Digitální trunkové sítě standardu DMR

Dnešní doba je ve znamení masivní digitalizace všeho, na co se podíváte a radiokomunikacím se samozřejmě také nevyhnula. Nejrozšířenější digitální komunikační systém je v současné době beze sporu systém DMR. Jednak je tomu díky možnosti postupné migrace ze stávajících analogových sítí na digitální a významná je také stránka finanční, protože pořizovací náklady na tuto technologii jsou výrazně nižší oproti například technologii Tetra nebo Tetrapol. V tomto článku si tedy uděláme celkový přehled o těchto profesionálních digitálních komunikačních sítích, v čem se jednotlivé systémy liší a jejich vlastnosti.

Konvenční analogové sítě

Jednoznačným kladem analogové sítě je srozumitelnost modulace. To je jeden z podstatných důvodů, proč ještě tolik analogových sítí je stále v provozu. Kvalita přednesu je ale velmi omezená vzdáleností radiostanic od základnové stanice nebo převaděče. Výrazným způsobem zde zasahuje i tzv. Mobil-efekt tedy poklesy signálu způsobené pohybem vysílacích nebo přijímacích stanic. Četnost a hloubka poklesu signálu je závislá na používaném pásmu, anténě, výkonu, vzdálenosti stanic, ale samozřejmě i geografickými podmínkami. Na druhou stranu je možné pomocí analogových radiostanic uskutečnit mnohem delší oboustranné spojení než to umožňují digitální systémy (především využívající víceslotové TDMA). Tato skutečnost ovšem v profesionální sféře nebývá podstatná.

Jasnou nevýhodou konvenčních sítí je obsazenost radiového kanálu. V jeden moment může vysílat pouze jedna radiostanice. V případě simplexního provozu, je obsazen jeden radiový kanál, případě semiduplexního nebo duplexního převaděčového režimu jsou obsazeny současně jedním hovorem dva kmitočty.

Analogové radiostanice umožňují pomocí speciálních doplňků k modulaci (tóny CTCSS/DCS) omezit rušení, popřípadě výběr radiového kanálu a při použití sdílených radiových sítí (různé kódy pro různé uživatele) lze využí i funkce selektivního volání. V případě využití tónových voleb je možná i identifikace volajícího či volaného.

Co se týká zabezpečení hovoru proti náhodnému odposlechu, jsou v čistě analogovém režimu velmi omezené možnosti. Hlas je možné zakódovat buď jednoduchým invertorem spektra (stejný princip, jaký používala SNB, později Policie ČR v pásmu 80 MHz), nebo rozdělit hovorové spektrum na přesně definované segmenty a se ty mezi sebou dle šifrovacího klíče permutují. Dalším způsobem je pomocí rychlé skokové změny kmitočtu pro inverzi spektra dle definovaného klíče (tzv. Rolling code scrambler). Veškeré utajovače řeči vždy ovšem znamenají jistou degradaci kvality zvuku.

Analogové trunkové sítě

Od 80 let minulého století vznikaly velké analogové radiové sítě pomocí soustavy vícekanálových převaděčů, které řídil kontrolní “počítač”. V rámci zvětšení kapacity sítě byly dynamicky aktivovány kmitočtové duplexní páry, na kterých takto probíhalo několik nezávislých privátních nebo skupinových hovorů současně. V případě, kdy došlo k výpadku jednoho komunikačního kanálu, došlo jen ke snížení kapacity převaděče, ale provoz mohl dále pokračovat na jiných kmitočtech.

Princip této radiové sítě byl takový, že vždy na jednom kmitočtu vysílal tzv. Řídící kanál na kterém byla vysílána data pro mobilní stanice. Tato data obsahovala informaci o tom, na kterých kmitočtech (respektive kanálech) probíhají hovory a jaké jsou na nich hovorové skupiny. Pokud radiostanice příslušela k aktivní skupině, automaticky se přeladila na příslušný kanál, kde probíhal hovor. Pokud hovor skončil, radiostanice se automaticky vracely na příjem na servisní datový kanál. Hovorové (hlasové) kanály mohly být dále zabezpečeny subtónem a nebo digitálním kódem skupiny, aby radiostanice v místě se špatným signálem, nezůstávala na kmitočtu i po ukončení hovoru.

