Меню

Поиск

Описание транкинговой системы стандарта TETRA

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.

Рисунок 3.1 – Структура кадра в системах TETRA

3.2 Выбор модуляции

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.

Таблица 3.1 - Соответствия между входными дебитами и фазами модулированного сигнала

Фаза сигнала

Входной дибит

0°

90°

-1

180°

-1

270°

-1

Рисунок 3.2 - Квадратурная фазовая модуляция QPSK

Один из недостатков связан с тем, что в случае квадратурной фазовой модуляции при одновременной смене символов в обоих каналах модулятора (с +1, -1 на -1, +1 или с +1, +1 на -1, -1) в сигнале QPSK происходит скачок фазы на 180°. Такие скачки фазы, имеющие место и при обыкновенной двухфазной модуляции, вызывают паразитную амплитудную модуляцию огибающей сигнала. В результате этого при прохождении сигнала через узкополосный фильтр возникают провалы огибающей до нуля. Такие изменения сигнала нежелательны, поскольку приводят к увеличению энергии боковых полос и помех в канале связи.

8

Для того чтобы избежать этого нежелательного явления, прибегают к так называемой квадратурной фазовой модуляции со сдвигом. При таком типе модуляции формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты в Q-канале имеют временную задержку на длительность одного элемента Т. Изменение фазы, при таком смещении кодирующих потоков, определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя. В результате скачки фазы на 180° отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, 90 или 270° (-90°).

В стандарте TETRA используется относительная (дифференциальная) фазовая манипуляцию со сдвигом кратным ¶/4 (¶/4 DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying). При этом огибающая несущей имеет переменное значение, что накладывает повышенные требования к обеспечению линейности передающего тракта для достижения требуемых уровней подавления в соседнем канале. Этот факт определяет невысокую (по сравнению с радиотерминалами FDMA) выходную мощность и кпд выходного каскада абонентских терминалов стандарта TETRA.

3.3 Кодирование/декодирование речевого сигнала

Общение абонентов часто проходит в условиях высокого уровня окружающего шума. В отличие от пользователей сотовой связи, которые обычно могут выбирать подходящее место для ведения переговоров, абоненты транкинговых систем из различных служб безопасности не располагают такой возможностью: им нередко приходится работать на фоне завывания сирен, выстрелов, переговоров по громкой связи и т.п. При создании оборудования TETRA эта особенность была учтена. Оно обеспечивает необходимые в подобной обстановке большую мощность выходного аудиосигнала, его малое искажение и четкость речи. Хорошее качество передаваемой речи обусловлено использованием кодека TETRA.

Применяемый в стандарте TETRA алгоритм кодирования/декодирования базируется на методе линейного предсказания с многоимпульсным кодовым возбуждением (Code-Excited Linear Predictive, CELP), который дополнен специальными кодовыми книгами алгебраической структуры. Этот механизм кодирования получил название Algebraic CELP (ACELP).

Кодек, работающий по алгоритму ACELP, сжимает сегмент речевого сигнала длительностью 30 мс (16 выборок * 8 кГц = 128 кбит/с) в соответствии с набором правил кодовой книги и формирует набор закодированных речевых сигналов, передаваемых со скоростью речевого кодека — 4,567 кбит/с. Для достижения необходимой чистоты речи при передаче сигнала по радиоканалу со скоростью 7,2 кбит/с используются также методы прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction, FEC) и циклического избыточного кодирования (Cyclic Redundancy Code, CRC). На стороне приема декодер производит аналогичные действия, но в обратном порядке.

Перечисленные свойства кодека обеспечиваются такими его функциями:

· оценки важности элементов речи (Speech Importance Factor, SIF);

· установления комфортного уровня шума (Comfort Noise Function, CNF);

· заимствования кадров (Frame Stealing Function, FSF).

SIF анализирует каждый речевой кадр, чтобы определить, насколько ухудшится качество передаваемой речи в результате его потери. В соответствии с результатами анализа этому кадру присваивается необходимый уровень защиты (нулевой, т.е. низкий, средний или высокий). Функция CNF генерирует специальный кадр, используемый для замены некачественных кадров речи либо кадров, служащих для передачи управляющих сигналов.

3.4 Шифрование и защита информации

Стандарт ТЕТRА решает задачи обеспечения защиты информации пользователей применением механизмов:

· аутентификации абонентов;

· шифрования передаваемой информации;

·

9

обеспечения скрытности номера абонента.

