Тестирование радиооборудования стандарта TETRA (ETSI)

Источник материалов: компания Аэрофлекс

Автор перевода и адаптации текста: Ремизов А.Ю (Интегра Про)

Введение

Качество работы системы TETRA практически полностью определяется работой ее радиооборудования. Целью данной статьи является обоснование необходимости проведения тестирования радиооборудования TETRA в течение всего его срока службы и обзор видов измерений, предназначенных для поддержания его в работе с требуемым качеством.

Тесты на полное соответствие техническим нормам выполняются на единичных образцах и предназначены для проверки правильности технических решений при разработке оборудования, производственные тесты служат для проверки выбранных образцов радиостанций или базовых станций при массовом производстве, в то время как эксплуатационные тесты предназначаются для выявления оборудования, переставшего удовлетворять техническим нормам. На разных этапах эксплуатации оборудования TETRA проблемой может являться и совместимость продукции различных производителей.

Параметры, влияющие на работу оборудования TETRA

Надежность сети определяется качеством работы входящего в ее состав радиооборудования. В отличие от аналоговых систем, к радиооборудованию TETRA предъявляются повышенные требования, вызывающие необходимость применения новых методов тестирования.

Не будет лишним еще раз напомнить, что TETRA – это РАДИО сеть, и за понятием радиоинтерфейса скрывается инфраструктура с функциями коммутации и управления, подчас превосходящая само радиооборудование по сложности и стоимости. Однако, работоспособность и целостность инфраструктуры постоянно тестируется при помощи специального программного обеспечения, что обеспечивает ее управляемость и предсказуемость поведения.

Радиоинтерфейс является «слабым звеном» в сети TETRA, наиболее склонным к снижению качества и подверженным отказам в работе. Функционирование радиооборудования в значительной мере определяется качеством изготовления отдельных радиостанций и базовых станций, но, помимо этого, оборудование подвержено старению элементов, влиянию климатических факторов и других неблагоприятных условий в процессе его эксплуатации.

Одним из наиболее критичных параметров при эксплуатации радиооборудования является правильность установки выходной мощности. Эффективное использование спектра подразумевает повторное

использование частот в различных сотах; как правило, с ростом числа абонентов сети и увеличением плотности обслуживания, размеры сот уменьшают. Управление размером соты зависит от правильности и точности установки выходной мощности как в радиостанциях, так и на базовых станциях сети. При недостатке мощности радиостанция не может связаться с базовой станцией, а при ее избытке – создает помехи приему в другой соте, использующей те же рабочие частоты и ускоренно разряжает аккумулятор.

При определении размеров зоны обслуживания соты большое значение имеет чувствительность приемника, установленная так, чтобы принимать слабые сигналы от радиостанций, работающих на границах соты. Кроме того, приемнику приходится работать в условиях многолучевого приема, типичного для городской застройки, гористой местности или при движении автомобиля. Таким образом, точность установки мощности и нужной чувствительности важны для получения требуемой зоны обслуживания соты. При неверных значениях этих параметров оборудование может быть и работоспособно, но при значительно худшем качестве обслуживания.

Еще одним принципиальным моментом при эксплуатации системы является обеспечение электромагнитной совместимости с другими легальными пользователями данной полосы спектра. Плохая работа отдельных компонентов радиооборудования приводит к низкому качеству работы системы в целом, ухудшает качество обслуживания абонентов не только самой системы TETRA, но и других радиосистем. Оборудование TETRA тестируется по параметрам на разъеме подключения антенны, поэтому важно не упускать из виду правильность и надежность монтажа самой антенной системы.

Сигнальные телеграммы между радиостанциями и базовой станцией подвергаются избыточному кодированию с целью обнаружения ошибок и восстановления данных при низком качестве канала связи. Однако, если восстановить телеграмму не удается, это требует ее повторной передачи по каналам связи, приводящей к увеличению времени передачи данных и ухудшению пропускной способности канала сигнализации для других абонентов сети.

В системах TETRA голосовые данные защищены частично, а высокоскоростные (например, видео) вообще не защищены. Низкое качество радиоканала приводит к искажениям при передаче речи, а в каналах сигнализации – к отказам при установлении вызовов или другим ошибкам связи между радиостанциями и базовой станцией.

