Систем профессиональной радиосвязи

Содержание

Введение 

1. Основные типы и характеристики цифровых систем профессиональной радиосвязи  . . . . . . . . . . 6

1.1. DMR . . . . . . . . . . . 6

1.2. APCO 25 TETRA . . . . . . . . . 7

2.  Сравнительный анализ технико-экономической эффективности внедрения различных типов цифровых систем профессиональной радиосвязи .       11

2.1. Эксплуатационно-техническое обоснование выбора цифрового стандарта радиосвязи. Экономическое обоснование выбора цифрового стандарта радиосвязи . . . . . . . . .       11

Заключение

Введение

Быстрая и надежная оперативная радиосвязь - одно из основных условий успешной работы самых разных организаций, в том числе органов охраны правопорядка.

Эксплуатируемые сегодня  в большинстве субъектов РФ (в т.ч. в УМВД России по Кировской области) аналоговые системы подвижной радиосвязи (далее СПР), не всегда отвечают предъявляемым к ним современным требованиям:

- отсутствует возможность полноценного управления радиосетями. В случае выхода существующего базового оборудования из строя, либо в случае воздействия каких либо помех оператор не имеет возможности оперативно перевести систему на резервные каналы, что может привести к частичной или полной потере управления;

- не обеспечивают достаточную безопасность связи, аутентификацию и возможность дистанционного управления абонентскими терминалами;

- значительно затруднена модернизация существующих сетей;

- для объединения сетей различных диапазонов требуются сложные технические решения;

- существующие системы не всегда обеспечивают необходимый территориальный охват;

- отсутствует возможность оперативного создания подсистем в интересах отдельных групп абонентов.

Учитывая все вышеизложенные, а также ряд других специфических  проблем характерных для аналоговыхСПР в 2011 г.руководством УМВД России по Кировской области было принято решение о модернизации существующей СПР (в первую очередь СПР функционирующей на территории муниципального центра г. Киров). Основополагающим документом при проведении подобной модернизации является «Концепция развития подвижной радиосвязи органов внутренних дел Российской федерации на период 2009-2015 годы» утверждённая приказом МВД РФ №303дсп от 20.04.2009 г..

Концепция разработана в соответствии с пунктом 9.5 Плана МВД России по реализации Стратегии развития России до 2020 г. и учитывает положения:

- Федерального закона «О связи» от 07.06.2003 г. № 126-ФЗ;

- Закона Российской Федерации «О безопасности» от 05.03.1992 г № 2446-1;

- Федерального закона «О противодействии терроризму» от 06.03.2006 г. № 35-ФЗ.

В соответствии с данной концепцией с 2009 по 2015 годы предполагается полная модернизация существующих СПР, за счёт внедрения современных стандартов цифровой радиосвязи. Это позволяет решить не только все вышеперечисленные проблемы, но и реализовать ряд дополнительных и очень перспективных возможностей:

- интегрированную передачу речи и данных;

- осуществить территориально-зоновое построение СПР;

- создать единую структурированную СПР в пределах, как отдельного субъекта РФ, так и в масштабах всей страны;

- осуществлять грамотное использование выделенного радиочастотного спектра, за счёт построения транкинговых цифровых систем;

- получить необходимый уровень резервирования системы;

- необходимую защиту передаваемой по радиоканалу информации (в том числе с использованием криптостойких алгоритмов шифрования);

- возможность групповых и индивидуальных вызовов, оперативного объединениярадиосетей различных подразделений (в том числе других экстренных служб:МЧС, ФСБ и т.д.);

- автоматический роуминг и Handover (переход из одной зоны в другую) различных абонентов радиосети;

- обеспечения необходимой ёмкости системы с возможностью её последующего наращивания, за счёт относительно несложных технических решений;

- поэтапный переход от уже существующих аналоговых систем связи к новым цифровым стандартам и обеспечение их совместной работы в пределах одной сети.

Не смотря на то, что вышеупомянутая концепция достаточно подробно описывает  основные аспекты, связанные с внедрением цифровых СПР, на практике возникает множество вопросов. (Какую система из представленных сегодня на рынке стоит выбрать с точки зрения её экономической и технической эффективности, чем они отличаются и т.д.)

На сегодняшний день на Российском рынке средств профессиональной цифровой радиосвязи - его многообразие. Столь широкого выбора нет ни в одной стране мира. Здесь нашли своё место DMR, Tetra, APCO25, TetraPOL, EDACS. Но широкое распространение получили далеко не все. В качестве основных игроков рынка на сегодняшний день можно выделитьцифровые СПР стандарта Tetra, APCO25, DMR. Необходимо отметить, что все они являются открытыми стандартами, т.е. предполагается, что оборудование различных производителей совместимо между собой.

