Основы специальной техники. Учебное пособие
.pdfостронаправленной связи, осуществляемой с помощью специальных антенн направленного действия (рупорные, параболические и др.).
Принцип действия радиорелейной линии связи (РРЛ) состоит в многократной ретрансляции радиосигналов промежуточными радиостанциями между двумя или более оконечными радиостанциями. Радиорелейные станции имеют специальные устройства многоканального уплотнения. С их помощью РРЛ связи могут быть уплотнены телефонными и телеграфными каналами связи. Для этого применяется метод высокочастотного уплотнения – низкочастотные каналы телефонной и телеграфной связи преобразуются в каналы телефонной и телеграфной связи более высокой частоты. При этом получаются различные по частоте каналы высокочастотной телефонии и телеграфии (поднесущие частоты), которыми модулируется (уплотняется) еще одна основная более высокая частота в диапазоне УКВ (несущая частота), передаваемая от одной станции РРЛ к другой.
Комбинированная система радиорелейной и проводной связи решает задачу обеспечения оперативной связи между дежурными частями министерств, управлений и др. подразделений ОВД, удаленных на значительные расстояния.
При выборке трасс РРЛ учитывается рельеф местности. При высоте антенн 70-80 м расстояние между станциями составляет 40-60 км. При установке радиостанций на горах или возвышенностях расстояние между станциями может достигать
100-150 км.
Мобильная радиотелефонная связь в диапазоне УКВ предназначена главным образом для оперативного управления подвижными силами ОВД.
УКВ – радиотелефонная станция состоит из радиопередатчика, устройства электропитания, антенны, устройств управления с микрофономи громкоговорителем(динамиком).
Радиопередатчик с частотной модуляцией служит для генерирования электромагнитных колебаний определенной частоты, ее модуляции, т.е. изменения частоты в соответствие с передаваемой информацией и излучения их через антенну в пространство.
51
Передатчик построен по сложной электрической схеме, основным элементом которой являются замкнутые радиоконтура (совокупность конденсаторов и катушек самоиндукции), транзисторы и др.
При частотной модуляции частота колебаний передатчика в небольших пределах изменяется модулирующей частотой в такт
споступающей от микрофона или от тонального генератора низкой частоты.
Максимальное изменение несущей частоты под воздействием низкой (обеспечивающие удовлетворительную разборчивость) передаваемой информации находится в пределах от -5 до -15 кГц. Величина отклонения (девиации) плюс некоторый резерв определяет ширину одного канала связи. Чем меньше ширина канала связи, тем большее количество каналов может действовать на одном и том же участке диапазона УКВ.
Радиоприемник УКВ радиостанции предназначен для приема
спомощью антенны из пространства модулированных колебаний, их усиления и демодуляции УВЧ колебаний в НЧ. В свою очередь низкочастотные колебания усиливаются в усилителе низкой частоты и преобразуются динамиком в звуковые колебания.
Способность приемника принимать слабые сигналы от передатчиков, усиливать их и преобразовывать их в звуковые колебания нормальной громкости при определенном допустимом соотношении полезного сигнала к шумам самого приемника, называется его чувствительностью, измеряется в мкВ.
Чувствительность приемника, так же как и мощность передатчика, оказывает определенное влияние на расстояние связи.
Важнейшим элементом любой радиостанции является антенна. Обычно она используется поочередно для приема и передачи.
Антенна представляет собой открытый колебательный контур. Наибольшее распространение получили антенны кругового равномерного излучения. Такой антенной является любой вертикально расположенный провод, имеющий длину примерно ¼ длины волны.
52
Антенну радиостанции нельзя располагать в непосредственной близости от экранирующих металлических предметов. Ее следует устанавливать и располагать в наиболее открытых и высоких местах.
В целях максимально возможной простоты в управлении радиостанцией используются различного рода реле, с помощью которых осуществляется операции по управлению радиостанцией; переключение режимов работы, каналов связи и вызывных тональных сигналов, регулировка громкости.
Устройство подавления собственных шумов отключает выходную часть приемника (динамик) при отсутствии сигнала от корреспондирующей радиостанции. Шумоподавитель несколько снижает чувствительность приемника, поэтому пользоваться им нужно в условиях удовлетворительного прохождения сигналов корреспондента. При резком ослаблении связи включать шумоподавитель не рекомендуется.
