Цифровая радиосвязь стандарта АРСО-25

12.1.Основные определения и элементы

 

Системы цифровой радиосвязи преобразуют человеческий голос в цифровой формат, а затем обрабатывают и передают модулированные данные в виде последовательности дискретных цифровых сигналов. Если информация поступает с цифрового периферийного устройства или из компьютерной сети, то никакого преобразования не требуется, поскольку такие данные можно сразу обрабатывать и модулировать для посылки в эфир. Чтобы избежать искажения речевых сообщений, в обоих случаях используются разнообразные алгоритмы коррекции ошибок.

Главными преимуществами цифровых систем связи перед аналоговыми являются:

1. более высокое качество передачи голоса, отсутствие фоновых помех (хотя цифровая обработка голоса придает его звучанию некоторую "механистичность");

2. увеличение зоны покрытия. Для последней характерно одинаковое качество связи внутри зоны и более резкое, чем в аналоговых системах, снижение качества связи на границах;

3. более современные способы и более высокие скорости передачи данных, поддержка пакетного режима и интерфейсов с информационными базами данных;

4. расширенные возможности шифрования без потерь качества и уменьшения зоны покрытия;

5. сокращение времени установления связи.

Современные цифровые системы мобильной радиосвязи используют для организации связи различные протоколы - как корпоративные, так и открытые.

Стандарт АРСО 25, использующий технологию множественного доступа с частотным разделением (FDMA), ориентирован прежде всего на системы узкополосной радиосвязи для организаций, обеспечивающих общественную безопасность и помощь населению в экстренных ситуациях. Требованием к таким системам часто является прямая связь между абонентами без применения какой-либо дополнительной инфраструктуры и снижения качества речевого сигнала. Стандарт АРСО 25 предусматривает работу как в транкинговом, так и конвенциональном режимах. А его основа, технология FDMA, позволяет поддерживать обратную совместимость цифровых абонентских устройств с имеющимися у пользователей аналоговыми.

APCO 25 регламентирует работу цифровых систем радиосвязи любого размера (от базирующейся на одиночном ретрансляторе до транкинговой государственного масштаба). Он предусматривает полную совместимость портативного и мобильного оборудования, базовых станций и сетевых устройств радиосистем различных поставщиков, позволяет поддерживать связь между десятками тысяч абонентов, принадлежащих к разным организациям.

Основные требования данного стандарта сводятся к необходимости обеспечения цифровой передачи голоса или данных со скоростью 9,6 кбит/с по частотному каналу шириной 12,5 кГц (с возможностью перехода на канал шириной 6,25 кГц), а также поддержки режима шифрования без потери качества передачи голосового сигнала или сокращения зоны покрытия.

Абонентское оборудование (мобильные и портативные радиостанции) поставляется фирмами Motorola, Racal, Relm и Transcrypt (США).

Второй этап разработки стандарта предполагает создание спецификаций интерфейсов для диспетчерских (консольных и стационарных) радиостанций, а также спецификаций для каналов связи с шириной полосы 6,25 кГц. Сейчас APCO 25 содержит более 30 регламентирующих документов и спецификаций.

Основные функции

 

Радиосистема в стандарте APCO 25 должна обеспечивать следующие базовые (обязательные) функции:

- связь, организованную на базе технологии FDMA по радиоканалу с шириной полосы 12,5 кГц;

- цифровое кодирование голоса с помощью вокодера IMBE (Improved Multiband Excitation);

- совместимость с аналоговым абонентским оборудованием (портативными и мобильными радиостанциями).

Стандарт регламентирует и типы вызовов в системе. Передача голоса и данных может обеспечиваться с помощью групповых, индивидуальных или безадресных (широковещательных) вызовов. Вызовы допускается переадресовывать от одного мобильного устройства к другому непосредственно (в режиме Direct Mode) либо через ретранслятор или базовую станцию (БС).

