» История создания стандарта APCO 25

История создания стандарта APCO 25

Первой попыткой стандартизации транкинговых систем в конце 70-х годов прошлого века был APCO Project 16, который определял только функциональные возможности транкинговых систем и не описывал какие либо протоколы взаимодействия оборудования разных производителей.

Поэтому следующим шагом в работе APCO стал Проект 25, который был начат в 1989 году. При создании стандарта в первую очередь учитывались требования служб общественной безопасности, но не исключалась возможность его применения и как коммерческого.

Основополагающими принципами разработки стандарта APCO 25, сформулированными его разработчиками, были требования:

  • по обеспечению плавного перехода к средствам цифровой радиосвязи (т.е. возможности совместной работы на начальном этапе базовых станций стандарта с абонентскими аналоговыми радиостанциями, используемыми в настоящее время);
  • по созданию открытой системной архитектуры для стимулирования конкуренции среди производителей оборудования;
  • по обеспечению возможности взаимодействия различных подразделений служб общественной безопасности при проведении совместных мероприятий.

Активное участие в данном проекте приняли компании Motorola и Ericsson, представившие свои цифровые радиотехнологии и свои вокодеры, и породившие большие споры при выборе метода доступа к каналу и скорости цифрового потока в канале.

Метод доступа к каналу: FDMA или TDMA

Было предложено три метода доступа: CDMA, FDMA (Motorola) и TDMA (Ericsson). CDMA был быстро отвергнут по ряду причин. Значительного рассмотрения подверглись оставшихся два. Окончательный выбор FDMA был обусловлен несколькими факторами:

  • Временные показатели наличия оборудования. FDMA обеспечивал немедленную миграцию в каналы с разносом 12,5 кГц, обеспечивая тем самым удвоение существующих каналов. Вместе с этим оборудование с такой сеткой уже выпускалось как в США, так и Европе. При производстве оборудования FDMA 12,5 кГц использовались компоненты, предназначенные специально для мобильной радиосвязи, и не было необходимости применять модифицированное сотовое оборудование с малой мощностью и сильно развитой инфраструктурой. Ярким примером данной технологии являлись цифровые системы ASTRO компании Motorola, которые начали поставляться на рынок с 1992 года. TDMA оборудование на момент обсуждения (Март 1993 г.), по заявлению компании Ericsson, могло быть предложено только через 2 года (т.е. к 1995 г.). Службы безопасности не могли себе этого позволить.
  • Прямой режим работы. Немаловажным условием при создании стандарта была возможность работы напрямую радиостанция с радиостанцией без участия инфраструктуры. Реализация данного режима для FDMA очень проста. TDMA очень непросто поддерживает данный режим из-за того, что необходимо оборудование для синхронизации временных слотов. В связи с этим Ericsson предложил использовать для данного режима технологию FDMA с каналом 12,5 кГц.
  • Большие и маленькие системы. Это другой критический момент. Аргументы в пользу TDMA для больших систем комитетом не обсуждались. Однако службы безопасности в большей степени составляют тысячи отдельных, территориально разделенных маленьких агентств, использующих маленькие системы с числом абонентов 25-70. Данные агентства не могут использовать более чем один FDMA канал или один TDMA временной слот. В таких системах становится нерационально использование TDMA технологии с точки зрения экономии спектра. Приходится использовать все временные слоты в канале. FDMA системы здесь значительно выигрывают, так как используют только необходимую часть спектра.
  • Миграция. При внедрении любой новой технологии появляется необходимость замены всего старого оборудования, если конечно новая технология не имеет совместимости вниз с существующим оборудованием. Это ключевое требование предложенного многорежимного стандарта Проекта 25. Данный проект предназначен создать стратегию миграции, которая не только имеет совместимость вниз с существующими системами, но и совместимость между приемниками первой (12,5 кГц) и второй фазы (6,25 кГц). При наличии совместимости миграция во вторую фазу более мягкая. При начале выпуска оборудования второй фазы пользователи смогут покупать его и работать в системах первой фазы. При полной замене оборудования необходимо будет только перепрограммировать системы на новый частотный план. При отсутствии данного пути миграции требуется полное изменение систем при каждой новой фазе.
  • Влияние TDMA систем на другое оборудование. В Европе в тоже время уже эксплуатировались сотовые системы связи стандарта GSM, использующие технологию TDMA. Использование данных систем обнаружило феномен детектирования аудиосигнала: маломощные носимые терминалы приводят к возникновению жужжащего звука в АМ/ЧМ радиостанциях и многой другой бытовой аппаратуре из-за того, что их передатчики работают в пульсирующем режиме для передачи тайм-слота. Это тот же феномен, который позволяет прослушивать мощные КВ-станции на домашних стереосистемах. Так как TDMA - цифровая передача сигналов, то собственно голос не слышен, только жужжание. Данное влияние обусловлено низким качеством приемников бытовой аппаратуры и может быть устранено только ужесточением требований к параметрам вновь выпускаемого оборудования. Так как в транкинговых системах используется более мощное оборудование, Проект 25 исключил возможность использования TDMA, чтобы избежать более сильного влияния.

