Новый цифровой стандарт для конвенциональной радиосвязи

УДК 621.396

Новый цифровой стандарт для конвенциональной радиосвязи

С.В. Чивилев, С.В. Голованов

Рассмотрены основные характеристики и преимущества нового цифрового стандарта цифровой радиосвязи DMR.

The main advantages of the new standard of digital radio communications DMR; the main characteristics and advantages are shown.

Введение

Новый стандарт профессиональной радиосвязи DMR (от англ. Digital Mobile Radio) разработан Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI). Решения конвенциональной радиосвязи на базе технологии DMR актуальны для предприятий малого и среднего бизнеса, где потребность в средствах профессиональной радиосвязи очевидна. К таким предприятиям относятся службы безопасности (охрана), строительные организации, транспортные службы (такси), а также службы обеспечения и охраны правопорядка (с низкой плотностью абонентов и малым удельным количеством соединений).

Стандарт DMR в секторе профессиональных средств радиосвязи сравним с появлением ком-пакт-дисков в звукозаписывающей отрасли. Возрастающие требования потребителей к средствам связи уже не ограничиваются лишь их надежностью, а объясняются необходимостью обеспечения защиты радиоэфира от прослушивания, организации передачи текстовых сообщений вместе с голосом, улучшения разборчивости речи при сильных окружающих акустических помехах, а также увеличением срока непрерывной работы аккумуляторных батарей портативных терминалов и др.

Стандарт DMR позиционируется как открытый стандарт, т.е. предполагается, что оборудование различных производителей будет совместимо. В настоящий момент лишь компания Motorola представила решение в рамках стандарта DMR -линейку оборудования Motorola MOTOTRBO.

Радиоинтерфейс DMR

В основе технологии DMR лежат механизмы TDMA (от англ. Time Division Multiple Access -многостанционный доступ с временным разделением каналов), что позволяет разместить два временных интервала (независимых логических канала) на одной частотной несущей с сеткой частот 12,5 кГц.

Тип модуляции — 4Б8К (четырехуровневая частотная манипуляция). Гибкость решений, заложенная в рамках стандарта DMR, позволяет реализовывать их не только в классических диапазонах 136... 174 и

403...470 МГц, но во всем спектре частот от 50 до 999 МГц. Причем дуплексный разнос для решений с применением точки ретрансляции допускается любым, в том числе классические 4,6 МГц для диапазона 160 МГц и 45 МГц для диапазона 900МГц. Дуплексный разнос определяется 15-битной сигнальной последовательностью в структуре цифрового кода стандарта DMR.

Как известно, в последнее время не было представлено открытых цифровых решений для диапазонов частот ниже 400 МГц. Суррогатные схемы с интеграцией модулей оцифровки в аналоговые радиостанции не позволяли реализовать стандарт DMR. Теперь же решения с применением технологии DMR станут актуальны в условиях сложной электромагнитной обстановки и многолучевого распространения сигнала.

Длительность временного интервала, организующего один логический канал, составляет 30 мс. Из них 27,5 мс отведены под 216 битов полезной нагрузки и 48 — для сигнальных битов. Защитный межинтервальный разнос — 2,5 мс. Таким образом, канальная скорость передачи данных 2 160 бит/с. В случае передачи пакетных данных следует учитывать, что в зависимости от длины 1Р-пакетов процент полезных данных будет снижаться за счет заголовков 1Р-пакетов. На рис. 1 представлена структура радиоинтерфейса стандарта DMR.

Как видно из этого рисунка, в соответствии с технологией временного уплотнения на одном частотном канале организуются два логических канала. Важным условием с точки зрения планирования конвенциональной сети радиосвязи является то, что в режиме прямой связи (без использования ретранслятора) в настоящее время задействуется лишь один логический канал из двух дос-

Рис. 1. Структура радиоинтерфейса стандарта DMR

тупных. Это характерное обстоятельство объясняется отсутствием точки синхронизации для одновременной передачи двумя абонентскими терминалами (радиостанциями). В этом случае преимущества прямого режима по сравнению с аналого-вомым режимом в части увеличения канальной емкости не будет.

В рамках стандарта DMR (части 1, 2 и 3) различают два режима:

1. Режим прямой связи (Direct mode) - симплексная связь.

2. Режим связи через ретранслятор (Repeater mode) с поддержкой технологии двухчастотного симплекса с дуплексным разносом FDD (от англ. Frequency Division Duplex) (рис. 2). В этом режиме возможны два одновременных независимых голосовых соединения.

Fla рис. 2 представлена схема организации связи с использованием ретранслятора. При этом задействуются оба логических канала, что позволяет вести два независимых соединения.

С точки зрения регулирующих органов важным является то обстоятельство, что существующая сетка частот 12,5 кГц сохраняет свою целост-

ность при внедрении решений стандарта DMR, что, в свою очередь, позволит пользователям осуществить плавную миграцию собственных средств связи от аналоговых технологий к цифровым, увеличивая канальную емкость в два раза.

