В предыдущих номерах «Сетей» мы описывали стандарты цифровой транкинговой радиосвязи TETRA и Tetrapol, ориентированные на построение систем мобильной связи для правоохранительных органов и служб общественной безопасности. Эти технологии были разработаны в Европе: TETRA — Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI), Tetrapol — французской фирмой Matra Communications. Однако для завершения рассказа о стандартах, борющихся за рынок цифровой транкинговой радиосвязи для служб общественной безопасности, нужно представить третьего соперника — APCO 25.

Действующие лица и немного истории

Международная организация APCO (Association of Public Safety Communications Officials, или Ассоциация официальных представителей коммуникационных служб общественной безопасности) объединяет телекоммуникационные департаменты правоохранительных органов примерно 70 стран. Члены организации с 1967 года разрабатывают спецификации на системы подвижной радиосвязи, которые должны наилучшим образом соответствовать требованиям служб общественной безопасности.

В руководящий комитет также входят представители NTIA (Администрация национальной информации и телекоммуникаций, NCS (Национальные коммуникационные системы) и Министерства обороны США. Внушительность списка участников характеризует всю серьезность проблемы создания единой стратегии и тактики развития средств служебной радиосвязи.

Первым значительным событием в истории Ассоциации стала разработка в конце 70-х годов спецификации на системы радиосвязи APCO 16. На ней базируются хорошо известные системы транкинга EDACS (Ericsson), Clearchannel LTR (E.F. Johnson) и SmartNet (Motorola). Однако требования стандарта APCO 16 не обеспечивали совместимости систем и оборудования разных производителей.

Проект, получивший официальный номер 25, был призван устранить неразбериху в стандартах, протоколах и системах связи для служб общественной безопасности. На сегодняшний день проект APCO 25 является единым перечнем технических требований стандарта цифровой профессиональной радиосвязи.

Основные цели проекта

ПОРТАТИВНЫЕ радиостанции XTS 300 поддерживают тот же набор функций, что и ASTRO Saber, но имеют меньшие габариты и вес
Поскольку радиочастотные ресурсы в развитых государствах, прямо скажем, истощены, главная задача APCO 25 — обеспечить максимально эффективное использование частотного спектра. Кроме того, проект призван способствовать конкуренции между производителями, а соответственно и возможности выбора заказчиком оптимального решения при полной совместимости коммерческих систем. Еще одно условие, которое записано в официальном документе APCO, таково: «Минимальное количество умственных и физических действий потребителя или оператора при использовании стандартизированной аппаратуры».

Отметим, что необходимость обеспечения дружественного интерфейса, удобства и простоты использования оборудования была заложена в стандарт профессиональной радиосвязи впервые.

Работа над самим проектом разделена на две фазы. В ходе реализации первой создана цифровая система связи, использующая частотный канал 12,5 кГц. Вторая фаза состоит в обеспечении возможности работы систем APCO 25 в полосе 6,25 кГц, что позволит им всерьез конкурировать с транкинговыми сетями TETRA по показателю спектральной эффективности (четыре канала на полосу в 25 кГц).

Заключительные регламентирующие документы стандарта APCO 25 были одобрены и подписаны еще в августе 1995 года на международной выставке-конференции APCO в Детройте. На ней же компании Motorola, Stanilite Pacific, E.F. Johnson, BK Radio и Transcrypt International продемонстрировали готовый набор оборудования. В представленной системе связи использовались базовая станция производства Stanilite и портативные радиостанции фирм Motorola, BK Radio, E.F. Johnson и Transcrypt.

Реакция посетителей выставки оказалась восторженной. Даже те, кто скептически относились к возможностям сотрудничества конкурирующих фирм, убедились в жизнеспособности APCO 25 как общепринятого «добровольного» стандарта.

Перечень требований

Полный перечень требований APCO 25 (который регулярно обновляется) довольно внушителен. Отметим лишь условия, заслуживающие особого внимания.

