APCO 25: estándar americano de enlace digital.
En números anteriores de la revista, se presentaron los estándares de comunicación por radio de troncales digitales TETRA y Tetrapol, destinados a construir sistemas de comunicación móviles para agencias policiales y servicios de seguridad pública (ver “Tetrapol — “el designado estándar de comunicación por radio troncal digital para la seguridad de los servicios públicos”, N3, 1999 y “estándar TETRA, abierto a todos”, N4, 1999).
Estos estándares fueron desarrollados en Europa: TETRA por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI), Tetrapol por la empresa francesa Matra Communications.
Sin embargo, la historia de los estándares que compiten por el mercado de sistemas de radio troncalizados digitales para servicios de seguridad pública estaría incompleta sin la introducción de un tercer competidor: estándar popular APCO 25.
Historial de creación
El estándar APCO 25 fue desarrollado por la Asociación Internacional de Funcionarios de Comunicaciones de Seguridad Pública (APCO), que une a los usuarios de sistemas de comunicaciones que trabajan en servicios de seguridad pública.
APCO es una norma internacional organización y reúne a representantes de organismos encargados de hacer cumplir la ley de unos 70 países.
APCO tiene su sede en South Daytona (Florida, EE. UU.), además, esta organización tiene oficinas de representación en Canadá, el Caribe y Australia.
Las primeras especificaciones de los estándares de comunicación por radio troncales, a partir de los cuales se crearon los sistemas EDACS (Ericsson), SmartNet (Motorola), LTR (E.F. Johnson), fueron desarrolladas por APCO a finales de los años 70.
Sin embargo, estas especificaciones no permiten garantizar la compatibilidad e interoperabilidad entre diferentes sistemas, motivo por el que se inició un nuevo proyecto para desarrollar un estándar de radio troncal digital, denominado APCO 25.
El trabajo para crear el estándar comenzó a finales de 1989, y los últimos documentos para establecer el estándar fueron aprobados y firmados en agosto de 1995 en la conferencia y exposición internacional APCO en Detroit.
Actualmente, el estándar incluye todos los documentos principales que definen los principios de construcción de la interfaz de radio y otras interfaces del sistema, protocolos de cifrado, métodos de codificación de voz, etc.
En 1996, se decidió dividir todas las especificaciones del estándar en dos fases de implementación, que fueron denominadas Fase I y Fase II. A mediados de 1998 se formularon requisitos funcionales y técnicos para cada una de las fases del estándar, enfatizando las nuevas capacidades de la Fase II y sus diferencias con la Fase I.
Principios básicos de diseño
Los principios fundamentales para el desarrollo de la norma APCO 25, formulados por sus desarrolladores, fueron los siguientes requisitos:
- garantizar una transición fluida a las comunicaciones por radio digitales (es decir, la posibilidad de trabajar conjuntamente en la etapa inicial de estaciones base estándar con estaciones de radio analógicas de abonado utilizadas actualmente);
- crear una arquitectura de sistema abierta para estimular la competencia entre los fabricantes de equipos;
- garantizar la posibilidad de interacción entre varias unidades de los servicios de seguridad pública durante eventos conjuntos.
Si los estándares TETRA y Tetrapol no soportan el funcionamiento de estaciones analógicas en sus sistemas, entonces el estándar APCO 25 se centra específicamente en el funcionamiento conjunto de equipos de radio digitales y analógicos.
Al mismo tiempo, el Los desarrolladores del estándar declaran que los sistemas basados en APCO 25 permiten, por un lado, diferenciar estrictamente los recursos de frecuencia utilizados (analógicos y digitales) y, por otro lado, permiten una configuración flexible de los canales, es decir. compartir un recurso de frecuencia común entre estaciones de abonado digitales y analógicas.
Si esta característica se implementa realmente convenientemente en la práctica (y no solo para los sistemas fabricados por Motorola), proporcionará una gran ventaja a APCO 25 sobre otros estándares, porque permitirá una transición fluida a las comunicaciones por radio digitales mediante el reequipamiento gradual de las unidades de los servicios de seguridad pública con estaciones de radio digitales.
