» Спецификация стандарта TETRA

Спецификация стандарта TETRA

Стандарт TETRA описывает сеть подвижной радиосвязи как совокупность составных частей, взаимодействующих между собой с помощью различных открытых интерфейсов. Спецификации стандарта могут быть бесплатно получены на сайте Европейского Института Телекоммуникационных Стандартов (ETSI). Комплект документов определяет общие рекомендации по принципу построения радиосети TETRA, протоколы всех открытых интерфейсов, параметры радиоинтерфейса, протоколы передачи данных, методы кодирования информации, предоставляемые сервисы и др.

Стандарт состоит из двух версий:

  1. TETRA Release 1 (или просто TETRA 1) берет свое начало с момента публикации стандарта в 1995 г. и состоит из двух частей - TETRA V+D (TETRA Voice+Data), предназначенная для интегрированной передачи голоса и данных, и TETRA PDO (TETRA Packet Data Optimized), ориентированная только на передачу пакетных данных.
  2. TETRA Release 2 (или просто TETRA 2) была опубликована в 2005 г. Очень часто ее называют TETDS (TETRA Enhanced Data Service - усовершенствованная служба передачи данных), хотя данный сервис является только одной из частей спецификации TETRA 2. Двумя остальными частями являются возможность использования новых речевых кодеков и увеличение дальности радиосвязи в транкинговом режиме. TEDS полностью совместим с TETRA Release 1 и позволяет осуществить простую и постепенную миграцию.

Спецификации стандарта делятся на обязательные (должны выполняться всеми производителями оборудования TETRA), которые описаны в документах типа ETS, и рекомендательные (обеспечивают более полную функциональную совместимость), описанные в документах типа ETR. Некоторые возможности из разряда рекомендательных могут отсутствовать в различных реализациях радиосистем, хотя из-за жесткой конкуренции практически все производители оснащают свое оборудование не только полным набором стандартных возможностей, но зачастую и дополнительными, сугубо "фирменными" функциями. Это позволяет добиться необходимой степени "открытости" стандарта, в то же время оставляя производителям оборудования право предлагать поверх базовых возможностей и услуг свои собственные, расширяя возможный функционал системы, что и происходит на практике.

Стандарт в первую очередь направлен на совместимость оборудования различных производителей. Это означает, что абонентские терминалы одного производителя должны взаимодействовать с инфраструктурой другого производителя. Для подтверждения совместимости выпускаемого оборудования Ассоциацией TETRA разработан процесс сертификации (Interoperability Certification). Тестирование на совместимость и сертификацию, от имени Ассоциации TETRA, с 2002 года проводит тестовая лаборатория итальянского Технологического института связи и информатизации (ISCOM - Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell'Informazione). На сегодняшний день тестирование производится по четырем интерфейсам в соответствии с выработанными Ассоциацией TETRA планами тестирования (TIP - TETRA Interoperability Profile). После чего выдаются соответствующие сертификаты совместимости (TETRA Interoperability Certificate). По состоянию на 14 сентября 2011 года в официальном процессе тестирования и сертификации участвуют 20 производителей.

Стандарт TETRA предполагает использование диапазона частот от 150 до 900 МГц, обеспечивая работу в стандартной сетке частот с шагом 25 кГц и фиксированным дуплексным разносом прием/передача 10 МГц (45 МГц в диапазоне 800 МГц). Однако на практике нет ни одного производителя, выпускающего оборудование в диапазон 150 МГц, а использование фиксированного дуплексного разноса налагает серьезные ограничения на выделение радиочастот.

В странах Европы в 1996 году специально под этот стандарт для использования службами общественной безопасности был выделен диапазон 380-400 МГц. Для коммерческих организаций предусмотрены диапазоны 410-430 МГц, 450-470 МГц и 800 МГц.

