Преимущества и возможности стандарта профессиональной радиосвязи TETRA (ETSI)

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

Версия статьи опубликована в журнале «Специальная техника», №6 за 2007 год, стр. 45 — 50.

До апреля 1997 г. аббревиатура TETRA читалась как Trans-Eupopean Trunked RAdio (Трансевропейское транкинговое радио).Стандарт TETRA создавался Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) как единый общеевропейский стандарт цифровой транкинговой радиосвязи. Впоследствии, когда интерес к стандарту TETRA вышел за пределы Европы, смысл аббревиатуры TETRA изменился и стал расшифровываться как Наземное Транкинговое Радио (TErresstrial Trunked RAdio).

Стандарт TETRA является основным открытым стандартом для систем профессиональной транкинговой радиотелефонной связи. Прежде всего, это современный цифровой стандарт, разработанный на основе технологии GSM и ориентированный на создание систем связи эффективно и экономично решающих задачу гибкой коммуникации между различными группами пользователей. В рамках стандарта предусмотрена многоуровневая приоритезация вызовов и защищенность информации. Основными пользователями систем стандарта TETRA являются транспортный сектор, государственные учреждения, силовые ведомства, аэропорты, производственный сектор.

Открытость

TETRA – открытый стандарт, в рамках которого оборудование различных производителей должно быть совместимо. Для получения доступа к спецификациям TETRA необходимо вступить в ассоциацию «Меморандум о взаимопонимании и содействии стандарту TETRA» (MoU TETRA). Ассоциация объединяет разработчиков, производителей, испытательные лаборатории и пользователей оборудования из различных стран. При этом элементы инфраструктуры различных производителей абсолютно несовместимы между собой, в связи с абсолютно различными идеологиями построения сетей. Кроме того, качественный и количественный состав оборудования инфраструктуры различных производителей для реализации одних и тех же функций может отличаться на порядок. Все производители оборудования стандарта TETRA реализуют один радиоинтерфейс, что позволяет использовать в одной сети абонентские терминалы (радиостанции) различных производителей.

Основным требованием к узлам TETRA является функциональная совместимость, т. е. типовой набор функций в абонентских терминалах TETRA различных производителей должен реализовываться в полной мере на любом инфраструктурном оборудовании.

Даже такие дополнительные функции как WAP, GPS позиционирование, передача данных, удаленный доступ к базам данных и приложениям реализуется между абонентскими терминалами различных производителей.

Состав системы TETRA

Основными элементами системы транкинговой связи TETRA являются:

• Инфраструктура управления и коммутации (SwMI, Switching and Management Infrastructure)
  К инфраструктуре TETRA относится оборудование, которое обеспечивает радиопокрытие и необходимые функции сети, в том числе зоновые контроллеры, центры коммутации / маршрутизации; базовые станции; диспетчерские пульты; центр управления системой; шлюзы в другие сети; серверы приложений и др.

• Абонентские терминалы или радиостанции TETRA в портативном (носимом), мобильном (возимом) или станционарном исполнении. К абонентским терминалам также относятся специализированные модемы с функцией управления подключаемыми периферийными устройствами.

ОСОБЕННОСТИ СТАНДАРТА TETRA

Режимы функционирования оборудования

Стандартом описывается два режима функционирования абонентского оборудования (радиостанций):

• Режим транкинговой радиосвязи (Trunked Mode Operation, TMO)
  Режим ТМО возможен, когда абонент находится в зоне действия базовой станции. Режим TMO может предоставлять абоненту все возможности TETRA и оптимизирован для: одновременной передачи голоса и данных (V+D) или пакетной передачи данных (Packet data optimized).

• Режим прямой передачи (Direct Mode Operation, DMO)
  Режим DMO предназначен для группового взаимодействия между абонентами за пределами зоны действия базовых станций TETRA. Связь между абонентами осуществляется в полудуплексном режиме, но при этом сохраняется возможность сделать индивидуальный или групповой вызов.

Радиоинтерфейс стандарта TETRA

 Стандарт TETRA использует технологию многостанционного доступа с временным разделением (Time Division Multiple Access, TDMA) совместно с технологией частотного дуплекса (Frequency Division Duplex, FDD). Тип модуляции радиоканала – относительная дифференциальная фазовая манипуляция со сдвигом кратным π/4 (π/4 DQPSK).

