Решения профессиональной конвенциональной радиосвязи на базе стандарта DMR

Автор: Чивилев Сергей Владимирович, кандидат технических наук,
Компания: Интегра Про

Сокращенная версия статьи опубликована в журнале «Технологии и средства связи», №6 за 2007 год, стр. 70 - 73.

Аннотация. Настоящая публикация предлагается вниманию специалистов в области профессиональной радиосвязи. В статье рассматриваются основные преимущества стандарта DMR, как относительно новой цифровой технологии радиосвязи.

Стандарт DMR (Digital Mobile Radio) разработан Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI). Стандарт DMR позиционируется как открытый стандарт, т. е. предполагается, что оборудование различных производителей будет совместимо. В состав ассоциации DMR входит много участников, в том числе Hytera, Excera, Motorola, Sepura, Selex, BMWI (федеральное министерство Германии), BNetzA (регулятор Германии), Prod-El (часть SELEX COMMUNICATIONS), Vertex standard, TAIT Electronic, Motorola, Fylde Microsystems и др.

В апреле 2005 года вышел первый релиз стандарта DMR-ETSI TS 102 361 описывающий радиоинтерфейс (часть 1), а также голосовые и базовые функциональные особенности стандарта (часть 2).

В январе 2006 года добавилась третья часть стандарта DMR, описывающая протокол передачи пакетных данных.

Вместе с этим серийные образцы радиостанций, удовлетворяющих требованиям первых трех частей стандарта DMR на диапазон 403-470 МГц появились лишь в середине 2007 года, а на диапазон 136-174 МГц в октябре–ноябре 2007 года.

Существует также транкинговая реализация стандарта DMR Tier III о которой следует подготовить отдельный материал вне рамок настоящей статьи. Вместе с этим компания Motorola предлагают пользователям собственный проприетарный протокол реализующий часть функций классической системы транкинговой радиосвязи. При этом структура радиоинтерфейса такой системы похожа на открытый стандарт DMR.

Решения конвенциональной радиосвязи на базе технологии DMR актуальны для предприятий малого и среднего бизнеса, где потребность в средствах профессиональной радиосвязи очевидна. К ним относятся предприятия отрасли безопасности (охрана), строительные организации, транспортные предприятия (такси), а также службы обеспечения и охраны правопорядка (с относительно низкой плотностью абонентов и малым удельным количеством голосовых соединений).

Появление стандарта DMR обусловлено рядом факторов, отличающих его от аналоговых протоколов:

- более высокая частотная эффективность;

- цифровой протокол;

- совместимость с существующими средствами аналоговой радиосвязи;

- низкие требования к аппаратной платформе абонентских устройств и инфраструктуры;

- поддержка передачи текстовых сообщений;

- передача пакетных данных;

Интерес потребителей к решениям стандарта DMR в секторе профессиональных средств радиосвязи объясняются необходимостью:

обеспечения защиты радиоэфира от прослушивания;
организации передачи текстовых сообщений вместе с голосом;
увеличения разборчивости речи при сильных окружающих акустических помехах;
увеличения срока непрерывной работы аккумуляторных батарей.

Радиоинтерфейс DMR

Как и в цифровом стандарте профессиональной радиосвязи TETRA, в основе DMR лежат механизмы TDMA (Time Division Multiple Access -- многостанционный доступ с временным разделением каналов), что позволяет разместить два временных интервала (независимых логических канала) на одной частотной несущей с сеткой частот 12,5 кГц. Тип модуляции - 4FSK (четырехуровневая частотная манипуляция).

Гибкость, заложенная в рамках стандарта DMR, позволяет реализовывать решения не только в классических диапазонах 136-174 МГц и 403-470 МГц, но во всем спектре частот от 50 МГц до 999 МГц. Причем дуплексный разнос, для решений с применением точки ретрансляции допускается любым, в том числе классические 4,6 МГц для диапазона 160 МГц и 45 МГц для диапазона 900 МГц. Дуплексный разнос определяется 15 битной сигнальной последовательностью в структуре цифрового кода стандарта DMR.

На рис. 1 представлена структура радиоинтерфейса стандарта DMR. Длительность временного интервала, организующего один логический канал, составляет 30 мс. Из них 27,5 мс отведены под полезную нагрузку, составляющую 216 бит и 48 сигнальных битов. Защитный межинтервальный разнос - 2,5мс. Канальная скорость передачи данных составит около 2 кбит/с. В случае передачи пакетных данных следует учитывать, что в зависимости от длины IP-пакетов процент полезных данных будет снижаться за счет заголовков IP пакетов.

Рис. 1. Структура радиоинтерфейса стандарта DMR.

Важным условием с точки зрения планирования конвенциональной сети радиосвязи является то, что в режиме прямой связи (без использования ретранслятора) в настоящее время задействуется лишь один логический канал из двух доступных. Это характерное обстоятельство объясняется отсутствием точки синхронизации для одновременной передачи двумя абонентскими терминалами (радиостанциями). В этом случае преимущества прямого режима по отношению к аналоговому режиму в части увеличения канальной емкости не будет.

В рамках стандарта DMR различают два режима:

Режим прямой связи (Direct mode) – симплексная связь.
Режим связи через ретранслятор (Repeater mode) (см. рис. 2) – с поддержкой технологии двухчастотного симплекса с дуплексным разносом, FDD (Frequency Division Duplex). В этом режиме возможны два одновременных независимых голосовых соединения на одной дуплексной паре частот.