1. Основные типы и характеристики цифровых систем профессиональной радиосвязи:

1.1. DMR

DMR - это относительно новый и наиболее простой с технической точки зрения цифровойстандарт. Стандарт DMRпредлагается для сетей цифровой радиосвязи, обслуживающих ограниченное число абонентов без транкинга, хендовера и роуминга при сравнительно невысокой стоимости аппаратуры [4]. DMR обеспечивает:

• защиту радиоэфира от прослушивания;
• организацию передачи текстовых сообщений вместе с голосом;
• увеличения разборчивости речи при сильных окружающих акустических помехах;
• увеличения срока непрерывной работы аккумуляторных батарей;
• более эффективное использование радиочастотного спектра;
• совместную работу цифровых и аналоговых станций;
• опциональное шифрование;

Типы вызовов реализуемых  в рамках стандарта DMR:

• индивидуальный вызов «радиостанция – радиостанция»;
• групповой вызов «радиостанции – группа радиостанций»;
• групповой вызов «радиостанция – все радиостанции»;
• передача пакетных данных с канальной скоростью 2 кбит/c

В основе технологии DMR лежат  механизмы TDMA (TimeDivisionMultipleAccess – многостанционный доступ с временным разделением каналов), что позволяет разместить два временных интервала на одной частотной несущей с сеткой частот 12,5 кГц, т.е. на одном частотном канале организуются 2 логических канала. Предполагается реализация решений не только в классических диапазонах 136 – 174 МГц и 403 – 470МГц, но и в диапазоне 450 – 527 МГц.

В рамках стандарта DMR существует возможность реализации двух режимов:

• Режим прямой связи (Directmode) – симплексная связь;
• Режим связи через ретранслятор (Repeatermode) – с поддержкой технологии двухчастотного симплекса с дуплексным разносом, FDD (FrequencyDivisionDuplex). В этом режиме возможны два одновременных независимых голосовых соединения.

Кроме того для улучшения качества связи в DMRиспользуетсявокодер с алгоритмом ACELP (линейное предсказание с возбуждением от алгебраической кодовой книги) особенно подходит для использования в условиях сильных акустических помех. Для обнаружения ошибок при передаче в канале радиосвязи и их исправления при канальном кодировании применяется технология ForwardErrorCorrection (FEC).

К сожалению, первая версия оборудования стандарта DMR не позволяет  реализовать такие значимые функции  как телефонный вызов, контроль местоположения, а также дуплексный вызов, не поддерживает транкинг, а приложения по передаче телеметрии и пакетных данных требуют написания специализированного программного обеспечения. Кроме того она не позволяет создавать структурированные сети с единым центром управления.

На сегодняшний день на Российском ранке наиболее широко представлено оборудование двух производителейDMR:

- Motorola (система Mototrbo);

- Эрика («Уральские радиостанции»  г. Ижевск).

1.2. APCO-25 Tetra

Стандарт APCO 25 разработан Ассоциацией официальных представителей служб связи органов общественной безопасности (Association of Publicsafety Communications Officials-international – APCO), которая объединяет пользователей систем связи, работающих в службах общественной безопасности. APCO является международной организацией и объединяет представителей правоохранительных органов около 70 стран.

Основополагающими принципами разработки стандарта APCO 25, сформулированными его разработчиками, были требования:

1. по обеспечению плавного перехода к средствам цифровой радиосвязи (т.е. возможности совместной работы на начальном этапе базовых станций стандарта с абонентскими аналоговыми радиостанциями, используемыми в настоящее время);
2. по созданию открытой системной архитектуры для стимулирования конкуренции среди производителей оборудования;
3. по обеспечению возможности взаимодействия различных подразделений служб общественной безопасности при проведении совместных мероприятий.

Если стандарты TETRA не поддерживают работу в своих системах аналоговых станций, то стандарт APCO 25 специально ориентирован на совместную работу цифровых и аналоговых радиосредств. При этом разработчики стандарта декларируют, что системы на основе APCO 25 позволяют, с одной стороны, жестко разграничить используемые частотные ресурсы (на аналоговые и цифровые), а с другой стороны – допускают и гибкое конфигурирование каналов, т.е. совместное использование общего частотного ресурса цифровыми и аналоговыми абонентскими станциями.

