Тема:"Технология цифровой мобильной связи DMR: исследование процесса синхронизации L1 уровня".

Введение:

Решения профессиональной двусторонней радиосвязи сегодня делают самый большой шаг вперед с момента изобретения транзистора: переходят с аналоговых стандартов на цифровые. Цифровые системы радиосвязи имеют множество преимуществ перед аналоговыми: повышенное качество передачи речи, большая дальность действия, улучшенная защита от прослушивания, прогрессивные возможности управления вызовами, возможность интеграции с системами передачи данных и так далее.

Сегодня мы находимся на этапе массированного перехода на цифровые стандарты в профессиональных системах. В то же самое время сложности, связанные с законодательным регулированием и текущими потребностями абонентов систем радиосвязи, заставляют производителей и пользователей этих систем искать возможность передать как можно больше информации в выделенной полосе частотного диапазона: другими словами, повышать эффективность использования частотного ресурса. Каналы, по которым ранее передавался один вызов в единицу времени, теперь разделяются для того, чтобы можно было одновременно передать два.

Для облегчения массированного перехода профессиональных систем на “цифру” Европейский Институт стандартов связи (ETSI) разработал новый стандарт DMR (Digital Mobile Radio)  для пользователей профессиональной мобильной радиосвязи («PMR» - «professional mobile radio») в рамках существующих лицензируемых частотных диапазонов с разносом каналов 12.5 кГц, используемых в сухопутной подвижной радиосвязи, в основе которого лежит двухинтервальный протокол TDMA ( Time Division Multiple Access – многостанционный доступ с временным разделением каналов). На основе протокола TDMA уже создан ряд стандартов связи, широко и успешно использующихся во всём мире, например, GSM и TETRA, и можно с большой долей уверенности заявить, что этот же протокол будет применяться для решения задач дальнейшего повышения эффективности использования частотного ресурса. Протокол TDMA имеет ряд преимуществ, актуальных для систем связи как нынешнего, так и будущих поколений. Это универсальность функциональных возможностей, невысокая стоимость оборудования, более долгий срок работы аккумуляторов, открытость для реализации новых функций и проверенная на практике способность повышать эффективность использования частотного ресурса без риска перегрузки каналов связи или создания помех.

Общие сведения о стандарте DMR (Digital Mobile Radio):

В апреле 2005 года вышел первый релиз DMR - ETSI TS 102 361 описывающий стандарт DMR. Описание стандарта DMR состоит из нескольких частей. Протокол передачи информации стандарта (DMR Air Interface (AI) protocol - часть 1), технические возможности стандарта по передаче информации (DMR voice and generic services and facilities - часть 2). В январе 2006 года добавилась третья часть стандарта DMR, описывающая протокол передачи пакетных данных (DMR data protocol). Четвертая часть описывает протокол передачи в транкинговых сетях (DMR trunking protocol). В основе технологии DMR лежит технология TDMA, что позволяет разместить два временных интервала на одной частотной несущей с сеткой частот 12,5 кГц. 

Стандарт DMR:

Стандарт DMR подразделяется на несколько уровней:

1. Tier I - Маломощные коммерческие радиостанции имеющие укороченную навинчивающуюся антенну, для использования в диапазоне PMR, не требующем оформления разрешения на использование радиочастот или радиочастотных каналов и свидетельств о регистрации РЭС.

2. Tier II - Оборудование профессиональных систем радиосвязи: репитеры, базовые станции, мобильные радиостанции, работающие в полосах частот СПС. «DMR Tier II» ориентирован на пользователей, нуждающихся в максимальной эффективности использования радиочастот, расширенных возможностях голосовой связи и интегрированных услугах передачи данных. Стандарт «DMR Tier II» использует два слота TDMA в одном радиоканале 12,5 кГц.

3. Tier III - Профессиональные системы цифровой транкинговой радиосвязи, работающие в полосах частот СПС. Стандарт «DMR Tier III» использует два слота TDMA в одном радиоканале 12,5 кГц. Поддерживаются голосовые вызовы и короткие текстовые сообщения. Также поддерживаются услуги пакетной передачи данных в различных форматах, включая поддержку протоколов IPv4 и IPv6.

