Тема 5. Сети транкинговой связи

Организация транкинговой радиосвязи

Транкинговая система радиосвязи (TCP) — это система, в которой используется принцип равной доступности каналов для всех абонентов или групп абонентов. Этот принцип давно и повсеместно используется в телефонных сетях, откуда в радиосвязь и пришло слово "trunk" (пучок, т.е. пучок равнодоступных каналов). Транковые системы создавались как ведомственные и хорошо себя зарекомендовали в эксплуатации в течение 30 лет, однако, на текущий момент транкинговые системы являются морально устаревшими.

Суть транкинга заключается в следующем. Рассмотрим ситуацию, когда имеется три радиочастотных канала, каждый из которых жестко закреплен за несколькими группами пользователей. Для такой системы (точнее, трех раздельных систем) типична ситуация: канал 1 перегружен и абонент этой группы не может выйти на связь, в то же время каналы 2 и 3 не используется. В случае, когда три канала объединены в единую систему (т.е. присутствует элемент централизации – базовая станция) и равнодоступны для любой группы абонентов, тот самый абонент имеет возможность установления связи.

Основной, определяющей название, функцией оборудования TCP является автоматическое предоставление свободного радиоканала по требованию абонента радиостанции и переключение на этот канал вызываемого абонента или группы абонентов. Кстати, с этой точки зрения беспроводные телефоны (такие, как PANASONIC KX-T9080), работающие на общем наборе радиоканалов, также в совокупности образуют TCP.

Транкинговые сети связи предоставляют широкий спектр услуг, а именно:

- внутренние вызовы (индивиду­альный и групповой);

- роуминг;

- передача данных;

- режим непосредственной связи;

- тарификация;

- удаленное управление абонентскими радиостанциями.

Системы профессиональной радиосвязи характеризуются большим радиусом действия, поскольку, даже в простейшей TCP, связь радиостанций между собой осуществляется через ретрансляторы базовой станции (БС). Кроме того, многозоновые TCP имеют в своем составе несколько (от единиц до сотен) БС, каждая из которых обслуживает свою зону. При этом система установит соединение между радиостанциями независимо от их местоположения и, как правило, совершенно прозрачно для пользователей вызываемой и вызывающей радиостанций.

Кроме вызова группы радиостанций (имеется во всех TCP), почти все системы обеспечивают индивидуальный вызов конкретной радиостанции. При этом многие современные TCP обеспечивают разделение всего парка радиостанций на отдельные отряды. Отряд - это совокупность радиостанций, принадлежащих определенной организации, внутри которого осуществим индивидуальный и групповой вызов. Предполагается, что вызовы между отрядами в большинстве случаев запрещены. Таким образом, каждая из организаций, пользующихся TCP, может иметь как бы свою изолированную систему связи.

Как правило, TCP обеспечивают связь радиостанции с абонентами городской и нескольких учрежденческих телефонных сетей, причем их подключение к таким сетям может осуществляться как простейшим способом по абонентским линиям (аналогично офисным АТС), так и по соединительным линиям. В последнем случае, с точки зрения нумерации абонентов, TCP становится частью телефонной сети города или учреждения.

Доступ к каждому виду услуг, предоставляемых системой, обычно программируется индивидуально для каждого абонента. Кроме того, программируется предельное время разговора и приоритет абонента. TCP имеют также защиту от несанкционированного доступа в систему. Все радиостанции, рассчитанные на работу в TCP, имеют возможность переключения в режим обычной радиостанции.

Оборудование любой TCP рассчитано на коммерческую эксплуатацию, поэтому обязательно обеспечивает учет времени использования системы каждым абонентом (тарификацию).

В таблице 4.1 приведены характеристики некоторых TCP, заложенные в стандарты. Оборудование TCP зачастую позволяет расширить эти возможности (несколько банков каналов в SmarTrunkII, многозоновая работа в LTR и т.п.).

Таблица 4.1

Основные характеристики ТСР

Характеристика	Стандарт TCP
SmarTrunk II	LTR	МРТ1327	TETRA
Способ передачи речи	Аналоговый	Аналоговый	Аналоговый	Цифровой
Структура системы	Однозоновая	Однозоновая	Многозоновая	Многозоновая
Принцип действия	Сканирующий	Распределенный управляющий канал	Выделенный управляющий канал	Выделенный управляющий канал
Скорость обмена управляющей информацией, бит/с
Время установления соединения, с	0,8 + 0,2 * N где N - число каналов	0,3	0,4	0,3
Количество каналов				Нет данных
Количество абонентов или групп			1 000 000	Нет данных
Ширина полосы в эфире, кГц/канал	12,5; 25	12,5; 25	12,5; 25	25 кГц на 4 канала
Постановка на очередь	Нет	Нет	Да	Да
Индивидуальный вызов	Да	Нет	Да	Да
Передача коротких данных	Нет	Нет	Да	Да
Передача данных по разговорным каналам	С дополнитель­ным оборудова­нием	С дополнитель­ным оборудова­нием	1200 б/с, с дополнительным оборудова-нием	7,2-28,8 кб/с при занятии 1-4 каналов