В том случае, если указанная  возможность действительно удобно реализуется на практике, то она  обеспечит серьезное преимущество APCO 25 перед другими стандартами, т.к. позволит производить плавный переход к цифровой радиосвязи путем поэтапного переоснащения подразделений служб общественной безопасности цифровыми радиостанциями. В особенности это актуально для России, где правоохранительные органы и службы общественной безопасности пока еще используют достаточно большой парк устаревших аналоговых радиосредств.

Системная архитектура стандарта  поддерживает как транкинговые, так и обычные (конвенциональные) системы радиосвязи, в которых абоненты взаимодействуют между собой либо в режиме непосредственной связи, либо через ретранслятор. Основным функциональным блоком системы стандарта APCO 25 является радиоподсистема, определяемая как сеть связи, которая строится на основе одной или нескольких базовых станций. При этом каждая базовая станция должна поддерживать общий радиоинтерфейс (CAI - CommonRadioInterface) и другие стандартизованные интерфейсы (межсистемный, с ТФОП, с портом передачи данных, с сетью передачи данных и сетевым управлением). При транкинговой системе используется выделенный канал управления.

Сильной стороной стандарта  APCO 25 является то, что он предусматривает возможность работы в любом из стандартных диапазонов частот используемых системами подвижной радиосвязи: 138 – 174, 406 – 512 или 746 – 869 МГц.

Основной метод доступа  к каналам связи – частотный (МДЧР), вместе с тем по заявке фирмы  Ericsson в Фазу II включена возможность использования в системах стандарта APCO 25 множественного доступа с временным разделением каналов (МДВР).

В Фазе I (наиболее широко представлена на территории Российской Федерации)стандартный шаг сетки частот составляет 12,5 кГц, для Фазы II - 6,25 кГц. При этом в полосе 12,5 кГц осуществляется четырехпозиционная частотная модуляция по методу C4FM со скоростью 4800 символов в секунду, а при полосе 6,25 кГц – четырехпозиционная фазовая модуляция со сглаживанием фазы по методу CQPSK. Сочетание указанных методов модуляции позволяет использовать на разных Фазах одинаковые приемники, дополняемые различными усилителями мощности (для Фазы I - простые усилители с высоким КПД, для Фазы II - усилители с высокой линейностью и ограниченной шириной излучаемого спектра). При этом демодулятор может осуществлять обработку сигналов по любому из методов.

Для речевого кодирования  в стандарте используется кодек  IMBE (Improved Multi Band Excitation), который применяется также в системе спутниковой связи Inmarsat. Скорость кодирования – 4400 бит/с. После помехоустойчивого кодирования речевой информации скорость информационного потока увеличивается до 7200 бит/с, а после формирования речевых кадров путем добавления служебной информации – до 9600 бит/с.

Заложенная в стандарте  APCO 25 система идентификации абонентов позволяет адресовать в одной сети не менее 2 миллионов радиостанций и до 65 тысяч групп. При этом задержка при установлении канала связи в подсистеме, в соответствии с функциональными и техническими требованиями к стандарту APCO 25, не должна превышать 500 мс (в режиме прямой связи – 250 мс, при связи через ретранслятор - 350 мс).

В системах стандарта APCO 25 предусмотрены 2 варианта передачи данных: с подтверждением приема и без подтверждения. При передаче данных для исправления ошибок используется избыточное решетчатое кодирование и межблочное перемежение.

Данные передаются по тем  же каналам, что и речевые сообщения, и с той же скоростью 9600 бит/с. Радиосистемы стандарта APCO 25 обеспечивают связь с сетями фиксированной связи с протоколами X.25, SNA, TCP/IP. Следует отметить, что протокол IP поддерживается как специальная IP-служба, которая с помощью специального сетевого шлюза обеспечивает возможность связи мобильных терминалов и проводной инфраструктуры с приложениями, использующими IP.

APCO 25 как и Tetra поддерживает индивидуальную аутентификацию каждого абонента, а также криптостойкие алгоритмы шифрования информации.

СПР построенные на базе APCO-25 предоставляют достаточно широкий функционал: обеспечивают групповые и индивидуальные вызовы, позволяют оперативно объединять различных абонентов в группы и т.д. В общем обладают практически такими же возможностями, что и СПР работающие в стандарте Tetra.

Кроме того приказом МВД  от 25 ноября 2005г. № 963 АРСО принят как  основной стандарт цифровой системы  радиосвязи МВД России [2].

2. Сравнительный анализ технико-экономической эффективности внедрения различных типов цифровых систем профессиональной радиосвязи на примере УМВД по Кировской области.

В предыдущей главе были представлены основные технические характеристики наиболее распространённых на сегодняшний день на территории РФ систем подвижной цифровой радиосвязи.