Новые требования при работе с радиостанциями TETRA

Радиооборудованию TETRA еще многие годы придется сосуществовать с имеющимися аналоговыми радиосистемами, поэтому стандартом предусматриваются подробные технические требования, позволяющие избежать проблем взаимного влияния с другими типами радиооборудования.

Сигнальный протокол, применяемый в TETRA, значительно сложнее протоколов аналоговых систем, например, MPT1327. Однако, оставив в стороне протокол, отметим 3 фундаментальных отличия радиоинтерфейса TETRA от аналоговых систем.

TETRA – система с TDMA – временным разделением каналов. Это означает, что одновременно несколько (до 4-х) абонентов пользуются общим частотным каналом, разделенным на тайм-слоты длительностью по 14.2 миллисекунды.
Это цифровая система, в которой вся информация передается в виде 1 или 0, а качество связи полностью определяется передачей бинарного потока данных.
Это система с каналом управления; радиостанция работает на передачу с нужной мощностью только в те моменты, когда необходимо. Это позволяет снизить интерференцию и увеличить продолжительность работы радиостанции от аккумулятора.

Рисунок 1. Радиоинтерфейс TETRA. Структура TDMA.

Каждая несущая TETRA занимает полосу спектра 25 кГц и обеспечивает 4 разговорных канала. Радиостанции могут работать в режиме полудуплекса или полного дуплекса (разговора одновременно в обоих направлениях). В стандартной системе TETRA диапазона 400 МГц предусматривается фиксированный дуплексный разнос частот приема и передачи 10 МГц (45 МГц для диапазона 800 МГц).

Каждый разговор занимает один из 4-х тайм-слотов на частоте приема радиостанции и соответствующий тайм-слот на частоте передачи радиостанции. Слот содержит 2 поля с данными трафика и ряд бит синхронизации (см. Рисунок 1). Как правило, разговор TETRA использует по одному тайм-слоту в каналах приема и передачи, разделенных по времени интервалом, эквивалентным длительности двух тайм-слотов, что позволяет радиостанции работать на прием и передачу попеременно.

На стороне базовой станции сигналы 4-х отдельных разговоров (тайм-слотов) объединяются в кадр (TDMA-frame), а они, в свою очередь, организуются в мульти- и гиперкадры. Абонентские радиостанции получают по каналу приема информацию, указывающую, в какой тайм-слот они должны работать на передачу. Длительность тайм-слота TETRA составляет 14.2 миллисекунды, из них 12.8 миллисекунды радиостанция должна работать на передачу с заданным уровнем мощности. Предусматриваются защитные интервалы до и после рабочего интервала передачи, в течение которых радиостанция должна определенным образом увеличивать и понижать мощность своего передатчика - передний и задний фронты (ramp up, ramp down).

Рисунок 2. Профиль мощности передатчика TETRA.

Когда устройство TETRA включается на передачу, нарастание его мощности должно идти по определенному закону. Слишком быстрое нарастание приводит к расширению спектра, а слишком медленное – может привести к потере данных в информационной части импульса. Длительности фронта и спада импульса задаются профилем мощности, представляющим из себя границу, за которую не должна выходить кривая зависимости мощности от времени. В случае TETRA профиль ограничивает только время начала фронта, время окончания спада и предельный выброс по уровню мощности на фронте импульса.

Рисунок 3. Требования к системам TDMA.

Импульсный характер сигнала TETRA создает определенные трудности при измерениях его мощности. Кроме того, из-за влияния модуляции форма огибающей сигнала не является постоянной. На практике производители оборудования создают свои собственные требования к фронту и спаду импульса, чтобы быть уверенными в соблюдении всех спецификаций стандарта TETRA. Если эти требования недостаточно хорошо контролируются, оборудование из-за утечки мощности не пройдет следующий тест TETRA, измеряющий уровни мощности по соседнему каналу. Если крутизна склонов импульса будет мала, рабочий участок импульса будет иметь недостаточную амплитуду по краям, что приведет к большим ошибкам Vector Error при выполнении теста TETRA на точность модуляции.

