Цифровые транковые системы

Авторские права на статью принадлежат сайту www.viol.uz

Потребность в переходе к более новым методам построения систем связи назрела в экономически развитых странах довольно давно. Особенно большие затруднения в этом вопросе испытывала Европа. Рынок подвижной радиосвязи, включающий как ведомственные (PMR – Privet Mobile Radio), так и коммерческие сети (PAMR – Public access Mobile Radio) в Европе был рассеян между различными стандартами, протоколами, частотными диапазонами. Предлагались (и предлагаются) «идеальные» системы, с «уникальными», по словам поставщиков, возможностями. Зачастую продукция носит сугубо «фирменный» характер, обязывая потребителя полностью зависеть от монополизма поставщика. Некоторые системы призваны решать только узкий круг задач и не могут претендовать на роль универсальных.

В добавок к различию протоколов и систем, в течение последних лет практически во всех странах организации стали испытывать нехватку радиочастот, которую производители пытаются преодолеть, сужая ширину полосы канала с традиционных 25 до 12,5 кГц и уже. Сужение полосы в аналоговых системах связи вызывает резкое ухудшение качества передаваемой информации, повышает требования к высокочастотной части радиооборудования, к антенно-фидерному тракту.

Существование аналоговых транковых протоколов, например МРТ 1327, показало, что, несмотря на жесткую конкуренцию, различия в потребностях потребителей, отсутствие единства в законодательной базе разных государств, имеется возможность создания истинно международных, общепризнанных стандартов. И хотя в системах МРТ 1327 были учтены практически все требования, предъявляемые к транковой радиосвязи на тот момент, проникновение в повседневную жизнь цифровых коммуникационных технологий, Интернета, электронной почты и т.п. не могло не сказаться на требованиях заказчиков.

Например, сегодня полицейские многих европейских стран уже не представляют себе как можно, находясь на месте происшествия, не иметь возможности проверить достоверность водительских документов или проанализировать отпечатки пальцев подозреваемого в центральной базе данных. Новые возможности в области коммуникаций заставили производителей и разработчиков переосмыслить методы построения систем радиосвязи.

Развитие микроэлектроники дало возможность создавать изделия с объединенными функциями в виде одной микросхемы. Еще несколько лет назад встраивание в портативную радиостанцию микропроцессора и синтезатора частоты приводило в благоговейный трепет специалистов и вызывало нескрываемую гордость счастливых обладателей подобных «чудес» техники. Сегодня в цифровые радиостанции устанавливается одна микросхема, выполняющая функции и микропроцессора, и синтезатора, и аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователей, и устройства шифрации речи. Современные технологии позволили создать новый класс коммуникационных устройств – цифровые системы связи.

В цифровых системах весь обмен речевыми сообщениями и данными осуществляется только в цифровом виде. Это позволяет осуществлять передачу информации в более узком частотном канале (12,5 и даже 6,25 кГц) без снижения качества. Так как при передаче цифровых данных используются только две частоты (для 1 и 0), то в идеале возможно создавать системы связи с шириной канала в несколько герц (может быть через несколько лет так и будет). На сегодняшний день достигнута величина полосы радиоканала 6,25 кГц. Причем в пределах этой полосы передается как оцифрованная звуковая информация (речь), так и информация, изначально являющаяся цифровой (телеметрия, компьютерные данные, Интернет).

Звуковая информация (голос) преобразуется в цифровой формат (см. рисунок «Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование») модулируется высокочастотным сигналом (см. рисунок «Методы модуляции цифрового сигнала») и передается в эфир по традиционным физическим законам. Если исходная информация поступает уже в цифровом виде (терминал данных, компьютер, сеть цифровой связи, Интернет и т.п.), то никакого преобразования не требуется. Для предотвращения потерь информации при передаче по эфиру используются разнообразные алгоритмы коррекции ошибок.

Процесс оцифровки и кодирования голоса осуществляется специальным устройством – вокодером. Именно от него зависит алгоритм кодирования. Разные системы цифровой связи основываются на разных вокодерах. Именно вокодером обеспечивается совместимость (или не совместимость) различных систем цифровой связи. Например, в системах APCO 25 используется вокодер IMBE, а в EDACS – Aegis.

Процесс аналогово-цифрового преобразования в общем случае включает процедуру квантования (дискретизации непрерывной величины по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно) и кодирования. При квантовании непрерывная величина преобразуется в последовательность ее мгновенных значений, выделенных по определенному закону и в совокупности отображающих (с заранее установленной ошибкой) исходную величину. При кодировании выделенные в процессе квантования мгновенные значения исходной величины измеряются, и результаты фиксируются в виде цифрового (в данном случае двоичного) кода. При попадании в приемник, цифровой сигнал декодируется и, с помощью процедуры цифро-аналогового преобразования, восстанавливается исходный аналоговый сигнал.

