ОБЗОР МОДЕМОВ СОТОВОЙ СВЯЗИ ДЛЯ РАБОТЫ В СИСТЕМАХ ЭКСТРЕННОГО РЕАГИРОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

TECHNOLOGY, ENGINEERING

UDC 621.391.8

Andreev R.A., Popova T.S., Fedorov A.S. Cellular modems overview for Emergency Response Systems

Обзор модемов сотовой связи для работы в системах экстренного реагирования

Andreev Roman Aleksandrovich,

Senior instructor of Radio Communication and Broadcasting Department, SPbSUT

Popova Tatiana Sergeevna,

Undergraduate Student of Radio Communication and Broadcasting Department, SPbSUT

Fedorov Andrey Sergeevich,

Engineer of Research and Education Center «Wireless Infotelecommunication Networks», SPbSUT Андреев Роман Александрович, Старший преподаватель кафедры радиосвязи и вещания, СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича Попова Татьяна Сергеевна, Студент кафедры радиосвязи и вещания, СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Федоров Андрей Сергеевич, Инженер научно-образовательного центра «Беспроводные инфотелекоммуникационные сети», СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Abstract. Today, emergency response systems work, among other things, on the basis of cellular networks. This article provides general information about emergency response systems, as well as a comparative description of cellular modems that support work with such systems.

Keywords: eCall, Emergency Call, eCall, Emergency Call, tests of communication devices, cellular communication, mobile communication.

Аннотация. Сегодня системы экстренного реагирования работают, в том числе, на базе сотовых сетей. В данной статье приведены общие сведения о системах экстренного реагирования, а также сравнительная характеристика сотовых модемов, поддерживающих работу с такими системами.

Ключевые слова: eCall, Emergency Call, ЭРА-ГЛОНАСС, испытания средств связи, сотовая связь, мобильная связь.

DOI 10.54092/25421085_2022_5_55

Рецензент: Сагитов Рамиль Фаргатович, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной работе в ООО «Научно-исследовательский и проектный институт экологических проблем», г. Оренбург

Особенностью системы eCall является наличие встроенного тонального модема (in-band модема) в абонентском терминале. Основная функция тонального модема заключается в передаче МНД в режиме голосового вызова.

Модем должен соответствовать требованиям, установленным в ГОСТ 33470— 2015 [1]. В составе абонентского оборудования тональному модему уделяется место как некоему блоку. На рисунке 1 он указан как аппаратура транспортного средства. В момент дорожно-транспортного происшествия автомобильная система должна передать в Центр обратобки вызовов (ЦОВ) минимальный набор данных (МНД) посредством телефонной сети общего пользования (ТФОП). МНД передается по голосовому каналу, при этом аудиоустройства внутри кабины автотранспорта (микрофон и громкоговоритель) должны быть выключены; голосовой кодек переключается на тональный модем.

Рисунок 1. Принцип передачи МНД от аппаратуры ТС до ЦОВ

В соответствии со стандартом голосовой вызов может быть установлен как вручную, так и автоматически (по срабатыванию датчика аварии). Причем информация об этом должна быть включена в МНД. Таким образом оператор системы сможет определить обстоятельства, при которых совершен вызов. Скажем, ручной вызов должен быть подтвержден сотрудником оператора системы при голосовом контакте, поскольку такой вызов может быть совершен по ошибке или неосознанно.

Существуют два режима при передаче МНД: pull mode и push mode. После того как голосовой вызов установлен (автоматически или вручную), тональный модем

проверяет аудиосигнал, входящий от голосового кодека на предмет наличия синхронизационного запроса от ЦОВ. Когда запрос принимается, вход голосового кодека отключается от микрофона и громкоговорителя и замыкается на тональный модем. Это позволяет избавиться от посторонних шумов во время передачи самого МНД и увеличить вероятность его успешного приема и декодирования на стороне ЦОВ. Далее тональный модем передает синхронизационный пакет центру обработки вызовов и, получив подтверждение от него, начинает передачу самого МНД. По окончании приема МНД ЦОВ шлет в сторону тонального модема соответствующее подтверждение. Такой порядок передачи МНД называется pull mode.

Кроме того, тональный модем может передать МНД по другому сценарию, в так называемом режиме push mode, когда при установлении голосового вызова тональный модем сначала шлет в сторону ЦОВ приглашение, а далее все происходит по сценарию pull mode.

