Análisis comparativo de estándares de radiocomunicaciones troncales digitales.

Análisis comparativo de la comunicación por radio troncal digital estándares

Ovchinnikov Andrey Mikhailovich

ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS NORMAS DE COMUNICACIÓN POR RADIO CANAL DIGITAL

En números anteriores de la revista (núms. 3, 4 y 6 de 1999) se discutieron los estándares de radiocomunicaciones troncales digitales TETRA, APCO 25 y Tetrapol, cuyo objetivo es construir sistemas de comunicaciones móviles para los organismos encargados de hacer cumplir la ley y los servicios de seguridad pública. Concluyendo la revisión de los estándares, este artículo intenta compararlos en función de varios criterios.

Actualmente, el proceso de despliegue de redes de radio troncalizadas en todo el mundo se caracteriza por la introducción generalizada de sistemas digitales. Casi todos los principales proveedores de equipos, integradores de sistemas y operadores del mundo, así como muchos grandes consumidores de servicios de radio troncalizados, han anunciado su transición a sistemas digitales. Los principales competidores en el mercado de normas, dirigidos no sólo a los usuarios corporativos comunes, sino también a los representantes de los organismos encargados de hacer cumplir la ley y los servicios de seguridad pública, son TETRA, APCO 25 y Tetrapol.

En Rusia aún no se han implementado sistemas de comunicación por radio basados ​​en estos estándares. Esto se explica, en primer lugar, por el hecho de que los sistemas digitales son notablemente más caros que los analógicos y los recursos limitados de los departamentos y diversas asociaciones no les permiten participar activamente en el proceso de digitalización de sus redes de comunicación. Sin embargo, la transición a los sistemas digitales es inevitable; las perspectivas de troncales de los sistemas de comunicación por radio tanto en el mundo como en Rusia están claramente relacionadas con las tecnologías digitales. Los sistemas de radiocomunicación digital brindan a los usuarios un alto nivel de servicios, diversos modos de transmisión de datos, mayor seguridad de las comunicaciones, capacidades de integración con redes digitales fijas, etc.

Cualquier publicación sobre el tema de los sistemas de radiocomunicación troncales digitales en Rusia se percibe a la luz de la tarea de elegir un estándar digital federal o departamental. Este artículo no tiene como objetivo recomendar uno u otro estándar a los usuarios rusos de sistemas de radiocomunicación troncalizados. La tarea principal es intentar hacer una comparación según un conjunto determinado de criterios para que la elección de la norma, que harán los especialistas técnicos, los operadores de sistemas troncales y los consumidores potenciales, esté informada y justificada.

Si nos propusimos ofrecer tantos criterios como sea posible para comparar los estándares digitales, resulta que hay un número extremadamente grande de dichos criterios. Sin embargo, es recomendable considerar aquellos criterios que son realmente importantes para los consumidores de servicios de radiocomunicación troncalizados. (Por ejemplo, es poco probable que al usuario le importe el método de modulación de señal utilizado o el algoritmo de conversión de voz; sin embargo, indicadores como el alcance de comunicación y la calidad de reproducción de la señal de voz son extremadamente importantes para él).

Todos Los indicadores de estándares digitales que pueden considerarse como criterios de comparación, con cierto grado de convención, se pueden dividir en dos grupos: operativo-técnico y organizacional-económico.

Por criterios operativos y técnicos nos referimos a indicadores técnicos generalizados que están determinados por los parámetros de los sistemas de comunicación, como el alcance y la eficiencia de la comunicación, el grado de seguridad de la comunicación, la eficiencia espectral, la gama de servicios de comunicación (tanto estándar como especiales, destinados al uso por parte de organismos y servicios encargados de hacer cumplir la ley seguridad publica). Cada uno de estos criterios es complejo, es decir, a su vez, consta de varios indicadores o depende de un conjunto específico de parámetros, que se analizarán a continuación.

Es bastante difícil dar una definición clara de los criterios organizativos y económicos; es mucho más fácil enumerarlos simplemente. Estos incluyen los indicadores de costos de los sistemas de comunicación, la posibilidad de asignar recursos del espectro de radiofrecuencia y las perspectivas de desarrollo y distribución de cada estándar en el mundo. En comparación con los indicadores operativos y técnicos, estos criterios tienen una mayor ambigüedad y un grado mucho mayor de subjetividad en su evaluación. Al mismo tiempo, los indicadores organizativos y económicos dependen en cierta medida de los técnicos; por ejemplo, los indicadores de costes están influenciados significativamente por el alcance de la comunicación y la eficiencia espectral.

Criterios operativos y técnicos>p>

La información generalizada sobre los sistemas de estándares TETRA, APCO 25 y Tetrapol y sus principales características técnicas se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1.

Teniendo en cuenta las características técnicas y la funcionalidad de los estándares de comunicación troncales presentados, se puede observar que todos los estándares tienen indicadores técnicos altos (en relación con esta clase de sistemas de comunicación por radio móvil). Los estándares le permiten utilizar radios full-duplex en sus sistemas. Las comunicaciones por radio de estos estándares utilizan métodos efectivos de conversión de voz y codificación de información resistente al ruido. Todos los estándares proporcionan una alta velocidad de comunicación y suficiente eficiencia espectral.

Desde un punto de vista técnico, las principales diferencias entre los estándares TETRA, por un lado, y APCO 25 y Tetrapol, por el otro, están determinadas por el método de separación de los canales de comunicación. Para el estándar TETRA, esto es Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), y para APCO 25 y Tetrapol es Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA). Consideremos cómo esta diferencia principal, así como otros parámetros técnicos, afectan los principales indicadores operativos y técnicos.

Rango de comunicación

Se suele entender por alcance de comunicación la distancia máxima entre dos estaciones de radio a la que se garantiza una comunicación estable con la calidad requerida. En este caso, una conexión se considera estable cuando la proporción de sesiones de comunicación completadas con respecto al número total de intentos de comunicación excede el valor especificado. Se entiende por calidad requerida la calidad de la recepción de la señal de voz, en la que se mantiene la inteligibilidad especificada.

El alcance de la comunicación depende de una gran cantidad de factores, que se pueden dividir en 3 grupos principales:

• factores determinados por las condiciones de uso de los equipos de comunicaciones (altura de instalación de la antena, terreno, condiciones de interferencia, etc.);
• factores determinados por parámetros técnicos implementados en los equipos de comunicación (potencia del transmisor, sensibilidad de la ruta de recepción, ganancia de antena, etc.);
• factores determinados directamente por los principios establecidos en el construcción estándar de canales de comunicación (ancho de banda del canal de comunicación, velocidad de la información en el canal, método de modulación de señal, algoritmo de codificación de voz, métodos de codificación inmunes al ruido).

Naturalmente, es posible comparar correctamente los estándares de comunicación por radio de troncales digitales solo en función del último grupo de factores, porque otros grupos dependen de las condiciones de funcionamiento o están determinados por la calidad de la producción de radio.

Debe entenderse que, en principio, los sistemas con FDMA proporcionan un mayor rango de comunicación (todos los demás parámetros son iguales) en comparación con Sistemas con TDMA. Esto se explica por una menor energía de señal por bit de información. Se sabe que la energía de la señal Ec se define como

Ec = Pc·Tc, donde

Pc es la potencia y Tc es la duración de la señal. Está claro que cuando disminuye la duración de la señal (el tiempo que lleva transmitir un bit de información para un sistema digital), la energía disminuye proporcionalmente. Por ejemplo, para los sistemas TETRA, con cuatro canales de información en una frecuencia física, la potencia equivalente por bit de información es 4 veces menor que en los sistemas con FDMA, lo que equivale a una reducción del alcance de comunicación de aproximadamente un 40%.

Otro factor que influye en la reducción del alcance de comunicación en los sistemas TDMA en comparación con los sistemas FDMA es la estabilidad del canal de comunicación durante la propagación de la señal por trayectos múltiples, que se produce en zonas urbanas densas o zonas montañosas debido a la reflexión de la señal de los edificios y otros obstáculos y que conduce a la apariencia eco de radio. La señal reflejada tiene una mayor influencia cuanto mayor es su relación con la duración de la señal. Por tanto, reducir la duración del bit de información en sistemas con TDMA empeora la calidad de la recepción en condiciones multitrayecto. (En principio, es posible compensar el retraso de la señal, pero esto requiere el uso de diferentes tipos de receptores para diferentes condiciones de propagación de la señal).

Muchas fuentes proporcionan datos sobre una reducción de aproximadamente el doble en el alcance de comunicación en sistemas con TDMA en comparación con sistemas con división de frecuencia de los canales de comunicación. Por ejemplo, según datos oficiales de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ver “Project 25/TETRA Comparison”, RadioResource International, 1/2000), el alcance de una estación base TETRA para una radio portátil es de 3,8 km en un entorno suburbano y de 17,5 km en un entorno suburbano. km para una estación móvil en condiciones rurales. En estas condiciones, el área de cobertura de las estaciones base del sistema APCO 25 con división de canales en frecuencia es 2 veces mayor (7,6 y 35 km, respectivamente).

Eficiencia de la comunicación

El principal parámetro que caracteriza la eficiencia de la comunicación es el momento de establecer una conexión (canal de comunicación) entre los suscriptores. Si consideramos el tiempo para establecer un canal de comunicación dentro del área de cobertura de una estación base, entonces todos los estándares tienen indicadores similares, que oscilan entre 0,2 y 0,5 s. Sin embargo, como señalan acertadamente algunos expertos (ver, por ejemplo, V.V. Aleshin, S.I. Sergeev Digital Trunking for law-forcegency offices”, “Technologies and Communications”, No. 6, 1999), la ventaja de los estándares que utilizan FDMA (Tetrapol, APCO 25 ) es que la duración mínima del establecimiento de la conexión se mantiene en un área más amplia, porque El alcance de comunicación para estos estándares es mayor. En promedio, los suscriptores de la red TETRA tienen más probabilidades de encontrarse en diferentes áreas de servicio. En este caso, la llamada pasará por el conmutador, lo que inevitablemente aumentará el tiempo de establecimiento de la conexión. Además, existe el peligro de que todos los canales repetidores en el área del abonado llamado estén ocupados, e incluso en el caso de una llamada preventiva, será necesario un tiempo para desconectar una de las conexiones actuales. Así, en general, podemos decir que estadísticamente el tiempo para establecer una conexión para la transmisión de mensajes de voz en redes de los estándares Tetrapol y APCO 25 es menor que en el estándar TETRA.

Al mismo tiempo, en las modernas redes de telefonía móvil la velocidad de transmisión de datos, que también es un indicador de la eficacia de la comunicación, adquiere cada vez más importancia. Para el estándar TETRA, puede alcanzar 28,8 Kbit/s (utilizando los cuatro intervalos de tiempo para transmitir la matriz de datos). Para los estándares FDMA es varias veces menor: para Tetrapol – 8000 bps, para APCO 25 – 9600 bps.

Seguridad de las comunicaciones

El concepto de seguridad de las comunicaciones incluye requisitos para garantizar el secreto de las negociaciones (excluyendo la posibilidad de extraer información de los canales de comunicación a cualquier persona que no sea el destinatario autorizado) y la protección contra el acceso no autorizado al sistema (excluyendo la posibilidad de tomar el control del sistema e intentar desactivarlo, protección contra dobles” y etc.).

Si comparamos los estándares en sí, y no los sistemas y complejos de medios técnicos basados ​​​​en ellos, entonces podemos decir que todos los estándares tienen un grado comparable tanto de protección de la información como de protección contra el acceso no autorizado. Proporcionan la capacidad de utilizar algoritmos estándar de seguridad de la información, así como la capacidad de utilizar algoritmos originales desarrollados por usuarios de redes de comunicación por radio.

Eficiencia espectral

El principal indicador de la eficiencia espectral de un sistema de comunicación es la banda de frecuencia efectiva por canal de voz, que determina cuántos canales de comunicación se pueden colocar en la banda de frecuencia fija asignada para el despliegue de una red de comunicación. En la Tabla 1 se puede ver que en este indicador TETRA tiene una ventaja sobre los estándares de división de frecuencia. El estándar APCO 25 también declara una banda de frecuencia efectiva de 6,25 kHz, pero esto sólo se logrará en la segunda fase del proyecto.

Conjunto de servicios de comunicación

Las capacidades funcionales proporcionadas por los sistemas de estándares de comunicación por radio troncalizados digitales se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2.

Nota: (n/s — sin información)

Teniendo en cuenta la funcionalidad de los estándares de comunicación troncales presentados, podemos decir que brindan un nivel comparable de servicios de comunicación. Todos los estándares permiten la construcción de diversas configuraciones de redes de comunicación, proporcionan varios modos de transmisión de voz y datos, comunicación con redes telefónicas públicas (PSTN) y redes fijas. Los estándares le permiten utilizar radios full-duplex en sus sistemas. Los estándares más maduros Tetrapol y TETRA tienen alguna ventaja, ya que implementan modos de “vigilancia dual” y de canal abierto, que son extremadamente útiles para los servicios de seguridad pública. Sin embargo, dada la rápida evolución de los estándares y la continua expansión de los sistemas de comunicaciones, es posible que APCO 25 pronto proporcione las mismas capacidades.

Cumpliendo con los requisitos especiales de las comunicaciones por radio de seguridad pública

La información sobre la disponibilidad de algunos servicios de comunicación específicos destinados a los representantes de los servicios de seguridad pública se presenta en la Tabla 3. También se puede observar aquí que los estándares TETRA, APCO 25 y Tetrapol proporcionan un nivel comparable de servicios especiales.

Un servicio adicional interesante, cuya presencia no está disponible en estándares distintos del estándar Tetrapol, es el servicio auxiliar de simulación de la actividad de los abonados de radio. Este modo admite tráfico constante en la zona seleccionada. Cuando se rompen las negociaciones, la estación base envía periódicamente señales a través de canales de comunicación que son difíciles de distinguir de los de información. Este servicio complica significativamente la capacidad de los atacantes involucrados en monitorear el tráfico de un suscriptor o grupo de suscriptores específico, quienes, en particular, pueden ser agentes del orden.

Tabla 3.

Criterios organizativos y económicos

Recursos del espectro de radiofrecuencia

La disponibilidad de recursos del espectro de radiofrecuencia (RFS) para el despliegue de un sistema de radiocomunicaciones es el criterio más importante para elegir un sistema en particular. En este caso, los estándares más prometedores son aquellos que brindan la capacidad de construir redes de comunicación en el rango más amplio.

En teoría, los sistemas TETRA brindan la capacidad de operar en un rango muy amplio (150-900 MHz). Al mismo tiempo, por ahora los fabricantes ofrecen principalmente equipos que funcionan sólo en la gama asignada en Europa para la construcción de redes TETRA — 380-385/390-395 y 410-430/450-470 MHz, aunque ya hay información sobre proyectos de sistemas en el rango de 800 MHz.

Los sistemas APCO 25, de acuerdo con los requisitos funcionales y técnicos, brindan la capacidad de operar en cualquiera de las bandas asignadas para las comunicaciones por radio móviles.

El estándar Tetrapol limita la frecuencia superior de sus sistemas a 520 MHz. En realidad, la mayoría de los sistemas operativos utilizan el rango de 380-400 MHz.

Un criterio importante para comparar estándares es el recurso de frecuencia necesario para implementar una red de comunicación con el mismo número de suscriptores y la misma área de cobertura de radio. Aquí no puede haber una respuesta clara. Por un lado, el estándar TETRA tiene una mejor eficiencia espectral; por otro, — Tetrapol y APCO 25 proporcionan un área de cobertura de estaciones base más amplia. Por lo tanto, para los sistemas TETRA, se requerirán menos recursos de espectro de RF para redes de radio con muy alto tráfico, mientras que los beneficios de Tetrapol y APCO 25 se verán para redes de comunicación con poco tráfico y un área de cobertura amplia.

Rentable

Hoy en día, los equipos para sistemas de comunicación por radio digitales son significativamente más caros en comparación con los sistemas analógicos. Como regla general, los costos de los contratos celebrados son un secreto comercial, pero debe entenderse que cuando se implementa un sistema de cualquiera de los estándares de comunicación por radio digital presentados que atiende a varios cientos de suscriptores, no estamos hablando de miles, sino de millones de dólares. . A juzgar por la información publicitaria de empresas extranjeras, el coste de las estaciones de radio abonadas que funcionan con estándares digitales puede oscilar entre 800 y 4 mil dólares, y una parte importante del coste puede determinarse por la presencia de módulos o software de seguridad de la información.

La comparación de la rentabilidad de sistemas de diferentes estándares no puede considerarse aisladamente de la categoría de sistemas de radiocomunicación móviles. Para crear redes de comunicación con una carga ligera, una amplia cobertura territorial y una cantidad de canales dentro de 10, una opción más óptima (incluido el costo) es utilizar sistemas FDMA, que incluyen APCO 25 (Fase I) y Tetrapol. Esto se explica por el mayor radio de áreas de servicio para los sistemas FDMA en comparación con los sistemas TDMA. Según las estimaciones dadas en el informe técnico del estándar Tetrapol PAS, el costo del equipo básico de una red de radiocomunicaciones multizona implementada sobre la base de TDMA en relación con un sistema de división de frecuencia (con el mismo costo por unidad de equipo) será entre un 30% y un 50% más alto.

Sin embargo, para redes de comunicación con tráfico intenso y un número de canales en una zona superior a 15, es preferible utilizar sistemas de división de tiempo, que incluyen TETRA.

Cabe señalar que el estándar APCO 25 ( Fase II) tendrá universalidad, brindando la capacidad de construir sistemas con división de canales tanto en frecuencia como en tiempo.

Perspectivas para el desarrollo de sistemas de estos estándares en el mundo

Si comparamos los estándares de las comunicaciones por radio troncalizadas digitales por el número de redes en funcionamiento, el número de usuarios y el área de cobertura total, entonces el liderazgo indudable aquí pertenece al estándar Tetrapol. Actualmente, hay más de 35 grandes redes de comunicación por radio desplegadas en el mundo en 21 países, que dan servicio a alrededor de 0,5 millones de suscriptores. El área de cobertura de las redes de comunicaciones operativas es de 600.000 km2. Cabe señalar que el estándar Tetrapol es popular en todas las regiones: además de Europa, las redes de comunicación por radio están desplegadas en el sudeste asiático, el Cercano y Medio Oriente y América Latina. Porque La primera red de comunicación se puso en funcionamiento en 1994, podemos decir que el estándar es bastante maduro y es mucho menos probable que los usuarios encuentren errores en el software de los equipos fijos. A pesar de que el estándar es corporativo, el estándar Tetrapol cuenta con el respaldo de una gran cantidad de grandes fabricantes de equipos.

En cuanto al número de proyectos de redes de comunicación existentes, el estándar TETRA no es inferior a Tetrapol, sin embargo, la mayoría de los proyectos se encuentran en la etapa inicial: operación de prueba de redes piloto o despliegue de sistemas de comunicación. Hasta ahora, casi todas las redes de comunicación se concentran en Europa. Quizás el estándar TETRA cuente con el respaldo de la mayor cantidad de fabricantes líderes, y no solo los europeos. Empresas líderes como Motorola (sistema Dimetra), Nokia (Nokia TETRA), OTE Marconi (ELETTRA) han lanzado sus sistemas basados ​​en el estándar TETRA.

El estándar APCO 25 apenas comienza su transición a la etapa de despliegue de redes de comunicación. Hasta ahora, se están produciendo equipos del sistema ASTRO de Motorola. Hay proyectos de varias redes en los EE. UU., se ha firmado el primer contrato para el suministro de equipos a Europa (sistema de comunicaciones de la Aduana Británica).

Al elegir un estándar de comunicación por radio, es necesario tener en cuenta información de la cuenta sobre si el estándar es abierto o corporativo (cerrado).El estándar corporativo Tetrapol es propiedad de su desarrollador, Matra. Comprar equipos sólo es posible de una gama limitada de fabricantes.

Los estándares abiertos, que incluyen TETRA y APCO 25, garantizan la creación de un entorno competitivo, atrayendo a un gran número de fabricantes de equipos básicos y estaciones de radio de abonado. , equipos de prueba para la producción de equipos de radio compatibles, lo que ayuda a reducir su costo. El acceso a las especificaciones estándar se proporciona a cualquier organización y empresa que se haya unido a la asociación correspondiente. Los usuarios que eligen un estándar de radio abierto no dependen de un solo fabricante y pueden cambiar de proveedor de equipos. Los estándares abiertos cuentan con el respaldo de agencias gubernamentales y policiales, grandes empresas en muchos países del mundo y también cuentan con el respaldo de los principales fabricantes de bases elementales y de componentes del mundo.

Todo esto sugiere que los estándares abiertos son más Probablemente en el futuro conquistará el mercado de los sistemas de radiocomunicación troncales.