<< обратно к списку статей

Стандарт профессиональной радиосвязи TETRA. Преимущества и возможности

Статья размещена с разрешения редакции журнала "Специальная техника",
в котором она была опубликована в № 6 за 2007 год (стр. 45-50).

Чивилев Сергей Владимирович,
кандидат технических наук

Стандарт профессиональной радиосвязи TETRA. Преимущества и возможности

     Стандарт TETRA создавался Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) 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 стал расшифровываться как Наземное транкинговое радио (TErresstrial Trunked RAdio).
     Стандарт TETRA является основным (если не сказать, единственно доступным) стандартом для систем профес­сиональной транкинговой 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 приоритезации вызовов и защищенности информации. Основными пользователями систем стан­дарта TETRA являются силовые ведомства, аэропорты, производственный сектор.

Совместимость
    
TETRA - открытый стандарт, то есть 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, испытательные лаборатории 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, то есть 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 сильно превосхо­дить базовый набор функций TETRA и иногда являться определяющими при выборе систе­мы связи. Примерами дополнительных функ­ций могут быть VVAP, 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 случае если защита информации является приоритетной задачей, оператору TETRA пред­стоит серьезный анализ платформ для выявления наибо­лее подходящей.

Состав системы TETRA
    
Основными элементами системы транкинговой связи TETRA являются следующие.
Инфраструктура управления и коммутации (SwMI, Switching and Management Infrastructure).
К инфраструктуре TETRA 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 станционарном исполнении.

Системотехнические особенности стандарта TETRA
Режимы функционирования оборудования
     Стандартом описываются следующие два режима функционирования абонентского оборудования (радиостан­ций).
Режим транкинговой радиосвязи (Trunked Mode Operation, ТМО). Режим ТМО возможен, когда абонент находится в зоне действия базовой станции. Режим 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).
Режим прямой передачи (Direct Mode Operation, DMO).* Режим DMO 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.

Радиоинтерфейс стандарта TETRA
     Стандарт TETRA использует технологию многостанци­онного доступа с временным разделением (Time Division Multiple Access, TDMA) совместно с технологией часто­тного дуплекса (Frequency Division Duplex, FDD). Тип модуляции радиоканала - относительная дифференци­альная фазовая манипуляция со сдвигом, кратным π/4 (π/4 DQPSK).
     Стандарт TETRA реализует максимально возможную в системах подвижной радиосвязи частотную эффектив­ность - 4 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. 1 представлена структура радиоинтерфейса стан­дарта TETRA в режиме ТМО.

Picture_1_7_small 
 Рис. 1. Структура радиоинтерфейса
 стандарта TETRA в режиме ТМО

     Один из логических каналов базовой радиостанции TETRA является управляющим. Обычно это первый слот на первой несущей. Управляющая информация также передается в каждом 18 кадре на каждом логическом кана­ле. При этом кадр общей длительностью 56,67 мс состоит из 4 временных интервалов (слотов).
     Основные аспекты коммутации в рамках стандарта TETRA:
1) голосовые вызовы занимают только один логический канал;
2) вызовы передачи данных могут занимать до 4 логичес­ких каналов одновременно;
3) голос и данные могут передаваться одновременно в различных логических каналах.
     В режиме DMO картина иная (рис. 2). В отсутствие базовой станции синхронизации между физическими каналами нет. Синхронизацию в логическом канале осуществляет терминал-мастер (терминал, у которого нажата клавиша РТТ). А кроме этого, абонентские терминалы не могут использовать все доступные слоты. Первая фаза стандарта TETRA подразумевает использование в режиме DMO толь­ко одного логического канала из четырех доступных. 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.

Picture_2_7_small
 Рис. 2. Структура каналов стандарта
 TETRA при работе в режиме DMO

Обнаружение и исправ­ление ошибок, защита информации
     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 кб/с (рис. 3). О функциях шифрования будет рассказано далее.

