667_Kokorich_M.G.Standarty_trankingovoj_

возможность прямой связи между подвижными абонентами без использования инфраструктуры сети и ретрансляции сигналов на фиксированных каналах.

Системы связи стандарта Tetrapol имеют возможность работы в диапазоне частот от 70МГц до 520 МГц, который в соответствии со стандартом определяется как совокупность двух поддиапазонов: ниже 150 МГц (VHF) и выше 150 МГц (UHF). Большая часть радиоинтерфейсов для систем этих поддиапазонов является общей, различие заключается в использовании различных методов помехоустойчивого кодирования и кодового перемежения. В поддиапазоне UHF рекомендуемый дуплексный разнос каналов приема и передачи составляет 10 МГц.

Частотный разнос между соседними каналами связи может составлять 12,5 или 10 кГц. В дальнейшем предполагается переход к разносу между каналами в 6,25 кГц. В системах стандарта Tetrapol поддерживается ширина полосы до 5 МГц, что обеспечивает возможность использования в сети 400 (при разносе 12,5 кГц) или 500 (при разносе 10 кГц) радиоканалов. При этом в каждой зоне может использоваться от 1 до 24 каналов.

Скорость передачи информации в канале связи составляет 8000 бит/с. Передача информации организуется по кадрам длиной 160 бит и длительностью 20 мс. Кадры объединяются в суперкадры длительностью 4 с (200 кадров). Информация подвергается сложной обработке, включающей сверточное кодирование, перемежение, скремблирование, дифференциальное кодирование и окончательное форматирование кадра.

Всистемах стандарта Tetrapol используется GMSK модуляция с

BT=0,25.

Для преобразования речи в стандарте применяется кодек с алгоритмом речепреобразования, использующим метод анализа через синтез типа RPCELP (Regular Pulse Code Excited Linear Prediction). Скорость преобразования составляет 6000 бит/с.

Встандарте Tetrapol предусмотрены стандартные сетевые процедуры, обеспечивающие современный уровень обслуживания абонентов: динамическая перегруппировка, аутентификация абонента, роуминг, приоритетный вызов, управление передатчиком абонента, управление «профилем» абонента (дистанционное изменение параметров абонентского радиотерминала, заложенных в него при программировании) и др.

Системы стандарта Tetrapol широко используются во Франции. Видимо, не без поддержки правительством отечественного производителя, кроме сети связи Rubis национальной жандармерии, системы Tetrapol эксплуатируются французской полицией (система Acropolе) и службой железных дорог (система

Iris).

31

Стандарт Tetrapol пользуется популярностью и в некоторых других странах Европы. На основе данного стандарта развернуты сети связи полиции Мадрида и Каталонии, подразделений безопасности Чешской Республики, службы аэропорта во Франкфурте. Специальная сеть связи Matracom 9600 развертывается в интересах Берлинского транспортного предприятия. Радиостанции сети связи будут установлены на более чем 2000 автобусах предприятия. Кроме радиосвязи, в сети задействуется функция определения местоположения транспортных средств.

В нашей стране системы стандарта Tetrapol пока не используются. В настоящее время ФАПСИ (Федеральное агентство правительственной связи и информации при Президенте Российской Федерации) предполагает развертывание в России опытного района транкинговой радиосвязи данного стандарта.[3]

6. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ТРАНКИНГОВОЙ СВЯЗИ

TETRA И APCO 25

6.1. Критерии для анализа стандартов транкинговой связи

Открытые стандарты, к которым относятся TETRA и APCO 25, обеспечивают создание конкурентной среды, привлечение большого количества производителей базового оборудования, абонентских радиостанций, тестовой аппаратуры для выпуска совместимых радиосредств, что способствует снижению их стоимости. Доступ к спецификациям стандартов предоставляется любым организациям и фирмам, вступившим в соответствующую ассоциацию. Пользователи, выбирающие открытый стандарт радиосвязи, не попадают в зависимость от единственного производителя и могут менять поставщиков оборудования. Открытые стандарты пользуются поддержкой со стороны государственных и правоохранительных структур, крупных компаний многих стран мира, а также поддержаны ведущими мировыми производителями элементной и узловой базы.

Все это позволяет говорить о том, что открытые стандарты с большей вероятностью в перспективе завоюют рынок систем транкинговой радиосвязи.[3]

Именно эти доводы послужили основанием для более подробного рассмотрения технических характеристик и функциональных возможностей открытых стандартов цифровой транкинговой радиосвязи TETRA и APCO 25 в данной работе.