Иногда процесс передачи МНД может быть сорван, тогда в рамках текущего голосового вызова этот процесс возобновляется по истечении 20 секунд с момента начала предыдущего сеанса передачи [2].

Работа тонального модема управляется специальным набором АТ-команд, который позволяет установить режим вызова (ручной/автоматический), тип вызова (экстренный/тестовый), достоверность передаваемых координат, координаты, тип транспортного средства, тип топлива и т. д. [3].

К коммуникационному модулю транспортного средства установлен ряд требований, указаный в ГОСТ Р 57484-2017 [4]. GSM/UMTS модем должен работать в сетях подвижной связи (ССПС) в диапазонах GSM 900 и GSM 1800, а также UMTS 900 и UMTS 2000 с поддержкой пакетной передачи данных и приема/передачи коротких текстовых сообщений (SMS) и обеспечивать процедуру передачи управления при переходе из одного диапазона в другои. Для этого модем должен соответствовать требованиям, установленным в соответствии с законодательством в области связи [4], [5]. Входящая в состав коммуникационного модуля SIM/USIM-карта должна обеспечивать регистрацию и работу в ССПС стандартов GSM 900/1800 и UMTS 900/2000 и содержать профиль сети подвижной радиотелефонной связи, обеспечивающей функционирование ГАИС «ЭРА-ГЛОНАСС». Также на SIM/USIM-карте должен быть деактивирован запрос ввода PIN-кода при включении.

Для передачи данных о ДТП система использует систему спутникового позиционирования и сети сотовой связи 2G или 3G. Схема работы системы eCall показана на рисунке 2.

Позиционирование

ГНСС

БС

GSM/UMTS

(M)

ДТП

цов

Рисунок 2. Схема работы системы eCall

Система экстренного реагирования при авариях состоит из четырех элементов:

- блока интерфейса пользователя (БИП),

- глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС),

- сети сотовой связи

- центра обработки вызовов и координации экстренных служб (ЦОВ).

Для передачи МНД от автомобиля до ЦОВ используется голосовой тракт. Это обусловлено тем, что установление связи по голосовому каналу имеет наивысший приоритет и гарантированные минимальные задержки. В системе eCall для передачи МНД используется так называемый тональный модем. Его основная функция — передача МНД в голосовом канале [6]. Координаты места ДТП в МНД указываются с помощью ГНСС.

Российская государственная система экстренного реагирования при авариях ЭРА-ГЛОНАСС согласуется с Европейской системой eCall. Она использует те же принципы и протоколы, но обеспечивает дополнительные возможности, например она имеет режим обратного звонка и может использовать СМС в качестве резервного канала передачи МНД. Поскольку передача СМС требует минимальных возможностей сети, это значительно повышает вероятность приема МНД. Передачу СМС может запросить ЦОВ, если голосовое соединение было установлено успешно, но первое сообщение с МНД не было принято. Также БИП может передать СМС, если ему не удалось установить голосовое соединение.

БИП устанавливается в салоне транспортного средства. В состав типового блока интерфейса пользователя входят встроенный управляющий микроконтроллер, тональный модем и приемник ГНСС.

Встроенный управляющий микроконтроллер является центральным элементом блока интерфейса пользователя. Он постоянно собирает информацию от бортовых датчиков - положение автомобиля, отметку времени и количество пассажиров - и в то же время контролирует приемник ГНСС и тональный модем через интерфейс ГНСС и интерфейс модема соответственно. Также БИП составляет минимальный набор данных (МНД), в состав которого входит VIN-код ТС, тип топлива и также текущую информацию от бортовых датчиков. Приемник ГНСС поддерживает постоянное отслеживание местоположения автомобиля. Во время ДТП срабатывает датчик, и тональный модем устанавливает голосовое соединение с ближайшим ЦОВ по каналам GSM/UMTS с целью передачи МНД. Также в состав блока интерфейса пользователя входит микрофон и громкоговоритель, что дает возможность водителю и пассажирам ТС поддерживать разговор с оператором центра обработки вызовов.

Центр обработки вызовов и координации экстренных служб (ЦОВ) является одним из главных элементов систем экстренного реагирования. К его задачам относится автоматическое получение данных об аварии, таких как местоположение, время и степень тяжести ДТП. ЦОВ отвечает на вызов (и принимает МНД) и принимает необходимые меры, например отправляет службы спасение на место аварии. Голосовое соединение используется в дальнейшем для получения дополнительной информации. Стоит отметить, что центру обработки вызовов необходимо обрабатывать информацию о транспортных средствах, зарегистрированных как в своей стране, так и за рубежом.