Поскольку радиоканал разделяется одновременно несколькими абонентами системы, важно избегать влияния радиостанций друг на друга, что требует их точной синхронизации и достаточного снижения мощности передатчика радиостанции в интервалы времени, выделенное для работы других абонентов.

Процесс цифрового приема и передачи заключается в обмене бинарной информацией, независимо от ее характера: речь, данные или управляющая информация. Как и в случае аналоговой радиосвязи, модуляторы, смесители и усилители неизбежно вносят в сигнал искажения.

Если в аналоговых системах искажения, вносимые оборудованием, можно измерить напрямую, используя, например, тестовый сигнал частотой 1 кГц, в цифровых системах, в частности, TETRA это требует применения значительно более сложных методов измерения точности модуляции, известных как векторная погрешность (Vector Accuracy). Критерием правильности передачи цифровых данных является возможность полного восстановления исходных данных на приеме при наличии искажений, не превышающих определенный уровень, при котором еще возможно надежное восстановление.

Таким образом, в цифровых системах, в частности, TETRA, качество приема определяется на основе не теста 1 кГц SINAD, а специального цифрового сигнала, при котором измеряются величины BER (Bit Error Rate) и MER (Message Erasure Rate). Повторимся, что передача считается успешной, если исходная цифровая информация была успешно восстановлена на приеме. В системах TETRA данные передаются потоком на определенной скорости, поэтому важно, чтобы радиостанции были постоянно синхронизированы с базовой станцией по частоте и по времени.

Рисунок 4. Векторная диаграмма.

В TETRA используется схема модуляции Differential Quaternary Phase Shift Keying (π/4 DQPSK), в которой в одном символе передается 2 бита данных. Сигнал, получаемый после фильтрации в приемнике TETRA, показан на Рисунке 4. Здесь предполагается, что в канале связи нет искажений. На диаграмме расстояние от центра представляет собой амплитуду, а угол между вектором и правой горизонтальной осью – фазу сигнала.

После фильтрации в сигнале выделяются 8 ярких пятен, так называемых точек принятия решения, в которых сигнал считается определенным. Информация содержится в фазовом сдвиге между точками, а не в текущей позиции вектора сигнала. Яркость пятен в точках принятия решения показывает, что межсимвольная интерференция отсутствует. Точек всего 8, а не 4, потому что при модуляции используются фазовые сдвиги между символами на 45 град. Также это препятствует прохождению траектории вектора через центр диаграммы, т.е., во время передачи амплитуда сигнала никогда не будет равна 0.

Векторная погрешность определяется как кружок на фазовой плоскости вокруг позиции символа (точки принятия решения) в который должна попадать текущая позиция сигнала. Измерение производится после математической обработки по удалению ошибки частоты несущей. Определены два параметра – пиковая погрешность и действующее значение. Векторные ошибки обусловлены рядом факторов в схемотехнике радиостанции TETRA. Сюда входят ошибки цифро-аналогового преобразования, погрешности работы IQ-модулятора, искажения при усилении и собственный фазовый шум опорного генератора.

Рисунок 5. Измерение чувствительности приемника.

При измерении чувствительности приемника TETRA на его вход подается высокочастотный сигнал и выполняется измерение параметров BER и MER. Измерять BER/MER можно на внешнем измерительном приборе, внутри самой радиостанции или, заставив радиостанцию включить петлю обратной связи, отправить демодулированные данные на ее же передатчик и обратно на анализатор сигнала или тестер, который измеряет BER, сравнивая эти данные с исходными.

Подаваемый на вход ВЧ сигнал должен содержать псевдослучайную информационную последовательность (PRBS) наряду с кадровой и управляющей информацией, позволяющей приемнику TETRA синхронизироваться по сигналу и извлечь из него данные с информацией. В стандарте TETRA такой сигнал определяется как «Test signal T1», и для его создания необходим специальный генератор.

Стандартом TETRA предусматривается измерение чувствительности как при статическом сигнале (static), так и в условиях замираний (dynamic). Требования к базовым станциям TETRA значительно жестче требований к абонентским радиостанциям. При измерении динамической чувствительности имитируются условия движения радиостанции в условиях сложной интерференции сигнала, возникающей при многолучевом приеме сигнала. Суммарный сигнал постоянно изменяется по амплитуде и фазе из-за разности длины путей его распространения.

