О применении технологии PoC (PTT over Cellular) для решения задач радиосвязи

Автор: Чивилев Сергей Владимирович, к.т.н.
Компания: «Интегра Про» (www.integra-pro.com)

Аннотация:

Несколько прошедших международных мероприятий (Critical Communications World, PMR Expo, Comms Connect и другие) показали активный интерес пользователей к решениям для технологических коммуникаций, которые при своей реализации позволяют отказаться от создания собственной радио-инфраструктуры и избежать оформления частотных присвоений. Именно эти идейные пространства заполняются различными вендорами, в том числе многочисленными китайскими компаниями, предлагающими схожие продукты. В этом обилии предложений мы постарались разобраться, поставив перед представителями вендоров ряд вопросов, а также поделиться результатом с профессиональным сообществом для дальнейшей предметной дискуссии.

Можно принять данный тип коммуникаций, как отдельный сегмент со следующим смысловым содержанием: «Групповая диспетчерская сотовая связь (ГДСС)».

Публикация составлена на период декабря 2019 года и может потерять свою актуальность и полноту со временем, однако вопросы могут быть острыми длительное время, с учетом отечественной специфики и реального положения вещей.

1. Основные положения о PTToC.

Решение PTToC (или PoC) это по своей сути программный коммутатор или прокси-сервер, на котором авторизуются приложения, развернутые на PoC терминалах (разновидность смартфона). Транспортом являются выделенные или публичные операторские сети 3G/4G, а также Wi-Fi сегменты. (UPD: существует аналогичная по сути маркетинговая линейка с кодировкой McPTT, однако по своей сути не имеет отношение к MCX и 3GPP). Заявляются следующие функции:

- индивидуальный голосовой вызов терминал-терминал или терминал-консоль;

- групповой вызов, в соответствующей интерпретации;

- позиционирование абонента на карте диспетчера;

- передача видеофайлов и видеопотоков;

- передача пользовательских данных/медиафайлов;

- аварийный вызов;

- защита/шифрование данных.

Выше перечислены основные базовые функции, однако при более глубоком анализе следует также обратить внимание на следующие аспекты применения ГДСС технологии для профессиональных коммуникаций:

- Какое количество голосовых потоков может одновременно обрабатывать PoС терминал (не все приложения могут обрабатывать более 1 потока/соединения);

- Как себя ведет PoC терминал при поступлении входящего вызова при существующем активном подключении;

- Есть ли управляемый приоритет группового вызова над индивидуальным;

- Сколько групп может сканировать и приоритезировать PoC терминал;

- Есть ли возможность работы с резервным центральным коммутатором-сервером.

В зависимости от применения и назначения, формируются следующие требования к приложениями на PoC терминалах и их трафику в сети, для максимального приближения ГДСС к функционалу профессиональной связи:

- постоянная доступность и активность приложений;

- стабильность;

- минимальные задержки в установлении соединения;

- сохранение вызова при географическом перемещении абонента;

- прохождение контента по сетям публичных операторов с меткой приоритета.

Наблюдаются следующие потенциальные осложнения, ведущие к деградации функций PoC/ГДСС:

- недоступность операторского сервиса в местах, требующих присутствия.

Оператор публичной сети осуществляет планирование и развитие своей сети по критериям нагрузки, а пользователю требуется сервис в местах его присутствия. Если эти два условия совпадают, то может наблюдаться эффект от внедрения PoC в процессах компании-пользователя.

- отсутствие приоритета трафика PoC в потоке данных оператора.

Как следствие, в часы максимальной нагрузки сервис данных будет деградировать и в равной пропорции будут теряться функции PoC. Стоит помнить, что ни один оператор не гарантирует услугу передачи данных широкому кругу пользователей.

- концентрация пользователей PoC в ограниченной локации. Как следствие возрастание нагрузки на сеть передачи данных оператора. Положение усугубляется наличием первых двух причин, перечисленных выше.

Задержка в установлении группового вызова для пользователей, сосредоточенных в одной базовой станции зависит от числа участников и может достигать 2 секунд и более.

- отключение основных служб операторов связи при ЧС или сбоях.

2. Методы организации групповых коммуникаций.