Качество передачи речи

Вокодер с алгоритмом ACELP (линейное предсказание с возбуждением от алгебраической кодовой книги) особенно подходит для использования в условиях сильных акустических помех. Для обнаружения ошибок при передаче в канале радиосвязи и их исправления при канальном кодировании применяется технология FEC (от англ. Forward Error Correction) и механизмы CRC (от англ. Cyclic Redundancy Code). На рис. 3 представлены результаты оценки качества MOS - речевого кодека DMR. Как видно из рисунка оценка качества речи находится в диапазоне от MOS3 до MOS4.

Оценка качества кодека DMR показала его незначительное преимущество по сравнению с системами TETRA.

На рис. 4 представлен сравнительный график ухудшения связи для систем с аналоговой и DMR-технологиями. Говоря о дальности связи, стоит упомянуть, что достигаемые результаты зависят не только от наличия естественных природных преград, но и от окружающей электромагнитной обстановки.

Основные возможности DMR

Стандарт DMR постоянно совершенствуется, реализуя функциональный набор, ранее нехарактерный для сектора средств конвенциональной радиосвязи. К основным функциональным возможностям цифрового стандарта DMR следует отнести следующее:

Рис. 2. Схема организации связи с использованием ретранслятора

Качество передачи речи

РассКвчив

Рис. 3. Качество речевого кодека БМЯ: МОЙ 4 - «превосходное качество, незаметное ухудшение»;, МОЙ 3 - «хорошее качество, различимое, но не раздражающее ухудшение»

Рис. 4. Сравнение графика ухудшения связи для систем на основе аналоговой и БМЯ-технологий

♦ цифровая обработка сигнала;

♦ управление аккумуляторной батареей;

♦ приоритетный аварийный вызов;

♦ удаленный контроль;

♦ опциональное шифрование;

♦ одновременная передача голоса и данных (в том числе пакетных);

♦ работа в аналоговом режиме, что особенно актуально при постепенной миграции аналоговых конвенциональных систем.

В рамках стандарта ОМ Р. реализуются следующие типы вызовов:

♦ индивидуальный вызов «радиостанция — радиостанция»;

♦ групповой вызов «радиостанции — группа радиостанций»;

♦ групповой вызов «радиостанция — все радиостанции»;

♦ передача пакетных данных с канальной скоростью 2 кбит/с.

Стандарт DMR отличает быстрое установление вызова (до 200 мс) и поддержка режима «поздний вход» для групповых вызовов.

Сравнение DMR с существующими технологиями конвенциональной радиосвязи

Основным игроком на рынке средств профессиональной радиосвязи стандарта DMR является компания Motorola. Альтернативные производители не смогли консолидировать силы в столь сжатые сроки — 1 год. Таким образом, на сегодняшний день конкуренция между производителями отсутствует.

Вместе с тем представляет интерес сравнение функциональных возможностей стандарта DMR с предлагаемыми в настоящее время аналоговыми решениями (с технической точки зрения). В свою очередь, пользователи сами принимают решение о выборе технологии для построения или модернизации собственной системы радиосвязи.

Ниже в таблице представлен сравнительный анализ функциональных возможностей решений стандарта DMR и классических конвенциональных (аналоговых) сетей для прямого режима и при использовании ретранслятора.

Таблица. Типы вызовов и услуги

Характеристика DMR

Количество одновременных соединений на одном частотном канале 1 1 2 1

Индивидуальный вызов (абонент - абонент), полудуплекс + - + -

Групповой вызов (абонент - группа абонентов) + + + +

Аварийный вызов (обслуживание вне очереди) + - + -

Передача текстовых сообщений + - + -

Определение номера вызывающего + - + -

Работа без базового оборудования + + + +

Внедрение DMR

На рис. 5 отображена вертикальная модель рынка средств радиосвязи и место в ней оборудования, поддерживающего стандарт DMR.

В настоящее время существуют две серии оборудования стандарта DMR - на диапазоны

136... 174 МГц и 403...470 МГц. Абонентские терминалы (радиостанции) выпускаются в двух исполнениях — портативном и мобильном. Портативные терминалы (серии Motorola MOTOTRBO DP. DP3400, DP3401, DP3600, DP3601) с выходной мощностью 1—4/5 Вт соответствуют спецификациям IP57, обладают дружественным интерфейсом и удобны в использовании. Мобильные (стационарные) терминалы (серии DM: DM3400, DM3600, DM3601) предназначены для монтажа на удаленных точках и транспортных средствах. DR3000 — ретранслятор с выходной мощностью 1—25 или 25—40 Вт. Полевые испытания оборудования стан-

дарта DMR показали существенный выигрыш по сравнению с аналоговыми сетями при использовании радиостанций в городских условиях и многолучевом распространении сигнала. Помимо улучшения качества связи ощутимо увеличилось время автономной работы портативных радиостанций, что объясняется принципами работы оборудования стандарта DMR (передатчик работает 50% времени).