Представители и организации, связанные с обеспечением безопасности, вместе с производителями установили, что для них метод доступа FDMA является оптимальным. Главное его преимущество - меньшая стоимость инфраструктуры для охвата требуемой площади, рациональное управление частотами, фиксированное назначение каналов для закрытых пользовательских групп, использование существующей сетевой инфраструктуры, белее экономичное использование существующих диапазонов частот и большая надежность и экономичность мобильных терминалов.

Одновременно в Европе начал внедряться цифровой стандарт транкинговой связи TETRA. Этот стандарт использует 4-слотовый TDMA с каналом 25 кГц. Так как в Европе в основном имеет место большая плотность населения на относительно небольшой территории, TDMA является более подходящим выбором.

Скорость потока в канале

Проектом 25 была выбрана стандартная скорость 9,6 кбит/сек. Эта скорость может быть достаточно просто передана в канале 12,5 кГц.

Проект 25 имел перспективу для развития второй фазы с каналом 6,25 кГц (или его эквивалентом). Министерство Обороны США, являющееся основным пользователем оборудования Проекта 25, с помощью независимых экспертов проверило тот факт, что с помощью предложенного способа модуляции поток со скоростью 9,6 кбит/сек может быть передан в канале 6,25 кГц и совместим с приемниками первой фазы проекта.

Довольно часто в службах безопасности используются системы синхронного вещания, в которых несколько разнесенных передатчиков работают на одной частоте для увеличения зоны охвата. Данный способ относительно просто реализуется в аналоговых системах. В цифровых - значительно сложнее, и чем выше скорость цифрового потока в канале, тем сложнее синхронизировать передаваемый сигнал. Следствием этого на тот момент не было ни одного предложения TDMA систем синхронного вещания, в то время как системы, использующие технологию Проекта 25, уже существовали и функционировали. Одним из примеров являются цифровые системы ASTRO компании Motorola.

Вокодер

После оценки нескольких технологий был выбран вокодер IMBE™ (Improved Multi-Band Excitation) американской компании DVSI, показавший лучшее качество голоса одновременно с меньшей сложностью алгоритма, что позволило значительно упростить его использование в абонентских радиостанциях.

Все тестируемые вокодеры были подвержены интенсивному комплексу тестов на разборчивость речи (MOS - Mean Opinion Score), при которых сравнивалось качество мужского и женского голоса в различных условиях. Эти условия включали симуляцию движения автомобиля с разной скоростью, а также влияние различных посторонних шумов, таких как сирены, выстрелы, шум от движения транспорта, т.е. то, с чем наиболее часто сталкиваются пользователи радиосистем служб общественной безопасности. В результате данного исследования было объективно видно, что вокодер IMBE является лучшим практически во всех тестах по сравнению с другими тестируемыми вокодерами.

Вокодер IMBE основан на голосовой модели (MBE - Multi-Band Excitation), которая была разработана в Массачусетском технологическом институте (MIT - Massachusetts Institute of Technology). Он анализирует оцифрованный голос и вместо передачи самих отсчетов передает только характеристики, описывающие голос. Приемник использует эти характеристики и синтезирует синтетический эквивалент переданного голоса. Вокодер сильно оптимизирован под человеческий голос и не очень хорошо передает другие типы сигналов, включая DTMF. Этим самым он улучшает качество голоса за счет отсеивания акустического шума, принятого микрофоном передающей радиостанции.

Вокодер IMBE преобразует речевой сигнал в цифровой поток со скоростью 4400 бит/сек. После помехоустойчивого кодирования для коррекции ошибок при приеме суммарная скорость составляет 7200 бит/сек. Оставшаяся скорость 2400 бит/сек используется для передачи служебной сигнальной информации.

В результате описанных выше обсуждений в Ноябре 1993 года Управляющий Комитет Проекта 25 по рекомендациям TIA остановил свой выбор на следующих параметрах самого главного интерфейса - Общего Радиоинтерфейса (CAI):

  • метод доступа - FDMA;
  • канальный разнос - 12,5 кГц;
  • скорость передачи информации в канале - 9,6 кбит/сек;
  • вид модуляции - C4FM (или CQPSK);
  • вокодер - IMBE (скорость 4,4 кбит/сек).

Также были определены еще пять интерфейсов для взаимодействия оборудования различных производителей:

  • интерфейс с терминалом передачи данных;
  • интерфейс с другими системами (межсистемный интерфейс);
  • интерфейс с телефонной сетью;
  • интерфейс с центром управления системой;
  • интерфейс с сетью передачи данных.

