TETRA: основные положения

В 2000 г. многие жители Европы станут пользователями панъевропейской цифровой сети TETRA. Вероятно, развертывание системы на базе этой технологии скоро начнется и в Санкт-Петербурге. Редакция «Сетей» считает, что нашим читателям пора поближе познакомиться с особенностями TETRA.

Появление стандарта цифровой беспроводной связи TETRA (Terrestrial Trunked Radio), разработанного Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (European Telecommunications Standards Institute, ETSI), можно считать главной вехой в истории развития мобильной связи. Он способен предоставить огромное количество сервисов и обеспечить создание столь же значительного ассортимента оборудования, из которого можно сконфигурировать почти бесконечное число архитектурных решений и топологических структур, отвечающих самым разнообразным и часто меняющимся требованиям профессиональных пользователей.

Своим происхождением технология TETRA обязана ведомственным системам подвижной связи (Private Mobile Radio, PMR) — прародителям мобильных радиотелекоммуникаций. Тот, кто лишь недавно соприкоснулся с этой быстро развивающейся отраслью промышленности, будет удивлен, узнав, что такие системы зародились еще до второй мировой войны, а начало их коммерческой эксплуатации датируется концом 40-х гг. С того времени их базовые характеристики не претерпели существенных изменений. Системы PMR основаны на так называемом конвенциональном принципе: радиоканалы выделяются для определенных групп пользователей и настраиваются вручную самим потребителем.

Постепенное завоевание технологией транкинга (пик ее популярности пришелся на 80-е гг.) твердых позиций в сотовой мобильной телефонии, а затем и на рынке PMR и корпоративных систем подвижной связи (Public Access Mobile Radio, PAMR) привело к значительным изменениям технологической основы мобильной связи. Такие возможности транкинга, как автоматический выбор канала и разделение (совместное использование) спектра частот между потребителями, позволили не только упростить оборудование, но и повысить эффективность эксплуатации частотного диапазона. В результате мобильная связь получила более широкое распространение среди пользователей из коммерческих, деловых и промышленных кругов. Рост спроса, в свою очередь, привел к увеличению объемов производства оборудования и снижению цен.

Конечно, на пути развития транкинговой связи возникали препятствия. Основным недостатком этой технологии была потеря «автономности» терминала, т.е. невозможность поддерживать связь вне зоны покрытия сети и при отказах системы. Еще один «побочный эффект», проявлявшийся в пору становления таких систем, — медленное установление связи из-за необходимости передавать управляющие сигналы вызова (так называемую сигнализацию) в выделенном канале. Кроме того, существовал потенциальный риск потери связи именно в тот момент, когда она особенно необходима. А поскольку для некоторых групп профессиональных пользователей, например служб общественной безопасности, указанные недостатки особенно нежелательны, они не очень охотно использовали данные средства связи.

Появление TETRA изменило если не все, то очень многое. Цифровая технология позволила совместить преимущества автоматических операций и присущую транкингу эффективность использования частотного спектра с автономностью терминалов, которая характерна для обычных систем PMR. Более того, технология TETRA «предложила» новые возможности, обеспечив работу в двух режимах связи (за счет объединения функций транкинговой и конвенциональной радиосвязи в едином аппаратном комплексе) и предоставив стандартный способ взаимодействия пользователей конвенциональной и транкинговой «подсетей». Для разных служб безопасности это означает, что в сложных эксплуатационных условиях и при постоянном росте требований к современным средствам связи всегда можно выбрать наиболее подходящий режим работы.

Потребность — двигатель технологии

Помимо общих целей, стремление к которым заставляет совершенствовать технологии радиосвязи (это, например, повышение эффективности использования диапазона частот, улучшение эксплуатационных показателей сети в целом, миниатюризация аппаратуры потребителя, защита каналов связи и обеспечение передачи данных по радиоканалам), мощным стимулом для развития TETRA стали нужды основных групп пользователей, прибегавших к услугам сетей PMR. Профессионалам из служб безопасности были необходимы такие характеристики радиосвязи, которые не обеспечивала ни одна из существующих цифровых сотовых систем. Важнейшие из них — сверхмалое время установления соединения (менее 1 с), параллельное предоставление нескольких услуг связи, а также оптимизация дальности связи и мощности радиостанций.

Сегодня этим требованиям больше всего соответствуют системы многостанционного доступа с временным разделением (TDMA), которые наилучшим образом способны оптимизировать мощность оборудования, возможности подвижной связи и дальность ее действия как в городской, так и в сельской местности. Метод TDMA позволяет «балансировать» (что не всегда удается системам CDMA) между высокой мощностью со значительным техническим риском, и малой мощностью, но с меньшим техническим риском (что свойственно FDMA-системам).

