Сегодня в мире радиосвязи "на звание" международных претендуют два цифровых стандарта — APCO 25 и TETRA . И хотя отдельные положения этих стандартов уже обсуждались на страницах печати, в отечественных изданиях непросто найти их детальное описание. Надеемся, что публикуемый нами обзор спецификаций, требований и необходимых функций APCO 25 позволит вам получить ясное представление об особенностях радиосистем, построенных на базе данного стандарта.
Системы цифровой радиосвязи преобразуют человеческий голос в цифровой формат, а затем обрабатывают и передают модулированные данные в виде последовательности дискретных цифровых сигналов. Если информация поступает с цифрового периферийного устройства или из компьютерной сети, то никакого преобразования не требуется, поскольку такие данные можно сразу обрабатывать и модулировать для посылки в эфир. Чтобы избежать искажения речевых сообщений, в обоих случаях используются разнообразные алгоритмы коррекции ошибок.
Главными преимуществами цифровых систем связи перед аналоговыми являются:
- более высокое качество передачи голоса, отсутствие фоновых помех (хотя цифровая обработка голоса придает его звучанию некоторую "механистичность");
- увеличение зоны покрытия. Для последней характерно одинаковое качество связи внутри зоны и более резкое, чем в аналоговых системах, снижение качества связи на границах;
- более современные способы и более высокие скорости передачи данных, поддержка пакетного режима и интерфейсов с информационными базами данных;
- расширенные возможности шифрования без потерь качества и уменьшения зоны покрытия;
- сокращение времени установления связи.
Современные цифровые системы мобильной радиосвязи используют для организации связи различные протоколы — как корпоративные, так и открытые (табл. 1). Поскольку на дальнейшее развитие мобильной связи, несомненно, влияет конкуренция фирм, поставляющих элементы оборудования систем (в первую очередь, абонентского), то будущее, столь же несомненно, принадлежит открытым стандартам. К сожалению, таковыми являются только два из упомянутых в таблице.
Стандарт TETRA, применяющий технологию множественного доступа с временным разделением (TDMA), лучше всего подходит для связи в городских районах с высокой плотностью населения, характерной для стран северо-западной Европы. Он предусматривает работу только в режиме транкинговой связи, использование ограниченных уровней мощности и узких частотных диапазонов. В общем случае системы стандарта TDMA несовместимы с аналоговым абонентским оборудованием.
Стандарт АРСО 25, использующий технологию множественного доступа с частотным разделением (FDMA), ориентирован прежде всего на системы узкополосной радиосвязи для организаций, обеспечивающих общественную безопасность и помощь населению в экстренных ситуациях. Требованием к таким системам часто является прямая связь между абонентами без применения какой-либо дополнительной инфраструктуры и снижения качества речевого сигнала. Стандарт АРСО 25 предусматривает работу как в транкинговом, так и конвенциональном режимах. А его основа, технология FDMA, позволяет поддерживать обратную совместимость цифровых абонентских устройств с имеющимися у пользователей аналоговыми.
В течение многих лет во всех странах организации, на которые возложены обязанности по обеспечению общественной безопасности, испытывают нехватку в радиочастотных каналах связи. Cитуация еще более ухудшается по мере того, как правительственные органы, стремясь найти дополнительные источники финансирования, продают права на использование радиочастотного диапазона коммерческим операторам связи — это международная практика. Кроме того, на мировом рынке мобильной связи появилось множество продуктов, использующих корпоративные протоколы в наиболее "горячих" диапазонах частот. Недостаток радиочастотных каналов связи производители пытаются преодолеть, сужая ширину полосы канала c 25 до 12,5 кГц и ниже.
APCO 25 регламентирует работу цифровых систем радиосвязи любого размера (от базирующейся на одиночном ретрансляторе до транкинговой государственного масштаба). Он предусматривает полную совместимость портативного и мобильного оборудования, базовых станций и сетевых устройств радиосистем различных поставщиков, позволяет поддерживать связь между десятками тысяч абонентов, принадлежащих к разным организациям.
Основные требования данного стандарта сводятся к необходимости обеспечения цифровой передачи голоса или данных со скоростью 9,6 кбит/с по частотному каналу шириной 12,5 кГц (с возможностью перехода на канал шириной 6,25 кГц), а также поддержки режима шифрования без потери качества передачи голосового сигнала или сокращения зоны покрытия.