Среди факторов, которые определяют зону покрытия, следует выделить:
−частотный диапазон. Подразделения МВД Республики Казахстан используют для связи диапазоны 136-173 МГц и 403476 МГц. Диапазоны и частоты, на которых разрешена работа в каждом конкретном случае определяются по согласованию с региональными ОВД;
−выходную мощность передатчика. Обычно не превышает 45 Вт для мобильных станций и 5 Вт - для портативных. Мощность, на которой работает передатчик;
−тип антенны и ее усиление; высоту и положение антенны. От типа антенны и ее габаритов зависят форма диаграммы излучения и сила сигнала в различных точках местности. Различают направленные антенны, т.е. антенны, диаграмма направленности которых вытянута в сторону, и ненаправленные, диаграмма направленности которых имеет форму круга. От высоты поднятия антенны зависит дальность радиосвязи. Комбинируя различные типы антенн и высоту их подвеса, можно добиться оптимальной конфигурации зоны покрытия;
−рельеф территории. Радиоволны в диапазонах ОВЧ, ДМВ
53
распространяются по прямой линии. И если на их пути имеется препятствие (холм, гора), то за ними образуются участки затемнения, т.е. участки, за которыми радиосвязь невозможна. Высокие здания также вызывают похожие проблемы. Увеличением высоты подъема антенны часто удается устранить такие затемнения;
−уровень электромагнитных помех. Причинами сбоев в радиосвязи могут являться не только плохо спроектированные, некачественные средства радиосвязи, но и различные электрические установки и приборы, например, линии электропередач, неоновые вывески, электродвигатели, генераторы
Каждый из этих факторов определяет, на какое расстояние можно связаться, и где связь возможна.
4.3 Конвенциональная радиосвязь
Обычно конвенциональная система связи включает в себя только портативные и мобильные радиостанции и иногда – ретранслятор для увеличения дальности связи. В случае прямой связи между радиостанциями они могут работать в симплексном режиме (одна частота для приема и передачи) или в полудуплексном (две частоты - одна для приема и другая - для передачи сообщений). В случае использования ретранслятора необходимо работать в полудуплексном режиме.
В качестве ретрансляторов в конвенциональных системах часто используются устройства, скомпонованные на базе двух мобильных радиостанций. Такие ретрансляторы относительно недороги, однако имеют недостатки: ограниченная выходная мощность и невозможность работы в непрерывном режиме. Технически такие ретрансляторы обычно имеют параметры, не позволяющие объединять их на одно антенно-фидерное устройство (АФУ).
Для построения многоканальной компактной зоны связи с одной антенной необходимо использовать ретрансляторы специально разработанные для подобных целей. Такие ретрансляторы впоследствии могут быть использованы при модернизации существующейсистемысвязивтранкинговуюсистему.
54
Как уже упоминалось, развитие конвенциональных средств и систем связи позволяет пользователю иметь практически все функции, ранее присущие только транкинговым системам, за исключением только одной: автоматическое выделение свободного частотного канала. Ряд производителей выпускает оборудование, позволяющее создавать конвенциональные системы с расширенными функциями, с широким радиопокрытием и роумингом (автоматической адресацией) абонентов и разговорных групп, выходом в телефонную сеть. Система может быть создана в нескольких вариантах частотного планирования:
−обычная система, где каждый ретранслятор работает на своей паре частот (прием-передача);
−система Multicast, где передача в зонах осуществляется на разных наборах частот, а прием - на одном наборе частот;
−система Simulcast во всех зонах передача и прием производится на одном наборе частот.
В системе Simulcast при нажатии на тангенту «вызывающей» радиостанции сигнал будет ретранслирован на все три зоны одновременно. Радиостанция «принимающего» абонента или группы сканирует частоты всех зон и переходит на прием при получении устойчивого сигнала от ретранслятора, как правило, ближайшего к принимающему абоненту, т.е. обеспечивается роуминг. При необходимости абонент имеет возможность, зная свое местоположение по отношению к расположению ретрансляторов, вручную выбрать наилучшую (ближайшую) зону связи.
В состав системы входит подсистема передачи цифровых данных, включающая в себя контроллер и сервер. Подсистема обеспечивает передачу цифровой информации со скоростью до 9,6 кбит/с. Стандартный протокол существенно облегчает разработку конкретных программных приложений для реализации таких функций, как запрос-ответ, определение местоположения подвижных объектов и т. п.
55
4.4 Транкинговая радиосвязь
Транкинг – это автоматическое динамическое распределение каналов между абонентами. В транкинге нет жесткого закрепления абонентов за каналами связи – все каналы находятся в общем пользовании и предоставляются абонентам по мере поступления запросов. Это позволяет избежать перегрузки одного канала, в то время как соседний канал будет невостребован. Для управления распределением каналов к традиционным базовым станциям добавляется специальное устройство, называющееся контроллером.
