Источник: Danilova, D. M. ROIP vs. Trunked radio systems: a comparative study of technologies for mission-critical communications / D. M. Danilova, A. A. Savochkin // E-Scio. – 2022. – № 5 (68). – С. 669–676.
ROIP vs. Trunked radio systems: сравнительное исследование технологий для критически важных коммуникаций
Данилова Д.М., Савочкин А.А.
Севастопольский государственный университет
Аннотация: В статье рассмотрены технологии профессиональной подвижной радиосвязи, широко использующиеся в современных системах оперативной связи. Рассмотрены особенности, присущие наиболее распространенным стандартным технологиям, используемым при построении систем профессиональной радиосвязи, отмечены их достоинства и недостатки. Показано, что технология широкополосного радиодоступа RoIP может служить не только экономически обоснованной альтернативой транкинговым радиосистемам при проведении модернизации корпоративных систем связи, но также открывает доступ к услугам, предоставляемым в публичных сетях связи, таких как WiMAX, WiFi и LTE, в то же время обеспечивая необходимый уровень защищенности и отказоустойчивости. Описаны варианты организации систем связи с применением технологии RoIP. Предложенное техническое решение доведено до уровня структурной схемы с указанием типов отдельных блоков и узлов.
Ключевые слова: профессиональная радиосвязь, наземная подвижная радиосвязь, цифровые радиосистемы, вокодер, RoIP, транкинговые радиосистемы, системы оперативной связи.
Введение
Термин "критически важные коммуникации" часто используется как синоним "систем профессиональной подвижной радиосвязи" (PMR) или "наземных систем подвижной радиосвязи" (LMR). Он используется для обозначения радиосистем, предназначенных для передачи критически важной информации, от которой могут зависеть жизнь и здоровье людей. Однако, в отличие от PMR/LMR, понятие критически важных коммуникаций является концепцией более широкого диапазона и включает передачу не только критически важной голосовой информации, но и критически важных данных. Последнее в последнее время стало ключевым в развитии этого сектора телекоммуникаций и общества в целом.
Некоторые из аналоговых радиосетей, находящихся в настоящее время в эксплуатации, способны гарантировать необходимый уровень отказоустойчивости и, в некоторых обстоятельствах, аварийной устойчивости системы связи. Однако выделенные сети на основе узкополосных технологий обеспечивают ограниченное покрытие, ограниченную емкость, сокращенный диапазон голосовых услуг и не позволяют передавать данные. Что касается общедоступных беспроводных сетей (LTE, WiMAX), которые значительно превосходят выделенные сети по площади покрытия, емкости и разнообразию предоставляемых услуг, они не способны обеспечить профессиональным пользователям гарантированный уровень доступности услуг голосовой связи и передачи данных, а также необходимый уровень конфиденциальности.
Цифровые технологии профессиональной радиосвязи
Транкинговый режим (компьютерно-управляемая сеть, которая автоматически соединяет пользователей с доступными радиоканалами) может быть включен только с помощью облачных услуг over-the-top, которые не соответствуют требованиям критически важных коммуникаций. В результате компании и учреждения вынуждены предусматривать расходы на несколько типов мобильной (беспроводной) связи для удовлетворения различных потребностей.
Технологии, используемые для предоставления услуг массовым потребителям, все чаще используются в гораздо более закрытой сфере коммуникаций для органов общественной безопасности, где требования к качеству обслуживания выше и решаемые проблемы более сложные.
Фактором, препятствующим развитию в этом направлении, является стоимость цифровых решений. Чтобы перейти на цифровые радиосистемы, организация должна заменить не только свой парк радиостанций, но и все аналоговое коммутационное оборудование, используемое вместе с ними. Для перехода потребуются огромные ресурсы и длительный период. Тем не менее, модернизация систем критически важной радиосвязи является актуальной проблемой сегодняшнего дня. Кроме того, многие организации имеют в эксплуатации значительное количество аналоговых радиостанций, которые зарекомендовали себя как надежные и недорогие.
Однако постоянно растущая загруженность каналов в радиодиапазонах, выделенных для профессиональной радиосвязи (в основном в интересах органов общественной безопасности), привела к тому, что регуляторы в промышленно развитых странах Европы и Северной Америки ввели ограничения на срок эксплуатации аналогового оборудования и минимальное количество голосовых каналов для стандартной полосы частот 25 кГц. Хотя сроки их реализации несколько раз откладывались из-за неготовности производителей и неизбежной финансовой нагрузки на потребителей, с 2013 года в этих странах запрещено использование радиооборудования, работающего менее чем на двух голосовых каналах в полосе пропускания 25 кГц.