  1. Система должна обеспечивать как минимум в два раза более высокую спектральную эффективность, чем существующие аналоговые системы. Во второй фазе проекта предусмотрено четырехкратное повышение эффективности - также по сравнению с аналоговыми системами.
  2. Необходимо, чтобы абонентские радиостанции имели возможность связи друг с другом как в обычном, так и в транкинговом режиме. При этом голосовые сообщения должны передаваться в аналоговом, цифровом нешифрованном и зашифрованном виде вне зависимости от того, какая фирма является изготовителем оборудования.
  3. Система должна обеспечивать до четырех уровней шифрования. Во всех режимах шифрования требуется поддержка тех же функций, которые задействуются при обмене нешифрованными сообщениями. Необходимо, чтобы абонентские радиостанции полностью поддерживали один или несколько типов шифрования:
    • 1 - для засекреченной государственной правительственной связи;
    • 2 - для несекретных коммуникационных систем служб национальной безопасности;
    • 3 - для несекретных сетей правительственных коммуникаций (например, служб общественной безопасности);
    • 4 - для других целей.
  4. Подсистемы радиосвязи должны поддерживать возможность их объединения в большие системы.
  5. Абонентам необходимо обеспечить роуминг между различными подсистемами с регистрацией в каждой обслуживаемой сети.
  6. Стандарт предусматривает возможность поддержки до 64 тыс. различных подсистем радиосвязи с уникальной идентификацией.
  7. Каждая подсистема может обслуживать до 2 тыс. уникальных разговорных групп.
  8. Каждая подсистема должна поддерживать не менее 48 тыс. индивидуальных абонентских идентификаторов.
  9. Требуется, чтобы каждая подсистема обеспечивала "вертикальное" разделение ресурсов независимых организаций.
  10. В системе должна использоваться иерархическая нумерация, при которой индивидуальным абонентам и разговорным группам присваиваются уникальные идентификаторы и коды "домашних" подсистем (подобно нумерации в телефонии: номер телефона и междугородный код).
  11. Необходима возможность обмена данными между сетями ГТС/УАТС, X.25, SNA (System Network Architecture), TCP/IP и др.
  12. Все подсистемы и обслуживаемое ими абонентское оборудование, независимо от изготовителя, подчиняются единой схеме управления. Основные элементы этой схемы включают в себя управление конфигурацией сети, системными сбоями, безопасностью (шифрованием), биллингом.
  13. Требуется обеспечить централизованное управление элементами системы. Изменения в одной базе данных должны автоматически отображаться во всех связанные с нею базах данных.
  14. Предусматривается возможность делегирования функций полного управления системой локальному центру (применяется для управления независимыми организациями "своими" частями сети после "вертикального" разделения ресурсов).
  15. Качество речи при открытой и зашифрованной связи должно быть не хуже, чем в существующих аналоговых системах, и позволять абонентам различать мужские и женские голоса.
  16. Дальнодействие оборудования в открытых и зашифрованных сеансах связи должно быть не меньшим, чем в существующих аналоговых системах, - без установки дополнительных промежуточных зон (сайтов).
  17. Изготовители обязаны предусмотреть совместимость своего оборудования "сверху вниз" с выпускаемыми аналоговыми системами для обеспечения эффективного плавного перехода от аналоговых к цифровым технологиям. Как минимум это требование распространяется на мобильные и носимые радиостанции.
  18. Необходимо, чтобы абонентские радиостанции поддерживали работу на общих аналоговых каналах связи.
  19. Абонентское оборудование должно соответствовать требованиям международного военного стандарта MIL STD-810E.
  20. Определено следующее время установки соединений:
    • мс - в режиме прямой связи "абонент-абонент" (без участия сетевого оборудования);
    • мс - в режиме связи "абонент-абонент" через мобильный ретранслятор;
    • мс - при связи между радиоабонентами в пределах одной транкинговой подсистемы.
  21. Абонентское оборудование должно поддерживать сканирование "обычных" каналов (не менее восьми) и транковые разговорные группы (также не менее восьми) как в открытом, так и в "зашифрованном" режиме обмена голосовыми сообщениями.
  22. Учитывается возможность удаленного программирования абонентских радиостанций по эфиру.

Разумеется, при этом системы APCO 25 поддерживают стандартный для сетей профессиональной радиосвязи набор услуг. В него входят групповые и индивидуальные вызовы, соединение с телефонной сетью, шифрование голоса, обмен данными, роуминг, динамическое перегруппирование абонентов, подача сигнала тревоги.