Чаще всего используются три метода модуляции* цифрового сигнала. Цифровой сигнал, представляющий поток двоичных символов 0 и 1 накладывается на несущую – аналоговый высокочастотный сигнал постоянной амплитуды и частоты.

* Обычно метод модуляции цифрового сигнала называют манипуляцией.

При амплитудной манипуляции (ASK amplitude-shift keying), модулируемая волна изменяет амплитуду сигнала (например, с высокого уровня на низкий) в соответствии с двоичной информацией.

При частотной манипуляции (FSK frequency-shift keying), поток битов представлен изменениями между двумя частотами.

При фазовой манипуляции (PSK phase-shift keying), амплитуда и частота остается постоянной, а поток битов представлен изменениями фазы модулированного сигнала.

Фундаментальным отличием аналоговых систем связи от цифровых является только метод подготовки и кодирования исходной информации. Высокочастотная же часть радиостанций, отвечающая за прием и передачу радиоволн, остается практически идентичной во всех видах радиосвязи. Причем ситуация не меняется уже свыше 100 лет, со времен демонстрации первой системы связи в 1895 году. При всех достижениях технологии, фундаментальным физическим законам альтернативы пока нет.

Если в аналоговых системах исходная информация практически без изменений передается в эфир (естественно в виде высокочастотной электромагнитной энергии), то в цифровых системах по эфиру передается только двоичный код.

Наиболее важными преимуществами цифровых систем связи перед аналоговыми являются:

• более высокое качество передачи речи (хотя появляется некоторая «металлизация» речи);
• отсутствие «эфирных» помех;
• большая защищенность от посторонних сигналов;
• стабильное качество связи во всей зоне покрытия (и резкое снижение на границах зоны);
• интегрированные возможности по передачи данных и более высокие скорости обмена данными;
• расширенные возможности шифрования без потерь качества и уменьшения зоны покрытия.

* TETRA – до 4 рабочих каналов в полосе 25 кГц

** iDEN – до 6 рабочих каналов в полосе 25 кГц

Существование двух типов цифровых транковых систем признается международными организациями с 1990 года. Различие в методах доступа существенно влияет как на физические характеристики, так и на реализацию систем.

1. FDMA (Frequency Division Multiple Access) – множественный доступ с частотным разделением. Где для каждого сеанса связи выделяется отдельный частотный радиоканал.
2. TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с временным разделением. Где несколько одновременных сеансов связи разделяются по времени и объединяются в один радиоканал.

Основополагающим принципом создания многозоновых систем является достижение максимально возможной зоны покрытия отдельной базовой станцией. Это, во-первых, позволяет уменьшить стоимость системы за счет меньшего количества базовых станций (зон), а во-вторых, более рационально использовать радиочастоты за счет использования одних и тех же номиналов в разных зонах.

При построении многозоновых систем неизбежно возникают так называемые области перекрытия, где возможен прием сигналов разных базовых станций на одной частоте. Это заставляет либо уменьшать мощность базовой станции (с сокращением зоны покрытия), либо использовать разные номиналы частот. В обоих случаях это влечет дополнительные затраты.

Понятие спектральной эффективности (повторного использования частот в разных зонах) имеет очень важное значение как в аналоговой, так и в цифровой радиосвязи. Но, если в аналоговых системах это вызывает ухудшение качества в виде шумов и помех, то в цифровых – полное пропадание сигнала. Следовательно, при проектировании цифровых систем, требования к использованию радиочастот гораздо выше. Особенно с учетом того, что качество связи в аналоговых системах обычно пропорционально ухудшается при удалении от базовой станции. В цифровых системах качество связи неизменно до определенного расстояния, после чего резко ухудшается до полного пропадания.

В системах TDMA абонентские носимые станции имеют выходную мощность около 1 Вт. Низкая выходная мощность связана со сложностью технической реализации выходных каскадов радиостанции. В моменты активности радиостанция многократно (17 раз в секунду в TETRA) переключается из режима передачи в режим приема. При этом станция должна обеспечить достижение максимальной мощности за определенный интервал времени, если этого не произойдет, то потеряется часть цифровой информации и неизбежно нарушится синхронная работа всей системы.

