы модуляции, которые были предложены для подвижной радиосвязи:

- BPSK - binary phase shift keying - двоичная фазовая манипуляцияФМ2;

- QPSK - quaternaryphase-shift keying - квадратурная фазовая манипуляция ФМд;

- QPSK со смещением - offset quaternaryphase-shift keying -квадратурная фазовая манипуляция со смещением;

- р/4-DQPSK- р/4-differential quaternary phase-shift keying -квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом символов р/4;

- 8PSK - 8- phase shift keying - восьмеричная фазовая манипуляция ФМ₈;

- GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying-гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом;

- QAM - quadrature amplitude modulation - квадратурная амплитудная модуляция АФМ;

- QAM со смещением - offset quadrature amplitude modulation -квадратурная амплитудная модуляция со смещением САФМ.

Ошибки происходят, если шум в радиоканале настолько велик, что один символ изменяется на другой. QPSK (или 4PSK) имеет те же характеристики по BER (Bit Error Rate) на приемной стороне, что и BPSK(2PSK), так как синфазные и квадратурные компоненты могут рассматриваться раздельно. Таким же образом различные формы смещения делают более простым декодирование сигнала, но не увеличивают расстояние между символами в ансамбле сигналов и поэтому имеют те же характеристики, что и BPSK/QPSK. С этой точки зрения р/4-DQPSK является наилучшей из этой группы способов модуляции, так как она наименее подвержена нелинейностям усилителя мощности.

По той же причине QAM со смещением имеет такие же характеристики, что и QAM. В связи с этим при дальнейшем анализе будем рассматривать QAM, OMSK и р/4-DQPSK.

QAM может быть очень эффективной. 16-позиционная QAM (16QAM) может передавать 4 бита в одном символе и имеет характеристику BER приблизительно такую же, как и QPSK в каналах подвижной радиосвязи с замираниями. Поэтому она была предложена для двух систем подвижной радиосвязи - системы iDEN фирмы Motorola и японского цифрового стандарта систем подвижной радиосвязи (наряду с р/4-DQPSK). Хотя при этом способе модуляции требуется большая ширина полосы несущей, . можно получить эффективность выше 2 бит/с/Гц. Однако, 16 QAM является непроверенной для подвижной радиосвязи технологией, и она более сложна, ч GMSK или /4-DQPSK.

Модуляция GMSK является популярным решением для подвижных радиосистем и используется для GSM и DCS 1800. В подвижной профессиональной радиосвязи она используется в системе TETRAPOL. Она имеет структуру с постоянной огибающей и поэтому не требует линейного усиления, но имеет меньшую эффективность по полосе.

Рисунок 1.1 сравнивает частотные спектры сигналов р/4-DQPSK И GMSK.

Произведение времени на ширину полосы импульсного фильтра (ВТ)сигнала GMSK равно 0,3, как в GSM. Можно видеть, что сигнал GMSK имеет большее "рассеяние". Для систем общего пользования, таких например, как GSM, где частоты можно спланировать так, чтобы в соседних сотах не использовались соседние каналы, это рассеяние не является большой проблемой. Однако, в системах профессиональной такое планирование затруднено, и единственным способом является ограничение сигнала в соседней полосе путем уменьшения скорости модуляции. Системы GSM общего пользования имеют скорость несущей 271 кбит/с при разносе между несущими 200 кГц, что дает эффективность 1,35 бит/с/Гц, но соседние несущие интерферируют друг с другом.

На рисунке 1.1 показан спектр сигнала системы TETRAPOL, которая использует GMSK. При отсутствии частотного планирования сигнал TETRAPOL должен четко соблюдать ограничения по своей полосе. Чтобы выполнить это, скорость несущей ограничена до 8 кбит/с, что дает эффективность 0,8 бит/с/Гц или 0,64 бит/с/Гц. Сигнал TETRAPOL имеет показатель ВТ=0,25, что дает меньшую полосу, чем сравниваемый сигнал GSM, ценой немного более высокого BER . Сигнал TETRAPOL полностью укладывается в полосу 12,5 кГц (то есть интерференция по соседнему каналу меньше минус 60 дБ относительно несущей). Сигнал TETRAPOL также хорошо укладывается в полосу 10 кГц, что позволяет в системе TETRAPOL работать на соседних несущих (интерференция по соседнему каналу меньше минус 42 дБ относительно несущей). Сигнал TETRA укладывается в полосу 25 кГц.