32

Любые публикации по тематике систем цифровой транкинговой радиосвязи в России воспринимаются в свете задачи выбора либо общефедерального, либо ведомственного цифрового стандарта. В данной работе не ставится цель рекомендовать пользователям систем транкинговой радиосвязи тот или иной стандарт. Основной задачей является попытка провести сравнение по определенному набору критериев для того, чтобы выбор стандарта, который будут проводить технические специалисты, операторы транкинговых систем, потенциальные потребители, был бы осознанным и обоснованным.[16]

Если задаться целью предложить как можно больше критериев, по которым можно проводить сравнение цифровых стандартов, то окажется, что таких критериев чрезвычайно много. Однако для потребителей услуг транкинговой радиосвязи целесообразно рассматривать те критерии, которые действительно важны. (Например, вряд ли пользователя волнует используемый метод модуляции сигнала или алгоритм речепреобразования, однако, для него крайне важны такие показатели, как дальность связи и качество воспроизведения речевого сигнала.)

Все показатели цифровых стандартов, которые можно рассматривать в качестве критериев для сравнения, с определенной долей условности можно разбить на две группы: эксплуатационно-технические и организационноэкономические.

Под эксплуатационно-техническими критериями будем понимать обобщенные технические показатели, которые определяются параметрами систем связи, такие, как дальность и оперативность связи, степень безопасности связи, спектральная эффективность, набор услуг связи (как стандартных, так и специальных, ориентированных на использование правоохранительными органами и службами общественной безопасности). Каждый из этих критериев является комплексным, т.е., в свою очередь, складывается из нескольких показателей или зависит от определенного набора параметров, которые будут рассмотрены в данной работе.

Дать четкое определение организационно-экономическим критериям достаточно сложно, гораздо проще просто их перечислить. К их числу можно отнести стоимостные показатели систем связи, возможности выделения ресурсов радиочастотного спектра и перспективы развития и распространения в мире каждого из стандартов. По сравнению с эксплуатационно-техническими показателями, эти критерии имеют бoльшую неоднозначность и гораздо более высокую степень субъективизма при их оценке. При этом организационноэкономические показатели в определенной степени зависят от технических,

33

например, на стоимостные показатели существенно влияют дальность связи и спектральная эффективность. [3]

В настоящей главе проведем более подробный сравнительный анализ методов транкинговой связи TETRA и APCO 25 по перечисленным критериям.

6.2. Сравнительный анализ по эксплуатационно-техническим критериям

6.2.1. Дальность связи

Под дальностью связи обычно понимают максимальное расстояние между двумя радиостанциями, на котором обеспечивается устойчивая связь с требуемым качеством. При этом устойчивой связь считается тогда, когда отношение проведенных сеансов связи к общему числу попыток выхода на связь превышает заданное. Под требуемым качеством понимают качество приема речевого сигнала, при котором сохраняется заданная разборчивость.[9]

Основным фактором, влияющим на дальность связи, является длина волны (или, иначе, частота) на которой ведется передача. Средние, а особенно короткие волны – это диапазоны дальнего действия. Средние волны отражаются только ночью и дальние средневолновые станции днем не слышны. В разное время года и в разное время суток по-разному проходят короткие волны. А волны диапазона УКВ и более короткие практически не отражаются вообще.

Транкинговая подвижная радиосвязь представляет собой систему двусторонней подвижной радиосвязи, которая использует диапазон ультракоротких волн (30÷3000)МГц.

Радиосвязь на УКВ диапазонах, а именно, на частотах свыше 30 МГц возможна, в основном, только в пределах радиогоризонта (рисунок 6.1), т.е. расстояния прямого прохождения радиоволн с учетом шарообразности земной поверхности, так называемой прямой или оптической видимости. В этом случае дальность связи будет зависеть от высоты подъема антенн.

34

Рисунок 6.1. – К определению радиогоризонта

Расчет расстояния до радиогоризонта позволяет оценить дальность связи при выбранной высоте установки антенны. Конечно, нельзя всецело полагаться на полученные результаты, так как при расчете не учитываются неровности рельефа, застройка, электромагнитные помехи т.п. Но, несмотря на это, полученные результаты позволят оценить возможную дальность связи и более трезво отнестись к рекламным заявлениям.

Теоретический радиус радиогоризонта (в км) вычисляется по формуле:

= 4.124√ ,			(6.1)

где H – высота расположения антенны в метрах.

Ниже приведена диаграмма зависимости радиогоризонта от высоты установки антенны.[17]

Рисунок 6.2. – Диаграмма зависимости радиогоризонта от высоты установки антенны

35

Подразумевается, что антенна второй радиостанции или приемника расположена на уровне земли (без подъема антенны). Если же антенна второй радиостанции или приемника тоже подняты над землей, то необходимо учитывать высоты обеих антенн и полученные дальности сложить.