Параметры BER/MER можно измерять методом петли обратной связи, когда демодулированные данные снова отправляются радиостанцией на собственный передатчик и далее на генератор сигнала для и сравнения с исходными. Эта методика описывается в документах EN 300 394-1 Annex D (ETSI) и TTR 001-8 TIPv4 Part 8 (TETRA MoU).

Для теста с ВЧ петлей обратной связи необходимо предусмотреть в радиостанции TETRA специальный тестовый режим, при котором она будет отправлять принятые данные на свой же передатчик. В этом случае появляется возможность выполнять основные тесты приемника и передатчика без подключения к фирменному интерфейсу производителя. Помимо этого, тестовый режим подразумевает выполнение стандартных процедур установления вызова, что гарантирует работу протестированной радиостанции в системе.

Метод теста также позволяет избежать проблем с безопасностью сети, так как персоналу не требуется иметь доступ к каким-либо конфиденциальным данным. Таким образом, метод ВЧ петли обратной связи чрезвычайно удобен для проведения измерений и техобслуживания радиостанций TETRA.

В случае аналоговых систем, например, MPT1327 производители просто продают радиостанции с определенной выходной мощностью. Радиостанции работают с этой мощностью всегда, когда нажимается кнопка передачи, хотя они могут иметь и режим пониженной мощности. Все это приводит к ситуации, когда радиостанции работают с мощностями выше минимально необходимых и вынуждены иметь большие и тяжелые аккумуляторы.

Радиостанции TETRA разделены по мощности на классы. Всего определены 4 класса: 30Вт, 10Вт, 3Вт, 1Вт и ряд подклассов типа «L» с мощностями ниже на 2.5 dB.

Радиостанции TETRA обязаны иметь схему управления выходной мощностью ступенями по 5 dB до уровня 30 мВт. Используется так называемая схема управления с открытой петлей (Open Loop power control), когда выходная мощность радиостанции устанавливается на основе измерения уровня сигнала от базовой станции и набора параметров, передаваемых этой базовой станцией. Все это требует точности при измерении радиостанцией уровня сигнала, принимаемого от базовой станции.

Для каналов радиосистем выделяются определенные полосы приема и передачи, в случае TETRA ширина полосы канала равна 25 кГц. В реальности все радиопередающие устройства имеют внеполосные излучения. В системах с TDMA, какой является TETRA, причиной внеполосных излучений является сам импульсный характер передаваемых сигналов.

Модуляция DQPSK и фильтр TETRA разработаны, в теории, для устранения внеполосных излучений. На практике же, несовершенство модуляторов и передатчиков приводит к утечке части мощности сигнала в соседние каналы. Значительный вклад во внеполосные излучения вносит нелинейность усилителей мощности, поэтому допускаются периодические увеличения внеполосных излучений с целью коррекции нелинейности усилителей передатчиков.

Хотя приемник и настроен на заданную рабочую частоту, в действительности он не обеспечивает бесконечное подавление сигналов других частот и может ухудшить свои рабочие характеристики при наличии в соседних каналах мешающих сигналов с высокими уровнями.

Во избежание проблем между радиостанциями TETRA и аналоговыми радиостанциями стандарт TETRA налагает жесткие требования на параметры приемников и передатчиков. В свою очередь, эти требования переносятся и на измерительное оборудование.

Особенно высокие требования предъявляются к параметрам излучений по соседнему каналу (ACP), что выражается в высокой линейности усилителей, точности модуляции и тщательности выполнения фильтра TETRA. Уровень побочных излучений в соседних каналах +/-25кГц не должен превышать -60dB по отношению к уровню в рабочем канале. В каналах +/-50 кГц и +/-75 кГц эти значения должны быть ниже -70dB.

Передатчики TETRA должны быть тщательно схемотехнически выполнены во избежание проникновения в схему сигналов от других передатчиков, могущих вызвать интермодуляцию. Базовые станции часто располагаются на объектах совместно, поэтому требования к ним еще жестче.