Как видно из перечня требований, системы APCO 25 способны удовлетворить запросы практически любого пользователя. Особенно важно то, что стандарт предусматривает плавный переход от аналоговых к цифровым технологиям. Кроме того, даже создав полностью цифровую инфраструктуру на операторском уровне, можно интегрировать в нее существующий парк аналогового абонентского оборудования. APCO 25 регламентирует работу цифровых систем радиосвязи любого размера — от одной базовой станции с единственным ретранслятором до транкинговой сети национального масштаба. Все спецификации стандарта делятся на обязательные (они должны выполняться всеми производителями) и рекомендательные (обеспечивают более полную функциональную совместимость).

Стандарт APCO 25 разрабатывался преимущественно американскими связистами, отчего обращает на себя внимание некоторая специфичность его требований. Повышенная мощность радиостанций, устойчивость к интерференции, совместимость с аналоговыми системами связи, большая зона охвата базовых станций — все это позволяет использовать системы APCO 25 как в городах с высотной застройкой и большой плотностью абонентов, так и в сельской местности, горных районах со сложным рельефом и тех регионах, где уже функционируют аналоговые системы связи.

На формировании требований стандарта сказалась сложившаяся в отрасли традиция: переход на прогрессивные технологии вначале осуществляется в индустриальных центрах, а уж затем, постепенно, на периферии. При этом системы, оптимальные для эксплуатации в условиях городской застройки, не всегда соответствуют особенностям сельской местности. Однако проект APCO 25 с самого начала нацелен на создание универсальной системы транкинга. Отметим, что в работе над ним приняли участие не только службы общественной безопасности, но и организации по охране и использованию природных ресурсов, службы спасения, береговая охрана и т. д.

Структура системы

Спецификации APCO 25 относятся ко всем элементам системы радиосвязи. Среди последних — абонентские устройства (портативные и мобильные радиостанции), базовые станции и другое оборудование постоянного базирования (стационарные операторские консоли и устройства, обеспечивающие связь в многозоновых сетях), телекоммуникационное оборудование.

Связь между всеми элементами осуществляется через открытые интерфейсы, которые должны поддерживать их полную совместимость — независимо от того, кто является производителем того или иного элемента. APCO 25 определяет восемь открытых интерфейсов связи: общий радиоинтерфейс, интерфейсы операторских консолей, передачи данных, связи базовых станций, управления сетью, связи с телефонной сетью, межсистемной связи, связи с портом данных.

Согласно предлагаемой APCO 25 модели системы, центральным элементом сети является программно-аппаратное ядро. Для взаимодействия с остальными элементами оно использует упомянутые открытые интерфейсы. При этом внутренние интерфейсы ядра могут не соответствовать стандарту, а определяться изготовителем оборудования.

Таким образом, концепция открытых интерфейсов превращает отдельные элементы в строительные блоки, из которых можно создать многозоновую систему связи любой конфигурации. Полная поддержка требований стандарта APCO 25 гарантирует эффективную и надежную цифровую передачу голоса и данных как между пользователями одной организации, так и между абонентами разных систем связи.

Общие принципы работы

Как и в других цифровых системах связи, в APCO 25 речевой сигнал подвергается оцифровке, шифрованию (при необходимости) и модуляции.

Процедура обработки речевого сигнала начинается с его преобразования в цифровой формат при помощи вокодера (IMBE, Improved Multi-Band Excitation). После этого осуществляются шифрование сигнала и специальная обработка, гарантирующая коррекцию ошибок при декодировании. Далее сигнал дополняется данными адресации и управления.

Коррекция ошибок повышает устойчивость к помехам и затуханию сигнала при передаче по радиоканалу и позволяет с большой достоверностью восстанавливать исходные данные на стороне приема. Однако использование этого механизма приводит к увеличению объема передаваемой информации.

Что же касается обработки данных, здесь возможно использование двух механизмов. Более простой состоит в непосредственной модуляции передаваемого сигнала — без его дополнительной обработки. Другой механизм предусматривает предварительное деление всего объема данных на информационные пакеты небольшого размера, которые обрабатываются с помощью алгоритма коррекции ошибок.

Кадр, преобразуемый вокодером IMBE, содержит 88 бит речевой информации и 56 дополнительных бит коррекции ошибок. Таким образом полный объем кадра передачи речевого сигнала равен 144 бит, а скорость его передачи по радиоканалу составляет 7,2 Кбит/с. Последовательность из девяти кадров голосового сигнала объединяется в группу данных LDU, а две группы LDU формируют суперкадр. Скорость передачи суперкадров по радиоканалу — 9,6 Кбит/с.