Esto es especialmente cierto en Rusia, donde los organismos encargados de hacer cumplir la ley y los servicios de seguridad pública todavía utilizan una flota bastante grande de equipos de radio analógicos obsoletos.
La arquitectura del sistema del estándar admite sistemas de comunicación por radio tanto troncales como convencionales (convencionales), en los que los suscriptores interactúan entre sí ya sea en modo de comunicación directa o a través de un repetidor.
El bloque funcional principal del APCO 25 El sistema estándar es el subsistema de radio, definido como una red de comunicación que se construye sobre la base de una o más estaciones base.
Además, cada estación base debe soportar la Interfaz de Radio Común (CAI — Interfaz de Radio Común) y otras interfaces estandarizadas (entre sistemas, PSTN, puerto de datos, red de datos y gestión de red).
Un sistema troncalizado El sistema utiliza un canal de control dedicado.
Interfaz de radio
La fuerza del APCO 25 estándar es el hecho de que brinda la capacidad de operar en cualquiera de los rangos de frecuencia estándar utilizados por los sistemas de comunicación por radio móviles: 138 174, 406 – 512 o 746 – 869 MHz.
El principal método de acceso a los canales de comunicación es el basado en frecuencia (FDMA), sin embargo, según la solicitud de Ericsson, la Fase II incluye la posibilidad de utilizar el Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) en los sistemas estándar APCO 25.
En la Fase I, estándar El paso de la cuadrícula de frecuencia es de 12,5 kHz, para la Fase II — 6,25 kHz.
En este caso, con una banda de 12,5 kHz se realiza una modulación de frecuencia de cuatro posiciones mediante el método C4FM a una velocidad de 4800 símbolos por segundo, y con una banda de 6,25 kHz se realiza una modulación de fase de cuatro posiciones con suavizado de fase utilizando el método CQPSK.
Una combinación de estos métodos de modulación permite el uso de receptores idénticos en diferentes fases, complementados con diferentes amplificadores de potencia (para la Fase I, amplificadores simples con alta eficiencia, para la Fase II, amplificadores con alta eficiencia). linealidad y un ancho limitado del espectro emitido).
En este caso, el demodulador puede procesar señales utilizando cualquiera de los métodos.
Para la codificación de voz, el estándar utiliza el códec IMBE (excitación multibanda mejorada), que también se utiliza en el sistema de comunicación por satélite Inmarsat.
La velocidad de codificación es de 4400 bps. Después de la codificación resistente al ruido de la información de voz, la velocidad del flujo de información aumenta a 7200 bit/s, y después de la formación de tramas de voz añadiendo información de servicio, hasta 9600 bit/s.
Información de voz en un canal de radio se transmite en tramas de 180 ms, que son el nombre de unidades de datos lógicas (LDU – Logical Data Unit).
Un grupo de 2 tramas forma una supertrama con una duración de 360 ms.
Cualquier transmisión de información de voz está precedida por un preámbulo con una duración de 82,5 ms y finaliza con un marcador de fin de mensaje (gancho señal). La estructura del mensaje de voz se muestra en la Fig. 1.
Fig.1. Estructura de un mensaje de voz en el estándar APCO 25
El preámbulo del discurso está destinado a la sincronización inicial de las estaciones de radio transmisoras y receptoras, la inicialización de todas las funciones de cifrado y la transmisión de información de direcciones.
La base del preámbulo está la palabra clave del encabezado, que incluye:
- indicador de mensaje (MI — Indicador de mensaje), que caracteriza las condiciones iniciales para el algoritmo de cifrado (72 bits);
- identificador del fabricante (8 bits);
- identificador del tipo de algoritmo de cifrado utilizado (8 bits);
- identificador de clave de cifrado (16 bits);
- identificador de grupo de conversación (16 bits).