Прототип радиостанции, удовлетворяющей требованиям стандарта DMR, представила SELEX COMMUNICATIONS - мобильную радиостанцию V/51-PDMR. В настоящее время радиостанция использует модуляцию 4FSK, которая не в полной мере удовлетворяет требованиям стандарта DMR Кроме того, компания анонсировала выпуск оборудования ECOS-D, которое в настоящее время тестируется на удовлетворение требованиям стандарта. Решение предполагает использование

Настоящее

Будуще

Профессиональный сектор

Профессиональный сектор

Профессиональный сектор

Коммерческий сектор

Потребительский сектор

Аварийные службы

Транспорт

Морские порты и аэропорты

Предприятия нефтегазовой и химической отраслей

Промышленные

предприятия

Муниципалитеты

Добывающие

предприятия

Такси

Строительство

Расширенные системы TETRA Dimera IP Compact

Расширенные системы TETRA

Небольшие системы TETRA

Небольшие системы TETRA TetraFlex (Dairnn Cellular Systei

Конвенциональная профессиональная радиосвязь

Радиостанции профессиональной серии Motorola РС/СМ

Конвенциональная профессиональная радиосвязь

Конвенциональная радиосвязь

Радиостанции коммерческой серии Motorola РС/СМ

Конвенциональная радиосвязь

Радиостанции потребительской серии Motorola Р, Mag One

Конвенциональная радиосвязь

Конвенциональная радиосвязь

Аналоговая радиосвязь I I Цифровая радиосвязь Цифровая радиосвязь стандарта БМЯ

Рис. 5. Модель рынка средств радиосвязи и место, занимаемое DMR

SIMULCAST — одновременную передачу множества ретрансляторов. Решение реализуется в диапазонах 66-88, 146-174 и 400-470 МГц.

К сожалению, первая версия оборудования стандарта DMR не позволяет реализовать такие значимые функции, как телефонный вызов, контроль местоположения, а также дуплексный вызов. Кроме того, приложения по передаче телеметрии и пакетных данных требуют написания специализированного программного обеспечения. Однако даже эти ограничения позволяют уже сегодня успешно внедрять оборудование DMR.

Таким образом, в статье проведен анализ цифрового стандарта конвенциональной радиосвязи DMR. Показан существенный выигрыш по отношению к аналоговым сетям при использовании радиостанций в городских условиях и многолучевом распространении сигнала. Применение решений стандарта DMR на производстве позволит увеличить управляемость в организации (на предприятии); повысить безопасность технологического процесса предприятия; улучшить качество связи и разборчивость речи в тяжелой помеховой обстановке; увеличить

пропускную способность системы профессиональной радиосвязи и, как следствие, повысить экономическую эффективность в целом.

Заложенный в рамках стандарта I) М К функционал позволяет реализовать следующий набор решений:

♦ передачу пакетных данных (пропускная способность канала до 2 кбит/с);

♦ передачу телеметрии;

♦ передачу текстовых сообщений;

♦ приложения гю контролю местоположения. Преемственность и совместимость с существующими аналоговыми системами связи позволяет сохранять сделанные ранее инвестиции и заменять парк устаревающих аналоговых абонентских терминалов по мере необходимости.

ЛИТЕРАТУРА

Д{аковеева ММ:. Шишков Ю..С, Системы связи с подвижными объектами. - М.: Радио и связь, 2002.

Поступила 01.09. 2008 г.

ВНИМАНИЕ!

Издательство «Физматлит» предлагает вашему вниманию книгу «Самоподобие и фракталы. Телекоммуникационные приложения»

Авторы: О.И. Шелухин, А.В. Осин, С.М. Смольский Под редакцией О.И. Шелухина

Рассмотрены самоподобные (фрактальные и мультифрактальные) модели телекоммуникационного трафика на основе предположения, что он обладает фрактальными или мультифрактальными свойствами (т.е. является самоподобным). Представлены теоретические аспекты наиболее известных моделей трафика, проявляющих самоподобные свойства, и приведен всесторонний анализ эффективности различных моделей для описания самоподобного трафика. Показаны способы использования самоподобных процессов для создания новых и оптимизации существующих телекоммуникационных систем. Приведены теоретические подходы и описание алгоритмов (на уровне структурных схем или вычислительных процедур) для моделирования самоподобных процессов.

Для аспирантов, преподавателей и исследователей, интересующихся сетями передачи данных и динамикой информационных процессов.

Заказать и приобрести книгу можно по адресу:

117997, Москва, ул. Профсоюзная, 90.

Издательская фирма «Физико-математическая литература» МАИ К

«Наука/Интерпериодика»

E-mail: fizmat@maik.ru: fmlsale@maik.ru: http://www.fml.ru