В APCO 25 существует и набор дополнительных функций. Если таковые обеспечиваются устройством связи, необходимо, чтобы они удовлетворяли следующим требованиям:

1. при транкинговой связи скорость передачи в цифровом канале управления должна быть не ниже 9,6 кбит/с;

2. при передаче данных между радио- и компьютерными сетями в режимах пакетной передачи при непрерывной связи и передаче предварительно запрограммированных сообщений требуется пропускная способность канала не менее 9,6 кбит/с. Вложенные данные должны передаваться одновременно с речевым сигналом со скоростью не ниже 88 бит/с;

3. дополнительные услуги радиосети могут включать в себя прерывание вызова, выборочное прослушивание, прямой аварийный вызов без регистрации в группе, мониторинг радиостанции, идентификацию радиостанции, находящейся на связи, а также передачу сигнала тревоги и вызовов с приоритетом;

4. связь с абонентами ТфОП может обеспечиваться как через УПАТС, так и через коммутатор ТфОП;

5. для защиты информации (в дополнение к аутентификации вызовов) могут использоваться несколько алгоритмов щифрования, реализованных с помощью встроенных систем кодирования и цифровой модуляции голосового сигнала;

6. управление сетью должно базироваться на стандартных функциях централизованного управления, обеспечивающих управление как всей системой связи, так и ее элементами;

7. нужно, чтобы в конвенциональном и транкинговом режимах многозоновые системы поддерживали такие сетевые функции, как регистрация в сети, роуминг и аутентификация абонентов.

 

Интерфейс

 

Интерфейс - это система требований к оборудованию.

Передача данных должна осуществляться по радиоканалу шириной 12,5 кГц, чья полная пропускная способность составляет не менее 9,6 кбит/с. Интерфейс предусматривает также использование стандартного вокодера (устройства преобразования голосового сигнала в цифровой формат) - IMBE (Improved Multi-Band Excitation). Алгоритм коррекции ошибок обеспечивает дополнительную защиту при передаче оцифрованного голосового сигнала по радиоканалу.

При передачи данных радио и компьютерными сетями в режиме пакетной передачи при непрерывной связи и при передачи предварительно запрограммированных сообщений требуется пропускная способность не менее 9,6 кбит/с, при этом вложенные данные должны передаваться одновременно с речевым сигналом со скоростью больше 88бит/с.

Дополнительные услуги сети включают в себя прерывание вызова, выборочное прослушивание, прямой аварийный вызов без регистрации в группе, мониторинг.

Для защиты информации в дополнение к аутентификации могут использоваться несколько алгоритмов шифрования, реализованных с помощью встроенных систем координирования и цифровой модуляции голосового сигнала. Управление сетью должно базироваться на стандартных функциях централизованного управления, обеспечивающих управление как всей системы связи, так и ее элементами.

В системе АРСО-25 происходит шифрование голоса при помощи вокодера, его обработки которая гарантирует коррекции ошибок при декодировании, речевой сигнал может быть дополнен битами адресации и встроенной управляемой сигнализацией.

 

12.4. Преобразование сигналов

 

Кадр, преобразуемый вокодером IMBE, имеет длительность 20 мс и содержит 88 бит речевой информации, что эквивалентно скорости передачи данных 4,4 кбит/с. Речевой кадр содержит также 56 дополнительных бит для проверки четности, которые добавляются к нему в результате обработки кадра по алгоритму коррекции ошибок. Полный объем кадра передачи голосового сигнала равен 144 бит, а скорость его передачи составляет 7,2 кбит/с.

Каждые девять кадров голосового сигнала объединяются в группу данных (LDU, Logical Link Data Unit). Время передачи одной группы по радиоканалу - 180 мс.

 

Рисунок 12.1 Структура суперкадра голосового сигнала

 

Две группы LDU формируют суперкадр, который помимо голосовой информации в цифровом виде (18 кадров голосового сигнала) содержит упакованные управляющие команды и адресную информацию. Скорость передачи суперкадров по радиоканалу составляет 9,6 кбит/с, а время его передачи - 360 мс.

 

Рисунок 12.2 Голосовой сигнал со встроенными группами данных

 

Голосовая радиосвязь построена на непрерывной передаче последовательности суперкадров, которым предшествуют заголовки сообщений. Радиосвязь всегда начинается с передачи заголовка цифрового сообщения, затем посылаются группы LDU, после которых - признак конца сообщения (рис. 11.2).