Об ассоциации АРСО (Association of Public Safety Communications Officials) и ее Проекте 25 уже рассказывалось на страницах журнала "Сети" (1998, № 11, с. 39). Главной задачей этого проекта стала разработка обсуждаемого нами международного открытого стандарта, получившего в России название APCO 25. По замыслу APCO, данный стандарт позволит государственным структурам приобретать соответствующее оборудование у различных поставщиков, что оживит конкуренцию между производителями радиосистем и снизит риск попадания покупателей в зависимость от одного разработчика.
В настоящее время завершен первый этап создания APCO 25. Сетевое оборудование, поддерживающее этот стандарт, уже можно приобрести у таких известных производителей радиосистем, как компании ADI (Австралия) и Motorola (США). Абонентское оборудование (мобильные и портативные радиостанции) поставляется фирмами Motorola, Racal, Relm и Transcrypt (США).
Второй этап разработки стандарта предполагает создание спецификаций интерфейсов для диспетчерских (консольных и стационарных) радиостанций, а также спецификаций для каналов связи с шириной полосы 6,25 кГц. Сейчас APCO 25 содержит более 30 регламентирующих документов и спецификаций; о кратком содержании основных из них можно узнать из табл. 2.
Таблица 1. Цифровые системы мобильной связи и стандарты |
| Показатель | Системы АРСО 25 | Системы TETRA | ASTRO | EDACS | IDEN | TETRAPOL |
| Стандарт системы | Открытый | Открытый | Фирменный (Motorola) | Фирменный (Ericsson) | Фирменный (Motorola) | Фирменный (Matra Marconi) |
| Поддержка стандарта системы разными производителями | + | + |
Таблица 2. Основные спецификации APCO 25 | ||||||
| Название документа | Содержание документа | |||||
| Системная документация | Системные и стандартные определения APCO 25 | |||||
| Интерфейс радиосвязи | Общий радиоинтерфейс, описание работы, резервные параметры, проверка соответствия | |||||
| Вокодер | Описание вокодера, тестирование по критерию средневзвешенной оценки (MOS), эталонный тест, процесс выбора сигнала | |||||
| Шифрование | Обзор средств безопасности, протокол шифрования по стандарту DES, тест на соответствие стандартам шифрования, протокол OTAR, описание работы, проверка соответствия | |||||
| Передача данных | Обзор типов передачи данных, спецификация пакетного режима передачи данных, спецификация непрерывного режима передачи данных | |||||
| Канал связи и управления | Обзор типов связи, процедуры реализации вызовов, протокол канала управления в режиме транкинговой связи, передача сообщения в управляющих каналах, команды управления, управляющие сообщения в конвенциональном режиме | |||||
| Эксплуатационные характеристики | Методики испытания трансиверов и необходимые измерения, рекомендации по повышению эксплуатационных характеристик | |||||
| Управление сетью | Определение интерфейса управления сетью, проверка соответствия интерфейсу управления сетью | |||||
| Интерфейс межсистемной связи (ISSI) | Обзор интерфейсов ISSI, определение сообщений ISSI, проверка на соответствие ISS | |||||
| Интерфейс сопряжения с телефонной сетью | Интерфейс сопряжения с телефонной сетью (при передаче голоса) - требования и определения | |||||
Функции
Радиосистема в стандарте APCO 25 должна обеспечивать следующие базовые (обязательные) функции:
- связь, организованную на базе технологии FDMA по радиоканалу с шириной полосы 12,5 кГц;
- цифровое кодирование голоса с помощью вокодера IMBE (Improved Multiband Excitation);
- совместимость с аналоговым абонентским оборудованием (портативными и мобильными радиостанциями).
Стандарт регламентирует и типы вызовов в системе. Передача голоса и данных может обеспечиваться с помощью групповых, индивидуальных или безадресных (широковещательных) вызовов. Вызовы допускается переадресовывать от одного мобильного устройства к другому непосредственно (в режиме Direct Mode) либо через ретранслятор или базовую станцию (БС).
