В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Станислав
Андрей Любой цифровой стандарт радиосвязи описывается набором протоколов. Чтобы пройти путь от физических радиоволн (уровень PHY) до полезной, воспринимаемой человеком информации, сигнал должен пройти несколько этапов преобразования – так называемых уровней (Layers – слоев). Сложенные вместе уровни образуют "пачку" – стек (Stack). Отсюда термин – стек протоколов. Такой стек индивидуален для каждого стандарта. Например, стек протоколов для популярного стандарта DMR изображен на рис. 1.
Уровень внутри стека описывается своим протоколом. Некоторые из этих протоколов являются определяющими при определении стандарта (например, PHY), некоторые могут меняться, приводя к несовместимости оборудования разных производителей, а некоторые вообще носят рекомендательный характер.
Расширения и изменения таких стандартов при их практической реализации производителями могут быть вызваны техническими, коммерческими либо политическими причинами.
При практической реализации задача в общем случае разбивается на две основные части: "железо" (полностью определяемое требованиями уровня PHY) и прошивки (программные модули, реализующие протоколы остальных уровней). И если с "железом" решения обычно универсальны, то прошивки каждый серьезный производитель пишет сам, и наличие исходного программного кода является определяющим фактором для решения практически всех технических вопросов, относящихся к реализуемому стандарту.
Самый простой в реализации технически, а потому изначально самый популярный среди производителей стандарт. Описан на паре сотен страниц. Уровень PHY представляет собой узкополосную 4FSK-модуляцию в канале шириной 6,25 кГц (что позволяет практически простой заменой фильтров получить требуемую RF-часть приемопередатчиков). Называется такой подход технологией FDMA. Оборудование делится на три класса по возможностям: простейшая работа "точка–точка" (радиостанция-радиостанция, без ретранслятора), работа через ретранслятор и транкинговый режим (Mode 1, 2 и 3 соответственно). Взаимодействие между базами стандартом не описывается (есть только общий алгоритм поведения абонентских станций и баз), так как изначально стандарт предназначен для решения задач радиосвязи небольших объектов с реальным числом абонентов максимум в несколько сотен.
Крайне похож на dPMR-стандарт разработанный компаниями ICOM и Kenwood NXDN, c фирменными реализациями IDAS и Nexedge (с определенными ограничениями). Данный стандарт использует ту же схему частотной манипуляции (для режима 4800 bps), что и dPMR, но отличается форматами кадров, передаваемых по эфиру. Чаще всего оборудование данного стандарта строится как двухстандартное, поддерживающее в виде опции как dPMR, так и NXDN.
К сожалению, производители оборудования dPMR не стремятся к совместимости по эфиру между разными производителями. Самую большую проблему вызывает аудиокодек. dPMR-сообщество определило в качестве рекомендуемых два аудиокодека: AMBE + 2 (американский) и RALCWI (имеет российское происхождение). Но есть производители, которые используют и малоизвестные кодеки, несовместимые с AMBE + 2 и RALCWI. Например, китайские производители массово применяют модифицированную версию AMBE + 2C, а также разработку Пекинского университета под условным названием ASELP, имеющую несколько модификаций.
Более сложный стандарт в технической реализации. В полосе 12,5 кГц одновременно присутствуют два канала связи (по "кадру" на канал), разделенные по времени. Называется такая технология TDMA. При реализации подобной схемы разделения среды передачи все абоненты, работающие в сети, используют для передачи строго свой отрезок времени (таймслот в 30 мсек). Конечно, такой способ разделения среды накладывает определенные сложности на реализацию в "железе", например усилитель мощность должен четко выдерживать временную рамку нарастания мощности на выходе (Power Ramp Time). Погрешности в нарастании мощности на выходе могут привести к межслотовой интерференции и нарушениям работы канала.
Лидером в реализации этого стандарта изначально была Motorola, однако сейчас, особенно в условиях реализации Китаем своего стандарта PDT, также использующего TDMA (см. ниже), на рынке появляются и набирают силу и другие производители.
Изначально стандарт DMR также ориентирован на обеспечение радиосвязью небольших объектов – предприятия, порты, малые территории. Основа стандарта описана в четырех документах объемом примерно 500 страниц. Межбазовое взаимодействие также не стандартизировано, протоколы взаимодействия систем разных производителей в стандарте отсутствуют, то есть заказчик, установив базовое оборудование от одного производителя, при расширении или замене будет к нему привязан и дальше.
Оборудование, так же как и в случае с dPMR, делится на три класса по возможностям: простейшая работа "точка–точка" без ретранслятора, работа через ретранслятор и транкинговый режим (Tier 1, 2 и 3). Стоит отметить, что при работе в режиме "точка–точка" для большинства производителей двухслотовая TDMA отсутствует, поэтому в данном режиме на одном частотном канале шириной 12,5 кГц доступен лишь один голосовой канал (1 таймслот) – в отличие от dPMR.
Одной из приятных особенностей практической реализации этого стандарта является стремление участников DMR-ассоциации соблюсти совместимость между оборудованием различных производителей, при этом результаты испытаний на совместимость постоянно публикуются на сайте ассоциации. Существенным плюсом по сравнению с dPMR является также возможность использования АФУ, строившегося для аналоговых систем связи, без необходимости смены частотного плана. Есть потенциальная возможность создания одночастотного репитера.
Серьезный, полноценный цифровой стандарт, создаваемый и реализуемый в Северной Америке (и ряде стран-сателлитов типа Австралии) с конца 1990-х гг. Он предназначен для решения задач радиосвязи всех служб общественной безопасности. Используется и крупными коммерческими потребителями, например энергетиками, нефтяниками и т.д. Для этих целей в указанных странах выделены сквозные полосы частот в диапазонах 160, 400 и 700 МГц. Имеет две фазы развития: фаза I и фаза II – соответственно, 12,5 кГц на канал (FDMA) и 12,5 кГц на два канала (TDMA). В настоящее время в мире развернуто 1299 конвенциальных систем фазы I, 696 транковых систем фазы I и 146 транковых фазы II (данные на июнь 2016 г.).
