Стандарт tetra: его возможности и преимущества Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.396

Стандарт TETRA: его возможности и преимущества

С.В. Чивилев

Рассмотрен стандарт TETRA, функциональный набор, структура радиоинтерфейса, его совместимость с другими стандартами мобильной связи; проанализированы идентификация и адресация в рамках стандарта, а также его безопасность.

TETRA system is examined. Radio interface functional parts, structure and interoperability with other standards of mobile communications are examined. Identification, addressing and secure aspects are analyzed in a scope of the standard.

Введение

Стандарт TETRA создавался Европейским институтом телекоммуникационных стандартов ETSI (от англ. European Telecommunications Standards Institute) как единый общеевропейский стандарт цифровой транкинговой радиосвязи. До апреля 1997 г. аббревиатура TETRA означала Трансевропейское транкинговое радио (Trans-Eupopean Trunked RAdio). Впоследствии, когда интерес к стандарту TETRA вышел за пределы Европы, смысл аббревиатуры TETRA изменился и она стала расшифровываться как Наземное Транкинговое Радио (TErresstrial Trunked RAdio).

Стандарт TETRA является основным стандартом для систем профессиональной транкинго-вой радиотелефонной связи. Это прежде всего современный цифровой стандарт, разработанный на основе технологии GSM и ориентированный на создание систем связи, эффективно и экономично решающих задачу гибкой коммуникации между различными группами пользователей с обеспечением многоуровневой приоритетность вызовов и защищенности информации. Основными пользователями систем стандарта TETRA являются силовые ведомства, аэропорты и т.п.

TETRA - открытый стандарт, т.е. предполагается, что оборудование различных производителей совместимо. Доступ к спецификациям TETRA свободен для всех заинтересованных сторон, вступивших в ассоциацию «Меморандум о взаимопонимании и содействии стандарту TETRA» (MoU TETRA). Ассоциация объединяет разработчиков, производителей, сотрудников испытательных лабораторий и пользователей оборудования из различных стран. На деле же элементы инфраструктуры различных производителей абсолютно несовместимы в связи с использованием проприетарных внутренних интерфейсов. Кроме того, качественный и количественный состав оборудования инфраструктуры различных производителей для

реализации одних и тех же функций может отличаться на порядок. Вместе с тем все производители оборудования стандарта TETRA реализуют одинаковый радиоинтерфейс, что позволяет использовать в одной сети абонентские терминалы (радиостанции) различных производителей. Абсолютная совместимость при этом не гарантируется, но базовые функции выполняются.

Итак, основным требованием к разработке платформ TETRA является функциональная совместимость, т. е. типовой набор функций в абонентских терминалах TETRA различных производителей должен реализовываться в полной мере на любом инфраструктурном оборудовании.

Передовые производители инфраструктурного оборудования стандарта TETRA, выпускающие также абонентские терминалы, помимо реализации основного функционала TETRA, предлагают дополнительные возможности при работе в «родной» сети (например, всю мощь терминалов Motorola можно ощутить при работе на платформах Compact TETRA, Dimetra IP, Dimetra IP Compact производства Motorola). Эти дополнительные возможности могут существенно превосходить базовый набор функций TETRA и иногда могут являться определяющими при выборе системы связи. Примерами дополнительных функций могут являться WAP, работа с GPS, передача данных, удаленный доступ к базам данных и приложениям. Кроме того, даже скорость передачи данных у каждого производителя может отличаться. Например, в абонентских терминалах Motorola (в отличие от Sepura или PUMA) на сегодняшний день достигается большая скорость передачи данных, что связано с более эффективным использованием канала. Аналогичная ситуация наблюдается с опциями по шифрованию радиоинтерфейса -набор опций зависит от производителя, и в том случае, если защита информации является приоритетной задачей, оператору TETRA предстоит серь-

езный анализ существующих платформ для выявления наиболее подходящей. Основными элементами системы транкинговой связи TETRA являются инфраструктура и абонентские терминалы. К инфраструктуре управления и коммутации (SwMI - от англ. Switching and Management Infrastructure) относится оборудование, которое обеспечивает радиопокрытие и необходимые режимы функционирования сети TETRA: центр коммутации / маршрутизации; базовые станции; диспетчерские пульты; центр управления системой; шлюзы в другие сети; серверы приложений и др. Абонентские терминалы - это радиостанции TETRA в портативном (носимом), мобильном (возимом) или стацнионарном исполнении.