В настоящее время усиленное развитие идет по уровням Tier II и Tier III. Также использование оборудования уровней Tier II и Tier III требует оформления разрешения на использование радиочастот или радиочастотных каналов и регистрации РЭС в Роскомнадзоре.

 В основе технологии DMR лежат механизмы TDMA (Time Division Multiple Access - многостанционный доступ с временным разделением каналов), что позволяет разместить два временных интервала (независимых логических канала) на одной частотной несущей с сеткой частот 12,5 кГц. Тип модуляции — 4FSK (четырехуровневая частотная манипуляция). 

Применение технологии временного уплотнения TDMA позволяет:

  • Улучшить качество связи. Использование цифровых технологий для передачи голоса позволяет достоверно воспроизводить речь человека даже при слабом уровне радиосигнала, что обеспечивает высокое качество передачи аудио по всей территории охвата связью;
  • Повысить спектральную эффективность и сэкономить частотный ресурс. При организации в одном физическом радиоканале двух логических каналов передачи информации, потребность в частотном ресурсе уменьшается в два раза;
  • Интегрировать в одной радиостанции передачу голоса и данных. За счет создания на одном радиоканале двух информационных каналов, появляется возможность использовать один из них для передачи голоса, второй – для передачи данных;
  • Значительно повысить время автономной работы аккумуляторной батареи. В случае использования одного тайм-слота радиостанция передает только в 50 % времени по сравнению с обычной аналоговой радиостанцией, что позволяет экономить около 40 % емкости аккумуляторных батарей и продлить срок их работы.

            Гибкость, заложенная в рамках стандарта DMR, позволяет реализовывать решения не только в классических диапазонах 136-174 МГц и 403-470 МГц, но во всем спектре частот от 50 МГц до 999 МГц. Причем дуплексный разнос, для решений с применением точки ретрансляции допускается любым, в том числе классические 4,6 МГц для диапазона 160 МГц и 45 МГц для диапазона 900 МГц. Дуплексный разнос определяется 15 битной сигнальной последовательностью в структуре цифрового кода стандарта DMR.
На данный момент Motorola выпускает оборудование MotoTRBO для трех диапазонов частот: (VHF) 136-174 МГц, (UHF1) 403-470 МГц и (UHF2) 470-512 МГц. Длительность временного интервала, организующего один логический канал, составляет 30 мс. Из них 27,5 мс отведены под полезную нагрузку, составляющую 216 бит и 48 сигнальных битов. Защитный межинтервальный разнос - 2,5 мс. Канальная скорость передачи данных составит около 2 кбит/с. В случае передачи пакетных данных следует учитывать, что в зависимости от длины IP-пакетов процент полезных данных будет снижаться за счет заголовков IP пакетов. В этом случае имеем:

1. Каждая посылка имеет максимальную длительность 30 мс, которая содержит 264 бита информации.

2. 216 бит полезной нагрузки позволяет передать 60 мс сжатой речи.


Рисунок 1.Длительность временного интервала.

В основе технологии DMR лежат механизмы TDMA(Time Division Multiple Access - многостанционный доступ с временным разделением каналов), что позволяет разместить два независимых канала связи на одной несущей частоте шириной 12,5 кГц и получить канал с условной шириной 6.25 кГц. 


Рисунок 2. Разделение каналов на одной частоте.

Это приводит к следующим улучшениям:

1.Канал делится на 2 тайм-слота.

2.Производительность становится выше, чем у канала с 12.5 кГц FDMA.

3.Пропускная способность удваивается.

Ещё одним преимуществом является увеличение эффективной зоны покрытия:

 

Рисунок 3. Зона покрытия.

У цифровых систем при удалении от станции обеспечивается постоянное качество связи по всей зоне покрытия, гораздо более ощутимое подавление помех, возможность работать с различными видами сигналов.

Если говорить о дальности связи стоит упомянуть, что достигаемые результаты зависят не только от наличия естественных преград, но и от окружающей электромагнитной обстановки.