На территории Кировской  области (120,4 тыс. кв. км.) развёрнуто порядка 52 радиосетей, каждая из которых обслуживает  значительные территории с небольшой плотностью населения. В городе Кирове развёрнуто порядка 30 различных радиосетей, каждая из которых обслуживает небольшие территории, но со сложным рельефом и большим количеством абонентов.

Опираясь на эти данные, попытаемся определить, какой из представленных стандартов предпочтителен с экономической  и технической точки зрения, для  внедрения, например, на территории Кировской  области (в частности в муниципальном  образовании г.Киров).

Рассмотренные выше технические  характеристики и функциональные возможности  стандартов цифровой связи, позволяют  сделать вывод, что все стандарты имеют высокие (относительно аналогового класса систем подвижной радиосвязи) технические показатели. Стандарты позволяют использовать в своих системах дуплексные радиостанции. В средствах радиосвязи данных стандартов используются эффективные методы речепреобразования и помехоустойчивого кодирования информации. Все стандарты обеспечивают высокую оперативность связи и достаточную спектральную эффективность. Кроме того DMR будем считать урезанной версией TETRA, так как они во многом схожи.

С технической точки зрения, основные различия между стандартами TETRA, с одной стороны, и APCO 25 – с  другой, определяются методом разделения каналов связи. Для стандарта TETRA это многостанционный доступ с временным  разделением каналов связи (МДВР, английская аббревиатура – TDMA), а для APCO 25– многостанционный доступ с  частотным разделением (МДЧР или FDMA). Рассмотрим, как это основное различие, а также другие технические параметры  влияют на основные эксплуатационно-технические  показатели.

Основной технический  показатель эффективности СПР - 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.

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

1. факторы, определяемые условиями применения средств связи (высота установки антенн, рельеф местности, помеховая обстановка и т.д.);
2. факторы, определяемые техническими параметрами, реализованными в аппаратуре связи (мощность передатчиков, чувствительность приемного тракта, коэффициент усиления антенны и т.д.);
3. 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 радиосвязи можно только по последней группе факторов, т.к. другие группы зависят  или от условий эксплуатации, или  определяются качеством производства радиосредств.

Следует понимать, что принципиально  системы с FDMA обеспечивают большую  дальность связи (при прочих равных параметрах) по сравнению с системами  с TDMA. Это объясняется меньшей  энергией сигнала на один бит информации. Известно, что энергия сигнала  Ec определяется как

Ec = Pc·Tc, гдеPc – мощность, а Tc – длительность сигнала. Понятно, что при уменьшении длительности сигнала (времени передачи одного информационного бита для цифровой системы) пропорционально уменьшается энергия. Например, для систем TETRA, с четырьмя информационными каналами на одной физической частоте эквивалентная мощность на бит информации в 4 раза меньше, чем в системах с FDMA, что равносильно снижению дальности связи ориентировочно на 40 %[6] [7].

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.

Во многих источниках приводятся данные о приблизительно двукратном снижении дальности связи в системах с TDMA по сравнению с системами с частотным разделением каналов связи. Например, по официальным данным Международного союза электросвязи (см. “Project 25/TETRA Comparison”, Radio Resource International, 1/2000) радиус действия базовой станции TETRA для носимой радиостанции составляет 3,8 км в условиях пригорода и 17,5 км для мобильной станции в условиях сельской местности. Зона действия в этих условиях базовых станций системы APCO 25 с частотным разделением каналов в 2 раза больше (7,6 и 35 км соответственно).

Так расчёты зоны покрытия для радиосетей различных стандартов,произведённые инженерами ЦИТСиЗИ на примере города Кирова, показали, что для полного радиопокрытия всей территории (около 800 кв. км.) требуется:

1. APCO-25 – 6 базовых станций.
2. Tetra – 8 базовых станций.

Другим важным параметром является оперативность связи. Основным параметром, характеризующим оперативность  связи, является время установления соединения (канала связи) между абонентами. Если рассматривать время установления канала связи в пределах зоны действия одной базовой станции, то все стандарты имеют близкие показатели, в пределах от 0,2 до 0,5 с. Однако, как справедливо отмечают некоторые специалисты [3], преимущество стандартов, использующих FDMA (APCO 25), состоит в том, что минимальная длительность установления соединения сохраняется на более обширной территории, т.к. дальность связи для этих стандартов больше. Для абонентов сетей стандарта TETRA, в среднем, выше вероятность оказаться в разных зонах обслуживания. При этом вызов будет проходить через коммутатор, что неизбежно увеличит время установления соединения. Кроме этого, существует опасность, что в зоне вызываемого абонента заняты все каналы ретранслятора, и даже в случае вытесняющего вызова потребуется время на разрыв одного из текущих соединений. Таким образом, в целом, можно сказать, что статистически время установления соединения для передачи речевых сообщений в сетях стандартов и APCO 25 меньше, чем в стандарте TETRA.