Техническая реализация такой эффективности стала возможной с конца 1990-х годов благодаря быстрому развитию цифровых технологий передачи голоса.
Стандартизация рынка профессиональной PMR продолжалась в течение последних десяти лет и, помимо разработки различных вокодеров, свелась к следующим открытым стандартам:
- TETRA (с четырьмя каналами TDMA - множественного доступа с временным разделением - в полосе частот 25 кГц)
- DMR Tier II, APCO 25 Phase II (оба позволяют два канала TDMA в полосах частот 12,5 кГц)
- NXDN (который обеспечивает каналы FDMA - множественного доступа с частотным разделением - с полосой пропускания 6,25 кГц)
Сравнение вокодеров для цифровой PMR
Вышеупомянутые цифровые технологии внесли важные улучшения в профессиональную мобильную радиосвязь, такие как возможность размещения большего количества радиоканалов, улучшенное качество звука, лучшее покрытие сигнала и более длительный срок службы батареи. Однако эти преимущества цифровой PMR перед аналоговыми системами проявляются только в том случае, если построена серьезная многозонная цифровая транкинговая сеть (Tier III DMR, Phase II для APCO 25 или Mode 3 для dPMR/NXDN). Учитывая стоимость развертывания полноценной транкинговой радиосистемы, становится очевидным, почему основные поставки на рынок цифровой радиосвязи пришлись на так называемые традиционные решения (Tier II, Phase I, Mode 2), которые по сути представляют собой обычные одноканальные системы.
Единственными отличиями от аналогового оборудования являются использование цифровой модуляции, иногда возможность комбинирования ретрансляторов разных стандартов в одной сети и наличие дополнительных услуг благодаря использованию базовой IP-сети.
Полевые испытания цифровых мобильных радиостанций одного и того же диапазона, одной и той же полосы пропускания и даже одного и того же цифрового стандарта иногда демонстрируют невозможность передачи голосового сигнала между абонентами, использующими оборудование разных производителей. Эта проблема часто связана с характеристиками применяемых вокодеров. Дело в том, что в Северной Америке и Европе использование конкретных вокодеров строго регламентируется органами по стандартизации (а именно, AMBE+2 для APCO 25 Phase II и NXND, ACELP для TETRA). Другие цифровые стандарты (такие как DMR и dPMR) не требуют такой строгости в использовании вокодеров. Кроме того, использование проприетарных кодеков, таких как AMBE+2 (принадлежит Digital Voice Systems, Inc.) или ACELP (собственность VoiceAge Corporation), требует лицензии. Поэтому, чтобы снизить цену оборудования, многие производители применяют большое разнообразие альтернативных бесплатных или более дешевых вокодеров (RALCWI, TWELP и т.д.).
Ассоциации DMR и dPMR позволяют производителям реализовывать дополнительные функции поверх стандартов, что привело к практической несовместимости между радиостанциями разных брендов. По этой причине потребители (особенно в странах, где нет правовых ограничений на вокодеры) могут столкнуться с тем, что, однажды купив определенную цифровую систему у конкретного поставщика, они остаются его вынужденным покупателем без возможности перехода на другую цифровую систему или приобретения альтернативного абонентского оборудования.
Некоторые кодексы обеспечивают достаточное сжатие речи, но качество голоса не всегда приемлемо. Другие обеспечивают точный синтез речи, но не позволяют правильно обрабатывать неречевые сигналы, такие как сирены полиции, пожарных и скорой помощи. Сравнение технических характеристик различных вокодеров представлено в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение вокодеров для цифровой PMR
| Название алгоритма | ACELP | AMBE+2 | RALCWI | TWELP |
|---|---|---|---|---|
| Скорость кодирования речи, кбит/с | 5.3 | 2.5/3.6 | 2.4/2.8/3.6 | 2.4 |
| Размер кадра, мс | 20 | 20 | 20/40/60/80 | 20 |
| Задержка, мс | 30 | 32 | 17 | 40 |
| Частота дискретизации, кГц | 8 | 8 | 8 | 8 |
| Метод кодирования | Линейное предсказание (LPC) | Многополосное возбуждение (MBE) | Интерполяция формы волны (WI) | Линейное предсказание (LPC) |
| Требуется лицензия | да | да | нет | да |
| Применение | TETRA | APCO 25 Phase II, NXDN, DMR Tier 2 | DMR, dPMR | DMR, dPMR |
Технология Radio over Internet Protocol (RoIP)
Учитывая проблемы, упомянутые выше, профессиональные заказчики могут быть не готовы инвестировать в строительство цифровой радиосети, особенно в случае большого количества абонентов и обширных территорий.