Дальность связи зависит от большого количества факторов, которые можно разделить на 3 основные группы:

—факторы, определяемые условиями применения средств связи (высота установки антенн, рельеф местности, помеховая обстановка и т.д.);

—факторы, определяемые техническими параметрами, реализованными

ваппаратуре связи (мощность передатчиков, чувствительность приемного тракта, коэффициент усиления антенны и т.д.);

—факторы, определяемые непосредственно заложенными в стандарте принципами построения каналов связи (ширина полосы канала связи, скорость информации в канале, способ модуляции сигнала, алгоритм речевого кодирования, методы помехоустойчивого кодирования).

Естественно, что корректно сравнивать стандарты цифровой транкинговой радиосвязи можно только по последней группе факторов, т.к. другие группы зависят или от условий эксплуатации, или определяются качеством производства радиосредств. [9] Эти характеристики также являются критериями для оценки спектральной эффективности стандартов, более подробно рассматриваются в пункте 6.2.4 данной работы.

При сравнении основных параметров систем связи на основе стандартов TETRA, в котором применено временное разделение каналов связи (TDMA) и APCO 25, использующий частотное разделение каналов (FDMA) в ряде источников приводятся сведения о том, что системы стандарта APCO 25 обеспечивают дальность связи в 2 раза, а зону покрытия базовой станции в 4 раза большую по сравнению с TETRA. На основании этого делается вывод о существенно большей экономической эффективности систем с FDMA, требующих установки значительно меньшего количества базовых станций на определенной ограниченной территории.

Действительно, при прочих равных параметрах системы с FDMA обеспечивают большую дальность связи по сравнению с системами с TDMA. Это объясняется меньшей энергией сигнала на один бит информации. Известно, что энергия сигнала определяется как:

	=	∙ ,	(6.2)

где Pc – мощность, а Tc – длительность сигнала.

36

Понятно, что при уменьшении длительности сигнала (времени передачи одного информационного бита для цифровой системы) пропорционально уменьшается энергия. Поэтому если представить себе некий идеализированный вариант, при котором две системы отличаются только числом информационных каналов на одной физической частоте (в одной системе их 4, как в TETRA, а в другой – 1, как в APCO 25), то эквивалентная мощность на один бит информации будет отличаться в этих системах в 4 раза. Это приведет к различиям по дальности связи ориентировочно на 30-40% (очевидно, не в два раза).[3]

Другим фактором, влияющим на снижение дальности связи в системах с TDMA по сравнению FDMA-системами, является устойчивость канала связи при многолучевом распространении сигнала, возникающем в условиях плотной городской застройки или холмистой местности из-за отражения сигнала от зданий и других преград и приводящем к появлению радиоэха. Отраженный сигнал оказывает тем большее влияние, чем больше его отношение к длительности сигнала. Поэтому уменьшение длительности информационного бита в системах с TDMA ухудшает качество приема в условиях многолучевости. (Принципиально можно добиться компенсации задержки сигнала, однако это требует применения различных типов приемников для различных условий распространения сигнала.) [9]

Вместе с тем, дальность связи зависит от параметров сигнала, способов его формирования и обработки, определяемых стандартом (метода модуляции, алгоритма речевого кодирования, способов помехоустойчивого кодирования и др.). Эффективность устанавливаемых стандартом методов интегрально отражается в характеристиках чувствительности приемного тракта радиостанций.

Следует отметить, что использование цифрового сигнала для передачи речевых сообщений требует иного подхода к определению чувствительности цифровых радиостанций, нежели аналоговых. Как правило, качество канала связи в цифровых системах характеризуют вероятностью ошибки приема на один бит, то есть отношением количества неправильно принятых бит информации к количеству переданных бит. В отличие от аналогового канала связи, в котором качество речи снижается (приблизительно) пропорционально отношению сигнал/шум, в цифровом канале наблюдается пороговый эффект. Здесь качество речи на значительном интервале отношений сигнал/шум остается практически постоянным, но при достижении порогового значения резко ухудшается.

Испытания рекомендуемого в стандарте TETRA речепреобразующего устройства в канале с ошибками показали, что приемлемое качество воспроизведения речи сохраняется до значений предельной вероятности

37

ошибки на бит – 4%. [3] В стандарте TETRA предусмотрено 2 условия распространения радиоволн, которые включают 5 следующих моделей:

–статические условия:

статическая модель;

–динамические условия:

для сельской местности;

для холмистой местности;

для типичной городской застройки;

для плотной городской застройки.

Относительно значения предельной вероятности ошибки на бит задана чувствительность базовой и мобильной радиостанции для речевого канала при различных условиях распространения сигнала (см. таблицу 6.1).

В стандарте APCO 25 подход к определению чувствительности приемника аналогичен подходу, принятому в TETRA. Следует только отметить, что предельная вероятность ошибок на бит принята равной 5%.