В APCO 25 существует и набор дополнительных функций. Если таковые обеспечиваются устройством связи, необходимо, чтобы они удовлетворяли следующим требованиям:
- при транкинговой связи скорость передачи в цифровом канале управления должна быть не ниже 9,6 кбит/с;
- при передаче данных между радио- и компьютерными сетями в режимах пакетной передачи при непрерывной связи и передаче предварительно запрограммированных сообщений требуется пропускная способность канала не менее 9,6 кбит/с. Вложенные данные должны передаваться одновременно с речевым сигналом со скоростью не ниже 88 бит/с;
- дополнительные услуги радиосети могут включать в себя прерывание вызова, выборочное прослушивание, прямой аварийный вызов без регистрации в группе, мониторинг радиостанции, идентификацию радиостанции, находящейся на связи, а также передачу сигнала тревоги и вызовов с приоритетом;
- связь с абонентами ТфОП может обеспечиваться как через УПАТС, так и через коммутатор ТфОП;
- для защиты информации (в дополнение к аутентификации вызовов) могут использоваться несколько алгоритмов щифрования, реализованных с помощью встроенных систем кодирования и цифровой модуляции голосового сигнала;
- управление сетью должно базироваться на стандартных функциях централизованного управления, обеспечивающих управление как всей системой связи, так и ее элементами;
- нужно, чтобы в конвенциональном и транкинговом режимах многозоновые системы поддерживали такие сетевые функции, как регистрация в сети, роуминг и аутентификация абонентов.
Модель системы связи
Спецификации APCO 25 применяются ко всем элементам наземных мобильных систем конвенциональной и транкинговой радиосвязи, которые используют организации, обеспечивающие общественную безопасность. Это абонентские устройства (портативные и мобильные радиостанции), базовые станции и другое оборудование постоянного базирования (стационарные операторские консоли и устройства, реализующие связь в многозоновых сетях), а также компьютерное оборудование, служащее для передачи данных. Связь между всеми элементами осуществляется через открытые интерфейсы, которые должны поддерживать их полную совместимость независимо от того, кто является производителем того или иного элемента.
 |
APCO 25 определяет восемь открытых интерфейсов связи: общий радиоинтерфейс (Um), интерфейсы операторской консоли (Ec), передачи данных (Ed), связи БС (Ef), управления сетью (En), связи с ТфОП (Et), межсистемной связи (G), связи с портом данных (A).
Согласно предлагаемой APCO 25 модели системы связи (рис. 1), подсистема радиосвязи является центральным элементом сети и включает в себя инфраструктуру радиосистемы. Для взаимодействия с остальными элементами подсистема радиосвязи использует упомянутые открытые интерфейсы; внутренние интерфейсы подсистемы могут не соответствовать стандарту, а определяться изготовителем оборудования.
Подсистема радиосвязи может объединять в себе любое оборудование БС без ограничений на территориальное размещение. Требования к ней ограничиваются следующими положениями:
- оборудование БС должно поддерживать единый радиоинтерфейс;
- подсистема радиосвязи должна содержать все управляющее оборудование, необходимое для обработки вызовов и поддержки открытых интерфейсов.
Таким образом, концепция открытых радиоинтерфейсов делает их "строительными блоками", из которых можно создать многозоновую систему связи, поскольку (и это главное требование стандарта!) подсистема радиосвязи любой конфигурации должна обеспечивать связь с любым оборудованием или другой подсистемой независимо от их принадлежности к тому или иному изготовителю. Поддержка требований стандарта APCO 25 в полном объеме гарантирует эффективную и надежную цифровую передачу голоса и данных как между пользователями одной организации, так и между абонентами различных систем связи.
Общий радиоинтерфейс
Самой значительной спецификацией стандарта APCO 25 является Um — спецификация общего радиоинтерфейса. Именно она обеспечивает полную совместимость мобильного и портативного абонентского оборудования различных производителей в рамках одной сети и позволяет радиостанциям обмениваться цифровой информацией по радиочастотным каналам. APCO 25 определяет также минимальный набор функций этого интерфейса, который должна поддерживать радиостанция любого производителя.
 |
Общий радиоинтерфейс устанавливает стандартные условия, при которых предоставляется связь между мобильными, портативными и базовыми радиостанциями (рис. 2). Передача данных должна осуществляться по радиоканалу шириной 12,5 кГц, чья полная пропускная способность составляет не менее 9,6 кбит/с. Интерфейс предусматривает также использование стандартного вокодера (устройства преобразования голосового сигнала в цифровой формат) — IMBE (Improved Multi-Band Excitation). Алгоритм коррекции ошибок обеспечивает дополнительную защиту при передаче оцифрованного голосового сигнала по радиоканалу.