При демодуляции сигнала существует два основных способа: когерентное детектирование, которое использует копию сигнала несущей, и некогерентное детектирование, которое использует только принимаемый сигнал. Когерентное детектирование, в общем виде, проще, так как принимаемый сигнал можно сравнить с несущей, чтобы определить модулированный сигнал, но в подвижных системах радиосвязи сложно получить достоверную копию несущей, что делает не когерентное детектирование более простым.

При некогерентном детектировании можно использовать дифференциальное кодирование. Это ухудшает характеристики

помехоустойчивости, так как если при декодировании делается ошибка, она влияет на большее число бит. Дифференциальное кодирование ухудшает характеристику BER приблизительно на 3 дБ, но эта оправдано из-за снижения сложности декодирования. р/4-DQPSK - это форма модуляции, используемая в стандарте наземной транкинговой радиосвязи TETRA. р/4-DQPSK является одной из наиболее популярных способов модуляции для подвижной радиосвязи. Такая модуляция используется, например, в американской системе сотовой связи IS-54, японской PDC на АРС025. В случае р/4-DQPSKкаждая комбинация дибитов образует определенный переход фазы Оф(к) (который является целым числом раз р/4). Для каждого



Рисунок - 1.1 Сравнение между спектрами -р/4 DQPSK и GMSK

Рисунок - 1.2 Переходы фазы при TIM-DQPSK.

символьного периода T_s=2T_b , где Т_b - период бита, фаза несущей обновляется с использованием следующего соотношения для сигнала, когда его мощность (до усиления и фильтрации для передачи) равна S₀:

(1.1)

где I_k=cosц_k, а Q_k=sinц_k.

Выбор значения дифференциальной фазы делается очень удобно в соответствии со следующим:

(1.2)

Переход фазы не зависит от текущей фазы несущей и имеет максимальное значение Зр/4, которое меньше, чем максимальное смещение фазы, создаваемое при OQPSK (QPSK со смещением). Переходы фазы несущей, создаваемые при р/4-DQPSK, показаны в таблице 1.1 и на рисунке 1.2. Хотя на диаграмме имеется 8 отдельных фаз несущей, важно, что существует только 4 возможных перехода, которые не зависят от текущей фазы несущей. Так как возможные значения обновления фазы несущей D_?(k) {± р/4, ± Зр/4} сдвинуты на 45°относительно фазы предыдущей пары бит, модуляция р/4 DQPSK может также рассматриваться как суперпозиция двух ансамблей сигналов QPSK со сдвигом 45° друг относительно друга [6] , что в результате и дает восемь фаз. Заметим, что ансамбль сигналов р/4-DQPSK не показывает

перехода от одного символа к другому через первоначальный, что означает, что огибающая этой модуляции имеет меньшее изменение, чем огибающая QPSK.

Таблица 1.1 - Переходы фазы при р/4-DQPSK

Дибит [Х(k), Y(k)]	Dk(k)
00	+р/4
01	+Зр/4
11	-Зр/4
10	-р/4



Рисунок - 1.3 Модулятор для р/4-DQPSK.

Рисунок - 1.4 Демодулятор р/4-DQPSK

На рисунке 1.3 показан модулятор. Здесь В(m) представляет собой входную последовательность данных, которая отображена в дибитах (символах) [X(k),Y(k)] = [В(2k-1),В(2k)]. Синфазные и квадратурные компоненты i(k), q(k), которые поступают на фазовый модулятор, таковы:

(1.3)

(1.4)

значения - те же, что определены в таблице 1.1 для соответствующих значений Х(k)и Y(k).

На приемной стороне отдельные дибиты воссоздаются при сравнении текущей фазы несущей с предыдущей фазой несущей и основаны на измерении разницы фаз. Эта относительно простая операция требует наличия и синфазного, и квадратурного компонентов для выделения отличий между переходом фазы р/4 и -р/4, например, и приводит к относительно простому демодулятору, который имеет вид, приведенный на рисунке 1.4.

...