Una palabra de código con una longitud de 120 bits se somete a una codificación resistente al ruido utilizando códigos Reed-Solomon y Golay, como resultado de lo cual su dimensión aumenta a 648 bits.
Después de esto , lo siguiente se coloca al principio del preámbulo:
- paquete de sincronización inicial (FS — Frame Synchronization) de 48 bits de longitud;
- identificador de red (NID — Identificador de red), transmitido para evitar conflictos entre estaciones de radio de diferentes redes que operan en la misma frecuencia (64 bits), y al final hay 10 bits cero
. La formación final de la estructura del preámbulo se lleva a cabo insertando 2 bits de información de estado después de cada 70 bits del paquete de datos del preámbulo (770 bits) resultante de sumar el paquete de sincronización, el ID de la red y cero bits (un total de 22 bits de estado son añadido).
La longitud final del preámbulo es de 792 bits, de modo que con una velocidad de información del canal de 9600 bits/s, el preámbulo se transmite en 82,5 ms.
Cada bloque de datos lógicos consta de 9 tramas de voz de 144 bits de longitud, formado por 88 bits de información obtenidos al convertir un segmento de 20 ms de la señal de voz mediante el códec IMBE, y 56 bits de un código de verificación de paridad.
Además, la LDU incluye mensajes de servicio adicionales.
El primer bloque lógico de la supertrama transmite información de control de comunicación (LC — Link Control), que consta de 72 bits de información y 168 bits de código de corrección) e información del canal de señalización de baja velocidad (LSD — Low Speed Data), incluidos 16 bits de datos y 16 bits de código de corrección.
El segundo bloque lógico de la supertrama también contiene información sobre el canal de señalización de baja velocidad LSD y, además, información sobre el algoritmo de cifrado (ES Encryption Sync) , incluidos 96 bits de información y 144 bits de código de corrección.
La estructura de la supertrama de información de voz se muestra en la Fig. 2.
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Fig.2. Estructura de una supertrama de voz en el estándar APCO 25
La información de control de enlace incluye un indicador de mensaje, un identificador de fabricante, un indicador de llamada de emergencia, un campo de reserva, un grupo de conversación (para una llamada individual a la parte llamada) y los identificadores de abonado transmisor.
Marcos de control de enlace integrados en el flujo de información general permiten una mayor confiabilidad de la comunicación debido a la capacidad de restaurar la conexión después de una falla breve del canal de comunicación.
La información del algoritmo de cifrado contiene un indicador de mensaje, un identificador del tipo de algoritmo de cifrado utilizado y un identificador de la clave de cifrado.
El canal de señalización de baja velocidad se puede utilizar para diversas aplicaciones, en particular para transmitir señales de localización de objetos en movimiento.
El sistema de identificación de abonados incorporado en el estándar APCO 25 permite direccionar al menos 2 millones de estaciones de radio y hasta hasta 65 mil grupos en una red.
En este caso, el retraso en el establecimiento de un canal de comunicación en el subsistema, de acuerdo con los requisitos funcionales y técnicos del estándar APCO 25, no debe exceder los 500 ms ( en modo de comunicación directa — 250 ms, cuando se comunica a través de un repetidor 0 350 ms).
Transmisión de datos
Los sistemas estándar APCO 25 proporcionan 2 opciones para la transmisión de datos: con acuse de recibo y sin confirmación.
Durante los datos de transmisión, la codificación trellis redundante y el entrelazado entre bloques se utilizan para corregir errores.
Las matrices de datos originales se dividen en fragmentos de no más de 512 bytes.
Al transmitir con confirmación de recepción, los fragmentos se dividen en bloques de 16 bytes, y cada bloque tiene su propio número para la posibilidad de repetición.
Al transmitir sin confirmación de recepción, los bloques en los que se encuentran los fragmentos de datos Las matrices que se dividen contienen 12 bytes.
La transmisión de cada paquete de datos comienza con un preámbulo que contiene el paquete de sincronización, el número de fragmento, el número de bloques en el paquete, así como la red, el fabricante, el punto de acceso y la lógica. identificadores de enlace.