Низкая выходная мощность абонентских радиостанций требует более частого расположения базовых станций. В некоторых случаях с этим недостатком можно мириться, особенно принимая во внимание возможности по передачи данных в системах TDMA (до 28,8 кбит/с в TETRA) и плотность абонентов в зоне покрытия сети. К примеру, система TETRA изначально проектировалась для обеспечения связью густонаселенных районов Европы, где высока плотность абонентов и, следовательно, меньше затраты в пересчете на абонента.

Радиочастотный тракт радиостанций в системах FDMA не сильно отличается от аналоговой связи, что позволяет создавать абонентские радиостанции мощностью до 5 Вт. Это означает площадь охвата одной базовой станции (зоны) в FDMA приближена к величине зон традиционных аналоговых транковых сетей.

Хотя в системах FDMA более скромные возможности по передачи данных (до 9,6 кбит/с в APCO 25) и более высокая стоимость оборудования, в целом, с учетом количества зон и затрат на линии межзоновой связи, сеть FDMA обойдется как минимум в два раза дешевле при обеспечении связью территории, аналогичной TDMA.

Например, американский опыт покрытия связью больших территорий с минимальными затратами, плюс требования по совместимости с имеющимися аналоговыми сетями получил воплощение в стандарте APCO 25 (FDMA). Большинство государственных и частных организаций США предпочли системы APCO 25 в качестве основного стандарта цифровой транковой связи. С географической (рельеф) и демографической (плотность и концентрация населения) точек зрения Узбекистан во многом схож с США, поэтому было бы не разумным не учитывать американский опыт при разработке тенденций развития цифровых технологий связи в республике.

Как уже было сказано, основной характеристикой любой системы связи является возможность охвата как можно большей площади одной базовой станцией. Стоимость системы напрямую зависит от количества базовых станций (зон) требуемых для охвата заданной территории плюс стоимость межзоновых соединений. Следовательно, увеличение выходной мощности базового и абонентского оборудования, размещение антенн на максимально возможной высоте позволяет расширить зону охвата каждой базовой станции и уменьшить затраты. Но здесь возникает другая проблема.

* Интерференция – сложение двух или более волн, при котором амплитуда результирующей волны зависит от разности фаз исходных волн в данной точке пространства. Если складываются волны с одинаковой фазой, то амплитуда результирующей волны будетувеличиваться, а если с противоположными фазами, то уменьшаться (вплоть до 0).В реальных условиях из-за отражения волн от различных преград, в точке приема могут приниматься несколько волн со смещенными друг относительно друга фазами и, следовательно, результирующий сигнал может измениться случайным образом.

Зоны охвата каждой базовой станции далеки от идеальных кругов или шестигранников (сот), как это принято изображать на рисунках. В реальных условиях формы зон охвата зависят от рельефа местности, электромагнитных помех, времени года и имеют весьма сложную форму. Как правило, во многих точках возникают области перекрытия двух или нескольких базовых станций. При перекрытии участков с разными частотами особых проблем не возникает, когда же на радиостанцию попадают сигналы с одинаковой частотой (интерференция), то это может вызвать серьезные нарушения в работе. И если в аналоговых сетях это будет выражаться в появлении помех, шума или временном пропадании сигнала, то в цифровых может полностью парализовать работу.

Чтобы уменьшить интерференцию в областях перекрытия применяют различные наборы частот в разных зонах. Чем больше номиналов частот, тем реже они будут повторяться. На рисунке изображен план распределения одинаковых частот в смежных зонах. Черным цветом выделены зоны, в которых используются одинаковые номиналы. В англоязычной литературе этот процесс называется «simulcast». На приведенном рисунке simulcast составляет 19 (пример simulcast для TETRA). Т.е. для создания сети связи без интерференции требуется 19 различных наборов частот.

Но номиналы частот довольно дороги и, как правило, дефицитны. Обычно приходится проектировать систему исходя из имеющихся частот. Тогда для уменьшения взаимных помех приходится ограничивать зону охвата каждой базовой станции, а это достигается снижением мощности и т.д. Возникает противоречие, которое довольно сложно разрешить.

В цифровых системах связи устойчивость к интерференции определяют еще и методы оцифровки и модуляции сигнала. Например, метод FDMA более устойчив к интерференции, чем TDMA.

Мы не будем проводить сравнительный анализ разных методов оцифровки и модуляции, так как это тема отдельной книги и, вероятно, будет интересна только специалистам.

Следует отметить, что мощность абонентских радиостанций не единственный критерий, определяющий отличия в зонах охвата систем TDMA и FDMA. Просто благодаря нему можно довольно очевидно объяснить причину отличия. Зоны охвата также зависят еще от ряда немаловажных факторов среди которых чувствительность приемников радиостанций, типы модуляции (от которого зависит устойчивость к интерференции), географические условия и т.д.