 |
Совместимость оборудования на физическом и канальном уровнях поддерживается радиоинтерфейсом в полном соответствии со стандартной семиуровневой моделью передачи данных OSI (рис. 3). На физическом уровне выполняется модуляция сигналов. Канальный уровень состоит из двух подуровней — МАС (Media Access Control, управление доступом к среде передачи) и LLC (Logical Link Control, управление логической связью).
Процедура обработки голосового сигнала начинается с его преобразования в цифровой формат при помощи вокодера. После этого происходит шифрование сигнала и, наконец, его обработка, гарантирующая коррекцию ошибок при декодировании. Речевой сигнал может быть дополнен битами адресации и встроенной управляющей сигнализацией.
 |
Преобразование голосового сигнала
В соответствии со стандартом APCO 25 преобразование голосового сигнала в цифровой формат дол-жно выполняться с помощью вокодера IMBE. Это устройство обеспечивает получение голосового сигнала высокого качества и позволяет отчетливо различать речь абонента на фоне помех.
Кадр, преобразуемый вокодером IMBE, имеет длительность 20 мс и содержит 88 бит речевой информации, что эквивалентно скорости передачи данных 4,4 кбит/с. Речевой кадр содержит также 56 дополнительных бит для проверки четности, которые добавляются к нему в результате обработки кадра по алгоритму коррекции ошибок. Полный объем кадра передачи голосового сигнала равен 144 бит, а скорость его передачи составляет 7,2 кбит/с.
Каждые девять кадров голосового сигнала объединяются в группу данных (LDU, Logical Link Data Unit). Время передачи одной группы по радиоканалу — 180 мс.
 |
Две группы LDU формируют суперкадр (рис. 5), который помимо голосовой информации в цифровом виде (18 кадров голосового сигнала) содержит упакованные управляющие команды и адресную информацию. Скорость передачи суперкадров по радиоканалу составляет 9,6 кбит/с, а время его передачи — 360 мс.
 |
Предшествующий передаче голосового сообщения заголовок, который служит указателем начала процедуры шифрования сигнала, состоит из одного большого шифрованного слова длиной 648 бит. Оно содержит 120 бит исходной информации, предназначенной для передачи. Кроме того, в течение всей передачи голосового сообщения в него периодически вставляются коды канала и алгоритма шифрования. В структуру голосового сообщения также могут быть "встроены" сигнальная информация управления связью и пакеты данных, передаваемые с невысокой скоростью вместе с голосовым сигналом (так называемые интегрированные в голосовой сигнал данные).
Заголовок содержит следующую информацию:
- индикатор сообщения — определяет тип алгоритма шифрования;
- идентификатор изготовителя аппаратуры — указывает на то, что при передаче голосового сообщения применяются нестандартные функции. Этот идентификатор имеет стандартное значение только в том случае, когда все остальные информационные поля удовлетворяют спецификациям общего радиоинтерфейса;
- идентификатор алгоритма шифрования — позволяет распознать использованный для данного сообщения алгоритм шифрования в системах с несколькими алгоритмами;
- идентификатор ключа шифрования — дает возможность определить конкретный ключ в системах, поддерживающих шифрование с несколькими ключами;
- идентификатор абонентской группы — указывает на абонентскую группу адресата сообщения.
 |
Поле управления логической связью (рис. 7) содержит 72 бита информации об источнике и адресате передаваемого сообщения и состоит из идентификаторов абонентской группы, источника и адресата сообщения, а также из признака экстренного вызова и идентификатора изготовителя аппаратуры. Следует отметить, что в зависимости от типа передаваемой информации стандарт допускает использование различных форматов управляющих слов.
Механизмы коррекции ошибок
Общий радиоинтерфейс стандарта APCO 25 предусматривает применение разнообразных механизмов обнаружения и коррекции ошибок, обеспечивающих высокое качество приема сигналов. В зависимости от типа передаваемой информации могут использоваться различные алгоритмы коррекции ошибок и разные схемы вложения дополнительных данных.
