Сравнительный анализ стандартов цифровой транкинговой радиосвязи..

Сравнительный анализ стандартов цифровой транкинговой радиосвязи..

Овчинников Андрей Михайлович

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТАНДАРТОВ ЦИФРОВОЙ ТРАНКИНГОВОЙ РАДИОСВЯЗИ

В предыдущих номерах журнала (№№ 3, 4 и 6 за 1999 г.) были рассмотрены стандарты цифровой транкинговой радиосвязи TETRA, APCO 25 и Tetrapol, которые ориентированы на построение систем мобильной связи для правоохранительных органов и служб общественной безопасности. Завершая обзор стандартов, в данной статье делается попытка их сравнительного анализа на основе различных критериев.

В настоящее время процесс развертывания сетей транкинговой радиосвязи во всем мире характеризуется широким внедрением цифровых систем. Практически все ведущие мировые поставщики оборудования, системные интеграторы и операторы, а также многие крупные потребители услуг транкинговой радиосвязи объявили о своем переходе к цифровым системам. Основное соперничество на рынке стандартов, ориентированных не только на обычных корпоративных пользователей, но и на представителей правоохранительных органов и служб общественной безопасности, ведут TETRA, APCO 25 и Tetrapol.

В России пока системы радиосвязи на основе данных стандартов пока не развернуты. Объясняется это, прежде всего, тем, что цифровые системы заметно дороже аналоговых, и ограниченные ресурсы ведомств и различных объединений не позволяют активно включиться в процесс цифровизации своих сетей связи. Однако переход к цифровым системам неизбежен, перспективы транкинговых систем радиосвязи как в мире, так и в России, однозначно связаны с цифровыми технологиями. Цифровые системы радиосвязи предоставляют пользователям высокий уровень услуг, разнообразные режимы передачи данных, повышенную безопасность связи, возможности интеграции с фиксированными цифровыми сетями и т.д.

Любые публикации по тематике систем цифровой транкинговой радиосвязи в России воспринимаются в свете задачи выбора либо общефедерального, либо ведомственного цифрового стандарта. В данной статье не ставится цель рекомендовать российским пользователям систем транкинговой радиосвязи тот или иной стандарт. Основной задачей является попытка провести сравнение по определенному набору критериев для того, чтобы выбор стандарта, который будут проводить технические специалисты, операторы транкинговых систем, потенциальные потребители, был бы осознанным и обоснованным.

Если задаться целью предложить как можно больше критериев, по которым можно проводить сравнение цифровых стандартов, то окажется, что таких критериев чрезвычайно много. Однако целесообразно рассматривать те критерии, которые действительно важны для потребителей услуг транкинговой радиосвязи. (Например, вряд ли пользователя волнует используемый метод модуляции сигнала или алгоритм речепреобразования, однако, для него крайне важны такие показатели, как дальность связи и качество воспроизведения речевого сигнала.)

Все показатели цифровых стандартов, которые можно рассматривать в качестве критериев для сравнения, с определенной долей условности можно разбить на две группы: эксплуатационно-технические и организационно-экономические.

Под эксплуатационно-техническими критериями будем понимать обобщенные технические показатели, которые определяются параметрами систем связи, такие, как дальность и оперативность связи, степень безопасности связи, спектральная эффективность, набор услуг связи (как стандартных, так и специальных, ориентированных на использование правоохранительными органами и службами общественной безопасности). Каждый из этих критериев является комплексным, т.е., в свою очередь, складывается из нескольких показателей или зависит от определенного набора параметров, которые будут рассмотрены ниже.

Дать четкое определение организационно-экономическим критериям достаточно сложно, гораздо проще просто их перечислить. К их числу можно отнести стоимостные показатели систем связи, возможности выделения ресурсов радиочастотного спектра и перспективы развития и распространения в мире каждого из стандартов. По сравнению с эксплуатационно-техническими показателями, эти критерии имеют бoльшую неоднозначность и гораздо более высокую степень субъективизма при их оценке. При этом организационно-экономические показатели в определенной степени зависят от технических, например, на стоимостные показатели существенно влияют дальность связи и спектральная эффективность.

Эксплуатационно-технические критерии

Обобщенные сведения о системах стандартов TETRA, APCO 25 и Tetrapol и их основные технические характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Рассматривая технические характеристики и функциональные возможности представленных стандартов транкинговой связи, можно отметить, что все стандарты имеют высокие (относительно данного 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.

С технической точки зрения, основные различия между стандартами TETRA, с одной стороны, и APCO 25 и Tetrapol – 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 и Tetrapol – многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР или FDMA). Рассмотрим, как это основное различие, а также другие технические параметры влияют на основные эксплуатационно-технические показатели.

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:

• факторы, определяемые условиями применения средств связи (высота установки антенн, рельеф местности, помеховая обстановка и т.д.);
• факторы, определяемые техническими параметрами, реализованными в аппаратуре связи (мощность передатчиков, чувствительность приемного тракта, коэффициент усиления антенны и т.д.);
• 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 транкинговой 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, где

Pc – 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 %.