Таблица 6.1. – Чувствительность базовой и мобильной радиостанции при статических и динамических условиях распространения сигнала

Тип радиостанции	Условия распространения радиосигнала
	статические	динамические
Базовая	-115 дБм	-106 дБм
Мобильная	-112 дБм	-103 дБм

Чувствительность приемника указывается для двух классов аппаратуры: класс A определяет требования к аппаратуре специального назначения (полиция, спецслужбы и т. д.), класс В – к аппаратуре для коммерческого использования, при этом не производится деление на вид аппаратуры (базовую, портативную, мобильную). Требуемые значения чувствительности приемника для статических и динамических условий распространения сигнала для всех типов радиосредств указаны в таблице 6.2.

Таблица 6.2 – Чувствительности приемника для статических и динамических условий распространения сигнала для типов радиосредств класса А и В

	Класс аппаратуры	Чувствительность радиостанции (дБм)
		статические	динамические
	Класс А	-116	-108
	Класс В	-113	-105
		38

Можно отметить, что в стандарте TETRA чувствительность мобильных радиостанций может быть на 3 дБм хуже, чем у базовых станций. Запас при динамических условиях распространения сигнала в стандарте APCO 25 соответствует 8 дБм, в стандарте TETRA – 9 дБм.

Немаловажным фактором при оценке дальности связи является мощность передатчика.

Встандарте TETRA предусмотрено 10 классов базовых станций, 4 – мобильных и 2 – носимых, различающихся выходной мощностью передатчика.

Встандарте APCO 25 не определены конкретные значения мощности передатчика, указано лишь, что мощность мобильной и носимой станций не должна превышать 10 Вт. Между тем, основываясь на общеизвестных принципах подхода к выбору мощности передатчиков транкинговых сетей связи с учетом биологической безопасности, автономности электропитания и ограниченности массогабаритных характеристик радиостанций, можно принять для дальнейшей оценки мощность базовой станции 25 Вт, мобильной – 10 Вт, носимой – 3Вт.

Для того чтобы оценить возможные зоны обслуживания для базовых станций различных стандартов и провести их сравнение, необходимо воспользоваться унифицированной методикой расчета обеспеченности связью

ииспользовать при расчете одинаковые значения тех параметров, которые не зависят от технических характеристик стандартов радиосвязи.

Известно большое количество методик расчета обеспеченности радиосвязью абонентов в транкинговых сетях. Данные методики основаны на результатах теоретических и практических исследований распространения радиоволн в реальных условиях. Процесс оценки зоны обслуживания состоит из нескольких этапов.

На первом этапе определяют мощность сигнала, излучаемую в эфир. На втором – среднюю мощность сигнала на приемной антенне, при которой обеспечивается заданная чувствительность приемника. По результатам этих этапов определяют допустимый уровень потерь на трассе распространения радиосигнала. На третьем этапе выбирают модель расчета потерь на трассе и на ее основе строят зависимость потерь от расстояния. По данному графику определяют среднюю дальность радиосвязи с учетом запаса на обеспеченность связью по месту и времени.

Рассмотрим эту процедуру более детально.

Излучаемая мощность сигнала определяется по формуле (6.3):

	=	+	+ [дБ],	(6.3)
изл
		39

где PS – мощность передатчика;

GА – коэффициент усиления антенны;

BС – коэффициент передачи фидера и других цепей между передатчиком и антенной.

Необходимая мощность сигнала на приемной антенне:

А = ПР − ПА − ПС +С [дБ],

(6.4)

где PПР – чувствительность приемника;

GПА – коэффициент усиления приемной антенны;

BПС – коэффициент передачи фидера и других цепей между антенной и приемником;

С – коэффициент обеспеченности связью по месту и времени. Данный коэффициент вносит поправку для обеспечения с заданной вероятностью превышения мощности сигнала на входе антенны относительно среднего значения. Значение коэффициента определяется многими факторами, в том числе, характером распространения радиоволн, плотностью застройки территории, требуемой обеспеченности связью. Например, при С =0 дБ мощность сигнала на входе приемника будет превышать заданный уровень в 50% случаев приема, при С=10 дБ – в 90%.

Допустимый уровень потерь на трассе распространения радиосигнала:

	=	−	=	+	+	−	+	+	−	С	[дБ], (6.5)
Д	ИЗЛ	А		А	С	ПР	ПА	ПС

Из формулы (6.5) можно показать, что при одинаковых мощностях передатчиков, параметрах антенн, фидеров и условиях распространения сигнала в системах TETRA и APCO 25 разность в допустимом уровне потерь сигнала на трассе:

Д = Д 25 − Д = ПР − ПР 25 [дБ],

(6.6)

где LД АРСО 25, LД TETRA – допустимые потери на трассе для систем стандарта

APCO 25 и TETRA;

PПР TETRA, PПР АРСО 25 – чувствительность приемников соответствующих стандартов.

В таблице 6.3 приведена разность допустимых потерь, полученная из

(6.6) и таблиц 6.1 и 6.2.

40