Функционирование систем TETRA, построенных на базе технологии TDMA, основано на организации четырех логических каналов (разнесенных на 25 кГц и имеющих такую же ширину) на одной физической радиочастоте. Общая пропускная способность составляет 36 кбит/с, однако необходимость в передаче определенных сигналов для коррекции ошибок и синхронизации снижает реальную скорость сети до 28,8 кбит/с, т.е. пропускная способность каждого канала составляет 7,2 кбит/с.

Структура кадра TETRA (рис. 1) представляет собой четыре временных интервала на кадр TDMA. Восемнадцать TDMA-кадров образуют мультикадр, один из кадров которого постоянно используется для передачи управляющего (контрольного) сигнала. Каждый временной интервал (слот) равен 14,167 мс, и в этом интервале размещаются 510 информационных (входных) бит. Применение схем сжатия позволяет транспортировать общий трафик голоса и данных в 17 TDMA-кадрах, оставляя 18-й для сигналов управления. Управляющий кадр обеспечивает одну из уникальных особенностей протокола TETRA: поток данных не прерывается для передачи сигнализации; последняя постоянно передается в фоновом режиме — даже в так называемом минимальном режиме MM (Minimum Mode), когда все каналы заняты трафиком.

Рис.1. Структура кадра TETRA

Мультикадр TDMA является структурным элементом гиперкадра, который формируется для редко повторяющихся кадров, например кадра синхронизации шифра. Гиперкадр состоит из 60 мультикадров.

Для того чтобы обеспечить высокую пропускную способность канала, для модуляции сигнала было решено использовать метод дифференциальной квадратурной фазовой модуляции со сдвигом сигналов на p/4 (p/4 DQPSK). Заметим, что реальная скорость в сети TETRA — 28,8 кбит/с; это в три раза больше значения пропускной способности в GSM-системах, где при такой же ширине канала применяется Гауссова модуляция с минимальным сдвигом (GMSK). Кроме того, выбор метода p/4 DQPSK объясняется исходным требованием сосуществования TETRA с аналоговыми системами и, соответственно, необходимостью работать с соседним каналом при уровне помех относительно несущей, составляющем -60 дБ. (Для сравнения: модуляция GMSK, выбранная для стандарта GSM, позволяет достичь только уровня внеполосного излучения -36 дБ, поэтому необходимо очень точно планировать ячейки во избежание интерференции каналов.) Метод дифференциальной квадратурной модуляции, несомненно, является более современным и сложным, а значит, его применение сопряжено с большим риском нарушения связи, чем при модуляции по GMSK, однако именно ?/4 DQPSK успешно реализован в цифровых системах, построенных в США (D-AMPS) и Японии (JDC/ PDC).

Еще одно преимущество систем TETRA — эффективное использование частотного ресурса. Для организации однозоновой системы с четырьмя каналами связи требуется частотный диапазон шириной всего 25 кГц. Спецификации TETRA предусматривают работу как симплексных, так и дуплексных радиостанций, обеспечивают широковещательную и групповую связь, а также режим индивидуального вызова (как в сотовой связи). При этом время установления связи не превышает 300 мс. Стандарт GSM, ориентированный в первую очередь на предоставление услуг беспроводной телефонии, базируется на протоколах ISDN, в которых не заложены многие основополагающие функции транкинга (групповая широковещательная связь, одновременное предоставление нескольких услуг, вытеснение абонента в соответствии с его приоритетом, мониторинг радиостанций и пр.). Кроме того, хотя в стандарте GSM время установления связи обычно не превышает нескольких секунд, порой оно исчисляется минутами.

«Вложенные» стандарты

Дабы удовлетворить как можно более широкому набору требований, относящихся к предоставлению услуг передачи голоса и данных при конвенциональной и транкинговой радиосвязи (как в открытом, так и в защищенном режимах), понадобилось использовать несколько решений. В результате стандарт TETRA разросся до шести частей.

Три из них посвящены вопросам аттестационного тестирования (спецификации Conformance Testing), методам кодирования (Codec) и защите информации (Security). Три других в общем-то являются самостоятельными стандартами — на интегрированную систему передачи речи и данных (Voice + Data, V+D), на пакетную передачу данных (Packet Data Optimised, PDO) и на конвенциальную связь, или прямой режим передачи (Direct Mode Operation, DMO). Последний стандарт , в сущности, описывает режим обычной радиосвязи, т.е. работу по выделенным каналам с ручным переключением. Хотя при связи по стандартам V+D и DMO используется одна и та же радиоплатформа, каждый из них поддерживает собственный уникальный набор услуг и специальных функций. В зависимости от потребностей пользователя один комплект аппаратуры может обеспечивать работу в соответствии с одним или несколькими «вложенными» в TETRA стандартами.