Протоколы стандарта описаны в более 50 документов общим объемом несколько тысяч страниц, однако структура стандарта позволяет производителю развивать оборудование постепенно, предоставляя возможность совместимости уже на ранних этапах разработки и производства. В отличие от DMR и dPMR стандарт APCO-P25 включает в себя не только описание радиоинтерфейса и взаимодействия по эфиру, но и описание межбазового и межсистемного взаимодействия (протоколы DFSI и ISSI). То есть оборудование APCO-P25 одного производителя должно быть совместимо с оборудованием APCO-P25 другого производителя. Хорошо описаны функции диспетчеризации, управления сетью, запись переговоров, передача данных, предусматривается возможность шифрования. Интересна функция композитного транкового канала (управляющий канал берет на себя при вызове задачу передачи трафика). Однако хотелось бы отметить, что рядом независимых исследователей также отмечены некоторые неустранимые уязвимости протокола.
Европейский хорошо стандартизированный и развитый стандарт, разработанный для объектов с большой плотностью абонентов и малой зоной обслуживания одного ретранслятора. Tetra использует четырехслотовую TDMA в канале 25 кГц. В качестве модуляции используется дифференциальная четырехпозиционная фазовая манипуляция со сдвигом PI/4 (PI/4 DQPSK). Данный вид модуляции требует от усилительных ВЧ-каскадов линейной амплитудной характеристики, что, к сожалению, влечет понижение КПД приемопередатчиков и ограничивает выходную мощность мобильных и особенно носимых терминалов (соответственно, 5 Вт и 1,8 Вт максимально), что требует увеличения количества базовых станций для покрытия территории и, соответственно, наибольших затрат для покрытия условной территории.
Имеет множество продуманных и полезных функций. Однако в отличие от вышеописанных стандартов несовместим с аналоговым оборудованием внутри стандарта.
Все вышеописанные стандарты относятся к поколению, условно называемому 2G, на котором до конца 2000-х гг. развитие профессиональной радиосвязи фактически остановилось (имело точечное развитие). И только с появлением оборудования LTE, по скорости сравнимого с Wi-Fi, а по дальности – с сотовой 3G (Long Term Evolution –долгосрочное развитие), основанного на технологии программно-определяемого радио, началось дальнейшее продвижение вперед. Название включает в себя все современные и будущие технологии связи, иначе – 4G, 5G и т.д.
В отличие от ранее описанных dPMR, DMR, APCO и TETRA стандарт LTE (полное название 3GPP Long Term Evolution) является широкополосным стандартом и имеет достаточно сложные схемы модуляции (SC-FDMA для канала "вверх" и OFDM для канала "вниз").
Реализация полного стека – очень сложная задача. В основном производители используют для уровня PHY-чипы сторонних производителей (типа Freescale, Qualcomm, Intel, Samsung, Marvel, MediaTek, HiSilicon и др.), так как реализация только одной математической обработки сигнала – задача для целого НИИ. Используя абонентские устройства LTE, можно реализовать доселе недоступные задачи: передачу больших данных, видео.
Для плавного перехода к LTE производители идут по пути совмещения в одном абонентском радиоустройстве двух стандартов – например LTE + DMR. При этом для голосовой связи используются оба стандарта (в зависимости от зоны покрытия), а для передачи видео и больших данных – только LTE.
Следует отметить, что повсеместно уже ставится (и решается) задача логического стыка стандартов LTE + DMR, LTE + APCO-25, LTE + старые аналоговые системы, без чего невозможно поступательное развитие систем радиосвязи. Под логическим стыком здесь понимается возможность оперативных межсистемных групповых и индивидуальных вызовов. Такой стык возможно реализовать только при владении производителем исходными кодами на прошивку для оборудования соответствующего стандарта.
Рассмотрим в качестве примера внедряемый с 2008 г. министерством общественной безопасности Китая совместно с рядом других государственных и частных производственных организаций стандарт PDT (Police Digital Trunk).
До начала внедрения цифрового стандарта китайская полиция использовала аналоговый стандарт MPT 1327, однако по общеизвестным причинам стандарт устарел и требовал замены. За основу был взят DMR и сильно доработан с учетом его недостатков, а также для решения проблемы иностранных патентов. Здесь стоит отметить, что в крупных городах и на очень крупных объектах Китай локально (не для своих основных огромных территорий) строит TETRA.
Для избавления от зависимости от американских патентов в качестве замены используемого в DMR вокодера AMBE + 2 стандартом предусмотрена возможность использования разработанного Пекинским университетом Цинхуа собственного вокодера – ASELP (избавляет от лицензионных платежей, а также учитывает особенности китайской фонетики).
Развитие стандарта идет с учетом ошибок, изученных в рамках внедрения. Конечно, стандарт постоянно дорабатывается, но можно выделить ряд изначально заложенных основополагающих принципов:
Таким образом, сделав в этом кратком обзоре некий иллюстративный "срез" стеков известных стандартов, мы хотим показать, что наиболее важным критерием, делающим импортозамещение реальным на его первом этапе, является наличие у средств радиосвязи прошивки российского происхождения, а также единого российского вокодера, доступного всем разработчикам (возможно требование по вокодеру появится уже на втором этапе, хотя в России существуют прекрасные наработки мирового уровня по этой теме, но это уже другая статья).
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2016
Посещений: 9944
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