Предшествующий передаче голосового сообщения заголовок, который служит указателем начала процедуры шифрования сигнала, состоит из одного большого шифрованного слова длиной 648 бит. Оно содержит 120 бит исходной информации, предназначенной для передачи. Кроме того, в течение всей передачи голосового сообщения в него периодически вставляются коды канала и алгоритма шифрования. В структуру голосового сообщения также могут быть "встроены" сигнальная информация управления связью и пакеты данных, передаваемые с невысокой скоростью вместе с голосовым сигналом (так называемые интегрированные в голосовой сигнал данные).

Заголовок содержит следующую информацию:

1. индикатор сообщения - определяет тип алгоритма шифрования;

2. идентификатор изготовителя аппаратуры - указывает на то, что при передаче голосового сообщения применяются нестандартные функции. Этот идентификатор имеет стандартное значение только в том случае, когда все остальные информационные поля удовлетворяют спецификациям общего радиоинтерфейса;

3. идентификатор алгоритма шифрования - позволяет распознать использованный для данного сообщения алгоритм шифрования в системах с несколькими алгоритмами;

4. идентификатор ключа шифрования - дает возможность определить конкретный ключ в системах, поддерживающих шифрование с несколькими ключами;

идентификатор абонентской группы - указывает на абонентскую группу адресата сообщения.

 

Рисунок 12.3 Структура поля управления связью

 

Поле управления логической связью (рис. 12.3) содержит 72 бита информации об источнике и адресате передаваемого сообщения и состоит из идентификаторов абонентской группы, источника и адресата сообщения, а также из признака экстренного вызова и идентификатора изготовителя аппаратуры. Следует отметить, что в зависимости от типа передаваемой информации стандарт допускает использование различных форматов управляющих слов.

 

Коррекция ошибок

 

Общий радиоинтерфейс стандарта APCO 25 предусматривает применение разнообразных механизмов обнаружения и коррекции ошибок, обеспечивающих высокое качество приема сигналов. В зависимости от типа передаваемой информации могут использоваться различные алгоритмы коррекции ошибок и разные схемы вложения дополнительных данных.

Механизм коррекции ошибок служит в средствах радиосвязи для надежной передачи информации с помощью радиосигнала при уменьшении его мощности (замирании или затемнении), с которым часто приходится сталкиваться при эксплуатации мобильных радиосистем. Однако использование этого механизма приводит к увеличению объема передаваемой информации.

Так, в заголовке речевого сообщения содержатся 120 бит полезной (исходной) информации, которая при формировании заголовка подвергается двойному шифрованию: сначала по алгоритму Рида-Соломона (36, 20, 17), а затем - по упрощенному алгоритму Голея (18, 6, 8). В результате размер полей заголовка увеличивается до 648 бит. В каждый кадр голосового сигнала также добавляются 56 бит, служащих для проверки четности, что в определенной мере защищает передаваемый кадр от возникновения ошибок. Поэтому размер кадра, посылаемого по радиоканалу, увеличивается до 144 бит.

Информация, связанная с шифрованием, содержит 96 бит "полезных" данных и состоит из индикаторов алгоритма и ключа шифрования. Однако и эта информация подвергается двойному кодированию - сначала по алгоритму Рида-Соломона (24, 16, 9), а затем по упрощенному алгоритму Хэмминга (10, 6, 3). В итоге размер данных для шифрования/расшифровки становится равным 240 битам.

Исходная длина поля управления связью составляет 72 бит. После двойного шифрования по алгоритму Рида-Соломона (24, 12, 13) и упрощенному алгоритму Хэмминга (10, 6, 3) его размер, передаваемый по радиоканалу, увеличивается до 240 бит.

Сравнение величин исходных размеров полей и получающихся после обработки алгоритмами коррекции ошибок позволяет получить представление о "цене" качества сигнала.

 

Шифрование и аутентификация

 

Чаще всего схемы шифрования разрабатываются как ответные меры на те действия, которые может предпринять гипотетический злоумышленник, чтобы вмешаться в работу системы мобильной связи. Наиболее вероятные формы такого вмешательства - перехват сообщений, их повторное воспроизведение, создание радиопомех, переадресация сообщений, анализ трафика, создание абонентов-двойников и несанкционированное бесплатное использование услуг.