Диапазон частот (МГц) Полосы частот ПРМ / ПРД Разнос (МГц)
380-400 380-390 (прм) / 390-400 (прд) 10
410-430 410-420 (прм) / 420-430 (прд) 10
450-470 450-460 (прм) / 460-470 (прд) 10
806-870 806-825 (прм) / 851-870 (прд) 45

 

Архитектура сети связи

Радиосистемы TETRA являются типичными транкинговыми системами радиосвязи, сеть которых построена с использованием двух основных элементов:

  1. Инфраструктура, которая обеспечивает требуемое радио покрытие и необходимые сервисы TETRA и состоит из оборудования коммутации, серверов приложений, базовых станций, центра управления системой, диспетчерских консолей, шлюзов в другие сети и др.
  2. Абонентские терминалы - портативные и мобильные радиостанции.

Спецификация TETRA включает в себя определение Инфраструктуры Коммутации и Управления (SwMI), как функционально закрытого элемента, и восьми интерфейсов, которые являются открытыми и стандартизованными. Это следующие интерфейсы:

  • системный радиоинтерфейс TMO (Um)
  • радиоинтерфейс прямого режима работы DMO (Ud)
  • интерфейс с другими системами (ISI)
  • шлюз во внешние сети (PSTN, ISDN и др.)
  • интерфейс с периферийным оборудованием (PEI)
  • интерфейс с удаленным диспетчером (LSI)
  • интерфейс управления сетью (NMI)
  • интерфейс пользователя (MMI)

Более подробное описание SwMI и открытых интерфейсов (кроме радиоинтерфейса) приведено в разделе Архитектура сети связи TETRA.

Режимы связи

Оборудование TETRA может функционировать в двух основных режимах:

  1. Транкинговый режим (Trunked Mode Operation, TMO) использует инфраструктуру как посредника при радиосвязи между абонентскими терминалами и предназначен для передачи голоса и данных. Помимо этого абонентам радиосети предоставляется большое количество дополнительных услуг. Время предоставления канала связи в данном режиме составляет около 300 мсек.
  2. Режим прямой связи (Direct Mode Operation, DMO) предназначен для взаимодействия абонентских терминалов между собой за пределами зоны действия радиосети. Радиосвязь осуществляется в полудуплексном режиме, но при этом сохраняется возможность сделать индивидуальный или групповой вызов. Время предоставления канала в данном режиме составляет около 150 мсек.
Транкинговый режим TMO

В режиме TMO стандартом предусмотрено предоставление сетью двух основных типов сервиса - передача голоса и передача данных. Причем голос и данные могут передаваться одновременно с одного абонентского терминала по разным логическим каналам.

При передаче голоса поддерживаются следующие типы вызовов:

  • вызов одного абонента (персональный вызов), который может осуществляться в режиме полу или полного дуплекса;
  • вызов группы абонентов (групповой вызов), осуществляемый только в режиме полудуплекса;
  • циркулярный вызов (односторонняя передача сообщения группе абонентов).

Все типы голосовых вызовов могут быть передаваться как в открытом виде, так и в зашифрованном виде с помощью определенных алгоритмов шифрования.

Передача данных осуществляется в следующих режимах:

  • передача данных с коммутацией каналов (Circuit Mode Data Service);
  • передача данных с коммутацией пакетов (Packet Mode Data Service);
  • передача коротких сообщений до 256 байт (SDS - Short Data Service), которые передаются по контрольному каналу независимо от передачи голоса и данных.

Скорость обмена при передаче данных определяется числом временных слотов, выделенных для связи, и классом защиты от ошибок.

Режим прямой связи DMO

В режиме DMO абонентские терминалы поддерживают следующие виды связи:

  • Непосредственная связь между радиостанциями на одной частоте.
  • Связь между радиостанциями через ретранслятор (DMO Repeater), в качестве которого может быть задействована мобильная радиостанция с поддержкой функции ретрансляции.
  • Связь радиостанций из режима DMO с транкинговой радиосистемой через шлюз (DMO Gate), в качестве которого также может быть задействована мобильная радиостанция с поддержкой данной функции. Режим DMO Gate может быть использован совместно с режимом DMO Repeater.
  • Двойное наблюдение (Dual Watch), которое позволяет абонентскому терминалу по очереди прослушивать (сканировать) каналы DMO и TMO.