Технология PoC позиционируется некоторыми участниками в качестве замены классической профессиональной радиосвязи, однако стоит отметить принципиальную разницу, которая делает технологию PoC похожей на велосипедиста участвующего в мотокроссе.

В настоящих системах профессиональной радиосвязи (стандарты TETRA, TEDS, DMR, APCO, а также некоторые вариации проприетарных протоколов, в том числе, но не ограничиваясь NXDN, PDT и т.д.)   выделяемый ресурс для Группы в системе радиосвязи воспринимается как вызов, требующий 1 канал. То же касается передачи данных. Таким образом можно создать групповой вызов на тысячи пользователей при занятии ограниченного ресурса сети – только 1 канала.

В системах PoC для организации одного группового вызова каждому конкретному абоненту потребуется индивидуальный ресурс передачи данных. Необходимо резервировать операторский ресурс пропорционального числу пользователей. Именно поэтому для оператора маркирование приоритетом трафика PoС не выглядит разумным.

Также существует проблема выделения тайм-слота множеству пользователей внутри одной базовой станции. В случае формирования группы задержка в предоставлении ресурса разным участникам может достигать 2 секунд. Как это будет влиять на технологический процесс можно только догадываться. 

ГДСС может оказаться по-настоящему интересной водителям-дальнобойщикам и сервисам схожим по назначению – логистика. Однако, состояние операторского радиопокрытия 3G/4G на федеральных трассах делает задачу по организации ГДСС/PoC коммуникаций трудновыполнимой.

3. Что из себя представляет PoC терминал и какие вендоры их предлагают. Основные отличительные характеристики.

По сути PoC терминал это смартфон с операционной системой Android различных версий (встречаются даже образцы с Android 4.x), специализированным PoC приложением (.apk), реализующим функции организации связи с серверной частью и управления дополнительными клавишами (в том числе PTT/Push-to-talk, которых может быть несколько).

PoС терминал может быть оснащен 2-я SIM картами и по виду может напоминать радиостанцию, предназначенную для оперативной радиосвязи. Он может не иметь дисплея, но оснащается крупным динамиком для громкой связи.

Некоторые PoC терминалы могут оснащаться внешними выступающими антеннами.

Следующие вендоры активно предлагают PoC терминалы для ГДСС:

- Inrico. (Shenzen Inrico Electronics Co. Ltd). WEB: inrico.cn / inrico.en.alibaba.com

- Hytera. WEB: hytera.com/html/poc-en/index.html

- Abell. WEB: abell.com.cn

- Estalky / K-mobile Technology Co.. WEB: eastalky.com

- TYT Electronics Co., WEB: tyt888.com

- Motorola. WEB: motorolasolutions.com/…

- RugGear. WEB: ruggear.com

- ISAFE mobile. WEB: isafe-mobile.com

- Telo Systems. WEB: telosystems.com

При рассмотрении терминалов следует обратить внимание на следующие параметры:

- полосы рабочих частот и поддиапазоны (поддерживаются ли местным оператором);

- уровень защиты от воды и пыли;

- энергия батареи (именно энергия в Ватт-часах, а не емкость в миллиамперах);

- версия Android (стоит помнить о уязвимости престарелых версий);

- аудио характеристики (стоить отметить, что в погоне за минимизированными габаритами терминалов многие производители сокращают физические размеры динамиков громкой связи, экономят на усилительных устройствах и как следствие теряют в общем в качестве передаваемой речи) ; 

- размер оперативной и постоянной памяти;

- параметры процессора;

- наличие встроенных модулей WiFi и Bluetooth (актуально для внешних аксессуаров);

- наличие профессиональных аксессуаров и запасных частей (не представлено ни одного аксессуара, удобного для работы в строительных перчатках в зимнее время).

Стоимость терминалов может начинаться от 50 долларов США (модели без дисплея) и достигать 400 долларов в зависимости от характеристик.

4. Серверные программные продукты для PoC сетей.

Многие производители PoС терминалов дистанцируются от предложения программных продуктов для организации коммутационной части, что позволяет избежать прямого давления пользователей на качество коммуникаций. Одновременно это позволяет производителям терминалов предлагать свои продукты более широкому кругу лиц.

Сложная задача для пользователя и/или оператора - достоверно определить группу разработчиков того или иного бренда программного обеспечения и формировать должную коммуникацию по технической поддержке и устранению неполадок.

