Федеральное агентство связи
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
Описание транкинговой системы стандарта TETRA
Содержание
1.Введение
2 Краткая характеристика стандарта
2.1 Сравнительная характеристика стандартов TETRA и GSM
3 Основные характеристики протокола
3.1 Структура радиоинтерфейса
3.2 Выбор модуляции
3.3 Кодирование/декодирование речевого сигнала
3.4 Шифрование и защита информации
4 Интерфейсы и передача данных стандарта TETRA
4.1 Интерфейсы TETRA
4.2 Приложения на базе технологии передачи данных
5 Заключение
Библиография
1 Введение
TETRA (Terrestrial TRunked Radio – наземная система подвижной связи с автоматическим выделением каналов) – это открытый стандарт цифровых ведомственных сетей подвижной связи, т.е. предполагается, что оборудование различных производителей будет совместимо между собой. Стандарт TETRA разработан Европейским институтом стандартов связи (ETSI) в расчете на удовлетворение потребностей наиболее требовательных пользователей, динамично развивающихся ведомственных сетей PMR, представляет собой новейший пример разработок стандартов ETSI и соответствует тенденциям развития, установленным стандартом GSM (общий стандарт подвижной связи) – стандартом, разработанным в Европе, но получившим распространение во всем мире.
Деятельность правоохранительных органов и служб общественной безопасности сегодня невозможно представить без использования систем подвижной радиосвязи, среди которых в последнее время наибольшую популярность приобретают транкинговые системы. Эти системы позволяют строить разветвленные ведомственные сети связи с высоким уровнем предоставляемых услуг на больших территориях, сохраняя при этом возможности организации группового соединения абонентов, которое является основным режимом связи подразделений правоохранительных органов.
Повышенные требования служб общественной безопасности и правоохранительных органов к оперативности, надежности и безопасности связи, наличию специальных услуг заставляют их обращать особое внимание на системы цифровой транкинговой радиосвязи, имеющие существенные преимущества перед аналоговыми.
Доступ к спецификациям TETRA свободен для всех заинтересованных сторон, вступивших в ассоциацию “Меморандум о взаимопонимании и содействии стандарту TETRA” (MoU TETRA) [3]. Ассоциация объединяет разработчиков, производителей, испытательные лаборатории и пользователей различных стран.
В данной курсовой работе будет раскрыт основной принцип работы системы:
-частоты, с которыми работает стандарт;
-стандартные интерфейсы, основные характеристики протокола (а также структура) радиоинтерфейса стандарта TETRA;
- передача данных, способ используемой модуляции, шифрование и защита информации.
Система стандарта TETRA может функционировать в следующих режимах [2]:
· транкинговой связи;
· с открытым каналом;
· непосредственной связи.
В режиме транкинговой связи обслуживаемая территория перекрывается зонами действия базовых приемопередающих станций. Стандарт TETRA позволяет строить как системы с выделенным частотным каналом управления, так и с распределенным. При работе сети связи с выделенным каналом управления приемопередающие станции предоставляют абонентам несколько частотных каналов, один из которых — канал управления, специально предназначается для обмена служебной информацией. При работе сети с распределенным каналом управления служебная информация передается либо в специально выделенном временном канале (одном из 4-х каналов, организуемых на одной частоте), либо в контрольном кадре мультикадра (одном из 18).
В режиме с открытым каналом группа пользователей имеет возможность устанавливать соединение “один пункт — несколько пунктов” без какой-либо установочной процедуры. Любой абонент, присоединившись к группе, может в любой момент использовать этот канал. В режиме с открытым каналом радиостанции работают в двухчастотном симплексе.
В режиме непосредственной (прямой) связи между терминалами устанавливаются двух- и многоточечные соединения по радиоканалам, не связанным с каналом управления сетью, без передачи сигналов через базовые приемопередающие станции.
К основным сетевым процедурам относятся:
- регистрация мобильных абонентов и роуминг (процедура закрепления абонента за одной или несколькими базовыми станциями и обеспечение возможности перемещаться из зоны в зону без потери связи);
- повторное установление связи (обеспечение возможности замены сетью базовой станции, используемой абонентом, в случае ухудшения условий связи);
- аутентификация абонентов (установление подлинности абонентов);
-отключение/подключение абонента (процедура отключения (подключения) абонента от сети по его инициативе);
-отключение абонента оператором сети (процедура блокирования работы абонентского терминала оператором сети);
- управление потоком данных (обеспечение возможности сети переключать на себя поток данных, направленный к определенному абоненту).
В стандарт введены следующие услуги:
· вызов, санкционированный диспетчером (режим, при котором вызовы поступают только с санкции диспетчера);
· приоритетный доступ (в случае перегруженности сети доступные ресурсы присваиваются в соответствии со схемой приоритетов);
· приоритетный вызов (присвоение вызовов в соответствии со схемой приоритетов);
· избирательное прослушивание (перехват поступающего вызова без влияния на работу других абонентов);
· дистанционное прослушивание (дистанционное включение абонентской радиостанции на передачу для прослушивания обстановки у абонента);
· динамическая перегруппировка (динамическое создание, модификация и удаление групп пользователей).