Радиоинтерфейс (AI - Air Interface)

Радиоинтерфейс - это основной и наиболее важный интерфейс стандарта TETRA, который позволяет абонентским терминалам разных производителей работать в любой радиосистеме стандарта TETRA, а также связываться между собой вне зоны ее действия.

Радиоинтерфейс стандарта TETRA использует метод временного разделения каналов (TDMA - Time Division Multiple Access), который позволяет получить на одной физической частоте 4 логических канала (тайм-слота).

Ниже приведены основные параметры радиоинтерфейса для каждой версии стандарта:

  TETRA Release 1 TETRA Release 2
Метод доступа к каналу TDMA TDMA
Ширина канала 25 кГц 25/50/100/150 кГц
Вид модуляции π/4 DQPSK π/4 DQPSK
π/8 D8PSK
4 QAM
16 QAM
64 QAM
Скорость передачи информации в радиоканале 36 кбит/сек 38.4-691.2 кбит/сек
Вокодер ACELP ACELP
AMR
MELPe

 

Транкинговый режим TMO

Радиосистемы TETRA - типичные транкинговые системы с каналом управления. Это означает, что один из логических каналов каждой базовой станции является управляющим. Как правило, это первый слот на первой несущей. Он называется основным. Для увеличения пропускной способности сигнальной информации может быть использовано несколько дополнительных каналов управления. Остальные логические каналы используются для передачи голоса и/или данных.

Каждая базовая станция TETRA поддерживает до 32 логических каналов (тайм-слотов) на 8 несущих (парах частот для приема/передачи). При этом логические каналы предоставляются следующим образом:

  • Голосовые вызовы используют только один логический канал.
  • Передача данных, в зависимости от требуемой скорости, может использовать от 1 до 4 логических каналов одновременно.
  • Голос и данные могут передаваться одновременно в различных логических каналах (в том числе с одного абонентского терминала).

Для нормальной работы режима TDMA (т.е. правильного назначения тайм-слотов) требуется синхронизация работы базовых станций и абонентских терминалов. В транкинговом режиме источником синхронизации для абонентских терминалов являются базовые станции, которые в свою очередь синхронизируют свою передачу от сигнала GPS.

Режим прямой связи DMO

Вне зоны действия инфраструктуры источник синхронизации отсутствует. При непосредственной связи между абонентскими терминалами источником синхронизации является терминал ("мастер"), первым начавшим передачу. Остальные терминалы, находящиеся на этой же частоте, трактуются как "ведомые" и синхронизируются от "мастера". Но, к сожалению, спецификация TETRA 1 в режиме DMO предусматривает использование на одной частоте только одного логического канала (тайм-слота) из 4. Поэтому абонентские терминалы других групп связи, находящиеся на этой же частоте, при попытке выйти на связь получат сигнал о занятости канала. Данные режим называется "стандартным" (Normal Mode). TETRA 2 предусматривает использование 2 логических каналов на одной частоте, и данный режим называется "режим экономии частот" (Frequency Efficient Mode).

При использовании режимов DMO Repeater, DMO Gate и Dual Watch режимы синхронизации более сложные.

Преимущества и недостатки TDMA

Использование метода TDMA позволило получить как преимущества, так и определенные недостатки:

  • TDMA с 4 логическими каналами на одной несущей частоте обеспечивает очень экономичное использование радиочастотного спектра и значительно упрощает предоставление услуг радиосвязи большому количеству абонентов на ограниченной территории.
  • Использование 4 логических канала на одной несущей позволило в 4 раза сократить количество передатчиков и упростить радиочастотную часть на базовой станции по сравнению с технологией FDMA. В тоже время это во столько же раз уменьшило надежность базовой станции.
  • Режим TDMA позволяет значительно экономить емкость аккумулятора портативной радиостанции, т.к. передатчик при голосовой связи работает на передачу ¼ часть времени. Это позволило использовать аккумуляторы меньшего веса и размера.
  • Для обеспечения требуемого подавления собственного сигнала на соседнем канале режим TDMA требует повышенной линейности передатчика, что влечет за собой невысокий КПД выходного каскада, и как следствие ограничение выходной мощности абонентских терминалов.
  • Специфика технологии TDMA ограничивает предельную дальность радиосвязи в транкинговом режиме на уровне 58 км для TETRA 1 и 83 км для TETRA 2.
  • Использование технологии TDMA затруднено в режиме DMO, в связи с чем в TETRA 1 используется только один тайм-слот.
  • Режим TDMA сильно влияет на другие электронные средства, что проявляется в возникновении жужжащего звука в АМ/ЧМ радиоприемниках и многой другой бытовой аппаратуре. Это происходит из-за того, что передатчики терминалов TETRA работают в пульсирующем режиме для передачи тайм-слота.
Параметры радиотракта оборудования

Согласно спецификации мощность передатчиков оборудования TETRA подразделяется на следующие классы:

Передатчик базовых станций (для PSK и QAM модуляции):

Класс мощности Номинальное значение, дБм Номинальное значение, Вт
1 46 40
2 44 25
3 42 15
4 40 10
5 38 6.3
6 36 4
7 34 2.5
8 32 1.6
9 30 1
10 28 0.6

Примечание: для QAM модуляции используется суммарная мощность от всех поднесущих.

Передатчик абонентских терминалов:

Класс мощности Номинальное значение, дБм Номинальное значение, Вт
1 45 30
1L 42.5 17.5
2 40 10
2L 37.5 5.6
3 35 3
3L 32.5 1.8
4 30 1
4L 27.5 0.56
5 25 0.32
5L 22.5 0.18

Примечание: класс 3 является основным для мобильных терминалов, класс 4 - для портативных терминалов, классы 5 и 5L используются только при QAM модуляции.

Для адаптивной регулировки выходной мощности передатчика абонентских терминалов стандартом определены следующие уровни:

Уровень регулировки Выходная мощность, дБм Выходная мощность, Вт
1 45 30
2 40 10
3 35 3
4 30 1
5 25 0.3
6 20 0.1
7 15 0.03

 

Для исключения влияния излучения передатчиков базовых станций и абонентских терминалов на соседние каналы стандартом определены следующие уровни внеполосных излучений (для фазовой модуляции PSK):

Расстройка относительно несущей частоты, кГц Максимальный уровень для абонентских терминалов класса 4 и 4L, дБн Максимальный уровень для остального оборудования, дБн
± 25 -55 -60
± 50 -70 -70
± 75 -70 -70

 

В соответствии со стандартом чувствительность приемников базовых станций и абонентских терминалов в зависимости от типа используемой модуляции должны иметь следующие минимальные значения:

Тип оборудования Статическая чувствительность, дБм Динамическая чувствительность, дБм
  π/4 DQPSK π/8 D8PSK π/4 DQPSK π/8 D8PSK
Базовая станция - 115 -110 -106 -100
Абонентский терминал - 112 -107 -103 -97

Примечание: для QAM модуляции минимальные значения чувствительности в зависимости от типа модуляции и ширины канала варьируются в следующих пределах:

  • для статической чувствительности: от -116 дБм (4 QAM, 25 кГц, базовая станция) до -93 дБм (64 QAM, 150 кГц, абонентский терминал)
  • для динамической чувствительности: от -111 дБм (4 QAM, 25 кГц, базовая станция) до -87 дБм (64 QAM, 150 кГц, абонентский терминал)

Кодирование речи

Для кодирования речи в TETRA 1 используется речевой кодек (вокодер) ACELP (Algebraic code-excited linear prediction - алгебраический код возбужденного линейного предсказывания), разработанный в канадском Университете Шербрук в 1989 году и запатентованный канадской компанией VoiceAge Corporation.