Функции и услуги

То, что стандарт TETRA имеет столь впечатляющие возможности, вполне объяснимо. Его создатели хотели (и почти достигли желаемого) охватить как сервис мобильной радиосвязи и мобильной передачи данных, необходимый для традиционных пользователей ведомственных систем подвижной связи (PMR), так и услуги мобильной (читай — сотовой) телефонии, требующиеся для бизнес-пользователей. В соответствии со сложившейся терминологией, транкинговые услуги системы TETRA подразделяются на телесервисы (удаленную связь), услуги передачи данных (на несущей) и дополнительные (рис. 2).

Рис.2. Структура служб системы TETRA

Под телесервисами понимают системные услуги, предоставляемые через пользовательский интерфейс, которые обеспечивают любые виды связи. Один из примеров телесервиса — индивидуальный или групповой вызов, инициализируемый путем нажатия абонентом определенной кнопки на радиостанции. Список телесервисов стандарта TETRA приведен в табл. 1.

В отличие от телесервисов, услуги передачи данных не включают в свой «цикл реализации» пользовательский интерфейс. Функции встроены в аппаратуру; а для их выполнения задействуются только интерфейсы конечного оборудования с сетью и требуется наличие в системе специальных приложений (см. рис. 2). В набор таких услуг (табл. 2) входят передача данных с коммутацией цепей, передача коротких сообщений (SDS) и коммутируемых пакетов данных. Соответствующие системные службы обеспечивают формирование «цифровой трубы» с различными характеристиками, оптимизированными на определенный тип передачи.

Дополнительные услуги (табл. 3), как явствует из их названия, являются дополнением к телесервисам или услугам передачи данных либо их модернизацией (см. врезку). Например, услуга вызова с преимущественным приоритетом

TETRA-транкинг

Стандарт TETRA поддерживает все виды транкинговой связи, используемые в аналоговых системах, в том числе транкинг сообщений, транкинг передач и квазитранкинг передач.

Транкинг сообщений — выделение на весь период вызова (он может включать в себя несколько отдельных вызовов, инициализированных различными терминалами) одного и того же канала для передачи трафика. Канал освобождается лишь тогда, когда вызывающая сторона завершает связь (при групповом вызове), отключается (при индивидуальном вызове) или когда исчерпывается время активной связи.

Транкинг передач — выделение канала только на время выполнения каждой транзакции (т.е. при каждой инициализации передачи). После освобождения канала передача управляющего сигнала для следующей транзакции выполняется по служебному каналу.

Квазитранкинг передач — канал выделяется для каждой транзакции вызова, но освобождается не сразу по завершении цикла передачи, а после короткого периода, называемого временем «зависания» канала. В течение этого периода канал может быть еще раз выделен под новую транзакцию, являющуюся частью того же вызова.

Режимы работы

Стандарт TETRA обеспечивает широкий выбор режимов работы системы — нормальный, расширенный, минимальный и с разделением времени. Каждый из них соответствует определенному сценарию: например, система функционирует с малой нагрузкой, с большой нагрузкой, трафик преимущественно состоит из пакетов данных и т. д.

Нормальный режим чаще всего используется при начальной инсталляции базовых станций (БС), которые работают с обычной нагрузкой, т.е. задействуют 4—5 пар радиочастот на систему (16—20 речевых каналов). В этом режиме общий канал управления на основной несущей частоте является главным каналом управления, отображается в тайм-слоте всех кадров (от 1 до 18) и служит для передачи всех общих служебных сигналов. Абонентские радиостанции, не участвующие в конкретном вызове, «прослушивают» такой канал.

Расширенный режим применяется в системах, использующих одновременно два или более каналов управления в целях обеспечения требуемого уровня сервиса — по времени установления соединения либо по степени надежности (при пакетной передаче данных). Дополнительные каналы управления способны работать в качестве общих вторичных каналов управления (в отличие от основного канала управления, ими может пользоваться только определенная часть радиоабонентов) или назначенных вторичных каналов управления (обычно служат для передачи сигнализации после прерывания транспортировки данных сообщением от абонента к БС или обратного).

Минимальный режим (MM) ориентирован на зоны покрытия с «низким» трафиком. Чаще всего он реализуется на БС, работающих с одной парой частот, хотя теоретически большее число каналов БС не является ограничением для его применения. В этом режиме система выделяет все временные интервалы в главном канале управления для передачи трафика либо набора специализированных сигналов управления, поэтому для транспортировки общих служебных сигналов можно использовать только 18-й кадр.