Минимальный набор данных (МНД) - это сообщение, формируемое блоком интерфейса пользователя для отправки в ЦОВ.

МНД состоит из 140 байт и 28 проверочных бит для CRC, что в сумме дает длину в 1148 бит [7]. После кодирования для прямой защиты от ошибок длина МНД составляет 1380 бит.

Следует отметить, что компановка европейского МНД отличается от российского. Российский МНД имеет уплотненный формат, сформированный побитово. Также в его составе есть дополнительный блок данных, которого нет в составе европейского МНД — оценка тяжести ДТП. Из таблицы 1.3 видно, что российский МНД содержит исчерпывающую информацию о произошедшей аварии: координаты аварийного ТС, направление движения, время аварии, VIN-код ТС, категория ТС, режим вызова (автоматический или ручной), вид звонка (тестовый или ручной), вид топлива

(бензин, дизель, газ). Дополнительный, 12-й блок данных содержит сведения, по которым можно оценить степень тяжести ДТП. В этом блоке передается информация о возникших ошибках, месте удара, существует ли угроза жизни и здоровью водителя и пассажиров, а также некоторая информация о сети, где зарегистрирован абонентский терминал.

В системе eCall предусмотрены три основных варианта работы:

- Emergency call — аварийный вызов;

- Test call — проверка работоспособности всей системы;

- Configuration call — настройка параметров

Вариант Emergency call реализуется автоматически при срабатывании датчиков движения или при нажатии аварийной кнопки пассажирами ТС [3].

При нажатии кнопки «Экстренный вызов» (независимо от варианта конструктивного исполнения БИП ТСК) для формирования обязательного признака приоритетности экстренного вызова в сетях подвижной радиотелефонной связи стандартов GSM 900/1800 и UMTS 900/2000 (eCall-флаг), соответствующего ручному срабатыванию, ТСК должно обеспечить установку значения бит 6 в элементе «Категории сервиса» (инициализирующее сообщение экстренного вызова — ручное срабатывание).

Применение сетей GSM и UMTS для работы систем eCall и ЭРА-ГЛОНАСС обусловлено тем, что они обладают большей зоной покрытия, особенно это заметно в сельской местности [8].

Управление модемом связи осуществляется посредством AT-команд. Необходимо учитывать, что АТ-команды для eCall и «ЭРА-ГЛОНАСС» у разных производителей беспроводных модулей во многом не совпадают — как по формату, так и по синтаксису.

На основе данных крупнейших производителей модемов сотовой связи, например SIMCom, Quectel, Gemalto, была составлена сравнительная харарктеристика модемов, поддерживающих работу в системах eCall/ЭРА-ГЛОНАСС, что представлено на рисунке.

Модем UG96 Ы95 Mid AGS2 AH S3 SIM5360E ПН6280

Компания Qwmd Qurnd Que?»!. asroto Gerote. SMCsrn НДВИА

Частотный диапазон 800/850/900/1900/2100 MTn 850/900/1800/ 1900 МГц 850/900/1800/190 ' V r 850/900/1800/1900 Ml "I 850/900/1800/1900 МГц 850/900/1800/1900 МГц 900.1800/2100 МГц

Выходная мощность Class 3 (24dBm -1.-3dB) for UMTS bands Class E2 (27dBm±3dB) for GSM850 & EGSM900 Class E2 (26dBm±3dB) for DCS1SOO & PCS 1900 Class 4 (33dBm ±2dB) for GSM 850/900 Class 1 [30dBm =2dB) for GSM 1800/1900 Class 4 (33dBm for 850/ SOOMHzj— Class 1 [30dBm for 1800/ 190011Hz) Class 4 (33dBm for 850 9flfr\<H7l Class 1 (30dBm for 1800/ 1900MHz) Class 4 (+33dBm ±2dB) for EGSM850 Class 4 (t33dBm ±2dB) for EGSM900 Class 1 (+30dBm ±2dB) for GSM1800 Class 1 (+30dBm ±2dB) for GSM1900 Class 4 (+33dBm ±2dB) for EGSM850 Class 4 (+33dBm ±2dB] for EGSM900 Class 1 (+30dBm ±2dB) for GSM1800 Class 1 (+30dBm ±2dB) for GSM1900 UMTS 850/1900 24dBm UMTS 900-2100 24dBm GSM850/GSM900 33dBm DCS1800/PCS1900: 30dBm UMTS 900/2100 24dBni GSM9Û0 33dBm DCSISOO 30dBm