Радиоинтерфейс стандарта TETRA

Стандартом описываются два режима функционирования абонентского оборудования (радиостанций):

1) режим транкинговой радиосвязи (TMO — от англ. Trunked Mode Operation) возможен, когда абонент находится в зоне действия базовой станции; режим TMO может предоставлять абоненту все возможности TETRA и оптимизирован для решения следующих задач: а) одновременной передачи голоса и данных (V+D), б) пакетной передачи данных (Packet data optimized);

2) режим прямой передачи (DMO — Direct Mode Operation) предназначен для группового взаимодействия между абонентами за пределами зоны действия базовых станций TETRA, связь между абонентами осуществляется в полудуплексном режиме, но при этом сохраняется возможность сделать индивидуальный или групповой вызов.

Стандарт TETRA использует технологию многостанционного доступа с временным разделени-мем (TDMA — Time Division Multiple Access) совместно с технологией частотного дуплекса (FDD — Frequency Division Duplex). Тип модуляции радиоканала - относительная дифференциальная фазовая манипуляция со сдвигом, кратным к/4 (п/4 DQPSK).

Для обнаружения ошибок при передаче в канале радиосвязи и их исправления в канальном кодировании применяются технологии Forward Error Correction (FEC) и Cyclic Redundancy Check (CRC) в виде четырех процедур: блочного кодирования, сверточного кодирования, перемежения и шифрования, после чего формируются информационные каналы. Скорость выходного потока равна 36 кбит/с (рис. 1).

Служебная информация

Полезная инф

U

7,2 кб/с

Рис. 1. Формирование общей емкости одного физического канала

Для кодирования речи используется речевой кодек ACELP (линейное предсказание с возбуждением от алгебраической кодовой книги) со скоростью 4,8 кб/с.

Стандарт TETRA реализует максимально возможную в системах подвижной радиосвязи частотную эффективность - четыре логических канала занимают 25 кГц. Для сравнения: в системах APCO/ASTRO25 на одном частотном канале шириной 12,5 кГц реализуется только один логический канал.

На рис. 2 представлена структура радиоинтерфейса стандарта TETRA в режиме TMO.

Один из логических каналов базовой радиостанции TETRA является управляющим. Обычно это первый слот на первой несущей. Управляющая информация также передается в каждом 18-м кадре на каждом логическом канале. При этом кадр общей длительностью 56,67 мс состоит из четырех временных интервалов (слотов).

Можно назвать следующие основные аспекты коммутации в рамках стандарта TETRA:

1) голосовые вызовы занимают только один логический канал;

2) вызовы передачи данных могут занимать до четырех логических каналов одновременно;

3) голос и данные могут передаваться одновременно в различных логических каналах.

На рис. 3 представлена структура радиоинтерфейса стандарта TETRA в режиме прямой связи (DMO).

Первая фаза стандарта TETRA подразумевает использование только одного логического канала из четырех доступных в режиме DMO. При этом другие группы, закрепленные на этой же частоте, получат сообщение о занятости канала. Вторая фаза предполагает возможность осуществления одновременно двух групповых вызовов в режиме DMO. Следует отметить, что в отсутствие базовой станции синхронизация между физическими каналами отсутствует. Синхронизацию в логическом

Рис. 2. Структура каналов стандарта TETRA при работе в режиме TMO

Рис. 3. Структура каналов стандарта TETRA при работе в режиме DMO

канале осуществляет терминал-мастер (терминал, у которого нажата клавиша PTT).

При организации радиоинтерфейса важным является вопрос энергетики радиолиний TETRA. Говоря о зонах покрытия базовой радиостанции, следует упомянуть, что радиус зоны обслуживания зависит не только от типа модуляции и кодирования, но и от наличия естественных преград и

окружающей электромагнитной обстановки. В условиях правильно реализованного антеннофидерного оборудования достигались приличные результаты - до 60 км для радиостанций Motorola MTH800 и MTM800.

В отличие от аналоговых систем, где можно наблюдать постепенную деградацию качества передачи голоса при увеличении расстояния, в циф-

ровых системах качество речи можно считать неизменно высоким и не зависящим от удаления от базовой станции. Очевидно, что существует порог расстояния, при котором уровень ошибок превышает исправляющую способность кода и связь становится невозможной. Цифровые системы дают заметное преимущества по покрытию и качеству речи.

На рис. 4 представлен сравнительный график ухудшения качества передачи голоса MOS для аналоговых и TETRA-систем.