Кодек ACELP преобразует речевой сигнал в цифровой поток со скоростью 4800 бит/сек. После помехоустойчивого кодирования для коррекции ошибок на приеме (FEC+CRC) суммарная скорость цифрового потока составляет 7200 бит/сек. Соответственно суммарная скорость голосовой информации для 4 тайм-слотов составляет 28,8 кбит/сек. Затем добавляется дополнительная служебная информация, что приводит к увеличению суммарной скорости в радиоканале до 36 кбит/сек.

Кодек ACELP, используемый в радиосистемах TETRA, обеспечивает качество воспроизведения голоса по шкале MOS (Mean Opinion Score - усредненная оценка разборчивости речи) равное 3,4, что лишь незначительно уступает качеству вокодера сетей GSM, но при этом значительно экономится частотный спектр.

В качестве альтернативы в TETRA 2 предусмотрено использование двух дополнительных речевых кодеков - AMR (Adaptive Multiple Rate) и MELPe (Mixed Excitation Liner Predictive, enhanced), которые должны улучшить качество передаваемого голоса и обеспечить совместимость с другими сетями:

  • Кодек AMR был выбран для исключения двойного перекодирования голоса при будущей интеграции с сетями 3 поколения (3G/UMTS). Он способен работать на нескольких скоростях, но в спецификации TETRA 2 предполагается использование только одной скорости 4,75 кбит/сек, при которой обеспечивается качество воспроизведения голоса (MOS) равное 3.847. Однако, ввиду недостатка информации о потребности ранка в новом кодеке, работы по завершению спецификации радиоинтерфейса для использования данного кодека приостановлены.
  • Кодек MELPe был выбран для того, чтобы обеспечить совместимость радиосистем TETRA с оборудованием NATO, которое использует для кодирования речи стандарт STANAG 4591, основанный на кодеке MELPe со скоростью 2,4 кбит/сек (MOS 3,5). Завершение спецификации стандарта для использования кодека MELPe будет зависеть от исследования окупаемости работ.

Передача данных

Стандартом предусмотрены следующие режимы передачи данных:

  • передача данных с коммутацией каналов (Circuit Mode Data Service);
  • передача данных с коммутацией пакетов (Packet Mode Data Service);
  • передача коротких сообщений до 256 байт (SDS - Short Data Service), которые передаются по контрольному каналу независимо от передачи голоса и данных.
Передача данных с коммутацией каналов

В режиме передачи данных с коммутации каналов абоненту, как и для голосовой связи, выделяется один тайм-слот. Максимальная скорость передачи данных без коррекции ошибок составляет 7,2 кбит/сек. В случае использования защиты от ошибок низкого или высокого уровня скорость передачи составит 4,8 и 2,4 кбит/сек соответственно.

Для увеличения скорости передачи данных абоненту может быть выделено до четырех тайм-слотов, обеспечивая тем самым скорость передачи данных до 28,8 кбит/сек.

В таблице ниже приведены значения пользовательской скорости, которую может обеспечить сервис передачи данных с коммутацией каналов:

Режим передачи данных
(уровень защиты от ошибок)		 Скорость (кбит/с) в зависимости от числа выделенных слотов
1 2 3 4
Без защиты 7,2 14,4 21,6 28,8
Низкий уровень 4,8 9,6 14,4 19,2
Высокий уровень 2,4 4,8 7,2 9,6

 

Недостатком данного сервиса является неэффективное использование ресурса радиосистемы, т.к. канал выделяется на все время соединения, независимо от того передаются данные или нет. Очевидно, это повлияло на то, что данный вид сервиса хоть и предусмотрен спецификацией, на практике практически не используется.

Передача данных с коммутацией пакетов

Пакетная передача данных осуществляется с использованием протокола IP. При этом канал занимается только на время передачи пакета данных, предоставляя возможность его использования другими абонентами во время паузы при передаче. Это обеспечивает эффективное использование каналов, увеличивая пропускную способность радиосистемы.

При пакетной передаче абоненту выделяется один тайм-слот, а скорость передачи данных составляет 4,8 кбит/сек.