3
По сравнению с сетями сотовой связи транкинговые системы TETRA гораздо более эффективны при создании однозоновых сетей связи или сетей с локальным покрытием территории.
Технология TETRA определяется как система с уплотнением каналов доступа с временным разделением ("Time Division Multiple Access") с четырьмя независимыми каналами передачи на каждой несущей частоте [3]. Расстояния между отдельными несущими составляет 25 кГц. Это позволяет повысить вдвое использование частот по сравнению с аналоговыми транкинговыми радиосистемами, работающими с частотным разносом 12,5 кГц (в соответствии со стандартом MPT 1327), и в то же время улучшить качество передачи голоса. По сравнению с сетями стандарта GSM, в которых предлагается 8 каналов связи с разносом частот 200 кГц, системы технологии TETRA вчетверо повышают эффективность использования частотного диапазона, и обеспечивающий эффективность эксплуатации сетей связи с небольшим радиусом зоны обслуживания, но интенсивным трафиком.
Другое различие заключается в схеме организации связи. В сотовых системах и системах беспроводного доступа осуществляются индивидуальные вызовы между абонентами. Средняя длительность разговора может достигать несколько минут. Типовой режим работы транкинговых систем основан на передаче коротких вызовов (менее 1 мин), которые могут организовываться как индивидуально, так и через диспетчера.
Стандарт TETRA предусматривает адаптивное дискретное изменение уровня выходной мощности в процессе сеанса связи абонентов в соответствии с требуемой напряженностью поля, что при высокой плотности радиосредств приводит к существенному уменьшению взаимных радиопомех. Общеизвестно, что при чрезвычайных ситуациях, например, крупных авариях, пожарах или терактах, многие виды связи оказываются неэффективными. В частности, сотовые системы при большой нагрузке из одной точки просто начинают давать сбои, и на совершение звонка по радиотелефону уходят многие минуты, хотя зачастую счет в таких ситуациях идет на секунды.
Преимущества TETRA объясняется наличием в этом стандарте целого ряда функциональных возможностей и режимов (возможность функционирования в режиме конвенциональной связи вне зоны действия базовой станции, режим "двойного" наблюдения, при котором обеспечивается прием сообщений от абонентов, работающих в режиме транкинговой связи, и от абонентов, работающих в режиме конвенциональной связи, режим работы мобильной радиостанции в качестве ретранслятора для расширения зоны радиопокрытия портативных радиостанций), которые не реализуются в сетях сотовой связи. При этом время установления связи не превышает 300 мс, что довольно существенно (для сравнения, в системах GSM связь устанавливается в течение нескольких секунд).
3 Основные характеристики протокола радиоинтерфейса TETRA
Радиоинтерфейс стандарта TETRA предполагает работу в стандартной сетке частот с шагом 25 кГц. Необходимый минимальный дуплексный разнос частот в радиоканалах составляет 40 МГц. Требуемый уровень излучения в соседнем канале 60 дБ. Решениями комитета ERC за системами TETRA закреплены следующие диапазоны частот:
- 380 – 400 МГц – для аварийно-спасательных служб и служб безопасности;
- 410 – 430 МГц, 450 – 470 МГц, 870 – 876 МГц и 915 – 921 МГц – для гражданского (коммерческого) использования.
В системах TETRA эффективно используется частотный ресурс. Функционирование систем стандарта TETRA, построенных на базе технологии TDMA (метод многостанционного доступа с временным разделением каналов связи— Time Division Multiple Access, на одной физической (рабочей) частоте может быть организовано до 4 независимых временных (информационных) каналов, что позволяет вести переговоры по радиоканалу одновременно с передачей данных). Это позволяет также упростить радиочастотную часть оборудования базовой станции (требуется только один ретранслятор, антенны, фидер и т. д. на четыре рабочих канала).
Разработка стандарта была начата в 1994 г. и уже в 1996 г. были представлены первые версии спецификаций стандарта TETRA.
Стандарт TETRA состоит из двух частей [2]: TETRA V+D (TETRAVoice+Data) - стандарта на интегрированную систему передачи речи и данных, и TETRA PDO (TETRA Packet Data Optimized) - стандарта, описывающего специальный вариант транкинговой системы, ориентированной только на передачу данных.
В режиме передачи данных для одного сеанса связи (одному абоненту) может одновременно выделяться от одного до четырех потоков, этим обеспечивается скорость передачи данных до 28.8 кбит/c (в стандарте GSM – только 9.6 кбит/c).
Именно в этом случае стандарт TETRA обеспечивает нужное качество сервиса, так как по требованию можно зарезервировать необходимую полосу пропускания. Если пользователю необходимо повысить пропускную способность, можно объединить 2 – 4 временных слота и установить канал связи сквозным.
Передача четырех речевых каналов в полосе 25 кГц стала возможной благодаря использованию в стандарте TETRA низкоскоростного кодера речи с алгоритмом CELP(Code Excited Linear Prediction), относящихся к классу алгоритмов «анализа и синтеза» речи. Принцип анализа и синтеза состоит в преобразовании параметров речи и в предоставлении их в такой форме, чтобы ошибка на выходе по отношению к входу была минимальной.