Технология Radio over Internet Protocol (RoIP) может стать решением этих проблем.
RoIP - это двусторонний метод связи, который включает передачу и прием радиосигналов по интернет-протоколу (IP).
Radio over IP предлагает экономически эффективный способ соединения радиосистем разных стандартов и поколений. Большинство предприятий, военных организаций, органов общественной безопасности и аварийно-спасательных служб уже поддерживают свои собственные частные локальные сети (LAN) или глобальные сети (WAN). Кроме того, существует множество общедоступных IP-сетей, которые могут использоваться совместно с частными LAN. Следовательно, в большинстве случаев нет необходимости строить новые пути связи для развертывания сети RoIP.
RoIP не является проприетарной или ограниченной протоколом конструкцией, а представляет собой базовую концепцию, которая может быть реализована несколькими способами.
В своей самой базовой форме технология RoIP позволяет соединить две или более радиостанции с использованием LAN или WAN. Этот тип соединения известен как соединение между сайтами или соединение точка-точка.
Другое распространенное применение - IP-диспетчеризация. Этот вариант позволяет удаленно управлять приемопередатчиками с использованием специального программного обеспечения (бесплатного или предоставляемого производителем оборудования), обычно работающего под управлением операционной системы Windows, а в некоторых случаях Linux. Диспетчеры используют IP-консоль или персональный компьютер, оснащенный микрофоном. Развертывания варьируются от одного пользователя, управляющего одной радиостанцией, до диспетчерских центров с несколькими операторами, управляющими десятками радиостанций, IP-телефонов, сотовых телефонов в нескольких местах как изображено на Рисунке 1:
Рисунок 1 – Структура сети RoIP
Конфиденциальность данных, передаваемых в сети в пределах отдела или организации, может быть обеспечена либо виртуальным разделением пользователей на различные группы, изолированные друг от друга, либо, на физическом уровне, созданием полностью независимого ядра (набора системных серверов), расположенного на территории организации и подключенного к магистральной сети.
Основным преимуществом технологии RoIP перед транкинговыми системами связи является простота реализации сети, управляемой из единого диспетчерского центра, что позволяет координировать различные службы, создавать и управлять оперативными межведомственными группами, расположенными на обширных территориях и даже в теневых зонах, что особенно важно для критически важных коммуникаций. Однако, как и другие централизованные радиосистемы, такие как транкинговые радиосистемы, проблемы задержки или зависимости от централизованной инфраструктуры могут препятствовать их принятию органами общественной безопасности, обороны и национальной безопасности, а также аварийно-спасательными службами.
Литература
- Беловолов С. Некоторые вопросы развития цифровых и аналоговых сетей радиосвязи [Электронный ресурс] / С. Беловолов, А. Ермошкин // Технологии и средства связи. № 6. 2013. URL: http://lib.tssonline.ru/articles2/sscom/nekotorye-voprosy-razvitiya-tsifrovyh-i-analogovyh-setey-radiosvyazi (дата обращения: 29.04.2022).
- Ляшенко С.Н. Конвергенция сетей подвижной связи ОВД на основе IP-протоколов и RoIP-технологий / С.Н. Ляшенко, О.И. Бокова, Н.С. Хохлов // Охрана, безопасность, связь. Т. 1, № 1. 2017. С. 187—191.
- Conventional digital land mobile radiosystems [Электронный ресурс] // International Telecommunication Union, 2019. URL: https://www.itu.int/hub/publication/r-rep-m-2474-2019/ (дата обращения: 29.04.2022).
- Digital land mobile systems for dispatch traffic [Электронный ресурс] // International Telecommunication Union, 2019. URL: https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-M.2014-3-2016-PDF-E.pdf (дата обращения: 29.04.2022).
- Narrowbanding Overview [Электронный ресурс] // United States Federal Communications Commission, 2016. URL: https://www.fcc.gov/narrowbanding-overview (дата обращения: 29.04.2022).