Для увеличения скорости передачи может быть использован режим мультислотовой пакетной передачи (MSPD - Multislot Packet Data). В данном случае абоненту может быть выделено до четырех слотов, обеспечивая тем самым скорость передачи до 19,2 кбит/сек.

Сервис усовершенствованной службы передачи данных (TEDS)

Сервис (TEDS - TETRA Enhanced Data Service) оптимизирован на эффективное использование частотного спектра и предполагает использование различной ширины канала и типа модуляции в зависимости от условий распространения сигнала.

TEDS использует 8 поднесущих частот на каждые 25 кГц, т.е. соответственно 8, 16, 32 и 48 поднесущих на каналы шириной 25, 50, 100 и 150 кГц. Каждая поднесущая обеспечивает скорость передачи 2400 символов в секунду, а суммарная символьная скорость зависит от общего количества поднесущих. Такой метод, за счет низкой скорости в каждой поднесущей, обеспечивает стойкость модуляции к временной дисперсии и, следовательно, позволяет избежать необходимости применения адаптивного эквалайзера.

В таблице ниже приведены значения пользовательской скорости (в кбит/сек), которую может обеспечить сервис TEDS в зависимости от ширины канала и типа модуляции (в скобках указана скорость передачи данных в радиоканале):

  Ширина канала
Тип модуляции 25 кГц 50 кГц 100 кГц 150 кГц
π/4 DQPSK, r=2/3 15.6 (36)      
π/8 D8PSK, r=2/3 24.3 (54)      
4 QAM, r=1/2 11 (38.4) 27 (76.8) 58 (153.6) 90 (230.4)
16 QAM, r=1/2 22 (76.8) 54 (153.6) 116 (307.2) 179 (460.8)
64 QAM, r=1/2 33 (115.2) 80 (230.4) 175 (460.8) 269 (691.2)
64 QAM, r=2/3 44 (115.2) 107 (230.4) 233 (460.8) 359 (691.2)
64 QAM, r=1 66 (115.2) 160 (230.4) 349 (460.8) 538 (691.2)

 

К сожалению, до настоящего времени из-за недостатка частотного спектра, применяемого в мобильной радиосвязи, развертывание радиосетей с поддержкой сервиса TEDS ограничено использованием каналов шириной не более 50 кГц.

Безопасность в сетях TETRA

Для обеспечения конфиденциальности переговоров стандартом предусмотрено два типа шифрования передаваемой информации - шифрование радиоинтерфейса и сквозное шифрование.

Шифрование радиоинтерфейса (AIE - Air Interface Encryption) производится на промежутке от абонентского терминала до базовой станции, внутри радиосистемы информация передается в открытом виде. При этом используются специальные алгоритмы шифрования TETRA (TEA - TETRA Encryption Algorithm). Стандартом предусмотрено 4 уровня TEA:

  • TEA1 - коммерческое использование внутри Европейского союза (ЕС)
  • TEA2 - службы общественной безопасности ЕС
  • TEA3 - службы общественной безопасности за пределами ЕС
  • TEA4 - коммерческое использование за пределами ЕС

Сквозное шифрование (E2EE - End to End Encryption) позволяет получить большую безопасность за счет кодирования и передачи информации от абонента до абонента. При этом появляется возможность использования стандартных или собственных алгоритмов заказчика. Например, использование такого распространенного современного алгоритма шифрования как AES.

Кроме шифрования, в радиосистеме присутствуют традиционные методы защиты доступа к системе - проверка легальности абонентов по идентификационному и электронному номерам радиостанции (аутентификация), что исключает доступ в систему несанкционированных радиостанций.

С самого начала компания Motorola принимала активное участие в разработке стандарта. Благодаря постоянным исследованиям и разработкам в области подвижных систем радиосвязи, Motorola имеет большое количество патентов. Некоторая часть этих патентов является неотъемлемой частью стандарта TETRA, и используется всеми производителями оборудования TETRA.




Вернуться к разделу "Системы радиосвязи стандарта TETRA"