Динамическое распределение ограниченного количества каналов связи среди большого числа пользователей и управление доступом к свободным каналам осуществляет транкинговая система, а не пользователь. Как и в телефонной сети, абонент может указать конечный пункт, но не маршрут, по которому будет произведено соединение.
Зона радиопокрытия транкинговой системы связи зависит от организации инфраструктуры (числа базовых станций или репитеров) и технических возможностей контроллера.
Термин «транкинг» происходит от английского слова trunking (объединение в пучок). Этот термин пришел из телефонии, где уже давно используется принцип предоставления абоненту свободного в данный момент канала для связи.
Следует провести разграничение между настоящими транкинговыми системами и так называемыми псевдотранкинговыми системами, широко представленными системами типа SmarTrunk II. В псевдотранкинговых системах не происходит реального управления каналами - радиостанция просто сканирует доступный ей набор частот с целью поиска свободного канала. При этом время доступа к связи может быть слишком большим (5- 20с), что недопустимо для оперативной связи в правоохранительных органах. Поэтому псевдотранкинговые системы используются только для мобильной связи с телефонной сетью как частичная замена услуг сотовой связи.
В транкинговых системах независимо от протокола и
56
производителя алгоритм установления связи выглядит иначе. Радиостанция, с помощью которой вызывается другая
радиостанция (группа радиостанций, абонент телефонных сетей общего пользования и т.д.), посылает по радиоканалу (это может быть выделенный канал, называющийся контрольным, или же посылка может производиться на обычном разговорном канале с помощью тональной поднесущей) на контроллер пакет данных. В этом пакете содержатся идентификатор радиостанции, запрос на предоставление канала и идентификатор вызываемой стороны. Контроллер, получив такой пакет, проверяет наличие в системе радиостанции вызываемого корреспондента (при включении радиостанции она регистрируется – посылает свой идентификатор контроллеру), ищет свободный канал, направляет вызывающей и вызываемой радиостанциям команду перехода на этот свободный канал, после чего обрабатывает следующий вызов. Этот процесс в зависимости от протокола связи и конфигурации системы (одно или многозоновая) занимает от 300 миллисекунд до нескольких секунд.
Поскольку транкинговые системы используют динамическое распределение каналов, они изначально ориентированы на «виртуальную» организацию связи – разговорные группы. Например, руководитель службы органа внутренних дел может быть одновременно абонентом нескольких групп: группы своей службы, группы руководителей смежных служб, группы служебной вертикали (руководитель ОВД – руководитель службы – руководитель подразделения) и т. д. В случае необходимости диспетчер может оперативно перегруппировать пользователей, предоставив прямую связь работникам подразделений, ранее работавших независимо.
Впервые транкинговые технологии в радиосвязи появились в 80-х годах. Тогда компания Моторола разработала в соответствии с требованиями Ассоциации глав радиосвязи полиции США (протокол АПКО-16) транкинговую систему SmartNet, удовлетворяющую требованиям правоохранительных органов. Тогда же началась разработка спецификаций открытого протокола МРТ1327, предназначенного для коммерческого использования. В дальнейшем появились различные закрытые
57
(принадлежащие конкретному производителю) и открытые (доступные для любых производителей) протоколы. К первым можно отнести аналоговые системы SmartNet-SmartZone (Моторола) и EDACS (Ericsson), цифровую систему Tetrapol (Matra). Ко вторым относятся аналоговые протоколы LTR (EFJohnson, Kenwood, Uniden) и МРТ1327 (Моторола, Nokia, Rohde&Schwarz, Tait); цифровые стандарты АПКО-25 (EFJohnson, Моторола) и TETRA (Моторола, Nokia, Rohde&Schwarz, Simoko), цифровой протокол IDEN (Моторола).
Различие между протоколом и стандартом состоит в том, что протокол только описывает набор спецификаций, но не требует безоговорочного исполнения всех их и не запрещает дополнения функций, описанных протоколом, функциями, разработанными непосредственно самим производителем. Что и произошло с протоколом МРТ1327: системы одного и того же протокола, но выполненные различными производителями, состыковать невозможно, а в некоторых системах часть функций реализуется только с радиостанциями собственного изготовления, причем происходит это в ущерб основным функциям протокола. Стандарт же (например, цифровой стандарт на транкинговую связь TETRA, принятый в Европе, или цифровой стандарт АПКО-25, на базе которого системы функционируют во всем мире), жестко описывает обязательный набор функций, взаимодействие (стыковку) систем и совместимость инфраструктуры и абонентских станций разных производителей. Это позволяет гарантировать то, что пользователь не будет привязан к одному производителю в вопросах расширения своей системы.