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. (Принципиально можно добиться компенсации задержки сигнала, однако это требует применения различных типов приемников для различных условий распространения сигнала.)

Во многих источниках приводятся данные о приблизительно двухкратном 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”, RadioResource 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).

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 (см., например, В.В.Алешин, С.И.Сергеев Цифровой транкинг для правоохранительных органов”, “Технологии и средства связи”, №6, 1999 г.), преимущество стандартов, использующих FDMA (Tetrapol, 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 Tetrapol 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 Tetrapol – 8000 бит/с, для APCO 25 – 9600 бит/с.

Безопасность связи

Понятие безопасности связи включает в себя требования по обеспечению секретности переговоров (исключение возможности извлечения информации из каналов связи кому-либо кроме санкционированного получателя) и защиты от несанкционированного доступа к системе (исключение возможности захвата управления системой и попыток вывести ее из строя, защита от двойников” и т.п.).

Если сравнивать сами стандарты, а не системы и комплексы технических средств на их основе, то можно сказать, что все стандарты обладают сравнимой степенью как защиты информации, так и защиты от несанкционированного доступа. Они обеспечивают возможность применения стандартных алгоритмов защиты информации, а также возможность использования оригинальных алгоритмов, разработанных пользователями сетей радиосвязи.

Спектральная эффективность

Основным показателем спектральной эффективности системы связи является эффективная полоса частот на один речевой канал, определяющая какое количество каналов связи можно разместить в отведенной для развертывания сети связи фиксированной полосе частот. Из таблицы 1 видно, что по этому показателю TETRA имеет преимущество по сравнению со стандартами с частотным разделением каналов. Стандарт APCO 25 также декларирует эффективную полосу частот, равную 6,25 кГц, однако это будет достигнуто только во второй фазе реализации проекта.

Набор услуг связи

Функциональные возможности, предоставляемые системами стандартов цифровой транкинговой радиосвязи, приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Примечание: (н/с — нет сведений)

Рассматривая функциональные возможности представленных стандартов транкинговой связи, можно сказать, что они обеспечивают сравнимый уровень услуг связи. Все стандарты позволяют строить различные конфигурации сетей связи, обеспечивают разнообразные режимы передачи речи и данных, связь с телефонными сетями общего пользования (ТФОП) и фиксированными сетями. Стандарты позволяют использовать в своих системах дуплексные радиостанции. Некоторое преимущество имеют более отработанные стандарты Tetrapol и TETRA, в которых реализованы режимы “двойного наблюдения” и открытого канала, крайне полезные для служб общественной безопасности. Однако учитывая быстрое развитие стандартов и постоянное расширение функций систем связи, вполне возможно, что в скором времени такие же возможности будут предоставляться и APCO 25.

Выполнение специальных требований к системам радиосвязи служб общественной безопасности

Информация о наличии некоторых специфических услуг связи, ориентированных на использование представителями служб общественной безопасности, представлена в таблице 3. Здесь также можно отметить, что стандарты TETRA, APCO 25, Tetrapol обеспечивают сравнимый уровень специальных услуг.

Интересную дополнительную услугу, о наличии которой в других стандартах, кроме стандарта Tetrapol, сведений нет, предоставляет вспомогательная служба имитации активности радиоабонентов. В данном режиме осуществляется поддержка постоянного трафика в выбранной зоне. При перерыве в ведении переговоров базовая станция периодически посылает по каналам связи сигналы, которые трудно отличить от информационных. Такая услуга существенно затрудняет возможности злоумышленников, занимающихся контролем трафика конкретного абонента или группы абонентов, которые, в частности, могут быть сотрудниками правоохранительных органов.

Таблица 3.

Организационно-экономические критерии

Ресурсы радиочастотного спектра

Наличие ресурсов радиочастотного спектра (РЧС) для развертывания системы радиосвязи является важнейшим критерием выбора той или иной системы. В данном случае наиболее перспективны стандарты, которые обеспечивают возможность построения сетей связи в наиболее широком диапазоне.

Системы TETRA теоретически обеспечивают возможность работы в очень широком диапазоне (150-900 МГц). Вместе с тем, пока производители предлагают в основном оборудование, функционирующее только в диапазоне, выделенном в Европе для построения сетей TETRA — 380-385/390-395 и 410-430/450-470 МГц, хотя сейчас уже есть сведения о проектах систем в диапазоне 800 МГц.

Системы APCO 25 в соответствии с функциональными и техническими требованиями обеспечивают возможность работы в любом из диапазонов, отведенных для подвижной радиосвязи.

Стандарт Tetrapol ограничивает верхнюю частоту своих систем на уровне 520 МГц. Реально большинство действующих систем использует диапазон 380-400 МГц.

Важным критерием сравнения стандартов является частотный ресурс, необходимый для развертывания сети связи с одинаковым количеством абонентов и одинаковой зоной радиопокрытия. Здесь не может быть однозначного ответа. С одной стороны, стандарт TETRA имеет лучшую спектральную эффективность, с другой — Tetrapol и APCO 25 обеспечивают больший радиус зоны обслуживания базовой станции. Поэтому для систем TETRA меньшие ресурсы радиочастотного спектра будут требоваться для сетей радиосвязи с очень интенсивным трафиком, а преимущества Tetrapol и APCO 25 будут проявляться для сетей связи с невысоким трафиком и широкой зоной охвата.