Большинство вендоров PoC платформ предлагает OEM интерпретацию, чем пользуются многие российские стартапы, заявляющие чужие продукты как собственные.

Достоверность и принадлежность «российского» программного обеспечения могут быть установлены при официальной регистрации Роспатентом или ФИПС и будет указан автор-разработчик.

Можно отметить следующие компании, открыто предлагающие автономные серверные или облачные PoC платформы для ГДСС:

- Real-PTT. Shenzhen Corget Tecnology Co. WEB: realptt.com

- POCSTAR. Shanli Tongyi Information Technology. WEB: pocstar.com

- GT-talk. Glocs Technology. WEB: glocsft.com

и многие другие.

Допускается использование наработок вышеперечисленных компаний для предложения пользователям продуктов со своим логотипом. 

Доступны 3 модели цен (дифференцируемые линейки) по прямой и агентской схемам:

1. облачная подписка, при которой пользователь платит раз в год стоимость за подключение и за необходимые службы,

2. облачная подписка, при которой пользователь платит однократно за подключение и за необходимые службы;

3. независимая платформа (OEM), при которой стоимость рассчитывается исходя из числа подключаемых пользователей и требуемых функций.

Пример диспетчерской консоли можно рассмотреть здесь:

Предлагаются следующие ценовые ориентиры (цены в Китае) одного из вышеперечисленных брендов:

Кроме того, существуют компании, предлагающие комплексные PoC решения с интеграцией ГДСС в существующую инфраструктуру. К ним относятся устоявшиеся вендоры, специализирующиеся на профессиональной радиосвязи: DAMM Cellular Systems A/S, Motorola и другие. Компания Motorola активно таргетирует на рынке США облачную подписку из расчета до 100 USD в год на терминал, а компания DAMM Cellular Systems A/S разработала и поддерживает своего программного клиента для PoC приложений “DAMM PTT” доступного в Apple и Android маркетах. 

https://play.google.com/store/apps/details?id=tetraflexclientmobile.droid&hl=ru

Однако центральная серверная часть должна быть выполнена на инфраструктуре DAMM TetraFlex. Этот вендор позиционирует PoC для расширения покрытия сетей DMR или TETRA.

5. Какие голосовые кодеки используются в PoC и применимы ли они для технологических процессов.

Для девелоперов, к коим относятся и разработчики PoC решений доступны следующие кодеки платформы Android:

- AMR (Adaptive Multi-Rate) узкополосный аудиокодек (от 4.75 до 12.2 кбит/с)

- GSM

- PCMA (G.711 a-law / u-law)

Некоторые вендоры используют в своих решениях голосовой кодек без патентных ограничений “Speex” имеющий скорость выходного потока от 2,15 до 44.2 кбит/с в зависимости от характера кодируемых аудиосемплов. Этот кодек из семейства CELP (Code Excited Linear Prediction) и не обладает встроенными механизмами защиты голосового потока от повреждений (искажений). Множество VoIP сервисов использует указанный кодек для проводных реализаций при передаче голоса.

Вышеперечисленные кодеки актуальны для спокойных офисных помещений и не предназначены для использования на фоне технологических процессов, так как не могут обеспечить должный уровень распознавания речи собеседника в условиях индустриальных / технологических аудиопомех.

В случае применения специализированных кодеков с патентными ограничениями можно добиться улучшения восприятия передаваемых сообщений. В качестве примера следует отметить приложение DAMM PTT использующее TETRA кодек.

Характеристики применяемого кодека будут определять:

- требуемый ресурс оператора в канале передачи данных;

- разборчивость речи на фоне акустических / технологических помех;

Почему проблема применения голосовых кодеков актуальна?

В процессе эксплуатации многие вендоры обновляют программные компоненты и возможна ситуация, при которой часть пользователей с обновленными библиотеками кодеков перестанут взаимодействовать друг с другом.

Кроме того, жизненный цикл одного типа PoC терминалов, в конкретной аппаратной реализации, может составлять полгода-год, что влечет за собой необходимость доработки программного обеспечения (как серверной так и клиентской частей) для последующих версий терминалов из-за риска несовместимости программного обеспечения (не только в части используемых кодеков). 