Рис. 2. Принципы организации связи с использованием ретранслятора.

Важным с точки зрения регулирующих органов является то обстоятельство, что существующая сетка частот 12,5 кГц сохраняет свою целостность при внедрении решений стандарта DMR, что, в свою очередь, позволит пользователям осуществить плавную миграцию собственных средств связи от аналоговых технологий к цифровым, увеличивая канальную емкость в 2 раза. Однако по состоянию на 2011 год исследований регулирующими органами на предмет электромагнитной совместимости с существующими средствами радиосвязи не проводились.

Качество передачи речи

Вокодер с алгоритмом ACELP (линейное предсказание с возбуждением от алгебраической кодовой книги) доказал свою эффективность в условиях сильных акустических помех. Для обнаружения ошибок при передаче в канале радиосвязи и их исправления при канальном кодировании применяется технология Forward Error Correction (FEC) и механизмы CRC (Cyclic Redundancy Code).

На рис. 3 представлен сравнительный график ухудшения связи для систем с аналоговой и DMR-технологиями. Говоря о дальности связи стоит упомянуть, что достигаемые результаты зависят не только от наличия естественных природных преград, но и от окружающей электромагнитной обстановки.

Рис. 3. Сравнительный график ухудшения связи для систем на основе аналоговой и DMR технологий.

Основные возможности DMR
Стандарт DMR реализует функциональный набор, ранее нехарактерный для сектора средств конвенциональной радиосвязи. К основным функциональным возможностям цифрового стандарта DMR следует отнести:

цифровую обработку сигнала;
приоритетный аварийный вызов;
удаленный контроль;
опциональное шифрование;
одновременную передачу голоса и данных (планируется);
работу в аналоговом режиме, что особенно актуально при постепенной миграции аналоговых конвенциональных систем.

Типы вызовов реализуемых в рамках стандарта DMR:

индивидуальный вызов «радиостанция – радиостанция»;
групповой вызов «радиостанции – группа радиостанций»;
групповой вызов «радиостанция – все радиостанции»;
передача пакетных данных с канальной скоростью до 2 кбит/c

Различными компаниями разработаны диспетчерские программные комплексы, наиболее полно реализующие заложенные в рамках стандарта DMR возможности. Примером диспетчерского приложения для позиционирования абонентов может являться программный продукт TRBOLocator (TRBO Locator).

Сравнение DMR с существующими сетями конвенциональной радиосвязи

Представляет интерес сравнение функциональных возможностей стандарта DMR с предлагаемыми в настоящее время аналоговыми решениями (с технической точки зрения). В свою очередь, пользователи сами принимают решение о выборе технологии для построения или модернизации собственной системы радиосвязи.

В таблице 1 представлен сравнительный анализ функциональных возможностей решений стандарта DMR и классических конвенциональных (аналоговых) сетей для прямого режима и при использовании ретранслятора.

Таблица 1. Типы вызовов и связанные услуги.

Характеристика	DMR (режим прямой связи)	Аналоговая сеть (режим прямой связи)	DMR (режим с ретранслятором)	Аналоговая сеть (режим с ретранслятором)
Количество одновременных соединений на одном частотном канале	1	1	2	1
Индивидуальный вызов (абонент – абонент), полудуплекс	•	-	•	-
Групповой вызов (абонент – группа абонентов)	•	•	•	•
Аварийный вызов (обслуживание вне очереди)	•	-	•	-
Передача текстовых сообщений	•	-	•	-
Определение номера вызывающего	•	-	•	-
Работа без базового оборудования	•	•	•	•

Внедрение DMR

Набор средств профессиональной радиосвязи, удовлетворяющий стандарту DMR может быть найден в открытых источниках. Компания «Интегра Про» предлагает ознакомиться с собственным каталогом. Абонентские терминалы (радиостанции) выпускаются в двух исполнениях -- портативном и мобильном. Портативные терминалы могут оснащаться диспелем и GPS приемником, а также иметь скрытоносимое или взрывобезопасное исполнение. Мобильные (стационарные) терминалы предназначены для монтажа на удаленных точках и транспортных средствах. В качестве элементов инфраструктуры используются ретранслятор с различной выходной мощностью.

К сожалению, первая версия оборудования стандарта DMR не позволяет реализовать такие значимые функции, как телефонный вызов, дуплексный вызов, приоритезацию абонентов, а приложения по передаче телеметрии и пакетных данных требуют написания специализированного программного обеспечения. Однако даже эти ограничения позволяют уже сегодня успешно внедрять оборудование DMR.

На рис. 4 отображена вертикальная модель рынка средств радиосвязи и место в ней оборудования, поддерживающего стандарт DMR.

Рис. 4. Вертикальная модель рынка средств радиосвязи и место, занимаемое DMR.

В заключение можно сказать, что применение решений стандарта DMR на производстве позволит:

увеличить управляемость в организации (на предприятии)
улучшить качество связи и разборчивость речи в тяжелой помеховой обстановке;

Заложенный производителями функционал позволяет реализовать широкий набор решений, таких как:

передачу пакетных данных (пропускная способность (UDP) до 2 кбит/c);
передачу телеметрии;
передачу текстовых сообщений;
приложения по контролю местоположения.

Преемственность и совместимость с существующими аналоговыми системами связи позволяет сохранить сделанные ранее инвестиции и заменять парк устаревающих аналоговых абонентских терминалов по мере необходимости.