Голосовая радиосвязь основана на непрерывной передаче последовательности суперкадров, которым предшествуют заголовки сообщений. Радиосвязь всегда начинается с передачи заголовка цифрового сообщения, затем посылаются группы LDU и, наконец, признак конца сообщения.

Заголовок содержит следующую информацию:

  • индикатор сообщения, который определяет тип алгоритма шифрования;
  • идентификатор изготовителя аппаратуры, указывающий, что при передаче голосового сообщения применяются нестандартные функции;
  • идентификатор алгоритма шифрования, позволяющий распознать задействованный для данного сообщения алгоритм шифрования в системах, поддерживающих сразу несколько алгоритмов;
  • идентификатор ключа шифрования, который дает возможность определить конкретный ключ в системах, поддерживающих шифрование с несколькими ключами;
  • идентификатор абонентской группы, служащий для указания абонентской группы адресата сообщения.

Общий радиоинтерфейс стандарта APCO 25 предусматривает применение различных механизмов обнаружения и коррекции ошибок, обеспечивающих высокое качество приема сигналов. В зависимости от типа передаваемой информации могут задействоваться разные алгоритмы коррекции ошибок и схемы вложения дополнительных данных.

Например, если в заголовке речевого сообщения содержатся 120 бит «полезной» информации и она подвергается двойному шифрованию (сначала по алгоритму Рида—Соломона, а затем — по упрощенному алгоритму Голея), то размер полей заголовка увеличивается до 648 бит. Кроме того, в каждый кадр речевого сигнала добавляются 56 бит, служащих для проверки четности. Поэтому размер кадра, посылаемого по радиоканалу, увеличивается до 144 бит.

Информация, связанная с шифрованием, содержит 96 бит «полезных» данных и состоит из индикаторов алгоритма и ключа шифрования. Однако и эта информация подвергается двойному кодированию (сначала по алгоритму Рида—Соломона, а затем по упрощенному алгоритму Хэмминга). В итоге размер данных для шифрования/дешифровки составляет 240 бит.

Как видно из приведенных примеров, передача «полезной» цифровой информации сопровождается пересылкой больших объемов сопутствующих данных.

Шифрование и аутентификация

Чаще всего схемы шифрования разрабатываются как меры противодействия гипотетическому злоумышленнику, намеренному вмешаться в работу системы мобильной связи. Наиболее вероятные формы такого вмешательства — перехват сообщений, их повторное воспроизведение, создание радиопомех, переадресация сообщений, создание абонентов-двойников и несанкционированное бесплатное использование услуг.

Как отмечалось выше, в стандарте APCO 25 предусмотрены четыре типа шифрования сообщений. Допускается поддержка сразу нескольких схем шифрования одной системой связи. Кроме того, абонентские радиостанции и консольные устройства способны одновременно работать с разными схемами шифрования.

Хотя шифрование и защищает от несанкционированного прослушивания, существуют другие виды вмешательства в работу систем связи, против которых оно бессильно. Например, не зная точного содержания сообщения, злоумышленник может нарушить связь, записав передаваемое сообщение и вновь воспроизводя его через некоторое время. Избежать подобных ситуаций помогает аутентификация абонентов, которая обеспечивает целостность управляющей информации и сведений о ключах шифрования.

Аутентификация представляет собой процедуру проверки законности появления в эфире самого сообщения и идентификации его автора. Установить законность передачи можно с помощью таких характеристик сообщения, как его хронологические параметры, целостность данных и идентификация источника сообщения. Проверка целостности включает в себя процедуры, позволяющие убедиться, что сообщение получено полностью и не было изменено в процессе передачи.

Функции шифрования и аутентификации базируются на применении ключей шифрования, поэтому в системе связи необходимы средства управления этими ключами. Такие средства охватывают все стадии «жизненного цикла» ключа шифрования — генерацию, передачу, использование абонентом, хранение, уничтожение и архивирование.

Оборудование

Хотя APCO является международной организацией, представительства которой имеются в ряде регионов, основную роль в продвижении этого стандарта играют американские фирмы, поддерживаемые правительством США. К числу участников общественного сектора Ассоциации относятся ФБР, Министерство обороны США, Федеральный комитет связи, полиция ряда штатов США и многие другие государственные организации.