Механизм коррекции ошибок служит в средствах радиосвязи для надежной передачи информации с помощью радиосигнала при уменьшении его мощности (замирании или затемнении), с которым часто приходится сталкиваться при эксплуатации мобильных радиосистем. Однако использование этого механизма приводит к увеличению объема передаваемой информации.
Так, в заголовке речевого сообщения содержатся 120 бит полезной (исходной) информации, которая при формировании заголовка подвергается двойному шифрованию: сначала по алгоритму Рида—Соломона (36, 20, 17), а затем — по упрощенному алгоритму Голея (18, 6, 8). В результате размер полей заголовка увеличивается до 648 бит. В каждый кадр голосового сигнала также добавляются 56 бит, служащих для проверки четности, что в определенной мере защищает передаваемый кадр от возникновения ошибок. Поэтому размер кадра, посылаемого по радиоканалу, увеличивается до 144 бит.
Информация, связанная с шифрованием, содержит 96 бит "полезных" данных и состоит из индикаторов алгоритма и ключа шифрования. Однако и эта информация подвергается двойному кодированию — сначала по алгоритму Рида—Соломона (24, 16, 9), а затем по упрощенному алгоритму Хэмминга (10, 6, 3). В итоге размер данных для шифрования/расшифровки становится равным 240 битам.
Исходная длина поля управления связью составляет 72 бит. После двойного шифрования по алгоритму Рида—Соломона (24, 12, 13) и упрощенному алгоритму Хэмминга (10, 6, 3) его размер, передаваемый по радиоканалу, увеличивается до 240 бит.
Сравнение величин исходных размеров полей и получающихся после обработки алгоритмами коррекции ошибок позволяет получить представление о "цене" качества сигнала.
Шифрование и аутентификация
Чаще всего схемы шифрования разрабатываются как ответные меры на те действия, которые может предпринять гипотетический злоумышленник, чтобы вмешаться в работу системы мобильной связи. Наиболее вероятные формы такого вмешательства — перехват сообщений, их повторное воспроизведение, создание радиопомех, переадресация сообщений, анализ трафика, создание абонентов-двойников и несанкционированное бесплатное использование услуг.
 |
Шифрование, обеспечивающее конфиденциальность связи, выполняется при предоставлении любой из услуг передачи речевых сигналов и данных (рис. 8). В стандарте APCO 25 предусмотрены четыре различных типа шифрования сообщений в системах мобильной радиосвязи, которые могут применяться в самых различных сетях — от правительственной до радиосетей коммерческих операторов. Допускается одновременная поддержка нескольких схем шифрования в одной системе связи. Кроме того, абонентские радиостанции и консольные устройства способны одновременно работать с несколькими схемами шифрования.
Хотя шифрование и защищает от несанкционированного прослушивания, имеются и другие виды вмешательства в работу системы связи, против которых оно оказывается бессильным. Например, не зная точного содержания сообщения, злоумышленник может нарушить связь в незащищенной системе, записав передаваемое сообщение и затем воспроизведя его вновь через некоторое время. Избежать подобных ситуаций помогает аутентификация, которая обеспечивает целостность управляющей информации и данных о ключах шифрования.
В радиосети стандарта APCO 25 служба шифрования поддерживается функциональными группами системы, которые определены в общей структурной модели (General Systems Model), см. табл. 2. Шифрование осуществляется в исходной и конечной точках передачи сообщения, чтобы защитить как можно больше функциональных элементов системы связи (см. рис. 8).
Аутентификация представляет собой процедуру проверки законности появления в эфире самого сообщения и идентификации его автора. Установить законность передачи можно с помощью таких характеристик сообщения, как хронологическая целостность, целостность сообщения и идентификатор источника сообщения. Проверка целостности включает в себя процедуры, позволяющие убедиться в том, что принятое сообщение получено полностью, что оно не было изменено и не является копией одного из переданных ранее сообщений.
Функции шифрования и аутентификации базируются на применении ключей шифрования и поэтому если в системе связи обеспечивается какая-либо из таких функций, необходимо иметь средства управления этими ключами. Очевидно, что данные средства должны охватывать все стадии "жизненного цикла" ключа шифрования — его генерацию, передачу, использование абонентом, хранение, уничтожение и архивирование.