Стандарт TETRA реализует максимально возможную в системах подвижной радиосвязи частотную эффективность – 4 логических канала занимают 25 кГц.

На рис. 1 представлена структура радиоинтерфейса стандарта TETRA в режиме TMO.

 

Рис. 1. Радиоинтерфейс стандарта TETRA в режиме TMO.

Один из логических каналов базовой радиостанции TETRA является управляющим. Обычно это первый слот на первой несущей. Управляющая информация также передается в каждом 18 кадре на каждом логическом канале. При этом кадр общей длительностью 56,67 мс состоит из четырех временных интервалов (слотов).

Основные аспекты коммутации в рамках стандарта TETRA:

1. Голосовые вызовы занимают только один логический канал.

2. Голос и данные могут передаваться одновременно.

3. Вызовы передачи данных могут занимать до четырех логических каналов одновременно.

В режиме DMO картина несколько иная (см. рис. 2). Синхронизацию в логическом канале осуществляется по терминалу-мастеру (терминал, у которого в текущий момент времени нажата клавиша PTT). Первая фаза стандарта TETRA подразумевает использование в режиме DMO только одного логического канала из 4 доступных. При этом другие группы, закрепленные на этой же частоте, получат сообщение о занятости канала. Вторая фаза предполагает возможность осуществления одновременно 2 групповых вызовов в режиме DMO.

 

Рис. 2. Структура каналов стандарта TETRA в режиме DMO.

Обнаружение и исправление ошибок в канале

Для обнаружения ошибок при передаче в канале радиосвязи и их исправления в канальном кодировании применяются технологии Forward Error Correction (FEC) и Cyclic Redundancy Check (CRC) в виде четырех процедур: блочного кодирования, сверточного кодирования, перемежения и шифрования, после чего формируются информационные каналы. Скорость выходного потока несущей равна 36 кбит/с (см. рис. 3). О функциях шифрования будет рассказано далее.

 

Рис. 3. Формирование общей емкости одного физического канала.

Кодирование речи

Стандарт TETRA предусматривает использование речевого кодека ACELP (линейное предсказание с возбуждением от алгебраической кодовой книги) со скоростью 4,8 кбит/с. Если сравнивать качество речи по шкале MOS (Mean Opinion Score) в сетях стандарта TETRA с качеством голоса в привычных всем сетях GSM, то качество кодека GSM оказывается незначительно лучше (см. рис. 4). Но при этом не стоит забывать, что стандарт TETRA в четыре раза эффективнее GSM с точки зрения использования частотного спектра.

 

Рис. 4. Сравнение качества голоса в сетях TETRA и GSM.

Для справки: оценка MOS 4 означает «превосходное качество, незаметное ухудшение»; MOS 3 «хорошее качество, различимое, но не раздражающее ухудшение».

Энергетика и качество покрытия сетей TETRA

Важным следствием организации радиоинтерфейса является вопрос энергетики радиоканала TETRA. Говоря о зонах покрытия базовой радиостанции, следует упомянуть, что радиус зоны обслуживания зависит не только от типа модуляции и кодирования, но и от наличия естественных преград и окружающей электромагнитной обстановки. В условиях правильно реализованного антенно-фидерного оборудования достигались впечатляющие результаты – связь на расстоянии до 50 км от базовой станции для портативных абонентских терминалов.

В отличие от систем аналоговой радиосвязи, где можно качества передачи голоса деградирует с удалением абонента от базовой станции, в цифровых системах качество речи можно считать неизменно-высоким и независящим от удаления. Очевидно, что существует порог расстояния, при котором уровень ошибок превышает исправляющую способность кода, и связь становится невозможной. Цифровые системы дают заметное преимущества по покрытию и качеству речи. На рис. 5 представлен сравнительный график ухудшения качества передачи голоса для аналоговых систем и систем TETRA.

 

Рис. 5. График ухудшения качества речи в аналоговых и цифровых системах связи.

Существенным преимуществом сетей стандарта TETRA, в сравнении с другими сетями и аналоговой и профессиональной радиосвязи (DMR, MPT1327, APCO25, NEXEDGE, dPMR и др.) 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 или 32 мВт.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ НАБОР

Голосовые вызовы

Можно определить следующие особенности голосовых вызовов в рамках стандарта TETRA:

• Высокое качество голоса за счет применения цифровой обработки, что позволяет работать в условиях повышенного акустического шума.

• Быстрое установление вызова (до 150 мс).