Последние документы по установлению стандарта были утверждены и подписаны в августе 1995 г. на международной конференции и выставке APCO в Детройте. Эти документы определили основные принципы построения радиоинтерфейса и других системных интерфейсов, протоколы шифрования, методы речевого кодирования и т.д.

В ходе работы над проектом была реализована цифровая система связи, использующая метод доступа к каналу FDMA при ширине канала 12,5 кГц. Для цифровой передачи оборудование этого поколения использует модуляцию C4FM (Continuous 4 level FM - непрерывная 4-уровневая частотная модуляция), которая является разновидностью модуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying - квадратурная фазовая манипуляция), что позволяет иметь обратную совместимость с существующими аналоговыми FM радиостанциями. При этом радиостанции могут работать как в аналоговом, так и в цифровом режиме.

Фаза II

В связи с повышением требований пользователей к системам подвижной радиосвязи в 1996 году было принято решение о разделении всех спецификаций стандарта на два этапа реализации, которые были обозначена как Фаза I и Фаза II. В середине 1998 года были сформулированы функциональные и технические требования к каждой из фаз стандарта, подчеркивающие новые возможности Фазы II и ее отличия от Фазы I.

Фаза II направлена на удвоение эффективности использования радиочастотного спектра (канал шириной 6,25 кГц или его эквивалент), дальнейшее усовершенствование межсистемного интерфейса и реализацию двух дополнительных интерфейсов (интерфейс с диспетчерской консолью и интерфейс с базовой станцией). Кроме этого в спецификацию были включены дополнительные функциональные возможности (передача информации о местоположении абонентов, программирование радиостанций через эфир и др.).

После многолетнего поиска и изучения, а затем длительных обсуждений 2 мая 2007 года Управляющим Комитетом P25 было принято два значимых решения для второй фазы проекта:

  • Первое, выбран новый вокодер для всех приложений Фазы II. Это усовершенствованный двухскоростной вокодер AMBE+2 компании DVSI, который расширит возможности систем P25 за счет улучшения параметров и качества голоса, а так же полностью совместим с вокодером Фазы I.
  • Второе, выбран метод доступа TDMA с 2-мя временными слотами при скорости 12 кбит/сек, который обеспечивает эквивалент каналу 6,25 кГц. Это позволит системам P25 серьезно конкурировать с транкинговыми сетями TETRA по спектральной эффективности (4 канала в полосе 25 кГц).

Данное решение было сделано для удовлетворения постоянно расширяющихся потребностей служб общественной безопасности в эффективности и емкости беспроводных систем передачи голоса и данных, а также обеспечения не только плавной миграции и совместимости с системами Фазы I, но и значительного расширения функциональных возможностей систем P25.

Тем самым Фаза II предусматривает плавный переход от технологии FDMA к TDMA, обратную совместимость абонентского оборудования TDMA с системами FDMA, обеспечение зоны покрытия систем TDMA аналогичной FDMA, улучшенное качество голоса.

Полный комплект документов для производства оборудования Фазы II был опубликован в ноябре 2010 года, а в августе 2011 года была отгружена первая в мире TDMA система ASTRO 25 производства Motorola.

Стандарт P25 разрабатывался в основном специалистами США, из-за чего заметна некоторая специфичность требований и их реализация. Повышенная мощность радиостанций, устойчивость к интерференции, совместимость с аналоговыми системами связи, большая зона охвата базовых станций - все это позволяет использовать системы P25 как в городах с высотной застройкой и высокой плотностью абонентов, так и в сельской местности, в районах со сложным рельефом, в местах, где уже функционируют аналоговые системы связи.

Немалый отпечаток наложило и то, что повсюду в мире сложилась традиция, при которой переход на прогрессивные технологии вначале осуществляется в индустриальных центрах и столицах, а уже затем постепенно распространяется на периферию. Но системы, оптимальным образом подходящие для городской застройки, не всегда будут соответствовать требованиям сельской местности. Стандарт P25 с самого начала разработки был нацелен на создание универсальной системы, максимальным образом удовлетворяющей широкому спектру задач в области подвижной радиосвязи. Поэтому участие в работе над проектом кроме служб общественной безопасности приняли организации по охране и использованию природных ресурсов (лесничества, рыболовные хозяйства), службы спасения, береговая охрана и т.д.

Системы, соответствующие стандарту P25, начинают все больше и больше производиться и вводиться в эксплуатацию. По состоянию на май 2015 года зарегистрировано 36 производителей оборудования APCO 25, благодаря которым на сегодняшний день более 660 действующих систем P25 в 86 странах по всему миру обеспечивают взаимодействие правоохранительных органов в различных условиях, включая большие города и сельскую местность. Однако использование данного оборудования не ограничено правоохранительными органами, оно выбрано и используется и в промышленности, например на железнодорожном транспорте.




Вернуться к разделу "Системы радиосвязи стандарта APCO P25"