В разрывном режиме, который чаще называют режимом разделения времени (Time Sharing Mode, TSM), радиочастотный канал используется совместно несколькими БС, т.е. распределен между ними. Такой режим применим только для зон покрытия с очень низким уровнем трафика и очень ограниченным спектром выделенных частот. Хотелось бы подчеркнуть разницу между режимом TSM, используемым системой или БС, и режимом передачи сигнала мобильной радиостанцией: обычно для последнего выделяется только один временной интервал на кадр, поэтому передача сигнала от абонента, по сути своей, разрывна. Особо отметим, что в разрывном режиме TSM основные сигналы управления передаются по главному каналу управления, который совместно задействуется несколькими БС; каналы трафика используются базовыми станциями также совместно.

Режимы работы терминала

В режиме ожидания («спящем») абонентская радиостанция (или, используя более широкое понятие, терминал) не связана с системой активно. Она лишь непрерывно прослушивает основной управляющий или любой другой служебный канал (вспомним, что возможно наличие одного или более вторичных служебных каналов). Терминал должен «знать» обо всех управляющих сигналах, передаваемых по главному каналу управления.

Режим ожидания может использоваться для энергосбережения (Energy Economy Mode), поскольку позволяет абонентской радиостанции «проспать» определенное число TDMA-кадров, прежде чем «проснуться» и отследить очередной управляющий кадр. Но терминал должен информировать систему о периодах своего «сна», чтобы не пропустить переданных в это время системных сообщений. Предполагается, что в режиме энергосбережения он работает синхронно с передающей системой. Поддерживаются семь модификаций этого режима с коэффициентами «засыпания» от 1:1 до 1:359 в пределах шести мультикадров (см. рис. 1).

Хотя система не имеет связи с терминалом в период «сна», его может «разбудить» системное приложение, инициализирующее вызов или передачу данных. Режим энергосбережения может быть прерван и после переназначения его времени.

В режиме трафика терминалу выделяется канал трафика для передачи речи или данных, и абонент получает возможность осуществления связи.

Услуги передачи данных

В зависимости от того, какой тип передачи данных воплощен в TETRA-системе, поддерживающей «вложенный» стандарт V+D (реализаций стандарта PDO пока не существует), можно выбрать услугу передачи данных с коммутацией цепей (CD), передачи коммутируемых пакетов данных (PD) или передачи коротких сообщений (SDS).

Спецификация службы SDS в стандарте TETRA охватывает все виды услуг передачи сообщений, необходимых мобильным системам, и позволяет организовывать как двухточечные, так и многоточечные соединения с возможностью выбора зоны действия. В ней также предусмотрены более 65 тыс. статусных сообщений, половина из которых может быть инициализирована пользователем. Эта служба настраивается самим пользователем; возможна ее оптимизация для одновременной передачи речевого трафика с сообщениями длиной 16, 32 или 64 бит либо для автономной передачи сообщений большей длины — вплоть до 2048 бит (256 символов).

Услуги CD используются при транспортировке больших объемов данных поверх основного трафика канала, причем в каждом канале шириной 25 кГц задействуется один из четырех тайм-слотов. Именно в этом случае стандарт TETRA обеспечивает полосу пропускания по требованию. Если пользователю необходимо повысить пропускную способность, можно объединить 2—4 временных слота и установить канал связи сквозным из конца в конец. Скорость передачи данных будет определяться, в первую очередь, степенью защищенности такого канала (табл. 4).

Первоначально в стандарте TETRA (а точнее, в V+D) содержались спецификации, определяющие два типа услуг PD (упорядоченные и с нарушением упорядоченности), которые базировались на протоколе X.25. Однако в связи с быстрым развитием Internet недавно стандарт пополнился еще одной службой передачи коммутируемых пакетов данных, основой которой стал IP-протокол.

Окончание следует

ОБ АВТОРЕ

Ранко Пинтер (ranko.pinter@simoco.com) — менеджер по стратегическим направлениям развития компании Simoco, ее официальный представитель в TETRA MoU. Участвует в разработке стандарта TETRA с 1993 г. Руководитель Рабочей группы 1 ETSI, занимающейся спецификациями служб TETRA, член редакционной коллегии ассоциации TETRA MoU.

Дополнительные услуги телефонной связи

• Идентификация вызывающего/вызываемого абонента
• Ограничение идентификации вызывающего/вызываемого абонента
• Изменение маршрута прохождения вызова при занятости, недоступности абонента или отсутствии ответа
• Сообщение о вызове
• Идентификация своей рабочей группы
• Завершение вызова для занятого или не отвечающего абонента
• Подключение к сеансу (включающий вызов)
• Информация об оплате
• Вызов с использованием списка абонентов
• Адресация с использованием коротких номеров
• Ожидание вызова
• Удержание вызова