Вместе с тем, все большое  значение в современных сетях  подвижной радиосвязи приобретает  скорость передачи данных, которая  также является показателем оперативности  связи. Для стандарта TETRA она может  достигать 28,8 Кбит/с (при использовании всех четырех временных интервалов для передачи массива данных). Для стандартов FDMA она в несколько раз меньше, для APCO 25 – 9600 бит/с.

Анализируя экономическую эффективность от внедрения данных систем, необходимо прежде всего сравнить среднююстоимость абонентского и базового оборудования различных стандартов (Таблица 1).

Таблица 1- Средняя стоимость  оборудования различных цифровых стандартов (цены приведены в руб.).

Из приведённой таблицы  видно, что DMR является наиболее дешевым стандартом, в связи с небогатым функционалом. APCO-25 и Tetra сравнимы между собой по стоимости, но если учесть, что для покрытия одной и той же территории в Tetra требуется больше ретрансляционного оборудования и дополнительные затраты на строительство каналов связи, то экономическая эффективность внедрения систем APCO-25 становится очевидной.Т.е если говорить о таких муниципальных образования как г. Киров, где население не превышает 500 тыс. человек и действует большое количество сетей на относительно небольшой территории, выбор естественным образом падает на СПР стандарта APCO-25. Совсем по-другому ситуация обстоит в небольших районных центрах Кировской области, где не требуется структурированной, обладающей излишне богатым функционалом СПР и внедрение APCO-25 является технически и экономически нецелесообразным. В подобной ситуации наилучшим выходом является строительство более простых и дешевыхDMR систем и объединение их с СПР стандарта APCO-25 с помощь специальных программно - аппаратных шлюзов.

Заключение

Переход различных служб  и подразделений на новые цифровые СПР без сомнения позволит более  качественно решать стоящие перед  ними задачи.

Что касается вопросов выбора конкретных стандартов, здесь нет, и не может быть универсальных решений. Если необходимо обеспечить густонаселённый город (пусть даже не большой площади) с большим количеством радиосетей новой и современной цифровой СПР, получить при этом хорошо защищённую, надёжную и структурированную систему, то ваш выбор APCO-25. Если нет необходимости в распределённой системе приёма, транкинге и т.д. или стоит задача построить цифровую сеть в маленьком муниципальном центре (с населением до200 тыс. человек), то следует выбрать на стандарт DMR.

Что касается СПР, работающих по протоколу Tetra,они скорей всего не получать широкое распространение в сетях МВД, т.к. ключевым для российских правоохранительных органов, имеющих на вооружении сотни тысяч аналоговых абонентских устройств, является плавный переход с "аналога на цифру" и поддержку традиционных конвенциональных (с закрепленными радиоканалами) и транкинговых (с выбором свободного канала) режимов радиосвязи. Стандарт TETRA такого не предусматривает вовсе. Кроме того его внедрение зачастую технически и экономически невыгодно, особенно на больших территориях.

      Список используемой литературы

1. Приложение к приказу МВД России от 20.04.2009г. №303дсп.

Концепция развития подвижной радиосвязи органов внутренних дел Российской Федерации на период 2009-2015 годы.

2. Приказ МВД РФ от 25 ноября 2005 г. №963 «О принятии основного стандарта цифровой системы радиосвязи МВД России»
3. Алешин В.В, Сергеев С.И. «Цифровой транкинг для правоохранительных органов», «Технологии и средства связи», №6, 1999 г.
4. Комплекс техническикх средств «Аварис». — ФГУП СКБ «Радел», ОАО Завод «Копонент», ОАО «Солнечногорский приборный завод». Рекламный проспект.
5. Королёв Н.В. «Связь и автоматизация МВД России», «Анализ направлений создания систем мобильной радиосвязи для служб общественной безопасности», Москва, 2006г.
6. Овчинников А.М. «Сравнительный анализ стандартов цифровой транкинговой радиосвязи», Москва, 2000г.
7. Сердюков П. Н., Гришанков Б. Т., Африканов С. А., Шадчнев В. Я. Сравнительный анализ помехоустойчивости и спектральной эффективности сигналов, используемых в стандартах TETRA, APCO, TETRAPOL. Доклад на 1-м Российском TETRA-конгрессе, Москва, 2002, с. 40-48.