Экономическая эффективность

На сегодняшний день оборудование систем цифровой радиосвязи стоит значительно дороже по сравнению с аналоговыми системами. Как правило, стоимости заключенных контрактов являются коммерческой тайной, однако следует понимать, что при развертывании системы любого из представленных стандартов цифровой радиосвязи, обслуживающей несколько сотен абонентов, речь идет не о тысячах, а о миллионах долларов. Судя по рекламной информации зарубежных фирм, стоимость абонентских радиостанций, работающих в цифровых стандартах, может колебаться в пределах от 800 до 4 тыс. долларов, причем существенная долю стоимости может определяться наличием модулей или программных средств защиты информации.

Сравнение экономической эффективности систем различных стандартов нельзя рассматривать в отрыве от категории системы подвижной радиосвязи. Для создания сетей связи с небольшой нагрузкой, широким территориальным охватом и числом каналов в пределах 10 более оптимальным вариантом (в т.ч. и по стоимости) является использование систем МДЧР, к которым относятся APCO 25 (Фаза I) и Tetrapol. Это объясняется б?льшим радиусом зон обслуживания систем МДЧР по сравнению с МДВР-системами. По оценкам, приведенным в техническом отчете стандарта Tetrapol PAS, стоимость базового оборудования многозоновой сети радиосвязи, реализованной на основе МДВР, по отношению к системе с частотным разделением каналов (при одинаковой стоимости единицы оборудования) будет на 30-50 % выше.

Однако, для сетей связи с интенсивным трафиком и числом каналов в одной зоне более 15 предпочтительно использование систем с временным разделением каналов, к которым относится TETRA.

Следует отметить, что стандарт APCO 25 (Фаза II) будет обладать универсальностью, обеспечивая возможность строить системы как с частотным, так и с временным разделением каналов.

Перспективы развития систем данных стандартов в мире

Если сравнивать стандарты цифровой транкинговой радиосвязи по количеству эксплуатирующихся сетей, числу пользователей, суммарной зоне покрытия, то несомненное лидерство здесь принадлежит стандарту Tetrapol. В настоящее время в мире развернуто более 35 крупных сетей радиосвязи в 21 стране, которые обслуживают около 0,5 млн. абонентов. Зона покрытия работающих сетей связи составляет 600 000 км2. Следует отметить, что стандарт Tetrapol пользуется популярностью во всех регионах: кроме Европы сети радиосвязи развернуты в Юго-Восточной Азии, на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. Т.к. первая сеть связи была введена в эксплуатацию в 1994 г., можно сказать, что стандарт в достаточной степени отработан, и пользователи в гораздо меньшей степени рискуют столкнуться с ошибками в программном обеспечении стационарного оборудования. Несмотря на то, что стандарт является корпоративным, стандарт Tetrapol поддерживается большим количеством крупных производителей оборудования.

По количеству существующих проектов сетей связи стандарт TETRA не уступает Tetrapol, однако большинство проектов находится в начальной стадии: опытной эксплуатации пилотных сетей или развертывания систем связи. Пока практически все сети связи сосредоточены в Европе. Пожалуй, стандарт TETRA поддержан наибольшим количеством ведущих производителей, причем не только европейских. Свои системы на базе стандарта TETRA выпустили такие ведущие компании, как Motorola (система Dimetra), Nokia (Nokia TETRA), OTE Marconi (ELETTRA).

Стандарт APCO 25 только начинает свой переход в стадию развертывания сетей связи. Пока реально выпускается оборудование системы ASTRO компании Motorola. Существуют проекты нескольких сетей в США, заключен первый контракт на поставку оборудования в Европу (система связи британской таможни).

При выборе стандарта радиосвязи обязательно необходимо учитывать информацию о том, является ли стандарт открытым или корпоративным (закрытым).

Корпоративный стандарт Tetrapol является собственностью его разработчика – компании Matra. Приобретение оборудования возможно только у ограниченного круга производителей.

Открытые стандарты, к которым относятся TETRA и APCO 25, обеспечивают создание конкурентной среды, привлечение большого количества производителей базового оборудования, абонентских радиостанций, тестовой аппаратуры для выпуска совместимых радиосредств, что способствует снижению их стоимости. Доступ к спецификациям стандартов предоставляется любым организациям и фирмам, вступившим в соответствующую ассоциацию. Пользователи, выбирающие открытый стандарт радиосвязи, не попадают в зависимость от единственного производителя и могут менять поставщиков оборудования. Открытые стандарты пользуются поддержкой со стороны государственных и правоохранительных структур, крупных компаний многих стран мира, а также поддержаны ведущими мировыми производителями элементной и узловой базы.

Все это позволяет говорить о том, что открытые стандарты с большей вероятностью в перспективе завоюют рынок систем транкинговой радиосвязи.