Большинство транкинговых систем имеют выделенный управляющий канал, через который в цифровой форме передается сигнальная информация. Ряд систем, прежде всего семейство LTR/ESAS, не имеют выделенного управляющего канала и передают сигнальную информацию через голосовые каналы посредством подтональной сигнализации. Достоинством подобных систем (протоколов связи) является экономия частотных ресурсов; существенным недостатком — отсутствие выделенного контрольного канала с помехоустойчивой кодировкой, что может привести к потере связи при наличии
58
помех или неисправности в речевом канале.
Термины «аналоговые» и «цифровые» применительно к транкинговым системам (здесь и ниже) относятся исключительно к способу передачи голосового сигнала, поскольку управляющие каналы во всех транкинговых системах, где они есть, являются цифровыми. На сегодняшний день из аналоговых транкинговых протоколов связи наибольшее распространение в мире получили Smartnet/Smartzone, МРТ1327, LTR и EDACS. В транкинговых системах, создаваемых для органов правопорядка с их специфичными требованиями к надежности и быстроте установления связи, используются специальные протоколы связи. Контроллер системы управляет ретрансляторами и собственно радиостанциями. Большое значение имеют длительности управляющих пакетов от контроллера к радиостанции и наоборот, а также вид помехоустойчивой кодировки пакета. Так, в системах семейства Smartnet/Smartzone управляющий пакет имеет длительность порядка 20 миллисекунд с очень эффективной помехоустойчивой кодировкой, что обеспечивает надежное прохождение сигнала управления и, следовательно, предоставление связи даже в сложной помеховой обстановке.
Системы протокола МРТ1327 исторически разрабатывались для коммерческих применений, поэтому управляющий пакет имеет длительность более 100 миллисекунд, а кодировка - менее надежна. Это может привести к отказу в предоставлении связи корреспондентам в сложных условиях и при наличии помех в эфире. В этом смысле протокол МРТ1327 может быть менее продуктивен, чем совершенные системы конвенциональной связи с «гарантированным» выделением канала связи.
Аналоговые транкинговые системы размещают один голосовой канал в частотной полосе шириной 25 кГц или 12,5 кГц. Теоретически они способны обслуживать десятки тысяч абонентов, однако на практике вследствие ограниченности частотного ресурса, а также ограниченной производительности центральных контроллеров некоторые аналоговые транкинговые системы малопригодны для создания сетей с числом абонентов более 3-5 тыс.
Цифровые технологии обеспечивают значительное
59
увеличение емкости системы: современные цифровые транкинговые системы способны обслуживать многие тысячи абонентов. На более высоком уровне решена в них и проблема защиты от несанкционированного доступа и обеспечения конфиденциальности, поскольку стать несанкционированным пользователем цифровой системы или прослушать переговоры очень трудно даже без специальной шифрации. Цифровые системы транкинговой связи предоставляют дополнительную возможность передачи текстовых сообщений (пейджинг) по управляющим каналам. Текст сообщения выводится на дисплей абонентского терминала.
Практически все современные системы транкинговой связи, как аналоговые, так и цифровые, способны осуществлять передачу данных через голосовые каналы, т.е. выполнять функции беспроводного модема. В аналоговых стандартах скорость передачи данных не превышает 4800 бит/с. Цифровые стандарты, как правило, обеспечивают скорость не менее 9600 бит/с.
В настоящее время за рубежом обозначились три различные сферы применения систем мобильной радиосвязи:
−системы Public Safety для правоохранительных органов и армии (полиция, пожарная охрана, скорая помощь и т.п.);
−частные, т.е. принадлежащие организациям и оперируемые ими системы (PMR, Private Mobile Radio);
−коммерческие системы общего пользования (Shared Mobile Radio/ Public Access Mobile Radio, SMRPAMR).
Для систем первого типа характерно сравнительно небольшое число абонентов (обычно не более 500 - 1000), повышенные требования к обеспечению надежности и конфиденциальности и наличие специальных функций. Отличительной особенностью таких систем является высокая стоимость абонентских терминалов. Из упомянутых выше стандартов к категории Public Safety/PMR относятся
Smartnet/Smartzone, EDACS, цифровой стандарт АПКО-25, а
также европейский цифровой стандарт TETRA.
Цифровой стандарт «ТETRA». Целью развития ведомственной информационнотелекоммуникационной
60