I pro tyto trunkové sítě platí to, co pro klasické analogové (semi) duplexní sítě, tj. Každý hovor obsazuje a blokuje tak dva kmitočty současně (duplexní pár). Pokud se jednalo o sítě dále linkované na další převaděče pro zvětšení pokrytí území, mohlo být současně obsazených kmitočtů mnohem více.

Od devadesátých let minulého století až do současnosti fungovaly (nebo stále ještě výjimečně fungují) trunkové sítě různých výrobců a různých systém (mezi sebou vzájemně nekompatibilních) například MPT1327, Motorola Smartnet, Smartzone, Privacy plus, LTR, EDACS.

Digitální radiové sítě

S příchodem digitalizace radiových telekomunikčních sítí se objevila celá řada novinek a funkcí, které bych rád připomenul.

Digitální radiová komunikace přináší při porovnání s analogovou radiovou komunikací několik specifických kladů a záporů. Mezi jednoznačné klady patří téměř úplná likvidace mobil-efektu, který ovlivňuje přednes. Poklesy signálu se samozřejmě objevují i zde, jelikož ale ovlivňují jen “výpadky v datech” dojde buď k úplné ztrátě spojení, nebo je možné tyto krátké výpadky zrekonstruovat díky vhodné redundanci dat, nebo vhodným samoopravným algoritmům. Každý digitální systém je v tomto směru specifický. U některého je kladen důraz na kvalitu přednesu za cenu častějších výpadků komunikace při slabém signálu (předpokládá se kvalitní infrastruktura s větším počtem převaděčů), jiný naopak za cenu horší srozumitelnosti dovolí chybovost přenosu i v řádech jednotek až desítek procent.

Zásadní stránkou digitalizace komunikace je softwarová stránka, která přináší mnoho funkcí, které jsou buď základní “výbavou” a nebo je možné je na přání zákazníka, aniž by to znamenalo zásadní zásah do celého digitálního systému. Radiové sítě DMR umožňují přenos uživatelských dat , textových zpráv nebo pozice radiostanic (GNSS popřípadě lokalizace uvnitř budov pomocí Bluetooth majáků), mají možnost řízení přístupu k síti, identifikace radiostanic, selektivní volání individuálních účastníků nebo skupinám účastníků, možnost přeprogramování nebo naopak “umrtvení” ztracených radiostanic, zabezpečení komunikace na velmi vysoké kryptografické úrovni (až AES 256bit). To jsou funkce, které patří dnes již k základní softwarové výbavě.

Digitální radiové sítě můžeme dělit na dva základní druhy podle toho, jakým způsobem používají radiový kanál.

1. FDMA (Frequency Division Multiple Access) jsou radiové systémy, které využívají pro přenos dat radiostanic více radiových kanálů (dynamicky otevírané hovorové kanály – princip podobný analogové trunkové síti), nebo jeho frekvenční část (radiový kanál je rozdělen na polovinu a zde probíhají dva separátní hovory). Typickým příkladem multikanálového radiového systému je Tetrapol, typickým příkladem systému s frekvenčním dělením je systém NXDN.

2. TDMA (Time Division Multiple Access) jsou radiové systémy, které obsazují celý radiový kanál (nebo více kanálů), na něm se ale střídají data různých uživatelů. Každý z aktivních uživatelů má přidělen časový rámec a převaděč (nebo v některých případech i samotná radiostanice) určuje časovou synchronizaci. TDMA systémy oproti FDMA systémům jedno omezení, kterým je maximální možná vzdálenost vysílací a přijímací stanice. Jelikož se vzdáleností stanic stoupá i časové zpoždění příjmu signálu (dat), existuje horizont, za kterým když se stanice ocitne, signály jsou již tak zpožděny tak, že není možné korektně synchronizovat časový rámec. U sítí typu Tetra se čtyřmi časovými rámci (time sloty) je například tato hranice ve vzdálenosti 80 km, u dvouslotových systémů typu DMR, je tato vzdálenost větší, než standardní radiový horizont.

Systém DMR a jeho typové třídy

Civilní certifikované digitální systémy se dělí do tří základních úrovní (tříd).

TIER I. bezlicenční radiostanice

Tento systém používají civilní digitální radiostanice v pásmu 446 MHz označené jako dPMR (Digital Personal Mobile Radio) tedy moderní nástupce občanských radiostanic pro pásmo 27 MHz. V kmitočtovém rozsahu 446-446,1 jsou dnes povoleny pouze analogové stanice, v rozsahu 446,1-446,2 MHz mohou pracovat digitální PMR stanice. Vyzářený výkon těchto stanic je stejně jako u analogových stanic omezen na 500mW. Šířka kanálu dPMR je 6,25 kHz. Stanice dPMR používají jiný hlasový vokodér než licencované DMR stanice s označením ASELP (Algebraic Code-Excited Linear Prediction). Stanice dPMR a DMR tedy spolu nejsou kompatibilní. Stanice dPMR navíc nemají žádný systém zabezpečení hovoru (šifrování) a nepodporují ani použití převaděčů.

TIER II. licencované konvenční stanice

Jedná se o standardní digitální radiostanice DMR, které mohou pracovat v pásmech 30-960 MHz (v současnosti se ovšem vyrábějí jen pro pásma 136-960 MHz). DMR stanice zabírají kanál o šířce 12,5 kHz. Systém DMR pracuje v režimu TDMA se dvěma časovými sloty. V praxi tedy mohou hovořit dvě stanice současně na jedné frekvenci, pokud pracují v režimu převaděče, tj. převaděč určuje časovou synchronizaci, a nebo si u novějších stanic pracujících v režimu DCDM (Dual Capacity Direct Mode) časovou synchronizaci určí stanice sami i v direktním režimu. DMR používá hlasový kodek AMBE+2 (Advanced Multiband Excitation), což je hlasový kodek, který je nejen relativně velmi ztrátový (co se kvality zvuku týče), ale také velmi robustní, neboť používá nízké přenosové rychlosti 3,6 kbit/s a autokorekčních algoritmů.. Znamená to tedy, že i při poměrně vysoké chybovosti přenosu je stále možné přenášet srozumitelnou hlasovou informaci.

TIER III. trunkové DMR sítě

Radiové i hlasové vlastnosti jsou identické se systémem TIER II, jedná se ovšem o digitální trunkovou síť. Znamená to tedy, že převaděč vysílá jeden řídící kanál a několik hlasových kanálů, které jsou dynamicky přiřazovány uživatelům dle konfigurace a zatížení sítě.

Digital VOTING

POROVNÁNÍ ZÁKLADNÍCH TYPŮ DMR SÍTÍ

Digitální sítě, které slouží pro vykrytí většího území, nebo mají umožnit komunikaci velkého množství uživatelů, se dělí na několik základních typů.

IP SITE CONNECT

Jedná se o propojení konvenčních (netrunkových) převaděčů pomocí pomocí standardní IP sítě. Propojit je možné maximálně 15 stanovišť a umožnit tak roaming účastníků. Tento systém je vhodný pro sítě do 200 účastníků na jednom stanovišti. Převaděče nemají řídicí kanál, na každém z nich mohou současně probíhat pouze dva nezávislé hovory (2 timesloty). Tyto sítě nepotřebují kontrolér pro řízení hovorů. Tento systém umožňuje standardní služby, včetně přenosu textových zpráv a GPS, dálkové zablokování nebo odblokování stanice, ověření účastníka dle vlastního čísla nebo kódu RAS (Restriction Access System).

Výhodou tohoto systému je možnost propojení několika převaděčů z různých kmitočtových pásem a možnost jak lokální komunikace účastníků, tak napříč všemi převaděči pomocí definovaných skupin nebo timeslotů. U radiostanic je možné nastavit automatický roaming, tedy migraci mezi převaděči bez nutnosti přepínání kanálů uživatelem.

Tento systém není určen pro zvětšení kapacity sítě, ale pro zvětšení oblasti pokrytí. Zvýšení pokrytí je možné tzv. Votingem a to dvěma způsoby.

Pokud se jedná systém několika převaděčů na několika duplexních párech, pak je možné ve stanici nastavit úroveň přijímaného signálu, kdy při poklesu pod tuto úroveň stanice automaticky začne prohledávat seznam kmitočtů a hledat převaděč se silnějším signálem. Možný je ale také opačný případ, kdy je tzv. “digital voting” aktivován na převaděči s vyšším vyzářeným výkonem,pokrývajícím geograficky souvislou oblast. V tom v případě síť používá jeden vysílač na jednom duplexním páru a pomocí IP sítě je k němu připojeno několik pasivních “satelitních” přijímačů. Hlavní převaděč pak porovnává úroveň signálu z jednotlivých stanovišť a poslouchá na tom, kde je signál přijímané mobilní stanice nejsilnější. V tomto případě není potřeba v mobilní stanici nic nastavovat a vše si řídí převaděč.

CAPACITY PLUS

Je již systém trunkového typu, který je určen jak pro zvětšení pokrytí území, tak zvýšení kapacity sítě. Síť CAP+ může existovat ve verzi Single-Site, tedy jeden převaděč a nebo Multi-site (dříve nazývaný Linked Capacity Plus), který umožňuje propojit až 15 stanovišť. Na každém stanovišti je možné aktivovat maximálně 8 převaděčů (tedy až 16 souběžných hovorů) a k tomu je možné mít aktivních až 24 datových kanálů (nedynamicky otevíraných). Pro provoz více stanovišť opět není potřeba kontrolér, jen převaděče zapojené do IP switche.

Dynamický řídící kanál (označený jako “klidový” neboli “REST CHANNEL”) je řídící kanál, který se neustále střídá i na volných hovorových kanálech. V případě, kdy je plná kapacita, může i tento zastat úlohu hovorového kanálu. V případě, že dojde k selhání jednoho z převaděčů, přesune se REST kanál na jiný volný kanál a provoz v síti je zmenšen jen o 2 timesloty.

Všechny radiostanice sledují REST kanál. Na tomto kanálu začíná každý hovor a v momentě, kdy hovor začne, systém automaticky přesune REST kanál na další volný kanál (timeslot) a vyzve ostatní radiostanice, aby se přesunuly na nový kanál. Tím pádem se nový REST kanál určí jako hovorový. Když hovor na aktivním kanálu skončí, radiostanice jsou informovány, že se mají přesunout na aktuální REST kanál.

Maximální počet registrovaných účastníků na jedno stanoviště je 1600. Softwarové funkce odpovídají převaděčům IP Site connect a to včetně autorizace pomocí RAS. Maximální počet hovorových skupin je 255 a nejvyšší možné číslo radiostanice (RID) v síti může být 65535.

Hierarchie Connect Plus

CONNECT PLUS

Tento systém je určen pro velkokapacitní sítě pokrývající velké území. Jedná se o plnohodnotný trunk s vyhrazeným řídícím kanálem. Umožňuje propojit až 250 stanovišť, kde na každém stanovišti může být až 15 převaděčů. Jeden kanál vždy trvale slouží jako řídící (jehož kmitočet se může měnit například jednou za 24 hodin kvůli zvýšení životnosti vysílacích prvků), takže může současně hovořit až 29 účastníků. Na každém stanovišti může být registrovaných až 3000 účastníků. Tento systém sice neumožňuje “násilně” přerušit hovor, ale zato umožňuje řadit hovory do fronty (až 8 hovorů).

Autorizace účastníků se provádí již pomocí výrobního čísla radiostanice. Každé stanoviště už musí mít vlastní kontrolér, který řídí autorizace a směrování hovorů

Programování radiostanic se již, stejně jako u nového systému CAPACITY MAX, neprovádí přes klasické CPS (tj. fyzické připojená stanice k počítači USB kabelem nebo přes Bluetooth), ale probíhá přes RM (Radio Management) server. V praxi tedy programátor může být připojen kdekoliv na IP síti (ethernet, wi-fi, OTAP) a správce sítě může stanici naprogramovat na dálku jen vyhledáním sériového čísla stanice (bez ohledu na IP adresu programátoru v síti). Sítě CONNECT PLUS i CAPACITY MAX umožňují přeprogramování stanice přes radiové rozhraní (OTAP), pokud je programovací rozhraní připojeno do sítě a ve stanicích je nastaven autorizační kód pro dálkové přeprogramování.

CAPACITY MAX

Je nejnovějším a nejvyšším systémem pro vysoký počet účastníků a velké územní pokrytí. Umožňuje opět propojení až 250 stanovišť po 15 převaděčích (29 dynamických časových rámců a jeden vyhrazený řídící kanál na stanoviště), ale navíc je možné připojit až 6 dalších datových převaděčů (12 time slotů). Kontrolér (CMSS – Capacity Max System Server) je řešen jako centralizovaná jednotka pro celou síť. Celý systém je centrálně dohledován a spravován tj. správa výkonnosti, poruch, ale i řízení přístupu k síti. Systém navíc umí i “násilně” přerušit hovor a umí řadit až 10 hovorů do fronty. Systém Capacity MAX je již plně v souladu s požadavky na interoperabilitu mezi radiostanicemi i převaděči různých výrobců dle podmínek, stanovených DMR asociací.

Autor Aleš OK1ALP / Text OK1ZOO