Шифрование, обеспечивающее конфиденциальность связи, выполняется при предоставлении любой из услуг передачи речевых сигналов и данных. В стандарте APCO 25 предусмотрены четыре различных типа шифрования сообщений в системах мобильной радиосвязи, которые могут применяться в самых различных сетях - от правительственной до радиосетей коммерческих операторов. Допускается одновременная поддержка нескольких схем шифрования в одной системе связи. Кроме того, абонентские радиостанции и консольные устройства способны одновременно работать с несколькими схемами шифрования.

Хотя шифрование и защищает от несанкционированного прослушивания, имеются и другие виды вмешательства в работу системы связи, против которых оно оказывается бессильным.

 

 

Рисунок 12.4 Шифрование и управление ключами (УПД - устройство передачи данных)

 

Например, не зная точного содержания сообщения, злоумышленник может нарушить связь в незащищенной системе, записав передаваемое сообщение и затем воспроизведя его вновь через некоторое время. Избежать подобных ситуаций помогает аутентификация, которая обеспечивает целостность управляющей информации и данных о ключах шифрования.

В радиосети стандарта APCO 25 служба шифрования поддерживается функциональными группами системы, которые определены в общей структурной модели (General Systems Model), Шифрование осуществляется в исходной и конечной точках передачи сообщения, чтобы защитить как можно больше функциональных элементов системы связи.

Аутентификация представляет собой процедуру проверки законности появления в эфире самого сообщения и идентификации его автора. Установить законность передачи можно с помощью таких характеристик сообщения, как хронологическая целостность, целостность сообщения и идентификатор источника сообщения. Проверка целостности включает в себя процедуры, позволяющие убедиться в том, что принятое сообщение получено полностью, что оно не было изменено и не является копией одного из переданных ранее сообщений.

Функции шифрования и аутентификации базируются на применении ключей шифрования и поэтому если в системе связи обеспечивается какая-либо из таких функций, необходимо иметь средства управления этими ключами. Очевидно, что данные средства должны охватывать все стадии "жизненного цикла" ключа шифрования - его генерацию, передачу, использование абонентом, хранение, уничтожение и архивирование.

 

Вызовы и управления сетей

 

Адресация

Схема адресации стандарта APCO 25 позволяет обращаться как к автономным абонентским устройствам, так и к станциям, входящим в состав абонентских групп. Адрес автономной радиостанции имеет 24 разряда (шестизначное шестнадцатеричное число), это обеспечивает поддержку 16 млн автономных адресов. Для адреса абонентской группы используются 16 разрядов (четырехзначное шестнадцатеричное число), что дает возможность объединить в сеть 65 тыс. абонентских групп.

Адресная информация встраивается в заголовок сообщения и в поле управления связью, которые периодически повторяются в процессе передачи сообщения. Для каждого абонентского устройства программируется собственный идентификатор устройства и абонентской группы, которые во время сеанса связи распознаются оператором или диспетчером. Абонентская радиостанция может иметь только один собственный идентификатор, но несколько идентификаторов абонентской группы (поскольку абонент способен входить в любое число абонентских групп).

Типы

Системы радиосвязи стандарта APCO 25 поддерживают несколько типов вызовов при передаче голоса и данных в конвенциональном и транкинговом режимах.

Групповые вызовы. Позволяют обеспечить независимую работу каждой заранее определенной абонентской группы даже при использовании несколькими абонентскими группами одной и той же частоты.

Распределение абонентов по группам происходит за счет присвоения мобильному или портативному устройству идентификатора абонентской группы (и соответствующей частоты для конвенциональной связи), т. е. канала связи. В соответствии с полученным идентификатором, который содержится в заголовке сообщения, принимающая базовая станция или ретранслятор обрабатывает вызов.

Индивидуальные вызовы. Каждое абонентское устройство стандарта APCO 25 должно иметь индивидуальный номер (идентификатор), поэтому вызов можно адресовать не абонентской группе, а непосредственно абоненту.

Безадресные (широковещательные) вызовы можно направлять одновременно всем пользователям, находящимся в зоне приема, или всем абонентам сети. Для этого нужно адресовать сообщение в ту абонентскую группу, которая по умолчанию включает всех абонентов.

Маршрутизация

Согласно APCO 25 вызовы можно маршрутизировать в трех режимах:

- прямой связи (непосредственно между двумя абонентами);

- передачи через ретранслятор или БС (с одного абонентского устройства на другое, на диспетчерский пульт через ретранслятор или БС);

- сопряжения с ТфОП (с абонентского устройства в ТфОП и в обратном направлении).