Передача данных Class 12(85.6gh» UL/DL) Class 12 (85.6 Ш«. UL/DL) Class 12(85.6 gta UL/DL) Class 10 Class 12 (85 6JCI}p5 UL.DL) Class 12 (85.6 И» ul/dl) Class 12 (85 6 sta ul/dl)

Поддержнва емые протоколы TCP UDP PPP MMS HTTP HTTPS SMTP SMTPS TTP NTP NITZ PING SSL PPP TCP UDP TTP HTTP SMTP SSL MUX TCP UDP PPP FTP HTTP SMTP CMUX SSL TCP-TOP FTP ILTHCHT HTTP iLineii: SMTP EjiueHT POP3 umem TCP,TP FTP FTPS HTTP HTTPS SMTP POP3 DNS TCP UDP HTTP SMTP

Интерфейсы USB 2.0 with High Speed up to 430Mbps UART Digital Audio through PCM Interface (Optional) 1.8V 3.0V CfflSIM Card Interface I2C NETLIGHT for Network Stattjs Indication STATUS for Power ON/OFF Status Indication (U)SBI Card Interface ■ 2 UART x 2 Analog Audio Channel ■ 2 (Embedded Class-AB Amplifier in One Channel) PCM RTC Backup Antenna Pad (U)SIM Interface U.ART « 3 2 Output and 1 Input Analog Audio Channels PCM к 1 RTC x 1 ADC « 1 Bluetooth 3.0 (Profile SPP, HFP, OPP) Antenna Pads ■ 2 (GSM and Bluetooth antennas) UART GPIO ADC/DAC UICC SIM 2 x antenna pads for GSM/UMTS 1 x antenna | for GPS Audio: 1 x digital, 1 x analog USB 2.0 high speed UICC,-SIM card interface 3 V, l.S V Serial interface with ÏOxGPK? .Antenna diagnostics for GSM/UMTS/GPS antennas supported USB2.0 UART SIM card SPI I2C Keypad(5*5) Constant current sink GPIO RTC ADC SDIO PCM PCM: цифровой аудио интерфейс UART: x2. High speed UART SIM: x.. support 1,8 ВЧ В IIC: xl USB 2.0 Device: Higl Speed 480Mbps TX EN: вывод состояния передачи 2G T/sBursi

Ажшждек (есть/ист) есть ecTb есть ШЬ 65». SÇ.ÏS нет

Голосовой функционал (да/нет) да fla да да да да есть

Размер (22.5 x 26.5 x 2.2) им (19.9 - 23.6 x 2 65) mm (17.7 x 15.S * 2.3) MM (IS.8 x 26.7 x 2.7) MM (33 x 29 x 2.4) мм (30x30* 2.9) мм (29.5 х 19.5 х 2.65) мм

Тип корпуса LGA LCC LCC LGA LGA LCC LGA

Драйвера Windows, Linux Windows, Windows, Windows, Linux Windows, Linux Windows, Linux Linux

Управление AT команды AT -.'o in-mj AT команды AT команды TCP/IP AT команды TCP/IP AT команды TCP'IP AT команды

Питание 3.3V ~ 4.3 V 3.8 V Тур. 3.3 V ~ 4.6 V 4.0V JS®- 3.3V ~ 4.6 V 4.0V Typ, 3.3 - 4.5 V 3 3 V - 4 2 V 3.4V- 4.2V 3.3 - 4 2 V

Вес 3.1г 3.0i 1.3g 2.7g 6g 5.7g 5.01

Рабочая температура -40CC - +85°C -40°C -+85°C -40SC--S5CC -40°C - +90°C -40°C ~-8i°C —40CC - -SSCC -40°C--S5CC

GNSS нет Her нет GPS/GLONASS GPS GLONASS GPS GLONASS нет

Bluetootli нет Her 3.0 нет нет Hei нет

Цена 5000 1000 900 7800 SOOO 6500 5500

latmuing dtaiim нет есть есть нет Hei Hei нет

UMTS GSM850: - GSM850: -

800/850/900/2100: - 109dBm 109dBm GSM850: -

llOdBni GSM900: - GSM900: - GSM850: -109dBm GSM850: -109dBm GSM850: -109dBm 109dBm GSM900:

Чувствптель UMTS 1900: -109.5dBm 109dBm 109dBm GSM900: -109dBin GSM900: -109dBm GSM900: -109dBm -109dBm

иость GSM 850 -109.5dBm DCSISOO: - DCSISOO:- DCSISOO:-109dBm DCSISOO:-109dBm DCS1800:-109dBm DCSISOO:-

EGSM 900:-108.5dBm 109dBm 109dBtn PCS1900: -109dBm PCS1900: -109dBm PCS1900: -109dBm 109dBm PCS1900:

DCS 1800:-llOdBm PCS 1900:- PCS1900: - -109dBm

PCS IOOO -lOBdBm lOSdBm 109dBm

Чипсет Intel MßiaXst MssfeCtefc Intel Qualcomm Qualcomm MssfcCtek

Рисунок 3. Сравнительная характеристика модемов сотовой связи с поддержкой

eCall

Исходя из представленных в таблице данных, по техническим характеристикам все модемы удовлетворяют требованиям системы eCall. По цене предпочтителен модем Quectel M66, также его преимуществом является наличие функции Jamming Detection. Она призвана отслеживать глушение используемых частотных диапазонов сотовой связи. При проявлении признаков глушения модуль оповещает управляющий контроллер об этом событии. Таким образом, до того момента, пока модуль полностью не заглушен, есть возможность отправить экстренное оповещение, например с помощью SMS или голосового вызова. Однако у данного модуля есть существенный недостаток - он поддерживает работу только в сетях второго поколения. По конструктивным особенностям, таким как тип корпуса, выделяется модем SIM5360E. Несмотря на то, что многие изготовители модемов имеют высокотехнологичное оборудование и не испытывают сложностей с пайкой изделий в форм-факторе LGA, часто предпочтение все же отдается изделиям с краевыми контактами LCC, поскольку это облегчает разводку печатной платы, упрощает производство, повышает ремонтопригодность изделий. Да и качество пайки легче контролировать на выходе с линии SMD-монтажа. Такие особенности в совокупности с приемлемой ценой выгодно отличают SIM5360E от остальных модемов. С точки зрения соблюдения требований по импортозамещению [9] выделяется модем российского производства Прогресс Навиа ПН6280.

Работа выполнена в рамках прикладных научных исследований СПбГУТ, регистрационный номер 122020100465-3 от 01.02.2022 в ЕГИСУ НИОКТР..

References

1. ГОСТ 33470-2015. Глобальная навигационная спутниковая система. Система экстренного реагирования при авариях. Методы испытаний модулей беспроводной связи устройства/системы вызова экстренных оперативных служб. -введ. 2017-01-01. - Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации по результатам голосования; Москва: Изд-во стандартов, 2017. - 80 с.

2. Батор Батуев. SIM5360E. Применение тонального модема для передачи МНД в системе «ЭРА-ГЛОНАСС // БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. - 2014. - №3. - С. 48-51.

3. Батор Батуев. SIM5360E - комбинированный 3G+GPS/ГЛОНАСС-модуль. Новые возможности для систем транспортного мониторинга // БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. - 2014. - №1. - С. 52-55 с.

4. Об утверждении Правил применения абонентских станций (абонентских радиостанций) сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM-900/1800 и Правил применения абонентских станций (абонентских радиостанций) сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта UMTS с частотным дуплексным разносом и частотно-кодовым разделением радиоканалов, работающих в диапазоне 2000 МГц: приказ Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 24 октября 2017 года № 571.

5. Об утверждении Правил применения абонентских терминалов систем подвижной радиотелефонной связи стандарта UMTS с частотным дуплексным разносом и частотно-кодовым разделением радиоканалов, работающих в диапазоне частот 900 МГц: приказ Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 13 октября 2011 года № 257.

6. Алексеев Виктор. Новые 3G-модули для IoT, eCall, M2M производства Quectel Wireless Solutions. Часть 2. Модуль Quectel UG96 // БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. - 2016. - №3. - С. 34-40.

7. ERA-GLONASS Conformance and Performance Testing / Bernhard Schulz -Rohde & Schwarz, 2018. - 71 с.

8. Соковишин Максим. Испытания на соответствие стандартам eCall/ЭРА-ГЛОНАСС // БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. - 2018. - №3. - С. 44-48.

9. ПН6280. URL: http://naviawireless.ru/product/pn6280/