• Индивидуальный вызов (радиостанция – радиостанция). Многоуровневые приоритеты. Дуплексный, полудуплексный вызовы.

• Телефонный вызов (радиостанция – внешние телефонные сети).

• Групповые соединения (радиостанция – группа радиостанций):
  — групповые вызовы (абонент — группа абонентов);
  — широковещательные вызовы (абонент — все абоненты);
  — сканирование групп;
  — динамическое перегруппирование (объединение абонентов в группы без программирования абонентских терминалов);
  — управление зоной вызова (инициирование группового вызова только в определенных зонах);
  — позднее подключение (позволяет абоненту подключиться к уже действующей группе).

• Режим прямой связи (DMO)

• Экстренные вызовы (вызовы с максимальным приоритетом)

Полный перечень дополнительных услуг, относящихся к голосовым вызовам и поддерживаемых в рамках стандарта TETRA, не имеет смысла перечислять в рамках настоящей публикации. Можно остановиться лишь на некоторых из них, наиболее важных:

• избирательное прослушивание Ambient Listening (позволяет диспетчеру незаметно для абонента прослушивать окружающую абонента обстановку)

• дистанционное прослушивание Discreet Listening(позволяет диспетчеру прослушивать групповые и индивидуальные вызовы в системе)

• вызов по сокращенному номеру

• вызов с удержанием

• вызов с ожиданием

• установление соединения при освобождении вызываемого абонента

• установление соединения по мере получения ответа абонента

• идентификация номера вызывающего абонента

• запрет на идентификацию номера вызываемому абоненту

• приоритет доступа с отключением абонентов с меньшим приоритетом

• приоритет доступа при исходящих вызовах

• приоритет доступа при входящих вызовах

• запрет на идентификацию номера вызывающему абоненту

• уведомление занятого абонента о поступившем вызове

• безусловная переадресация вызова

• переадресация вызова при занятости вызываемого абонента

• переадресация вызова при отсутствии ответа вызываемого абонента в течение заданного времени

• переадресация вызова при недоступности вызываемого абонента

• ограничение исходящих вызовов

• ограничение входящих вызовов

Передача данных

В рамках стандарта TETRA можно выделить следующие услуги по передаче данных:

• Передача данных с коммутацией каналов, cо интерфейсной скоростью 2.4 - 28.8 кбит/с

• Передача данных с пакетной коммутацией, cо скоростью 2.4 - 28.8 кбит/с (фаза 1)

• Передача коротких информационных и статусных сообщений (до 256 ASCII-символов в рамках одного сообщения).

Существуют несколько режимов передачи данных: без защиты (до 7.2 кбит/с на канал), с низким уровнем защиты до 4.8 кбит/с на канал) с высоким уровнем защиты (до 2.4 кбит/c на канал). При применении незащищенной передачи данных функция проверки доставки данных должна выполняться приложениями верхнего уровня эталонной модели OSI.

Идентификация и адресация

 При разработке механизмов идентификации и адресации в TETRA учитывались следующие предпосылки:

• уникальность идентификации любого абонента любой сети;

• возможность использования укороченных идентификаторов;

• взаимодействие множества сетей (и сетевых операторов), в каждой из которых работает большое число абонентов;

• поддержка роуминга и миграции абонентов.

Номерной план в рамках стандарта TETRA соответствует рекомендациям ITU E.212.

Для домашней сети TETRA выделяют следующие полные TSI номера (TETRA Subscriber Identities):

• ITSI — индивидуальный идентификатор абонента TETRA;

• GTSIs — групповой идентификатор абонента TETRA;

• ATSI — именной идентификатор абонента TETRA.

 

Для роуминговой сети TETRA:

• (V)ATSI — именной идентификатор роумингового абонента TETRA;

• (V)GTSIs — идентификатор роуминговой группы TETRA.

 

Каждая радиостанция TETRA обладает как минимум одним семейством TSI, в состав которого входят следующие элементы:

• один индивидуальный идентификатор (ITSI);

• один или несколько групповых идентификаторов (GTSI);

• один телефонный номер (согласно E.164);

• один идентификатор-псевдоним (ATSI).

Мигрирующие абоненты могут сохранять в визитных сетях имеющиеся ITSI, либо получать от оператора визитной сети новые идентификаторы-псевдонимы. В последнем случае они называются (V)ATSI. Мигрирующим абонентам могут быть также присвоены визитные групповые идентификаторы (V)GSSI.