Вызовы и управление ими
Адресация
Схема адресации стандарта APCO 25 позволяет обращаться как к автономным абонентским устройствам, так и к станциям, входящим в состав абонентских групп. Адрес автономной радиостанции имеет 24 разряда (шестизначное шестнадцатеричное число), это обеспечивает поддержку 16 млн автономных адресов. Для адреса абонентской группы используются 16 разрядов (четырехзначное шестнадцатеричное число), что дает возможность объединить в сеть 65 тыс. абонентских групп.
Адресная информация встраивается в заголовок сообщения и в поле управления связью, которые периодически повторяются в процессе передачи сообщения. Для каждого абонентского устройства программируется собственный идентификатор устройства и абонентской группы, которые во время сеанса связи распознаются оператором или диспетчером. Абонентская радиостанция может иметь только один собственный идентификатор, но несколько идентификаторов абонентской группы (поскольку абонент способен входить в любое число абонентских групп).
Типы
Системы радиосвязи стандарта APCO 25 поддерживают несколько типов вызовов при передаче голоса и данных в конвенциональном и транкинговом режимах.
Групповые вызовы. Позволяют обеспечить независимую работу каждой заранее определенной абонентской группы даже при использовании несколькими абонентскими группами одной и той же частоты.
Распределение абонентов по группам происходит за счет присвоения мобильному или портативному устройству идентификатора абонентской группы (и соответствующей частоты для конвенциональной связи), т. е. канала связи. В соответствии с полученным идентификатором, который содержится в заголовке сообщения, принимающая базовая станция или ретранслятор обрабатывает вызов.
Индивидуальные вызовы. Каждое абонентское устройство стандарта APCO 25 должно иметь индивидуальный номер (идентификатор), поэтому вызов можно адресовать не абонентской группе, а непосредственно абоненту.
Безадресные (широковещательные) вызовы можно направлять одновременно всем пользователям, находящимся в зоне приема, или всем абонентам сети. Для этого нужно адресовать сообщение в ту абонентскую группу, которая по умолчанию включает всех абонентов.
Маршрутизация
Согласно APCO 25 вызовы можно маршрутизировать в трех режимах:
- прямой связи (непосредственно между двумя абонентами);
- передачи через ретранслятор или БС (с одного абонентского устройства на другое, на диспетчерский пульт через ретранслятор или БС);
- сопряжения с ТфОП (с абонентского устройства в ТфОП и в обратном направлении).
Задержки сигнала при передаче не должны превышать 250 мс в режиме прямой связи, 350 мс при передаче через один ретранслятор и 500 мс при передаче в пределах одной подсистемы связи.
Дополнительные услуги
Наряду с базовыми услугами обеспечения вызовов в APCO 25 предусмотрена поддержка дополнительных услуг. И хотя вопрос о самой реализации таких возможностей и того, как они поддерживаются (аппаратно или программно), оставлен на усмотрение производителя оборудования, они должны удовлетворять требованиям стандарта. В частности, APCO 25 определяет следующие дополнительные услуги:
- прерывание диспетчером индивидуального или группового вызова;
- сопряжение с ТфОП;
- выборочное прослушивание — отслеживание вызова;
- аварийный вызов без регистрации в группе — включение аварийного сигнала без нажатия тангеты;
- мониторинг радиостанции — удаленное включение и отслеживание работы абонентского устройства;
- идентификация принадлежности абонента к рабочей группе;
- передача сигнала тревоги — посылка абонентом своего идентификатора с просьбой связаться с ним;
- приоритетный вызов (только в режиме транкинговой связи);
- преимущественный приоритетный вызов (только в режиме транкинговой связи);
- шифрование сообщения.
* * *
Сегодня известны несколько реализаций систем мобильной связи в стандарте APCO 25. Наиболее полно его спецификации воплощены в базовом оборудовании радиосети компании ADI (Австралия). Цифровая БС обеспечивает абонентские радиостанции всем спектром услуг конфиденциальной связи. Главное требование к этим радиостанциям — поддержка APCO 25, которая гарантирует их полную совместимость при взаимодействии. Более того, технологические решения ADI позволяют организовать работу абонентских устройств, использующих разные частоты, и предоставить абонентам доступ к базам данных, а также к другим локальным и радиосетям. Но об этой системе автор постарается рассказать в следующей статье.