Как следует из таблицы, наиболее впечатляющими возможностями обладает стандарт TETRA, что и неудивительно - он разработан с учетом опыта эксплуатации существующих TCP.

В настоящее время наиболее эффективными в условиях России являются системы SmarTrunkII и МРТ1327.

Классификация сетей транкинговой связи

Транкинговые системы радиосвязи классифицируют по следующим признакам.

1) По методу передачи речевой информации: аналоговые и цифровые. Передача речи в радиоканале аналоговых систем осуществляется с использованием частотной модуляции, шаг сетки частот обычно составляет 12,5 кГц или 25 кГц. Для передачи речи в цифровых системах используются различные типы вокодеров, преобразующих аналоговый речевой сигнал в цифровой поток со скоростью до 4,8 кбит/с.

2) В зависимости от количества БС и общей архитектуры: однозоновые или много­зоновые системы. В системах первого типа имеется одна БС, в системах второго типа - не­сколько БС с возможностью роуминга.

3) По методу объединения БС в многозоновых системах. БС могут объединяться с по­мощью единого коммутатора (системы с централизованной коммутацией), или соединяться друг с другом непосредственно, или через системы с распределенной коммутацией (СОП).

4) По типу многостанционного доступа: FDMA, FDMA+TDMA. В большинстве ТСР используется многостанционный доступ с частотным разделением (FDMA), включая цифро­вые системы. Комбинация FDMA и многостанционного доступа с временным разделением (TDMA) используется в системах стандарта TETRA.

5) По способу поиска и назначения канала: системы с децентрализованным (СДУ) и централизованным (СЦУ) управлением. В СДУ процедуру поиска свободного канала выпол­няют абонентские радиостанции (АР). В этих системах ретрансляторы БС обычно не связаны друг с другом и работают независимо. Особенностью СДУ является относительно большое время установления соединения между абонентами, растущее с увеличением числа ретрансляторов. Такая зависимость вызвана тем, что АР вынуждены непрерывно последовательно скани­ровать каналы в поисках вызывного сигнала (последний может поступить от любого ретранслятора) или свободного канала (если абонент сам посылает вызов). Представителями данного класса являются системы стандарта SmarTrunk.

В СЦУ поиск и назначение свободного канала производится на БС. Для обеспечения нормального функционирования таких систем организуются каналы двух типов: рабочие (трафика, разговорные) и управления. Все запросы на предоставление связи направляются по каналу управления, по этому же каналу БС извещает абонентские устройства о назначении канала, отклонении запроса, или о постановке запроса в очередь.

6) По типу канала управления (КУ). Во всех ТСР каналы управления являются цифро­выми. По принципу действия КУ можно выделить три типа:

- сканирующие TCP;

- TCP с распределенным управляющим каналом;

- TCP с выделенным управляющим каналом.

Рассмотрим подробнее каждый из типов КУ.

Сканирующие TCP

Подобные системы несправедливо именуют псевдотранкинговыми. В таких системах радиостанция при вызове сама ищет незанятый канал и занимает его. В дежурном режиме радиостанция непрерывно перебирает (сканирует) все каналы системы, проверяя, не вызывают ли ее на одном из них. К таким TCP относятся некогда распространенная в СССР система "Алтай", а также система SmarTrunk II.

Сканирующие TCP просты и дешевы. В этих системах возможна полная независимость каналов БС друг от друга, поскольку их объединение в общую TCP происходит на уровне абонентской радиостанции. Это обуславливает высокую надежность и живучесть сканирую­щих TCP.

Однако таким TCP присущ ряд принципиальных недостатков. С ростом количества каналов быстро возрастает длительность установления соединения в такой системе, так как она не может быть меньше длительности полного цикла сканирования. Реально к этому добавляется еще и длительность поиска свободного канала вызывающей радиостанции. Кроме того, в сканирующих TCP затруднительна реализация многих современных требований, в числе которых многозоновость, гибкая и надежная система приоритетов, постановка на очередь при занятости системы или вызываемого абонента и т.д.