Если сравнивать по шкале MOS качество голоса в сетях стандарта TETRA с качеством голоса в привычных всем сетях GSM, то качество кодека TETRA оказывается незначительно меньшим (рис. 5). Но при этом стоит учесть, что стандарт TETRA в четыре раза эффективнее GSM с точки зрения использования частотного спектра.

Существенным преимуществом сетей стандарта TETRA, но сравнению с аналоговыми системами или сетями APCO25, является функция автоматического регулирования излучаемой мощности мобильных терминалов. Автоматическое

Рис. 4. График ухудшения качества речи в аналоговых и цифровых

Рис. 5. Характеристики качества восприятия звука: MOS 3 -хорошее качество (различимое, не раздражающее ухудшение); MOS 4 - превосходное качество (незаметное

ухудшение)

управление мощностью излучаемого сигнала позволяет существенно экономить ресурсы аккумуляторных батарей переносных терминалов, а также снижать уровень излучений вплоть до 15 дБм.

Функциональный набор стандарта TETRA

Стандарт TETRA, как сказано выше, подразумевает как передачу голоса, так и данных. Можно определить следующие особенности голосовых вызовов в рамках стандарта TETRA.

1. Высокое качество голоса. За счет применения цифровой обработки голоса возможна работа в условиях повышенной помеховой обстановки.

2. Быстрое установление вызова (до 300 мс).

3. Индивидуальный вызов (радио-станция -радиостанция). Многоуровневые приоритеты. Дуплексный, полудуплексный вызовы.

4. Телефонный вызов (радиостанция - внешние телефонные сети).

5. Групповые соединения (радио-станция -группа радиостанций):

♦ групповые вызовы;

♦ широковещательные;

♦ сканирование групп;

♦ динамическое перегруппирование (объединение абонентов в группы без программирования абонентских терминалов);

♦ управление зоной вызова (инициирование группового вызова только в определенных зонах);

♦ позднее подключение (позволяет абоненту подключиться к уже действующей группе);

6. Экстренные вызовы (вызовы с максимальным приоритетом).

7. Режим прямой связи.

Выделяют следующие услуги по передаче данных в рамках стандарта TETRA:

1) передача данных с коммутацией каналов со скоростью 2,4 - 28,8 кбит/с;

2) передача данных с пакетной коммутацией со скоростью 2,4 - 28,8 кбит/с;

3) передача коротких информационных и статусных сообщений (до 256 ASCII-символов в рамках одного сообщения).

Существуют несколько режимов передачи данных: без защиты (до 7,2 кбит/с), с низким уровнем защиты (до 4,8 кбит/с), с высоким уровнем защиты (до 2,4 кбит/с).

При применении незащищенной передачи данных функция проверки доставки данных должна выполняться приложениями верхнего уровня эталонной модели OSI.

Качество передачи речи

Цифровые

1 ***** Пре t имуществ л с истемы

Миним альный пр качест иемлемый ва речи в кач уровень * естве реч Преиму в пок и щество рытии

л

А ♦ ^налоговы > системы

Расстояние

Полный перечень дополнительных услуг, поддерживаемых в рамках стандарта TETRA, не имеет смысла приводить в рамках настоящей публикации. Можно остановиться лишь на нескольких наиболее важных из них:

♦ дистанционное прослушивание (позволяет диспетчеру прослушивать групповые и индивидуальные вызовы в системе);

♦ избирательное прослушивание (позволяет диспетчеру незаметно для абонента прослушивать окружающую абонента обстановку);

♦ вызов по сокращенному номеру;

♦ вызов с ожиданием;

♦ вызов с удержанием;

♦ установление соединения при освобождении вызываемого абонента;

♦ установление соединения по мере получения ответа абонента;

♦ приоритет доступа с отключением абонентов с меньшим приоритетом;

♦ приоритет доступа при исходящих вызовах;

♦ приоритет доступа при входящих вызовах;

♦ идентификация номера вызывающего абонента;

♦ запрет на идентификацию номера вызываемого абонента;

♦ запрет на идентификацию номера вызывающего абонента;

♦ уведомление занятого абонента о поступившем вызове;

♦ безусловная переадресация вызова;

♦ переадресация вызова при занятости вызываемого абонента;

♦ переадресация вызова при отсутствии ответа вызываемого абонента в течение заданного времени;

♦ переадресация вызова при недоступности вызываемого абонента;

♦ ограничение исходящих вызовов;

♦ ограничение входящих вызовов.

Идентификация и адресация в рамках стандарта TETRA

Идентификация и адресация в системах TETRA предполагает взаимодействие множества сетей (и сетевых операторов), в каждой из которых работает большое число пользователей, уникальность идентификации любого абонента любой сети, возможность использования укороченных идентификаторов, поддержка роуминга и миграции абонентов.