Picture_3_7_small
 Рис. 3. Формирование общей емкости
 одного физического канала

Кодирование речи
    
Для кодирования речи используется речевой кодек ACELP (линейное предсказание с возбуждением от алгебраичес­кой кодовой книги) со скоростью 4,8 кб/с. 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.4). Но при этом не стоит забывать, что стандарт TETRA в четыре раза эффективнее GSM с точки зрения использования частотного спектра.

Picture_4_7_small
 Рис. 4. Сравнение качества
 голоса в сетях TETRA и GSM

     Для справки: оценка MOS 4 означает «превосходное качес­тво, незаметное ухудшение»; MOS 3 - «хорошее качество, различимое, но не раздражающее ухудшение».

Энергетика и качество покрытия сетей TETRA
     Важным следствием организации радиоинтерфейса явля­ется вопрос энергетики радиолиний ТЕТRА. 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 антенно-фидерного оборудования достигались впечатляющие результаты - связь на расстоянии до 60 км от базовой станции (использовались радиостанции Motorola MTH800 и МТМ800).
     В отличие от аналоговых систем, где можно наблюдать постепенную деградацию качества передачи голоса с увеличением расстояния, в цифровых системах качество речи можно считать неизменно высоким и не зависящим от дальности базовой станции. Очевидно, что существует порог расстояния, при котором уровень ошибок превы­шает исправляющую способность кода и связь становится невозможной. Цифровые системы дают заметное преиму­щество по покрытию и качеству речи. На рис. 5 представ­лен сравнительный график ухудшения качества передачи голоса для аналоговых систем и систем TETRA.

Picture_5_7_small
 Рис. 5. График ухудшения качества речи
 в аналоговых и цифровых системах связи

     Существенным преимуществом сетей стандарта TETRA в сравнении с аналоговыми системами или сетями АРСO25 является функция автоматического регулирования излуча­емой мощности мобильных терминалов. Автоматическое управление мощностью излучаемого сигнала позволяет существенно экономить ресурсы аккумуляторных бата­рей переносных терминалов, а также снизить уровень излучений вплоть до 15 дБм.

Функциональный набор стандарта TETRA
Голосовые вызовы
     Можно определить следующие особенности голосовых вызовов в рамках стандарта TETRA.
• Высокое качество голоса за счет применения циф­ровой обработки, что позволяет работать в условиях повышенного акустического шума.
• Быстрое установление вызова (до 300 мс).
• Индивидуальный вызов (радиостанция - радиостан­ция). Многоуровневые приоритеты. Дуплексный, полудуплексный вызовы.
• Телефонный вызов (радиостанция - внешние теле­фонные сети).
• Групповые соединении (радиостанция - группа радиостанций):
- групповые вызовы (абонент - группа абонентов);
- широковещательные вызовы (абонент - все абоненты);
- 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).
• Экстренные вызовы (вызовы с максимальным приори­тетом).
• Режим прямой связи (DMO).
     Полный перечень дополнительных услуг, относящихся к голосовым вызовам и поддерживаемых в рамках стандарта TETRA, не имеет смысла перечислять в рамках настоящей публикации. Можно остановиться лишь на некоторых, наиболее важных:
• 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 вызываемому або­ненту;
• запрет на идентификацию номера вызывающему або­ненту;
• 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.

Передача данных
     В рамках стандарта TETRA можно выделить следующие услуги по передаче данных.
• Передача данных с коммутацией каналов со скоростью 2,4 - 28,8 кб/с.
• Передача данных с пакетной коммутацией со скоро­стью 2,4 - 28,8 кб/с (фаза 1).
• Передача коротких информационных и статусных сообщений (до 256 ASCII-символов в рамках одного сообщения).
     Существуют несколько режимов передачи данных: без защиты (до 7,2 кб/с), с низким уровнем защиты (до 4,8 кб/с) с высоким уровнем защиты (до 2,4 кб/с). При примене­нии незащищенной передачи данных функция проверки доставки данных должна выполняться приложениями верхнего уровня эталонной модели OSI.