Таким образом, сканирующая TCP идеально подходит в качестве небольшой (1-8 каналов, до 200 абонентов) однозоновой системы связи, к которой предъявляются минимальные требова­ния. Это и обусловило в последние годы широкое распространение систем SmarTrunk II по России и странам СНГ.

TCP с распределенным управляющим каналом

Такими являются распространенная в США система LTR, разработанная еще в конце семидесятых годов (фирмой E.F. Johnson), и ее современная модификация ESAS (фирма UNIDEN). В этих TCP управляющая информация передается непрерывно по всем каналам, в том числе и по занятым. Это достигается использованием для ее передачи частот ниже 300 Гц. Каждый канал является управляющим для радиостанций, закрепленных за ним. В дежурном режиме радиостанция прослушивает свой управля­ющий канал. В этом канале БС непрерывно передает номер свободного канала, который радиостанция может использовать для передачи. Если же на каком-либо канале начинается передача, адресованная одной из радиостанций, то информация об этом передается на ее управляющем канале, в результате чего эта радиостанция переключается на канал, где происходит вызов.

Такие TCP обладают рядом достоинств, присущих TCP с управляющим каналом, не требуя в то же время выделения частот для него. В системе LTR установление соединения происходит настолько быстро, что оно осуществляется каждый раз при включении передатчика станции, т.е. в паузах разговора канал не занят.

Однако при выходе из строя какого-либо канала в системе LTR происходит отказ всех радиостанций, для которых он является управляющим. Кроме того, в таких TCP скорость передачи управляющей информации крайне ограничена.

Это затрудняет реализацию многих требований, предъявляемых к современным TCP, в том числе и многозоновости. Передача информации на частотах ниже 300 Гц одновременно с речью делает такие системы весьма критичными к точности регулировки. Все это привело к тому, что TCP с распределенным управляющим каналом в настоящее время не разрабатываются. Исключение составляет лишь ESAS, в котором используется данный принцип ради совместимости с LTR.

TCP с выделенным управляющим каналом

Для аналоговых систем речь идет о частотном канале, для цифровых - с временным разделением каналов - о временном слоте. В таких TCP радиостанция непрерывно прослушивает управляющий канал ближайшей к ней БС. При поступлении вызова БС передает информацию об этом по управляющему каналу, вызываемая радиостанция подтверждает прием вызова, после чего БС выделяет один из разговорных каналов для соединения и информирует об этом по управляющему каналу все участвующие в соединении радиостанции. Далее - БС переключаются на указанный канал и остаются на нем до окончания соединения. В то время, когда управляющий канал свободен, радиостанции могут передавать свои запросы на установление соединения. Некоторые типы вызовов (например, передача коротких пакетов данных между радиостанциями) могут осуществляться вообще без занятия разговорного канала.

TCP с выделенным управляющим каналом в наибольшей степени отвечает современным требованиям. В них легко реализуются многозоновость (радиостанция выбирает БС с лучше всего принимаемым управляющим каналом) и другие функции (в т.ч. постановка вызовов на очередь при занятости системы или вызываемого абонента), что переводит такие TCP из класса систем с отказом при занятости в класс систем с ожиданием. Тем самым не только повышается комфортность работы пользователя, но и, главное, увеличивается пропускная способность системы. В системах с отказом при занятости для обеспечения приемлемого качества сервиса в любой момент времени должен простаивать хотя бы один канал, чтобы абонент мог произвести вызов. В системе с ожиданием загружены могут быть все каналы - вызывающему абоненту придется немного подождать в очереди.

Однако выделение отдельного управляющего канала имеет свои недостатки. Во-первых, это худшее использование частотного ресурса. В большинстве систем этот недостаток смягчается возможностью перевода управляющего канала в разговорный режим при перегрузке системы. Во-вторых, выделенный управляющий канал является уязвимым местом TCP — при отсутствии специальных мер отказ оборудования БС для этого канала означает отказ всей БС. К тому же результату приводит и появление помехи на частоте приемника управляющего канала БС. По этой причине при разработке TCP с выделенным управляющим каналом автоматическому контролю за работой оборудования БС уделяется особое внимание. При обнаружении отказа или длительной помехи на частоте приема БС делает управляющим другой, исправный канал.

Выделенный управляющий канал предусматривается большинством современных стандартов на TCP - как закрытых, так и открытых (МРТ1327), а также перспективным стандартом TETRA.

7) По способу удержания канала. ТСР позволяют абонентам удерживать канал связи на протяжении всего разговора или только на время передачи. Первый способ, называемый также транкингом сообщений, наиболее традиционен для систем связи и обязательно ис­пользуется во всех случаях применения дуплексной связи или соединения с ТфОП.