Приемники радиостанций должны надежно работать в условиях наличия в соседних каналах сигналов TETRA или аналоговых сигналов с уровнями значительно превышающими уровень полезного сигнала TETRA в рабочем канале.

Особенности измерительного оборудования TETRA

Новые методы измерений могут быть непривычны пользователям обычных аналоговых радиостанций, однако, спецификации TETRA требуют поиска новых путей проведения измерений.

Традиционные ваттметры непригодны для измерений мощности коротких импульсов в системах TDMA. Если какие-то показания есть, они неточны и ненадежны. Стандартный частотомер может дать неверное показание центральной частоты TETRA-модулированного сигнала, даже если этот сигнал непрерывный.

Обычные методы измерений искажений по сигналу 1 кГц и измерений чувствительности по методике SINAD для сигналов TETRA неприменимы, так как между аудиосигналом и модулированным сигналом нет корреляции. В системе TETRA аудиосигналы обрабатываются речевым кодеком и дополнительно подвергаются кодированию в канале связи.

Обычные анализаторы спектра с генератором качающейся частоты могут применяться только для грубой оценки сигнала TETRA, а анализ самого сигнала TETRA ими проводиться не может.

Измерения передатчиков TETRA достаточно сложны. Большинство измерений требуют захвата сигнала в моменты его импульсной передачи с синхронизацией по времени с активной стадией работы передатчика. Большинство измерений нужно проводить с высокой точностью, поскольку измерения производятся только в точках принятия решения. Это относится даже к измерению средней мощности.

Далее, большинство данных измерений передатчиков TETRA нужно фильтровать. Радиостанции TETRA в трактах приема и передачи содержат фильтры Найквиста (квадратный корень из приподнятого косинуса). По этой причине при измерениях передатчиков TETRA измерительное оборудование должно имитировать приемник и подвергать результаты измерений дополнительной фильтрации. Фильтр Найквиста позволяет ограничить спектр TETRA-сигнала без ухудшения параметров межсимвольной интерференции (ISI).

Для измерений уровней побочных излучений и уровня мощности передатчика в неактивном состоянии, когда динамический диапазон сигналов передатчика достигает 70 dB и более, измерительный прибор должен иметь динамический диапазон не хуже 80 dB. TETRA-фильтр в измерительном оборудовании должен быть выполнен с очень высокой точностью, что требует применения цифрового фильтра с длиной буфера не менее 30 символов.

Генератор сигнала Т1, используемого для измерений параметров приемника, должен поддерживать схему кодирования TETRA и кадровую структуру сигнала. Генератор сигнала Т2 при измерениях интерференции по соседнему каналу должен обеспечивать сигнал соседнего канала на уровне менее -70dB.

Перечисленные тесты вряд ли нужно проводить для всех 100% выпускаемых радиостанций, однако, периодически, выборочно или партиями, производители эти измерения выполняют. Методики проведения измерений могут быть в чем-то упрощенными, так как в противном случае это потребует чрезвычайно больших затрат по времени и применения специального оборудования, например, симуляторов замирания сигналов или сложных систем фильтрации.

Выбор решения для тестирования оборудования TETRA

На разных этапах жизненного цикла оборудования TETRA: от разработки, проверки на соответствие спецификациям, массового производства до эксплуатации и ремонта, требуются различные варианты его тестирования.

Успешное тестирование на соответствие означает, что конкретная модель продукции данного производителя соответствует точным требованиям стандарта ETSI EN 300 394-1 v2.3.1.

Здесь приводятся все требования к радиоинтерфейсу, включая выходную мощность и точность модуляции. Учтены требования по электромагнитной совместимости, что влечет измерения, например, мощности в соседнем канале и уровня побочных излучений.

Тесты на соответствие проводятся с использованием симуляторов замираний при выполнении измерений динамической чувствительности, и это требует чрезвычайно больших затрат времени для получения статистически верных результатов. Поэтому в массовом производстве, как правило, используются тесты, измеряющие только статическую чувствительность приемника.

При измерениях приемников применяются специальные тестовые последовательности с последующим анализом данных, принятых приемником радиостанции. Дополнительно подаются ВЧ сигналы, имитирующие эффекты помех в канале приема, помехи в соседнем канале, блокирования приема и интермодуляции и проводится оценка их влияния на качество принятого сигнала. Для проверки влияния эффекта многолучевого приема на работу приемника применяют специальные имитаторы замираний.