Задержки сигнала при передаче не должны превышать 250 мс в режиме прямой связи, 350 мс при передаче через один ретранслятор и 500 мс при передаче в пределах одной подсистемы связи.

Дополнительные услуги

Наряду с базовыми услугами обеспечения вызовов в APCO 25 предусмотрена поддержка дополнительных услуг. И хотя вопрос о самой реализации таких возможностей и того, как они поддерживаются (аппаратно или программно), оставлен на усмотрение производителя оборудования, они должны удовлетворять требованиям стандарта. В частности, APCO 25 определяет следующие дополнительные услуги:

1. прерывание диспетчером индивидуального или группового вызова;

2. сопряжение с ТфОП;

3. выборочное прослушивание - отслеживание вызова;

4. аварийный вызов без регистрации в группе - включение аварийного сигнала без нажатия тангеты;

5. мониторинг радиостанции - удаленное включение и отслеживание работы абонентского устройства;

6. идентификация принадлежности абонента к рабочей группе;

7. передача сигнала тревоги - посылка абонентом своего идентификатора с просьбой связаться с ним;

8. приоритетный вызов (только в режиме транкинговой связи);

9. преимущественный приоритетный вызов (только в режиме транкинговой связи);

10. шифрование сообщения.

 

Примеры Раций стандарта АРСО 25 отечественного и иностранного производства

 

"Валдай Р25" - новая система радиосвязи стандарта АРСО 25

Система "Валдай P25" является экономичной платформой для создания гибких масштабируемых сетей подвижной радиосвязи стандарта АРСО 25, которые могут удовлетворить самые высокие требования, предъявляемые органами внутренних дел. "Валдай Р25" позволяет осуществлять соединения в аналоговом, цифровом и комбинированном режимах и подключаться к диспетчерским сетям и телефонной сети общего пользования. Система поддерживает работу существующего парка конвенциональных радиостанций и помогает модернизировать их сеть до уровня цифровой без дополнительных затрат.

Полный комплекс оборудования "Валдай Р25" стандарта АРСО 25 включает базовое оборудование, программное обеспечение и абонентские мобильные и носимые радиостанции.

Базовая станция/ретранслятор "Валдай Р25-Р" представляет собой надежную современную цифровую стационарную систему. Она разработана для использования в сетях АРСО 25, может быть сконфигурирована для работы как ретранслятор или как базовая станция с подключением по сети Ethernet или аналоговым линиям. "Валдай Р25-Р" позволяет передавать голос и пакеты данных по IP-протоколу и может работать в аналоговом, цифровом и комбинированном режимах. Базовая станция программируется и управляется при помощи специализированного программного обеспечения. Технические характеристики базовой станции "Валдай Р25-Р" в аналоговом режиме работы соответствуют российскому руководящему документу РД 45.297-2002. Технические характеристики в цифровом режиме работы соответствуют международному стандарту TIA/TSB102.CAAB (АРСО 25).

Носимая радиостанция "Валдай Р25-Н" обладает высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям.

"Валдай Р25-Н" предоставляет пользователю широкий спектр функциональных возможностей:

• сканирование;
• индивидуальный и групповой вызов;
• устранение помех;
• работу в энергосберегающем режиме;
• таймер и блокировку передачи;
• режим скрытой работы;
• режим передачи сигнала тревоги;
• передачу коротких сообщений и другие возможности.

Возимая радиостанция "Валдай Р25-В" предназначена для эксплуатации на подвижных объектах в подразделениях органов внутренних дел.

ASTRO - система цифровой связи компании Motorola, соответствующая требованиям стандарта АРСО-25. Широкие возможности по конфигурированию и программированию оборудования ASTRO позволяют создавать как небольшие однозоновые системы, так и крупные многозоновые сети цифровой связи. ASTRO - является универсальной системой, внедрение которой позволяет осуществить постепенный переход от аналоговых систем к цифровым конвенциональным, а в будущем и к цифровым транкинговым системам радиосвязи, Система ASTRO ориентирована, прежде всего, на нужды служб общественной безопасности, таких как МВД, ФСБ, ФПС, МЧС, но может использоваться и другими ведомствами, для которых требование оперативности, надежности и конфиденциальности связи являются решающими.