Синхронизация в стандарт DMR:

Первый уровень радиоинтерфейса должен быть физический уровень. Он должен взаимодействовать с физическим маркером, состоящем из битов, который должен быть отправлен или получен.

Первый уровень радиоинтерфейса должен содержать в своем составе:

• модулятор и демодулятор;

• передатчик и приемник коммутации;

• радиочастотные характеристики;

• биты и определение символов;

• частота и символы синхропоследовательности;

• маркеры синхронизации.

Более подробно хотелось бы рассмотреть синхронизацию L1-уровня.

            Синхронизация - это средство поддержания работы всего цифрового оборудования в сети связи на одной средней скорости. Для цифровой передачи информация преобразуется в дискретные импульсы. При передаче этих импульсов через линии и узлы связи цифровой сети все ее компоненты должны синхронизироваться. Синхронизация должна существовать на трех уровнях: битовая синхронизация, синхронизация на уровне канальных интервалов (time slot) и кадровая синхронизация.

Битовая синхронизация заключается в том, что передающий и принимающий концы линии передачи работают на одной тактовой частоте, поэтому биты считываются правильно. Для достижения битовой синхронизации приемник может получать свои тактовые импульсы с входящей линии. Битовая синхронизация включает такие проблемы как джиттер линии передачи и плотность единиц. Эти проблемы поднимаются при предъявлении требований к синхронизации и системам передачи.

Синхронизация канального интервала (time slot) соединяет приемник и передатчик таким образом, чтобы канальные интервалы могли быть идентифицированы для извлечения данных. Это достигается путем использования фиксированного формата кадра для разделения байтов. Основными проблемами синхронизации на уровне канального интервала являются время изменения кадра и обнаружение потери кадра.

Кадровая синхронизация вызвана необходимостью согласования по фазе передатчика и приемника таким образом, чтобы можно было идентифицировать начало кадра.

Чтобы входной поток данных имел смысл для приемника, приемник должен синхронизироваться с кадровой структурой потока данных. Кадровая синхронизация обычно выполняется с помощью некоторой специальной процедуры передатчика. Данная процедура может быть как простой, так и довольно сложной, в зависимости от среды, в которой должна функционировать система.

Вероятно, простейшим методом, используемым для обеспечения кадровой синхронизации, является введение маркера. Маркер кадра — это отдельный бит или краткая последовательность бит, периодически вводимая передатчиком в поток данных. Приемник должен знать эту последовательность и период ее введения. Приемник, достигший синхронизации данных, сопоставляет (проверяет корреляцию) эту известную последовательность с потоком поступающих данных в течение известного периода введения. Если приемник не синхронизирован с кадровой последовательностью, корреляция будет слабой. При синхронизации приемника с кадровой структурой, корреляция будет практически идеальной, повредить которую может только случайная ошибка обнаружения.

Преимуществом маркера кадра является его простота. Для маркера может быть достаточно даже одного бита, если перед принятием решения, находится ли система в состоянии кадровой синхронизации, было выполнено достаточное число корреляций. Основной недостаток состоит в том, что данное достаточное число может быть очень большим; следовательно, большим может быть и время, требуемое для достижения синхронизации. Таким образом, наибольшую пользу маркеры кадров представляют в системах, непрерывно передающих данные, подобно многим телефонным и компьютерным каналам связи, и не подходят для систем, передающих отдельные пакеты, или систем, требующих быстрого получения кадровой синхронизации. Еще одним недостатком маркера кадра является то, что введенный бит (биты) может повысить громоздкость структуры потока данных.

Вывод:

Можно выделить следующие преимущества DMR:

  • Временное разделение канала на два тайм-слота ведет к двойной экономии частотного ресурса и заряда аккумуляторов.
  • Улучшенное качество связи по всей зоне покрытия.
  • Большие возможности заложенные в технологии, потенциал для реализации нестандартных решений.

Список литературы: 

1. http://dmrassociation.org/the-dmr-standard/

2. Стандарт ETSI TS 102 361-1 v2.2.1 (2013-02)