Компания DAMM Cellular Systems A/S изначально интегрировала в свой PoC продукт голосовой кодек ACELP, используемый в терминалах стандарта TETRA. Это позволило достичь максимальной разборчивости пользователей на уровне акустических индустриальных помех, при этом минимизируя требуемый транспортный ресурс оператора (12 кбит/с на 1 голосовой поток).

6. Как это работает на 2G

Работает в той же степени, что и стандартные публичные службы (WhatsApp, Skype, Zello или Telegram). Ресурсоемкие голосовые кодеки и службы авторизации ГДСС/PoC не позволяют обеспечить коммуникации в условиях ограниченного ресурса в сетях 2G/GSM.

7. Методы защиты канала передачи данных.

Наиболее действенным методом защиты канала передачи данных является применение VPN клиентов на терминалах пользователей. Следует помнить, что усиливая безопасность коммуникаций, формируется дополнительная нагрузка на транспортную операторскую сеть.

Проведенные компанией DAMM Cellular Systems A/S исследования множества предлагаемых на рынке VPN клиентов показало гарантированную доступность приложения Cisco Any Connect. Пользователь может настроить режим постоянной готовности и сохранять соединение с серверной частью до тех пор, пока позволяет батарея PoC терминала. Это крайне актуально, так как штатные VPN клиенты доступные для платформы Android имеют обыкновение «впадать в спячку» и как следствие PoС терминал теряет регистрацию и доступность в сети.

Вопросу безопасности и методам защиты служебных данных следует уделить пристальное внимание на этапе планирования ГДСС сетей. 

8. Как гарантировать коммуникацию, хотя бы в локальных масштабах.

Гарантирование коммуникаций в системах PoC возможно только если оператор сети 3G/4G будет маркировать данные с приоритетом. Проверить можно если локально загрузить базовую станцию оператора трафиком в восходящем и нисходящем каналах пользовательскими видеопотоками. 

9. Какими положениями (документами) регламентируется обращение PoC терминалов и создание ГДСС в России.

В настоящий момент обращение PoC терминалов не регламентируется индивидуальными нормативными актами, однако стоит помнить, что с точки зрения радиочастотной службы PoC терминал, это смартфон/телефон или радиостанция. PoC терминал может быть ввезен оператором для оказания услуг сотовой радиосвязи в сетях 3G/4G после проведения сертификационных действий.

Также на терминал требуется нотификация ФСБ.   

Ввиду указанных ограничений легальный оборот PoC терминалов в настоящее время затруднен, в связи с этим российские компании стараются продвигать продукты под собственным логотипом/маркой, подвергнув их поверхностной «локализации». Последствия таких действий могут иметь негативный вектор при использовании терминалов злоумышленниками для противоправных действий.

Отдельно стоит сказать о запретительных мерах в отношении средств связи, не имеющих и не предоставляющих стороннее подключение к специальным службам в рамках СОРМ. Оказание услуг связи в сетях PoC неограниченному кругу лиц невозможно без выполнения мер по подключению к инфраструктуре ФСБ в рамках комплекса СОРМ.

10. Есть ли работающие успешные проекты в России с применением PoC для организации локальной технологической связи 

К сожалению, найти достоверную информацию и отзыв о применении PoC решений в России для профессиональных коммуникаций найти не удалось. Если существует достоверная информация и отзывы мы будем рады разместить её в этом разделе.

11. Видеосвязь в режиме реального времени. 

Конечно, идеи превратить Пожарный расчет или Аварийную бригаду в группу репортеров при ликвидации ЧС одолевают некоторые светлые головы. Этот вопрос многократно поднимался и вендоры аккуратно манипулируют этим типом коммуникаций. Скорость видеопотока при картинке с разрешением 1920*1080 (30 кадров/сек) составляет 10 мбит/с, а для потока с разрешением 640*360 выходной видеопоток составляет 2 Мбит/с без помехозащищенного кодирования (+30  и более процентов). Понятно, что видеопотоки даже от ограниченного количества пользователей PoC терминалов могут создать существенную нагрузку на сеть оператора.

Для того чтобы не блокировать основные службы ГДСС/PoC нагрузкой от видеопотоков рекомендуется формирование независимой серверной инфраструктуры, обрабатывающей исключительно видеокоммуникации.