Для преобразования речи в стандарте используется кодек с алгоритмом преобразования типа CELP. Скорость цифрового потока на выходе кодека составляет 4,8 кбит/с. Цифровые данные с выхода речевого кодека подвергаются блочному и сверточному кодированию, перемежению и шифрованию, после чего формируются информационные каналы. Пропускная способность одного информационного канала составляет 7,2 кбит/с (из которых для передачи оцифрованного и сжатого речевого сигнала используется 4.8 кбит/с, а оставшиеся 2.4 кбит/с отводится для передачи кода коррекции ошибок), а скорость цифрового информационного потока данных — 28,8 кбит/с.
При этом общая скорость передачи символов в радиоканале за счет дополнительной служебной информации и контрольного кадра в мультикадре соответствует скорости модуляции и равна 36 кбит/с.
5
Структура передаваемого кадра, продолжительностью 56.67 мс, (рисунок 3.1) представляет собой четыре временных интервала на кадр TDMA [1]. Передача сообщений осуществляется мультикадрами. Восемнадцать кадров TDMA образуют мультикадр, один из кадров которого постоянно используют для передачи управляющего (контрольного) сигнала; 60 мультикадров образуют гиперкадр.
Продолжительность мультикадра составляет 1.02 с. Каждый временной интервал (слот) равен 14.67 мс, в котором помещаются 510 информационных бит, 432 из них относятся к информационному сообщению (два блока по 216 бит). В середине каждого временного интервала находиться синхропоследовательность SYNCH, которая применяется для временной синхронизации пакета и как тестирующая или (обучающая) последовательность для адаптивного канального эквалайзера в приемнике.
В начале временного интервала передается пакет из 36 бит PA (Power Amplifier – управление излучаемой мощностью). За ним следует первый информационный блок (216 бит), далее – синхропоследовательность SYNC (36 бит), второй информационный блок. Соседние временные интервалы разделяются защитными периодами длительностью 0.167 мс, что соответствует 6 битам.
Применение схем сжатия позволяет транспортировать сигнал голоса и данных в 17 кадрах TDMA, оставляя 18-ый кадр для передачи сигналов управления. Данный управляющий кадр обеспечивает одну из уникальных особенностей протокола обмена 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 абонентами.
Для достижения высокой частоты звукового сигнала, передаваемого по радиоканалу со скоростью 7.2 кбит/с, применяются методы прямой коррекции ошибок FEC (Forward Error Correction) и циклическую избыточность кодирования CRC (Cyclic Redundancy Check). До поступления речевого потока на вход модулятора к нему добавляется корректирующий код, после чего производится межблочное перемежение. Если в процессе передачи потерян пакет сообщения, то при деперемежении в приемнике он трансформируется в одиночные ошибки, которые исправляются методом FEC (Forward Error Correction).
Для обнаружения ошибок при передаче в канале радиосвязи, их исправления в канальном кодировании применяются технологии Forward Error Correction (FEC) и Cyclic Redundancy Check (CRC) в виде четырех процедур: блочного кодирования (block-encoding), сверточного кодирования (convolutional encoding), перемежения (interleaving) и шифрования (scrambling), после чего формируются информационные каналы. Скорость выходного потока равна 36 кбит/с.
Перечисленные свойства кодека обеспечиваются такими его функциями, как:
- оценка важности элементов речи SIF(Speech Importance Factor);
- установление комфортного уровня шума CNF (Comfort Noise Function);
- заимствование кадров FSF (Frame Stealing Function).
Функция SIF анализирует каждый речевой кадр, чтобы определить, насколько ухудшается качество передаваемой речи. В соответствии с результатами анализа этому кадру присваивается необходимый уровень защиты (низкий, средний или высокий). Функция CNF генерирует специальный кадр, который используется для замены недоброкачественных кадров речи.
На приемной стороне декодер производит аналогичные действия, но в обратном порядке.
Модуляционный поток подается на модулятор через специальный фильтр с импульсной характеристикой "приподнятый косинус" (raised cosine) для минимизации межсимвольных искажений.
6
Рисунок 3.1 – Структура кадра в системах TETRA
Изменение фазы может иметь и более двух значений, например четыре (0, 90, 180 и 270°). В этом случае говорят о так называемой квадратурной фазовой модуляции (Quadrature Phase Shift Key, QPSK) [3] .
Радиоканал стандарта TETRA использует относительную фазовую модуляцию типа П/4-DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). При этом каждому символу модуляции соответствует передача двух бит информации. Это снижает скорость передачи информационного цифрового потока с 36 кбит/с до 18 кбит/с. Модулирующая последовательность бит разбивается на пары (дебиты), комбинация которой определяет относительный сдвиг (+ ¶/4, - ¶/4, + 3¶/4, - 3¶/4), то есть за один такт передается два бита. Это позволяет в два раза снизить скорость модуляции (18 кбод), используя полосу радиоканала только 25 кГц.
7
Страницы: 1, 2