Los datos se transmiten por los mismos canales que los mensajes de voz y a la misma velocidad de 9600 bps. Los sistemas de radio estándar APCO 25 brindan conectividad a redes de línea fija con protocolos X.25, SNA, TCP/IP.
Cabe señalar que el protocolo IP se admite como un servicio IP especial, que, utilizando una puerta de enlace de red especial, proporciona la capacidad de comunicación de terminales móviles e infraestructura cableada con aplicaciones utilizando IP.
Seguridad de la comunicación
Los desarrolladores del estándar, al considerar el modelo de un adversario hipotético, identificaron las siguientes amenazas a la seguridad de las comunicaciones: interceptación de mensajes, repetición de mensajes con retraso y distorsión de la información, creación de interferencia deliberada, análisis del tráfico de suscriptores, creación de duplicados. suscriptores, introducción de un adversario como usuario legítimo del sistema.
La lucha contra la mayoría de estas amenazas en el estándar APCO 25 se garantiza mediante 3 mecanismos principales:
- confidencialidad de la comunicación, es decir protección de la información contra cualquier tipo de acceso no autorizado;
- autenticación de suscriptores y mensajes;
- sistemas de gestión de información clave
En el corazón de todos estos mecanismos de garantizar la seguridad de las comunicaciones reside en el cifrado criptográfico de la información.
Los sistemas APCO 25, de acuerdo con los requisitos funcionales y técnicos, deben diseñarse para proporcionar al menos dos de los 4 niveles de protección criptográfica, dependiendo de el tipo de sistema de comunicación:
Tipo 1: comunicaciones con clasificación garantizada de la información a nivel del gobierno nacional;
Tipo 2: comunicaciones no clasificadas a nivel nacional, que requieren seguridad de las comunicaciones;
Tipo 3: comunicaciones gubernamentales no clasificadas , que requiere restricciones de acceso;
Tipo 4: para aplicaciones comerciales y de otro tipo (incluidas modificaciones exportadas de sistemas).
El modelo general de transformación criptográfica (cifrado/descifrado) de información en un sistema de comunicación se presenta en la Fig. 3.
Fig.3. Modelo de transformación criptográfica de información en el estándar APCO 25
En el lado transmisor, el texto claro del mensaje llega al codificador, donde, en base a la clave y un determinado algoritmo criptográfico, se convierte en texto cifrado de la misma longitud, después de lo cual se transmite a través de un canal de radio.
Junto con el texto cifrado, se transmite un indicador de mensaje MI, que está diseñado para sincronizar el funcionamiento del codificador y el descifrador.
En el lado receptor, después de realizar el procedimiento de sincronización utilizando un algoritmo criptográfico y una clave criptográfica similares , el texto cifrado se convierte en texto claro.
En diferentes modos, se utilizan varias modificaciones del modelo general de protección de información criptográfica, como se muestra en la Fig. 4:
a) ECB — Libro de códigos electrónico;
b ) OFB — Feedback de salida;
c) CFB — Feedback de cifrado.
Fig.4. Tipos de transformaciones criptográficas de información
La confidencialidad de la comunicación se logra cifrando el tráfico de voz y datos, que se lleva a cabo mediante el método OFB (Fig. 4b).
La autenticación, destinada a verificar la autenticidad de los mensajes y suscriptores, así como garantizar la privacidad de los suscriptores (es decir, proteger la información sobre a quién va dirigido el mensaje transmitido y de quién se origina), se lleva a cabo mediante la transmisión de números de mensajes cifrados. usando la opción OFB (Fig. 4b) y agregando un código de autenticación especial (MAC — Código de autenticación de mensaje) al mensaje, que se genera de acuerdo con la opción CFB (Fig. 4c).
El número de mensaje El código y su código de identificación son temporales y cambian de un mensaje a otro.