Номерной план в рамках стандарта TETRA соответствует рекомендациям ITU E.212.

Для домашней сети TETRA выделяют следующие TSI-номера (от англ. TETRA Subscriber Identities):

ITSI — индивидуальный идентификатор абонента TETRA;

GTSIs — групповой идентификатор абонента TETRA;

ATSI — именной идентификатор абонента TETRA.

Для роуминговой сети TETRA:

(V)ATSI — именной идентификатор роймин-гового абонента TETRA;

(V)GTSIs — идентификатор роуминговой группы TETRA.

Каждая радиостанция TETRA обладает как минимум одним семейством TSI, в состав которого входят следующие элементы:

♦ один индивидуальный идентификатор (ITSI);

♦ один или несколько групповых идентификаторов (GTSI).

♦ один идентификатор-псевдоним (ATSI);

♦ один телефонный номер (согласно E.164).

Мигрирующие абоненты могут сохранять в

визитных сетях имеющиеся ITSI либо получать от оператора визитной сети новые идентификаторы-псевдонимы. В последнем случае они называются (V)ATSI. Мигрирующим абонентам могут быть также присвоены визитные групповые идентификаторы (V)GSSI.

При TSI адресации выделяются два поля в структуре идентификатора (TETRA-номер):

1) идентификатор сети, состоящий из кода страны MCC (от англ. — mobile country code) - 3(4) цифры и кода сети MNC (от англ. — mobile network code) - 4(5) цифр.

2) короткий идентификатор абонента - до 7(8) цифр; идентификаторы с номером выше 16777215 зарезервированы стандартом под шлюзы в другие сети.

Если абонент системы TETRA набирает несуществующий идентификатор, то вызов отклоняется системой.

Несколько слов нужно сказать о номерах TEI (от англ. TETRA Equipment Identities). Указанные номера являются уникальными для каждого абонентского терминала TETRA, т.е. не существуют двух радиостанций с одним и тем же идентификатором. Номер TEI состоит из 15 цифр и включает в себя сборочный код FAC (от англ. Final Assembly Code), код подтверждения TAC (от англ. Type Approval Code), а также электронный серийный номер ESN (от англ. Electronic Serial

Number) и резервный номер SPR (от англ. Spare). Двухзначный сборочный код указывает на производителя и место сборки.

Безопасность в сетях TETRA В рамках стандарта TETRA предусмотрены мероприятия по обеспечению безопасности, которые направлены на исключение несанкционированного использования ресурсов системы и обеспечение конфиденциальности передаваемой информации в сети.

Эти мероприятия обеспечиваются следующими механизмами: аутентификацией как абонентов, так и инфраструктуры, шифрованием информации, а также обеспечением секретности параметров абонента.

Аутентификация абонентов осуществляется на основе секретного ключа и уникального номера. Абонентский терминал с неправильным идентификатором не допускается к ресурсам системы TETRA.

Шифрование информации является опциональной особенностью каждой конкретной системы стандарта TETRA. Радиоинтерфейс стандарта TETRA является защищенным априори. Дополнительное шифрование может быть следующих типов:

♦ E2E ( End - to - End) - шифрование индивидуальных вызовов и «радиостанция-радиостанция»; компания Motorola и Интегра Про предлагают абонентские терминалы с поддержкой шифрования E2E MTH800, MTP850,

MTM800; длина ключа шифрования составляет 128 бит;

♦ шифрование групповых вызовов;

♦ шифрование радиоинтерфейса по алгоритмам TEA1-TEA3 (TETRA Encryption Algorithm). Секретность параметров абонента обеспечивается посредством кодовой защиты конфигурации абонентского терминала и присвоения идентификаторов-псевдонимов.

Таким образом, можно перечислить следующие основные преимущества стандарта TETRA:

♦ увеличение частотной эффективности;

♦ повышение эффективности управления системой технологической радиосвязи;

♦ снижение эксплуатационных расходов;

♦ увеличение пропускной способности системы;

♦ увеличение разборчивости речи в тяжелой по-меховой обстановке;

♦ улучшение качества связи;

♦ безопасность переговоров абонентов.

В результате увеличивается скорость реагирования на чрезвычайные ситуации, повышается безопасность технологического процесса и экономическая эффективность предприятия.

ЛИТЕРАТУРА

Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. - М.: Радио и связь, 2002.

Поступила 12.02.2009 г.