Стандарт TETRA имеет широкие возможности по разграничению доступа к передаваемой информации, чем обеспечивается высокая степень ее защиты от несанкционированного доступа. Шифрование активизируется только после успешного проведения процедуры аутентификации и предназначено для защиты речи и данных, а также данных сигнализации. На настоящем этапе развития этого стандарта, он включает четыре алгоритма шифрования. Их применение обеспечивает разные степени защиты группам пользователей в соответствии с различными требованиями по уровню безопасности. Шифрование речи реализуется в виде цифровой обработки низкоскоростного потока данных, что позволяет применять сложные алгоритмы с высокой криптостойкостью, не ухудшающие качество восстановленной речи. Такие алгоритмы реализуют почти полную защиту радиопереговоров от прослушивания. Цифровые потоки информации нельзя расшифровывать с помощью простых аналоговых сканеров, что ограждает их от вмешательства несанкционированных пользователей. При необходимости можно выбирать требуемый уровень защиты, правда, при этом, как это видно из таблицы 3.2 , скорость передачи может значительно измениться. Необходимо отметить, что скорость передачи данных в сетях TETRA выше, чем в существующих сетях GSM.

Таблица 3.2 - Зависимость скорости передачи данных (кбит/с) от степени защищенности канала

Уровень защиты

Число используемых тайм-слотов

Без защиты

7,2

14,4

21,6

28,8

Низкий

4,8

9,6

14,4

19,2

Высокий

2,4

4,8

7,2

9,6

В стандарте TETRA используется поточный метод шифрования, при котором формируемая ключевая псевдослучайная последовательность побитно складывается с потоком данных. Зная ключ и начальное значение псевдослучайной последовательности, получатель информации имеет возможность сформировать такую же последовательность и расшифровать закодированное сообщение при сохранении синхронизации между передающей и приемной сторонами.

Поточное шифрование имеет определенное преимущество перед другими методами шифрования, которое заключается в отсутствии размножения ошибок в канале с помехами. Другими словами, ошибка приема одного бита зашифрованного текста дает также только один ошибочный бит расшифрованного текста и не приводит к нескольким ошибкам.

4 Интерфейсы и передача данных стандарта TETRA

4.1 Интерфейсы TETRA

Для корректного взаимодействия всех элементов транкинговой сети стандарта TETRA определены девять интерфейсов:

· Air Interface (AI) - радиоинтерфейс между базовой станцией и абонентской радиостанцией

· Direct Mode Operation (DMO) - интерфейс прямого соединения между двумя абонентскими радиостанциями

· Terminal Equipment Interface (TEI) - интерфейс между абонентской радиостанцией и терминалом передачи данных

· Inter System Interface (ISI) - межсистемный интерфейс для объединения нескольких TETRA систем (возможно, от разных фирм-изготовителей) в единую сеть

· Line-connected Station Interface (LSI) - интерфейс для подключения фиксированных абонентов к инфраструктуре

· Network Management Centre Interface (NMCI) - интерфейс центра управления системой

· Gateways to PABX, PSTN, ISDN, PDN - интерфейс для подключения к внешним сетям.

· Remote Line Connected Terminal Interface - интерфейс связи между удаленным диспетчером и инфраструктурой (SwMI)

· Man - Mashine Interface (MMI) - интерфейс человек - устройство, определяющий стандартные функции взаимодействия оператора с терминалами.

Абонентские радиостанции (MS – Mobile Station) осуществляют взаимодействие с SwMI через стандартный радиоинтерфейс AI. В сети TETRA поддерживаются индивидуальные и групповые вызовы. Помимо соединений между абонентскими радиостанциями, через SwMI, может обеспечиваться обмен с фиксированными абонентами (диспетчерами, абонентами ТФОП (телефонная сеть общего пользования) и других сетей). Данные абоненты подключаются к SwMI непосредственно или через транзитную сеть.

Главной особенностью режима прямой связи (Direct Mode Operation – DMO) является неиспользование инфраструктуры SwMI для проведения связи между абонентскими радиостанциями. Абонентские радиостанции, используя протокол согласно ETS 300 396-3, осуществляют двухстороннюю радиосвязь на специально выделенных и запрограммированных для режима DMO частотах. Причем также возможен управляемый режим прямой связи MDMO, при котором доступ к каналу определяется авторизованным терминалом DMO.

Увеличение дальности связи достигается за счёт использования ретрансляторов сигналов как для транкинговых - TMO REP, так и для режима прямой связи DMO - DM REP.

Взаимодействие абонентской станции в режиме DMO с сетью TMO может поддерживаться через специальные шлюзы (DMO GATE) или ретранслятор/шлюз DMO - DM REP/GATE(рисунок 4.1).[3]

Рисунок 4.1 – Взаимодействие абонентской станции в режиме DMO с сетью TMO

Абонентская радиостанция может также работать в режиме "двойного наблюдения" (DW-MS): в режиме TMO и, одновременно, в режиме DMO.

Базовая станция (BS) является элементом инфраструктуры SwMI и обеспечивает поддержку одного или более радиоканалов, используемых абонентскими радиостанциями в пределах одной зоны обслуживания.

4.2 Приложения на базе технологии передачи данных стандарта

TETRA

Основным фактором, определяющим возрастающую потребность в использовании беспроводной передачи данных, является желание пользователей повысить эффективность своей деятельности за счет увеличения скорости и точности передаваемой информации. Другой важный фактор, способствующий применению беспроводной передачи данных - желание повысить эффективности использования спектра и/или увеличить емкость сетей.

Учитывая вышесказанное, при определении функций, которые должны поддерживаться системами стандарта ТЕТRА, были заложены следующие сервисы для передачи данных:

· статусные сообщения (Status Messaging);

· служба коротких сообщений (Short Data Service – SDS);

· передача данных с коммутацией каналов (Circuit Mode Data);

· пакетная передача данных (Packet Data Service).

Помимо сервисов передачи данных, стандарт ТЕТРА определяет интерфейс периферийных устройств (PEI), который позволяет внешним устройствам и программам использовать возможности абонентских терминалов ТЕТRА по передаче данных. Наличие стандартного интерфейса PEI, а также растущий рынок систем ТЕТRА вызвал существенный интерес ряда компаний к разработке приложений, использующих передачу данных в сетях ТЕТRА.

Эти приложения используются в следующих областях:

· управление парком автомобилей;

· системы контроля местоположения подвижных объектов (автомобилей, людей);

· электронная почта;

· формирование текстовых отчетов;

· передача текстовых сообщений;

· передача изображений;

· биометрические системы (контроль отпечатков пальцев);

· системы телеметрии и телеуправления подвижными объектами;

· системы работы с централизованными базами данных.

Статусные сообщения

Статусные сообщения являются наиболее старой формой неголосовых коммуникаций. Статусные сообщения предназначены для замены часто повторяющихся голосовых сообщений, используемых пользователями таких систем для информирования диспетчера о своем текущем статусе. Для передачи статусных сообщений используются цифровые коды, в свою очередь абонентские терминалы и диспетчерские рабочие станции содержат таблицы соответствия передаваемых цифровых кодов стандартным текстовым сообщениям.

12

Использование статусных сообщений в сочетании с идентификацией передающего абонента и фиксацией времени передачи сообщения позволяет организовать эффективные автоматизированные системы управления парком абонентов, а также повысить нагрузочную способность системы.

Сервис коротких сообщений

Сервис коротких сообщений позволяет абонентам сети осуществлять доступ к информации, а также связываться между собой и обмениваться сообщениями. Типичными приложениями, использующими сервис коротких сообщений, являются:

· передача текстовых сообщений;

· системы контроля местоположения подвижных объектов;

· автоматизированные диспетчерские системы;

· запросы к централизованным базам данных;

· системы телеметрии и телеуправления.

Стандартом TETRA предусмотрено несколько типов коротких сообщений:

· Type 1 – 1 байт;

· Type 2 – 2 байта;

· Type 3 – 3 байта;

· Type 4 – 140 байт.

Несмотря на то, что величина коротких сообщений ограничена 140 байтами, сервис коротких сообщений является наиболее широко используемым способом передачи данных в системах стандарта TETRA. На базе сервиса коротких сообщений разработано большое количество приложений для организации автоматизированных диспетчерских служб, систем контроля за местоположением подвижных объектов и систем телеметрии и телеуправления.

Сервисы передачи больших объемов данных

Наряду с задачей передачи относительно небольших объемов данных, которая может быть решена с помощью сервиса коротких сообщений, часто возникает необходимость передачи больших объемов данных, например, для организации мобильного офиса, передачи изображений и для работы с централизованными базами данных. Для этого в стандарте ТЕТРА предусмотрены две возможности: передача данных с коммутацией каналов и пакетная передача данных.

Передача данных с коммутацией каналов (Circuit Mode Data).

При передаче данных с коммутацией каналов устанавливается соединение между абонентами сети, аналогичное dial-up соединению между модемами в телефонной сети. В зависимости от уровня защиты от ошибок, обеспечиваемого инфраструктурой сети, в одном тайм-слоте возможна организация канала передачи данных с пропускной способностью 2.4, 4.8 или 7.2 кбит/с.

Достоинства передачи данных с коммутацией каналов:

· возможность выбора скорости передачи в зависимости от требуемого уровня защиты от ошибок;

· потенциально более высокая скорость, чем при пакетной передаче данных.

Недостатки передачи данных с коммутацией каналов:

· каждое соединение занимает 1 тайм-слот;

·

13

канал занят, независимо от того, передаются в данный момент данные или нет;

· приложения, использующие данный режим передачи данных, должны обеспечивать восстановление потерянных/поврежденных сообщений (сетевой уровень модели OSI);

· отсутствует процедура тестирования на совместимость (Interoperability testing);

· ограниченная поддержка со стороны производителей инфраструктуры, ограниченный выбор абонентского оборудования, как следствие отсутствие процедуры тестирования на совместимость.

Пакетная передача данных (Packet Data Service)

Сервис PDS (TETRA PDO) предусматривает возможность передачи данных в сетях ТЕТРА с использованием протокола IP. При этом каждому абонентском терминалу в сети присваивается IP адрес, что позволяет организовать обмен данными между ними, а также с внешними узлами через соответствующий шлюз.

Сервис пакетной передачи данных обладает рядом преимуществ по сравнению с режимом коммутации каналов:

· канал занимается только в момент передачи данных;

· более эффективно используется пропускная способность системы в случае неравномерного трафика;

· для организации сетевого уровня соединения и коррекции ошибок используются встроенные механизмы протокола IP;

· существует процедура тестирования на совместимость;

· поддержка со стороны производителей инфраструктуры и абонентского оборудования.

Основным преимуществом сервиса пакетной передачи данных является возможность использования большого количества стандартного программного обеспечения, разработанного для IP сетей (электронная почта, доступ к базам данных и т. п.)

Сервис пакетной передачи данных может использовать либо выделенные, либо совмещенные каналы. В первом случае один или несколько тайм-слотов в базовой станции выделяются исключительно для передачи данных. Данный режим обеспечивает гарантированное выделение ресурсов для осуществления передачи данных.

В случае использования совмещенных каналов выделение их для передачи данных осуществляется аналогично выделению каналов для голосовой связи. В одном тайм-слоте могут поочередно передаваться голос и данные, голосовая связь является приоритетной. Помимо выделенных и совмещенных каналов, сервис пакетной передачи может использовать разделяемые и неразделяемые каналы.

В случае использования неразделяемого канала, один тайм-слот может обслуживать один сеанс связи. При использовании разделяемых каналов тайм-слот используется несколькими абонентами, пропускная способность канала распределяется между абонентами.

5. Заключение

Основное направление данной работы является описание системы цифрового стандарта TETRA . В процессе работы были рассмотрены основные ее технические характеристики: рабочий диапазон частот, в котором работает данная система; выбор используемого способа модуляции, а также подробно рассмотрен радиоинтерфейс TETRA и его структура. В стандарте TETRA используется относительная (дифференциальная) фазовая манипуляцию со сдвигом кратным ¶/4 (¶/4 DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying).

Описан процесс шифрования и защиты информации. Поточное шифрование имеет определенное преимущество перед другими методами шифрования, которое заключается в отсутствии размножения ошибок в канале с помехами.

Приложения на базе технологии передачи данных могут быть относительно небольших объемов, которые передаются с помощью сервиса коротких сообщений, часто возникает необходимость передачи больших объемов данных. Для этого в стандарте ТЕТРА предусмотрены две возможности: передача данных с коммутацией каналов и пакетная передача данных.

Хорошее качество передаваемой речи обусловлено использованием кодека TETRA. В стандарте TETRA имеется низкоскоростной кодер 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 достижения необходимой чистоты речи при передаче сигнала по радиоканалу со скоростью 7,2 кбит/с используются методы прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction, FEC) и циклического избыточного кодирования (Cyclic Redundancy Code, CRC).

Среди множества существующих типов транкинговых сетей наиболее перспективной является цифровая система стандарта TETRA.

Библиография

1 Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – М.: Эко – Трендз. 2000. – 239с

2 Мухин А.М. , Чайников Л, С. Энциклопедия мобильной связи: Т.1:Системы связи подвижной службы общего пользования – СПб.: Наука и техика,2001. – 236с.

Страницы: 1, 2

Новости

Мои настройки

Наверх