Адресация TSI имеет два поля в структуре идентификатора (номера TETRA):

• идентификатор сети, состоящий из комбинации кодов страны MCC (mobile country code) – 3(4) цифры и сети MNC (mobile network code) – 4(5) цифр;

• короткий идентификатор абонента – до 7(8) цифр. Стоит сказать, что идентификаторы с номером выше 16777215 зарезервированы стандартом под шлюзы в другие сети.

Если абонент системы TETRA набирает несуществующий идентификатор, вызов отклоняется системой.

Несколько слов следует сказать о номерах TEI (TETRA Equipment Identities). Указанные номера являются уникальными для каждого абонентского терминала TETRA — не существуют двух радиостанций с одним и тем же идентификатором. Номер TEI состоит из 15 цифр и включает в себя сборочный код FAC (Final Assembly Code), код подтверждения TAC (Type Approval Code), а также электронный серийный номер ESN (Electronic Serial Number) и резервный номер SPR (Spare). Двухзначный сборочный код указывает на производителя и место сборки.

TEDS (TETRA Enhanced Data Services)

На протяжении нескольких лет различные производители оборудования стандарта TETRA говорят о приближении поставок оборудования работающего в режиме TEDS, являющегося частью второй версии стандарта TETRA (Release 2).

Прежде всего, следует отметить, что преимущества TEDS доступны только при использовании большей полосы частотного канала. Наряду со стандартным каналом шириной в 25кГц, предполагается использование каналов шириной 50, 100 и 150 кГц. При этом предполагаются другие типы модуляции помимо стандартного pi/4 DQPSK: pi/8D8PSK, 4 QAM, 16 QAM, 64 QAM.

Логично предположить, что использование каналов с типами модуляции высших порядков ухудшит параметры помехоустойчивости каналов связи и в свою очередь сузит зону обслуживания базовой станции. Понятен также и тот фактор, что переход на каналы связи с более широкой полосой пропускания приведет к конфликту с регулирующими органами, так как оценку электромагнитной совместимости в современных условиях никто не производил.

Безопасность в сетях TETRA

В рамках стандарта TETRA предусмотрены мероприятия по обеспечению безопасности, направленые на исключение несанкционированного использования ресурсов системы и обеспечение конфиденциальности передаваемой информации в сети.

Эти мероприятия обеспечиваются следующими механизмами:

• аутентификация как абонентов, так и инфраструктуры;

• шифрование радиоканала;

• обеспечение секретности параметров радиостанций.

Аутентификация абонентов осуществляется на основе 128 битного ключа аутентификации и уникального номера TEI (см. выше). Абонентский терминал с неправильным идентификатором не допускается к ресурсам системы TETRA.

Инфраструктура DAMM TetraFlex предоставляет своим пользователям аутентификацию абонентов в базе, однако лишь один производитель SEPURA бесплатно активирует опцию аутентификации. При выборе производителя абонентских терминалов обратите внимание на наличие опции аутентификации, если не хотите допустить в своей сети абонентов-двойников.

Шифрование информации является опциональной особенностью каждой конкретной системы стандарта TETRA. Радиоинтерфейс стандарта TETRA является защищенным априори. Но возможны и другие опции по шифрованию:

• E2E (End-to-End) – шифрование индивидуальных вызовов радиостанция-радиостанция (длина ключа шифрования может составлять 128 бит);

• шифрование радиоинтерфейса по алгоритмам TEA1, TEA2, TEA3, TEA4 (TETRA Encryption Algorithm).

Секретность же параметров абонента обеспечивается посредством кодовой защиты конфигурации абонентского терминала и присвоения идентификаторов-псевдонимов.

ЧТО ЖЕ МЫ ПОЛУЧАЕМ ОТ TETRA?

В заключении хотелось бы еще раз остановиться на основных преимуществах решений на базе стандарта TETRA:

• частотная эффективность (требуется меньшее количество частотных каналов);

• высокая эффективность управления системой технологической радиосвязи;

• низкие эксплуатационные расходы;

• высокая пропускная способность системы;

• высокая разборчивость речи в тяжелой помеховой обстановке;

• защита переговоров абонентов

Стандарт TETRA постоянно развивается, дополняясь новыми функциональными особенностями. Решения на базе стандарта TETRA позволяют быть уверенными в том, что сделанные инвестиции в систему радиосвязи по-настоящему эффективны.