Второй способ может быть реализован только при использовании полудуплексных ра­диостанций (PC), в которых передатчик включается только на время произнесения абонен­том фраз разговора. В паузах между окончанием фраз одного абонента и началом ответных фраз другого передатчики PC выключены. Значительная часть ТСР эффективно использует такие паузы, освобождая канал немедленно после окончания работы передатчика АР. Репли­ки одного и того же разговора могут передаваться по разным каналам. Такой метод обслужи­вания, предусматривающий удержание канала только на время передачи, называется тран­кингом передачи. Платой за высокую эффективность данного метода служит снижение ком­фортности переговоров - в состоянии высокой нагрузки канал предоставляется с некоторой задержкой, что приводит к фрагментарности и раздробленности разговора.

Принципы построения транкинговых сетей

На рисунке 4.1 представлена обобщенная структурная схема однозоновой ТСР. В состав БС, кроме радиочастотного оборудования (ретрансляторы, устройство объединения радио­сигналов, антенны) входят также коммутатор, устройство управления (УУ) и интерфейсы к внешним сетям.

Ретранслятор - набор приемопередающего оборудования, обслуживающего одну пару несущих частот. До последнего времени в подавляющем большинстве ТСР одна пара несущих означала один канал трафика (КТ). В настоящее время, с появлением систем стан­дарта ТЕТRА и системы EDACS ProtoCALL, предусматривающих временное уплотнение, один РТ может обеспечить два или четыре КТ.

Антенны БС, как правило, имеют круговую диаграмму направленности. При располо­жении БС на краю зоны применяются направленные антенны. БС может располагать как единой приемопередающей антенной, так и раздельными антеннами для приема и передачи. В некоторых случаях на одной мачте может размещается несколько приемных антенн для борьбы с замираниями, вызванными многолучевым распространением.

Устройство объединения радиосигналов позволяет использовать одно и то же антен­ное оборудование для одновременной работы приемников и передатчиков на нескольких частотных каналах. РТ работают только в дуплексном режиме, разнос частот приема и пере­дачи составляет от 45 МГц до 3 МГц.

Коммутатор в однозоновой ТСР обслуживает весь ее трафик, включая соединение абонента с ТфОП и все вызовы, связанные с передачей данных.

Устройство управления обеспечивает взаимодействие всех узлов БС. Оно также обра­батывает вызовы, осуществляет аутентификацию вызывающих абонентов, ведение очередей вызовов, внесение записей в БД повременной оплаты. В некоторых системах УУ регулирует максимально допустимую продолжительность соединения с ТСР. Как правило, используются два варианта регулировки: уменьшение продолжительности соединения в заранее заданные часы наибольшей нагрузки, или адаптивное изменение в зависимости от текущей нагрузки.

Интерфейс к ТфОП реализуется в ТСР различными способами. В недорогих системах (например, SmarTrunk) подключение производится по двухпроводной коммутируемой линии. Более современные ТСР имеют в составе интерфейса к ТфОП аппаратуру прямого набора номера, обеспечивающую доступ к абонентам транкинговой сети с использованием стандартной нумерации АТС. Ряд систем использует цифровое ИКМ-соединение с аппаратурой АТС.

Одной из основных проблем при регистрации и использовании транкинговых систем в России является проблема их сопряжения с ТфОП. При исходящих вызовах транкинговых абонентов в телефонную сеть сложность заключается в том, что некоторые транкинговые системы не могут набирать номер в декадном режиме по абонентским линиям в электроме­ханических АТС. Таким образом, необходимо использовать дополнительное устройство пре­образования тонального набора в декадный. Входящая связь от абонентов ТфОП к радиоабонентам оказывается также проблематичной по ряду причин. Большинство транкинговых сетей сопрягаются с телефонной сетью по двухпроводным абонентским линиям. В этом случае после набора номера ТфОП требуется донабор номера радиоабонента. Однако после полного набора номе­ра абонентской липни и замыкания шлейфа управляющим устройством транкинговой систе­мы телефонное соединение считается установленным, и дальнейший набор номера в им­пульсном режиме затруднен, а в некоторых случаях невозможен. Применяемый в системе SmarTrunk II детектор «щелчков» не гарантирует правильности импульсного донабора, так как качество приходящих из абонентской линии «импульсов-щелчков» зависит от ее элек­трических характеристик, длины и т.д.

Телефонный интерфейс ELTA 200 предназначен для сопря­жения транкинговых систем связи разных типов с ТфОП; интерфейс позволяет сопря­гать транкинговые системы связи и ТфОП по цифровым каналам (2,048 Мбит/с), трехпроводным соединительным линиям с декадным набором номера или по четырехпроводным каналам тональной частоты с системами сигнализации различных типов с ведомственными телефонными сетями.

Соединение с ТфОП является традиционным для ТСР, но в последнее время все более возрастает число приложений, предполагающих передачу данных, всвязи с чем наличие интерфейса к сетям передачи данных (СПД) также становится обязательным.

Терминал технического обслуживания и эксплуатации располагается, как правило, на БС. Терминал предназначен для кон­троля за состоянием системы, проведения диагностики неисправностей, тарификации, внесе­ния изменений в БД абонентов. Большинство ТСР имеют возможность удаленного подклю­чения терминала через ТфОП или СПД.

Необязательными, но характерными элементами ТСР являются диспетчерские пульты (ДП). ТСР используются в первую очередь потребителями, работа которых требует наличия диспетчера - службы охраны, скорая медицинская помощь, пожарная охрана, транспортные компании, муниципальные службы. ДП могут включаться в систему по абонентским радио­каналам, или подключаться по выделенным линиям непосредственно к коммутатору БС. В рамках одной ТСР может быть организовано несколько независимых сетей связи. Пользова­тели каждой из таких сетей не будут замечать работу соседей и не смогут вмешиваться в ра­боту других сетей. Поэтому в одной ТСР могут работать несколько ДП, различным образом подключенных к ней.

Абонентское оборудование ТСР включает в себя широкий набор устройств. Как прави­ло, наиболее многочисленными являются полудуплексные PC, так как они в наибольшей степени подходят для работы в замкнутых группах. В основном это функционально ограниченные устройства, не имеющие цифровой клавиатуры. Их пользователи имеют возможность связы­ваться лишь с абонентами внутри своей рабочей группы, а также посылать экстренные вызовы диспетчеру. Существуют и полудуплексные PC с широким набором функций и цифровой клавиату­рой, но они, будучи существенно дороже, предназначены для более узкого круга абонентов.

В ТСР постепенно находит применение новый класс абонентских устройств - дуп­лексные PC, напоминающие сотовые телефоны, но обладающие значительно большей функ­циональностью по сравнению с последними.

Как полудуплексные, так и дуплексные транкинговые PC выпускаются не только в портативном, но и в автомобильном исполнении. Как правило, выходная мощность передат­чиков автомобильных PC выше.

Относительно новым классом устройств для ТСР являются терминалы ПД. В аналого­вых ТСР терминалы ПД - это специализированные радиомодемы, поддерживающие соответ­ствующий протокол радиоинтерфейса. Для цифровых систем более характерно встраивание интерфейса ПД в АР различных классов. В состав автомобильного терминала ПД часто вклю­чают спутниковый навигационный приемник системы Global Position System (GPS), предназна­ченный для определения текущих координат и последующей передачи их диспетчеру на пульт.

В ТСР используются также стационарные PC, преимущественно для подключения ДП. Выходная мощность передатчиков стационарных PC приблизительно такая же, как у автомобильных.

Архитектура многозоновых ТСР может строиться по двум принципам. Если опреде­ляющим фактором является стоимость оборудования, используется распределенная межзо­нальная коммутация. Каждая БС в такой системе имеет свое собственное подключение к ТфОП. При необ­ходимости вызова из одной зоны в другую он производится через интерфейс ТфОП, включая процедуру набора телефонного номера. Кроме того, БС могут быть непосредственно соеди­нены с помощью физических выделенных линий связи.

Использование распределенной межзональной коммутации целесообразно лишь для систем с небольшим количеством зон и с невысокими требованиями к оперативности межзо­нальных вызовов (особенно в случае соединения через коммутируемые каналы ТфОП). В системах с высоким качеством обслуживания используется архитектура с ЦК. Структура многозоновой ТСР с ЦК изображена на рисунке 4.2.

Основной элемент этой схемы - межзональный коммутатор. Он обрабатывает все ви­ды межзональных вызовов, т.е. весь межзональный трафик проходит через один коммутатор, соединенный с БС по выделенным линиям. Это обеспечивает быструю обработку вызовов, возможность подключения централизованных ДП. Информация о местонахождении абонен­тов системы с ЦК хранится в единственном месте, поэтому ее легче защитить. Кроме того, межзональный коммутатор осуществляет также функции централизованного интерфейса к ТфОП и СКП, что позволяет при необходимости полностью контролировать как речевой трафик ТС, так и трафик всех приложений ПД, связанный с внешними СПД, например Ин­тернет. Таким образом, система с ЦК обладает более высокой управляемостью.