Сигналы передатчиков измеряются при помощи специальных анализаторов TETRA-сигнала. Анализатор должен позволять выполнять полный захват импульса передатчика и проводить анализ модуляции и спектра с использованием TETRA-фильтра наряду с работой в качестве обычного анализатора спектра.

Наиболее важными требованиями к измерительному оборудованию TETRA на производстве являются скорость, точность и повторяемость результатов измерений. На ранних стадиях процесса производства, вероятно, потребуется частое проведение измерений многих параметров радиостанций, но, по мере освоения выпуска продукции, интенсивность проведения этих работ снижается. Производственные тесты с целью проверки качества продукции могут являться подмножеством тестов на соответствие. Их состав отражает стратегию контроля качества производителя и показывает наиболее уязвимые места при производстве продукции.

На стратегию контроля качества оказывают влияние как сам производственный процесс, так и наличие модульности в продукте. Так, например, если продукт функционально разделен на блок ВЧ и блок обработки сигналов, большинство тестов может быть выполнено на уровне отдельных блоков.

Политика производителя оказывает влияние на уровень тестирования, выполняемый непосредственно на производственных линиях. Обычно применяют 3 уровня тестирования, при этом вся продукция проходит минимальный тест на функционирование. Небольшая часть, порядка 2%, подвергается усиленному тестированию, еще меньшая часть, скажем, 0,01% проходит частичное тестирование на соответствие в лаборатории производителя.

Тесты при установке и эксплуатации предназначены для проверки работы оборудования при его вводе в эксплуатацию и в течение всего срока службы.

Уровень проведения этих тестов зависит от требований пользователя (например, это представляется более важным для работы служб общественной безопасности) и рекомендаций производителя оборудования.

Тестирование на совместимость радиостанций и базовых станций различных производителей производится при помощи специальных тестов IOP на реальной инфраструктуре и при помощи специальных тестеров для радиостанций TETRA. Тесты на совместимость имеют важное значение, так как в их процессе выполнения проверяются регистрация и установление вызовов.

На ранних стадиях производственного процесса радиостанций TETRA важное значение имеет повторяемость результатов для достижения стабильных показателей какого-либо параметра. Это может влиять на выбор измерительного оборудования, призванного обеспечить повторяемость лабораторных результатов.

Большинство измерений передатчиков выполняется на анализаторах модуляции. Сложные измерения, такие как ACP и уровень излучения в интервалы неактивности, требуют большого динамического диапазона и тщательно выполненного TETRA-фильтра. Стандартом TETRA рекомендуется проводить измерение каждого параметра не менее 200 раз. Поскольку эти процессы требуют еще и значительной вычислительной мощности, для сокращения времени теста измерения необходимо проводить быстро.

Эксплуатационные измерения могут проводиться неквалифицированным персоналом. Важно, что оборудование для тестирования легко и просто используется без каких-либо специальных знаний технологии TETRA. Цель таких измерений состоит в проверке, что радиостанции функционируют как положено в течение всего срока эксплуатации. Измерительное оборудование компактно и, как правило, им можно пользоваться как на выезде, так и лаборатории. Обычно используются системные симуляторы в виде специального тестера – Radio Test Set.

Удобно, что тестировать радиостанции TETRA можно в обычном режиме их работы или близком к нему, и оператору не нужны знания о специальных тестовых режимах, предусмотренных производителями. Документ ETSI EN 300 394-1 Annex D определяет механизм работы ВЧ петли обратной связи для радиостанций TETRA, позволяющий проводить измерения BER при помощи одного простого подключения по ВЧ, подобно измерениям мобильных телефонов стандарта GSM. Это устраняет необходимость подключаться к радиостанциям специфическими кабелями в тестовом режиме и значительно ускоряет сам процесс измерений.

Спецификация тестовой ВЧ петли предусматривает также получение тестером серийного номера радиостанции, ее TETRA Equipment Identity (TEI), класса мощности и класса приемника, что позволяет легко организовать автоматизированные измерения.