Двусторонняя радиосвязь

Началом использования двусторонней радиосвязи можно считать изобретение в 1897 беспроводного телеграфа практически одновременно Гульельмо Маркони и Александром Поповым.

6 июля 1897 года Гульельмо Маркони на итальянской военно-морской базе Ла Специяна передал своей аппаратурой фразу «Viva l’Italia» («Да здравствует Италия») на расстояние 18 км.

19 декабря 1897 года газета «Петербургский листок» сообщила о беспроводной передаче телеграфного сигнала Александром Поповым 18 декабря 1897 года из здания химической лаборатории Петербургского университета в аудиторию физического кабинета в другом здании. В заметке сообщалось, что после того, как ассистент Попова Рыбкин ушёл на «станцию отправления», «ровно через 10 минут <…> на ленте обычной телеграфной азбукой обозначилось слово „Герц“».

Первое по-настоящему мобильное двустороннее радиооборудование было разработано в Австралии в 1923 году Фредериком Уильямом Дауном — старшим констеблем полиции штата Виктории. Именно там, впервые в мире началось использование беспроводной связи в автомобилях, как альтернатива неэффективному общению сотрудников полиции через общественные телефонные будки, которые использовались до этого времени. Первые комплекты занимали примерно половину пространства на заднем сиденье патрульных автомобилей Lancia^[7][8].

В 1933 году в США полицейское управление города Бейонн (штат Нью-Джерси) успешно запустило двустороннюю систему связи между центральной стационарной станцией и радиопередатчиками, установленными в полицейских автомобилях: это позволило быстро направлять действия полиции в экстренных ситуациях^[9].

Первые устройства двусторонней радиосвязи работали только в диапазоне AM, они были разработаны в США корпорацией Galvin Manufacturing Corporation (в дальнейшем, Motorola) в 1940 году для использования полицией и военными во время Второй мировой войны, а затем в 1943 году компания представила портативную радиостанцию — первую рацию ​​Walkie-Talkie^[10], ставшую самым известным примером устройства двусторонней радиосвязи^[7].

Двусторонние системы радиосвязи активно разрабатывались в 1930-е годы для военных целей. Известны такие модели как танковая радиостанция 71-ТК.

Начиная с 1937 года, на базе радиоламп с октальным цоколем разрабатывалась та радиоаппаратура, с которой части Красной Армии вступили в Великую Отечественную войну. Это были пехотная радиостанция РБ (3-Р), танковые 9-Р и 10-Р, авиационные РСИ-4 и РСИ-6.

В самом начале Великой Отечественной войны была разработана советская носимая пехотная коротковолновая телефонно-телеграфная полудуплексная радиостанция 12-РП, применявшаяся в полковых и артиллерийских подразделениях, имела модификации для установки на танки 12-РТ и бронетранспортеры 12-РПБ^[11].

Системы двусторонней радиосвязи можно классифицировать несколькими способами в зависимости от их характеристик.

В многоканальных системах каналы используются для отдельных целей^[12][13]. Функции сканирования каналов либо не используются, либо списки сканирования намеренно делаются короткими в экстренных приложениях.

В проекте «APCO-16» (стандарт в США для характеристик и возможностей систем транкинговой радиосвязи для целей общественной безопасности) есть раздел, установивший стандарты для времени доступа к каналу и задержек, вызванных системными издержками. Функции сканирования могут ещё больше увеличить эти задержки. В одном исследовании говорится, что задержки более 0,4 секунд (400 миллисекунд) в службах экстренной помощи не рекомендуются^[14].

Термин «полудуплекс» применяется к проводным системам связи, где цепь может одновременно передавать информацию только в одном направлении, но не в обоих направлениях^[15].

• Преимущество: дуплексные каналы обычно позволяют работать в режиме ретрансляции, что увеличивает радиус действия (в большинстве случаев за счёт увеличения мощности передачи и улучшения расположения/высоты антенны) — особенно там, где используются портативные радиостанции.
• Недостаток: Если радиостанция не может достичь ретранслятора, она не имеет возможности связи с другой станцией. Это решается с помощью режимов «talk around» или «car to car», в которых станции вне зоны действия базовой станции могут напрямую общаться друг с другом, чередуя роли передачи и приёма в симплексном режиме на одной частоте^[16].

Аналоговые системы могут передавать одно состояние, например, уровень воды в резервуаре для скота. Передатчик на месте расположения резервуара непрерывно отправляет сигнал с постоянным звуковым тоном. Тон будет менять высоту в случае изменения уровня воды в резервуаре. Счётчик на удаленном конце будет изменяться в зависимости от высоты тона, чтобы показать количество воды в резервуаре для скота. Подобные методы могут быть использованы для телеметрии любого аналогового состояния. Этот тип радиосистемы выполняет функцию, эквивалентную токовой петле^[17]. В США для этих систем часто используются промежуточные каналы среднего диапазона 72—76 МГц или UHF 450—470 МГц. Некоторые системы мультиплексируют телеметрию нескольких аналоговых состояний, ограничивая каждое отдельным диапазоном высоты тона^[18].

Цифровые системы могут передавать текстовые сообщения из автоматизированной диспетчерской (САПР). Например, дисплей в эвакуаторе может показывать текстовое местоположение вызова и любые связанные с этим подробности. Водитель эвакуатора может нажать кнопку подтверждения, отправив данные в обратном направлении и отметив вызов как принятый водителем. Их можно использовать для аналоговых телеметрических систем, таких как уровни скота в баке, как описано выше. Другой возможностью является давление смазочного масла в двигателе транзитного автобуса или текущая скорость автобуса. Аналоговые условия преобразуются в цифровые данные. Некоторые системы отправляют радиопейджинговые сообщения, которые могут: подавать звуковой сигнал на пейджинговый приемник; отправлять числовое или текстовое сообщение.

Инженерные системы разрабатываются для работы в соответствии с определёнными спецификациями или стандартами. Они создаются как системы, где всё оборудование подобрано для совместной работы.

Например, современная система двусторонней радиосвязи для местных органов власти в США спроектирована для обеспечения 95 % покрытия территории в городской местности. Разработчики систем используют радиочастотные модели, модели рельефа и программное обеспечение для моделирования распространения сигнала, чтобы точно оценить, где радиоприёмники будут работать в пределах заданной географической области. Эти модели помогают разработчикам выбирать оборудование, места установки, антенны и оценивать, насколько хорошо сигналы будут проникать в здания. Модели проходят тестирование в конкретных местных условиях, проводится фактические измерения уровня сигнала. По результатам тестирования разработчики корректируют диаграммы направленности антенн, добавляют или перемещают места установки оборудования и проектируют антенные сети таким образом, чтобы достичь запланированного уровня производительности.

Например, в этой статье^[19] показано, что затухание сигнала происходит на звуковых частотах, близких к тонам CTCSS, что объясняет, почему в 1970-х годах в системах Motorola 800 МГц использовался только DCS (Digital-Coded Squelch) — система шумоподавления, в которой канал кодируется не частой, а периодически повторяющейся цифровой последовательностью, передаваемой в том же диапазоне субтональных частот, что и CTCSS. DCS может присутствовать в радиостанциях наряду с CTCSS, но одновременная работа этих двух систем не используется из за их взаимного влияния.

У многих мобильных и портативных радиостанций ограниченный рабочий цикл. Рабочий цикл — это отношение времени прослушивания ко времени передачи, и он, как правило, зависит от того, насколько хорошо передатчик может отводить тепло от радиатора на задней панели радиостанции. Рабочий цикл 10 % (распространённый для портативных радиостанций) соответствует 10 секундам времени передачи и 90 секундам времени приёма. Некоторые мобильные и стационарные устройства имеют разные уровни мощности — например, 100 % рабочий цикл при 25 ваттах и 15 % при 40 ваттах^[20].

Наиболее распространённые системы двусторонней радиосвязи работают в диапазонах метровых волн и дециметровых волн радиоспектра . Поскольку эта часть спектра активно используется для вещания и множества конкурирующих целей, управление спектром стало важной задачей для регулирующих органов. Оба диапазона широко применяются для различных пользователей.

Радиочастоты в России согласно законодательству РФ делятся на три больших группы:

• Гражданские частоты, которые могут использоваться гражданами для корпоративной или частной связи;
• Служебные частоты, зарезервированные за федеральными службами, такими как МЧС, МВД, Минобороны;
• Любительские частоты, которые могут использовать все^[21].

Для гражданских частот есть те, которые можно использовать без получения лицензии и те, за использование которые нужно заплатить. Для свободного использования есть три категории гражданских частот:

1. CB (Citizen Band). Разрешённый диапазон в России для связи — 27 МГц. Стандартно эти частоты используются водителями дальних рейсов и автоводителями для автомобильных радиостанций. Допустимая мощность передатчика для данного типа частот до 10 Вт.
2. LPD (Low Power Device). Диапазон для раций низкой мощности составляет от 433,075 до 434,775 МГц. Доступны 69 каналов. На практике, большинство раций имеют мощность до 5-8 Вт и формально они проходят требования законодательства, так как Решением Государственной комиссии по радиочастотам от 11.12.2006 г. был установлен лимит мощности в данном диапазоне частот для портативных станций в 5 Вт, а стационарных до 60 Вт.
3. PMR (Private Mobile Radio). Частоты находятся в диапазоне от 446,000 до 446,200 МГц, 8 каналов. При этом мощность передатчика должна быть максимум 0,5 Вт. В 2005 году Государственная Комиссия по радиочастотам приняла решение о выделении диапазона 446,0000—446,1000 МГц для портативных радиостанций.

Служебные частоты являются закреплёнными за определёнными госслужбами и ведомствами, и они не требуют получения разрешения, но использоваться они могут только этими конкретными службами. Использование служебных диапазонов частными лицами и компаниями приведет к получению штрафов.

Перечень некоторых служебных диапазонов^[22]:

Стандартные радиостанции с двусторонней связью работают на фиксированных радиочастотных каналах, хотя некоторые могут сканировать несколько каналов для поиска действующей передачи^[7]. В аналоговой, обычной системе (самый простой тип системы) частота или канал служит физической средой или связующим звеном для передачи информации. Эффективность радиосистемы зависит в том числе и от характеристик используемого диапазона частот.

Выбор частоты для системы двусторонней связи частично зависит от^[23][24]:

• государственного лицензирования и регулирования;
• местной загруженности или доступности частот;
• рельефа местности, поскольку радиосигналы распространяются по-разному в лесах и городских районах.
• наличия помех, интерференции или интермодуляции.
• помехи от пространственных волн ниже 50—60 МГц и изгиба тропосферы на УКВ.
• в США некоторые частоты требуют одобрения комитета по координации частот

Ниже перечислены некоторые стандарты, использующие двустороннюю радиосвязь:

• TETRA (Terrestrial Trunked Radio) — открытый стандарт цифровой транкинговой радиосвязи, разработанный европейским институтом телекоммуникационных стандартов ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для замены морально устаревшего стандарта MPT 1327.
• Astro (Motorola) — это поколение цифровых двухсторонних радиосвязей ASTRO от Motorola Solutions. Motorola впервые представила цифровую двухстороннюю радиосвязь в США в 1991 году под названием ASTRO Digital Solutions. После завершения разработки стандарта APCO Project 25 компания Motorola представила решение ASTRO 25 и перевела своих клиентов ASTRO Digital Solutions на ASTRO 25.
  

  Две радиостанции GMRS, ручной микрофон и две радиостанции FRS
• Digital Mobile Radio — открытый стандарт цифровой радиосвязи, разработанный Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI). Первый релиз стандарта вышел в 2005 году. DMR позиционируется как недорогой и простой стандарт, нацеленный на замену аналогового оборудования сухопутной мобильной радиосвязи, работающего в диапазоне частот от 30 до 1000 МГц.
• PMR446 — европейская безлицензионная система подвижной радиосвязи в УКВ-диапазоне с частотой 446,000—446,200 МГц и с максимальной выходной мощностью 0,5 Вт.
• Family Radio Service — безлицензионная система персональной подвижной радиосвязи на коротких расстояниях в странах Северной и Южной Америки в диапазоне ультравысоких частот (УВЧ) (англ. Ultra-high frequency, UHF) на частотах около 462 МГц и 467 МГц. Является аналогом европейской системы PMR (Private Mobile Radio).
• GE Marc V — исторический американский формат или протокол транкинговой двусторонней радиосвязи, представленный компанией General Electric Mobile Radio в начале 1980-х годов.
• Motorola Saber — портативная коммерческая радиостанция производства Motorola, первоначально была разработана для армии США в 1989 году, но затем широко использовалась в правоохранительных органах и пожарных службах.