Идентификация и адресация в рамках стандарта ТЕТRА
     При разработке механизмов идентификации и адресации в TETRA учитывались следующие предпосылки:
• взаимодействие множества сетей (и сетевых операто­ров), в каждой из которых работает большое число абонентов;
• 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 (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 роумингового 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 Е.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.
     Адресация TSI имеет два поля в структуре идентификато­ра (номера TETRA):
• идентификатор сети, состоящий из кода страны МСС (mobile country code) - 3(4) цифры и кода сети MNC (mobile network code) - 4(5) цифр;
• короткий идентификатор абонента - до 7(8) цифр. Стоит сказать, что идентификаторы с номером выше 16777215 зарезервированы стандартом под шлюзы в другие сети.
     Если абонент системы TETRA набирает несуществующий идентификатор, вызов отклоняется системой.
     Несколько слов следует сказать о номерах TEI (TETRA Equipment Identities). Указанные номера являются уни­кальными для каждого абонентского терминала TETRA - не существует двух радиостанций с одним и тем же иден­тификатором. Номер TEI состоит из 15 цифр и включает в себя сборочный код FAC (Final Assembly Code), код подтверждения ТАС (Type Approval Code), а также элек­тронный серийный номер ESN (Electronic Serial Number) и резервный номер SPR (Spare). Двухзначный сборочный код указывает на производителя и место сборки.

Безопасность в сетях TETRA
    
В рамках стандарта TETRA предусмотрены мероприятия по обеспечению безопасности в сети связи стандарта TETRA, направленные на исключение несанкциониро­ванного использования ресурсов системы и обеспечение конфиденциальности передаваемой информации в сети. Эти мероприятия обеспечиваются следующими механиз­мами:
• аутентификация как абонентов, так и инфраструктуры;
• шифрование информации;
• обеспечение секретности параметров абонента.
     Аутентификация абонентов осуществляется на осно­ве главного ключа (K-key) и уникального номера TEI. 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. Но возможны и другие опции по шифрованию:
• Е2Е (End-to-End) - шифрование индивидуальных вызо­вов радиостанция - радиостанция (длина ключа шиф­рования может составлять 128 бит);
• шифрование групповых вызовов;
• шифрование радиоинтерфейса по алгоритмам ТЕА1, ТЕА2, ТЕАЗ (TETRA Encryption Algorithm).
     Секретность же параметров абонента обеспечивается посредством кодовой защиты конфигурации абонентского терминала и присвоения идентификаторов-псевдонимов.

Что же мы получаем от TETRA?
    
В заключение хотелось бы еще раз остановиться на основ­ных преимуществах решений на базе стандарта TETRA.
     Итак, хотите ли вы:
• повысить частотную эффективность (требуется мень­шее количество частотных каналов);
• повысить эффективность управления системой техно­логической радиосвязи;
• снизить эксплуатационные расходы;
• увеличить пропускную способность системы;
• увеличить разборчивость речи в тяжелой помеховой обстановке;
• улучшить качество связи;
• защитить переговоры абонентов и как результат уве­личить скорость реагирования на чрезвычайные ситу­ации, повысить безопасность технологического про­цесса и экономическую эффективность предприятия? Решать вам.

 

*Примечание (www.inspectorsoft.ru). Стандарт радиосвязи TETRA "интересен" ещё и тем, что в нём есть возможность дистанционно включить радиостанцию (без каких-либо демаскирующих признаков, что она работает на передачу). В этом режиме она не издаёт никаких предупреждающих сигналов, у неё не работает дисплей и не подсвечиваются кнопки. При этом микрофон радиостанции имеет максимальную чувствительность, что позволяет прослушивать разговоры в нескольких метрах от него. Данный режим может использоваться для создания радиозакладок.
Способ обнаружения: http://www.inspectorsoft.ru/soft.php?id=274