В качестве производителей оборудования стандарта APCO 25 себя уже позиционировали такие ведущие фирмы, как Motorola (основной разработчик стандарта), E.F. Johnson, Transcrypt, Stanlite Electronics и др. Корпорация Motorola уже представила свою первую систему стандарта APCO 25 под названием ASTRO. В составе сетей радиосвязи ASTRO может использоваться широкий спектр абонентских устройств, удовлетворяющих запросам различных пользователей.

Первые полнофункциональные цифровые портативные радиостанции, выпущенные Motorola, получили имя ASTRO Saber. Они могут работать как в цифровом, так и в аналоговом режиме в конвенциональных и транкинговых сетях радиосвязи в любом из диапазонов частот, выделенных для систем сухопутной подвижной связи (138—174, 406—512, 746—869 МГц). Выпускаются модификации станций, различающиеся числом рабочих каналов, вариантами реализации органов управления и индикации, а также некоторыми функциональными возможностями.

Новая разработка Motorola — семейство портативных радиостанций XTS 3000. Они поддерживают тот же набор функций, что и ASTRO Saber, но выполнены в другом конструктиве и имеют меньшие габариты и вес. Благодаря унификации их конструктивных решений со станциями серии MTS 2000, работающими в системе SmartNet, станции XTS 3000 могут использовать те же аксессуары — головные телефоны, гарнитуру скрытого ношения, выносные микрофон и динамик, зарядное устройство, антенны.

МОБИЛЬНАЫЕ радиостанции ASTRO Spectra выпускаются в двух модификациях: для автомашин и мотоциклов
Мобильные радиостанции ASTRO Spectra выпускаются в двух модификациях: для автомашин и мотоциклов. Motorola предлагает пять вариантов исполнения станций, различающихся некоторыми функциональными возможностями, числом рабочих каналов и размерами индикаторного табло.

В качестве стационарной радиостанции в системе чаще всего используется станция ASTRO CONSOLETTE. Кроме поддержки цифрового протокола передачи стандарта APCO 25 стационарная радиостанция может работать с аналоговыми системами сигнализации MDC-1200 и PL/PDL. Станция ASTRO CONSOLETTE имеет два варианта исполнения: для местного и дистанционного управления по телефонной линии.

В Европе и России

Требования, предъявляемые к системам связи в Европе, отличаются от американских в силу ряда причин. Среди них — высокая плотность населения, обилие индустриальных центров, развитая инфраструктура проводных и беспроводных коммуникаций. Поэтому в Европе вполне оправданно применение систем TDMA — даже при том, что затраты на развертывание TETRA в два раза выше, чем на сети FDMA (Tetrapol и APCO 25).

Системы APCO 25 более привлекательны для стран с неравномерной плотностью абонентов, сложным рельефом местности, наличием примитивных аналоговых систем связи и т. д. Такова ситуация в Латинской Америке, Австралии, Африке, в большинстве азиатских стран, в России, на Украине и в Узбекистане.

Причина относительной дешевизны развертывания систем APCO 25 состоит, прежде всего, в следующем: они позволяют покрывать практически одинаковые территории с тем же количеством базовых станций (зон), что и аналоговые транкинговые сети. А это означает меньшее число линий межзоновой связи, единиц оборудования, точек подвода электроэнергии, наконец, меньшие усилия по обеспечению охраны объектов.

Особо подчеркнем гибкость абонентского оборудования, соответствующего APCO 25. Как правило, его разработчики закладывают возможности не только универсального применения радиостанций в аналоговых и цифровых сетях, но и работы в некоторых «фирменных» системах. Например, радиостанции серии Stealth от Transcrypt/E.F. Johnson поддерживают сети Motorola SmartZone и SMARTNET, а также сети стандарта LTR (Multi-Net II).

В России системы стандарта APCO 25 пока не развернуты, но отечественные связисты проявляют большой интерес к данной технологии. Особенно привлекательны для российских пользователей преемственность по отношению к существующим аналоговым системам радиосвязи, наличие множества производителей оборудования и возможность построения сетей связи во всех стандартных диапазонах частот. Активную политику продвижения систем данного стандарта в России проводят представительства фирм Motorola и ADI Limited (Австралия).

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями