Профессиональная мобильная радиосвязь

Первые системы профессиональной или частной мобильной радиосвязи (ПМР) представляли собой одну базовую станцию и несколько мобильных радиостанций, которые могли обмениваться сообщениями только с этой базовой станцией. Подобные системы до сих пор широко используются, в частности, в таксомоторных парках и других компаниях. Сейчас для дополнительных возможностей используются такие функции, как DTMF и CTCSS, которые обеспечивают расширенный выбор вызываемых абонентов. Благодаря размещению антенны на высокой башне радиопокрытие может достигать до 50 км, что особенно полезно в случаях отсутствия сигнала сотовой связи (GSM).

Лицензии на работу выдаются на определённые радиоканалы или группы каналов. Пользователь может использовать эти каналы для связи с мобильными станциями своего автопарка. Управление базовой станцией может осуществляться либо самим пользователем, либо специализированной компанией, предоставляющей в аренду каналы нескольким пользователям. Таким образом, одна базовая станция с несколькими каналами может обслуживать разных абонентов, что существенно повышает эффективность использования оборудования. Для надёжной связи офис управления может быть соединён с базовой станцией по выделенной линии. Плата за пользование системой обычно представляет собой абонентскую плату (аренду оборудования или услуги), а не поминутную оплату каждого вызова. Владельцы собственных лицензий должны оплачивать соответствующие лицензионные сборы, а также расходы на приобретение и обслуживание оборудования.

Термин ПМР часто используется в широком смысле (в частности, в обиходе и популярной литературе) применительно к дешёвым, маломощным (500 милливатт) радиостанциям типа PMR446, не требующим лицензии. Эти устройства используют шестнадцать аналоговых FM-каналов в диапазоне 446,00625-446,19375 МГц и тридцать два цифровых FDMA-канала в диапазоне 446,003125-446,196875 МГц. Их используют для личной или профессиональной связи там, где это разрешено законом. Использование разделённых (дуплексных) ретрансляторов на этих частотах запрещено, а сами радиостанции PMR446 несовместимы с лицензируемыми ПМР-системами. Аппаратура PMR446 значительно дешевле профессиональных лицензируемых ПМР-устройств.

В профессиональных мобильных радиосистемах в качестве основной формы модуляции, как правило, применяется узкополосная частотная модуляция (ЧМ), хотя в аэропортовых службах используется амплитудная модуляция (АМ). Для FM типично используется девиация 2,5 кГц, что позволяет реализовать частотное разделение каналов с шагом 12,5 кГц. Поскольку спрос на ПМР-каналы высок, требуется эффективно использовать доступные частоты. Для этого одна и та же частота используется в различных, удалённых друг от друга зонах, а помехи между станциями предотвращаются правильным выбором местоположения базовых станций и селективным вызовом (например, с помощью CTCSS и DTMF), что позволяет большому количеству абонентов использовать один радиоканал.

Селективный вызов предназначен для адресной связи между абонентами. В простейших схемах работы все радиостанции на канале слышат все вызовы. Однако в ряде случаев требуется возможность установить приватную связь между двумя абонентами, либо быстро вызвать конкретное устройство, что реализуется при помощи системы селективного вызова, позволяющей «прозвонить» определённую радиостанцию или группу аналогично обычному телефонному звонку. Наиболее широко распространены системы DTMF (двухтональный набор) и CTCSS (пилот-тона).

DTMF (двухтональный многочастотный набор) — это система адресации, при которой в начале каждого голосового сообщения передаётся последовательность дискретных тональных сигналов, соответствующих определённым цифрам, чтобы сообщение было принято конкретной станцией или группой станций. Код DTMF, применяемый также для тонального набора в телефонных сетях общего пользования, использует восемь частот: 697, 770, 852, 941 Гц (низкие тона) и 1209, 1336, 1477, 1633 Гц (высокие тона). Передавая пару низкой и высокой частоты одновременно, получают кодирование цифры. Каждой радиостанции выделяется уникальный позывной DTMF, состоящий из нескольких цифр. Шумоподавитель (сквельч) в радиостанции дешифрует полученные тона и включает аудиотракт, если сообщение адресовано данному абоненту. Для «общих» вызовов также предусмотрен специальный код, открывающий все приёмники на данном канале.

Недостатком DTMF-системы является то, что код передаётся только в начале сообщения, поэтому при пропуске сигнала (из-за помех или кратковременной потери связи) станция не распознает свой адрес и не откроет приём, пропустив всё сообщение. Это особенно критично для мобильных абонентов, находящихся в движении.

CTCSS (непрерывный тоновый кодированный шумоподавитель) — ещё один популярный способ селективного вызова, известный также как «субтон», «тональный код», а у компании Motorola под торговой маркой PL. Для каждой радиостанции или для группы радиостанций выделяется одна из тоновых частот диапазона 67-257 Гц, которая передаётся на протяжении всего диалога параллельно с речевым сигналом. Так как передаваемые тона лежат ниже полосы пропускания аудио-тракта (примерно 300-3000 Гц), они не воспринимаются на слух и отфильтровываются на выходе приёмника.

Открытие шумоподавителя станции или всего парка происходит только при поступлении правильного кода CTCSS. Преимущество такой системы состоит в том, что код тонового вызова передаётся непрерывно, в отличие от DTMF, и система корректно работает даже при кратковременных обрывах сигнала или помехах. Обычно бывает от 32 до 50 различных CTCSS-тонов, что позволяет раздельно адресовать большое число абонентов или групп.

TETRA (Terrestrial Trunked Radio) — современный стандарт цифровой профессиональной мобильной радиосвязи и общественной мобильной радиосвязи (PAMR).

Работы по разработке стандарта TETRA стартовали в 1990 году при поддержке Европейской комиссии и участников Европейского института стандартизации в телекоммуникациях (ETSI). Идеи и опыт серийных систем сотовой радиосвязи GSM, а также разработки транкинговых радиосетей различных производителей были использованы при формировании стандарта. В работе над TETRA принимали участие производители, операторы, пользователи и эксперты отрасли, в результате чего к 1995 году был подготовлен первый вариант стандартов, позволивший реализовывать совместимые решения.

TETRA осуществляет динамическое распределение каналов между абонентами как для голосовой, так и для передачи данных. В системе поддерживается создание национальных и наднациональных сетей, а также национальный и международный роуминг. Для гражданских систем в Европе выделены диапазоны частот 410—430 МГц, 870—876 / 915—921 МГц, 450—470 МГц, 385—390 / 395—399,9 МГц; для служб экстренной помощи в Европе — диапазоны 380—383 и 390—393 МГц, а также части диапазонов 383—385 и 393—395 МГц.

В системе TETRA поддерживается не только передача низкоскоростных пакетов данных и канальных соединений, но и различные средства шифрования. Для эффективного использования спектра применяется технология множественного доступа с временным разделением (TDMA): на каждом несущем канале шириной 25 кГц реализуется четыре абонентских канала.

Первая защищённая смартфон-радиостанция, использующая сеть TETRA, была представлена 26 мая 2011 года^[1].

Транкинговый вариант реализации профессиональной мобильной радиосвязи (ПМР), определяемый стандартом MPT-1327, получил широкое распространение и обладает рядом преимуществ по сравнению с простыми одноканальными системами. MPT1327 обеспечивает связь на больших территориях и позволяет внедрять дополнительные сервисы. В связи с высокой стоимостью построения транкинговых сетей такие системы обычно обслуживаются крупными операторами или консорциумами, предоставляющими услуги множеству пользователей; стандартизация оборудования позволяет выпускать его массово и снижать цены для конечного пользователя.

Транкинговая ПМР-система представляет собой сеть базовых станций, соединённых между собой, как правило, по кабелю, хотя также применяются оптоволоконные линии или радиорелейная связь. Это необходимо для организации взаимодействия между станциями.

Для передачи голоса и управления требуется несколько типов каналов, прежде всего — управляющие (control channels), по одному в каждом направлении для каждой базовой станции или центрального контроллера (TSC, Trunking System Controller). Используется несколько различных управляющих каналов во избежание взаимных помех, а мобильные абоненты («мобили») непрерывно сканируют каналы в поисках сигнала максимальной мощности. Кроме управляющих каналов в сети есть каналы трафика (traffic channels): спецификация стандарта позволяет использовать до 1024 различных каналов трафика одновременно. Таким образом, одна базовая станция может обслуживать множество абонентских станций, поддерживающих одновременную передачу сообщений. В небольших системах с малыми объёмами трафика управляющий канал также может работать как трафиковый.

Управляющие каналы работают со скоростью 1200 бит/с, используя быструю частотную манипуляцию (FFSK) на вспомогательной несущей. Это реализовано для двухчастотных полудуплексных абонентских радиостанций и полностью дуплексного контроллера.

Для корректной маршрутизации вызовов система должна знать положение «мобилей» (абонентских станций), поэтому реализован механизм «регистрации» на управляющем канале, который может запускаться как станцией по требованию, так и системой (явная регистрация), или автоматически при попытке связаться из новой зоны обслуживания (неявная регистрация). Несоответствие между актуальным районом расположения станции и информацией контроллера может возникнуть, например, если станция была выключена и перемещена в другую зону действия сети.

Исходящий вызов инициируется мобильной станцией путём передачи запроса на базовую станцию, как предусмотрено управляющим каналом. В сообщении указываются коды адресата (или группы), а также инициатора. Программное обеспечение и схемы центра управления сети организуют выделение трафикового канала и коммутацию вызова по необходимому маршруту. Для входящих вызовов мобильная станция оповещается по управляющему каналу, после чего также выделяется соответствующий канал трафика.

В стандарте нет операции «handover» — передачи вызова от одной базовой станции к другой при перемещении абонента, поэтому пользователь должен оставаться в зоне действия обслуживающей станции во время вызова: система не является «сотовой» телефонией в привычном смысле.

Протокол управления каналом строится на базе алгоритма Slotted ALOHA: базовая станция предоставляет «слоты» времени для передачи запроса «мобилями» в обратном канале. Как правило, передача возможна только по приглашению — либо открытому для всех, либо адресному. Случайные слоты используются при попытке инициировать вызов или регистрацию на контроллере. При высокой нагрузке возможна коллизия — две или более станции передают одновременно. При этом, если подтверждение от контроллера не поступает в течение определённого времени ожидания, мобильная станция повторяет попытку.

Сообщения управляющего канала содержат 64-битовые кодовые слова. Первый тип — системное слово Control Channel System Codeword (CSCC), определяет принадлежность системы и осуществляет синхронизацию. Второй — адресное слово, указывающее тип сообщения и адресата. Для передачи данных можно использовать управляющий канал (кодовые слова системные и адресные замещаются пользовательскими данными).

Возможные типы сообщений управляющего канала:

• Сообщения Aloha — приглашение базовой станции к обмену;
• Запросы — от абонентов для установления вызова;
• Сообщения типа «Ahoy» — вызов определённой станции с требованием опознавательного ответа (например, для проверки регистрации);
• Подтверждения — для подтверждения получения данных;
• Сообщения «перейти на канал» — инструкция для мобильной станции перейти на трафиковый канал;
• Адресные сообщения — от абонентских станций;
• Короткие сообщения данных — от базовой станции или абонента;
• Прочие служебные сообщения.

Хотя управляющие сигналы передаются в цифровом виде, голосовые каналы в системах MPT-1327 остаются аналоговыми (FM). Работы по созданию полностью цифровых систем также ведутся: известны решения Motorola, Ericsson (EDACS) и Johnson (LTR), но широкого распространения эти системы не получили^[2].