El sistema de gestión de información clave está diseñado para generar, almacenar, ingresar, distribuir, archivar y eliminar claves criptográficas.
Las claves se ingresan en el equipo del suscriptor utilizando un equipo especial KMF (Key Management Facility).
Además, en los sistemas del estándar APCO 25, está estandarizado un modo especial de distribución de claves a través del canal de radio OTAR (Over-the-air-rekeying).
Información sobre las claves enviadas por radio El canal está protegido mediante la opción ECB (Fig. 4a).
Equipo de sistemas de comunicación
Aunque APCO es una organización internacional con oficinas en varias regiones, el papel principal en la promoción de este estándar lo desempeñan las empresas estadounidenses apoyadas por el gobierno de EE. UU.
Los miembros del sector público de la Asociación incluyen el FBI, los EE. UU. Departamento de Defensa, Comité Federal de Comunicaciones, policía de varios estados de EE. UU., Servicio Secreto y muchas otras organizaciones gubernamentales.
Empresas líderes como Motorola (principal desarrollador del estándar), E.F. Johnson, Transcrypt, Stanlite Electronics, etc. ya se han declarado fabricantes del equipamiento estándar APCO 25.
Motorola ya ha presentado su primer sistema basado en el estándar APCO 25, llamado ASTRO.
Como parte de las redes de radio ASTRO, se puede utilizar una amplia gama de equipos de abonado para satisfacer las necesidades de varios usuarios.
El primero Las radios portátiles digitales con todas las funciones lanzadas por Motorola se llamaron ASTRO Sabre.
Pueden funcionar tanto en modo digital como analógico en redes de radio convencionales y troncales en cualquiera de los rangos de frecuencia asignados a los sistemas de comunicaciones móviles terrestres (138-174, 406-512, 746-869 MHz).
El el paso de la cuadrícula de frecuencia puede tener valores de 12,5; 25 y 30 kHz.
Se encuentran disponibles varias modificaciones de estaciones, que se diferencian entre sí en el número de canales operativos, opciones para implementar controles y pantallas, así como algunas funciones.
El último desarrollo de Motorola es la familia de radios portátiles XTS 3000
Estas radios admiten el mismo conjunto de funciones que ASTRO Sabre, pero están fabricadas en. un diseño diferente y tienen menores dimensiones y peso.
Gracias a la unificación de soluciones de diseño con una serie de estaciones MTS 2000 que funcionan en el sistema SmartNet, las estaciones XTS 3000 pueden utilizar los mismos accesorios: auriculares, auriculares ocultos, micrófono y altavoz remotos, cargador, antenas.
Las estaciones de radio móviles ASTRO Spectra están disponibles en dos versiones: para automóviles y motocicletas. Motorola ofrece cinco versiones de estaciones, que se diferencian en algunas funcionalidades, el número de canales de trabajo y el tamaño del panel de visualización.
La estación ASTRO CONSOLETTE.
Además de soportar el protocolo estándar APCO 25, la estación de radio estacionaria puede funcionar con los sistemas de señalización analógica MDC-1200 y PL/PDL.
La estación ASTRO CONSOLETTE tiene dos versiones: para control local y remoto vía telefónica line.
Para organizar la transferencia de datos, Motorola lanza el terminal de datos portátil inalámbrico FORTE.
Representa un ordenador personal de bolsillo con una pantalla táctil y un lápiz, equipado con medios para mantener las comunicaciones por radio.
Hasta ahora, los sistemas del estándar APCO 25 no se han implementado en Rusia, sin embargo, los expertos están mostrando un gran interés en este estándar, el cuyo atractivo radica en su continuidad con respecto a los sistemas de radiocomunicación analógicos existentes y a un gran número de fabricantes de equipos y la posibilidad de construir redes de comunicación en todos los rangos de frecuencia estándar.
Una política activa de promoción de sistemas de este tipo El estándar en Rusia lo llevan a cabo las oficinas de representación de Motorola y ADI Limited (Australia).
Ovchinnikov Andrey Mikhailovich