TETRA (ang. TErrestrial Trunked RAdio) jest europejskim cyfrowym standardem systemu łączności trankingowej, opracowywanym przez ETSI (ang. European Telecommunication Standard Institute) od 1992 roku. Porozumienie przystąpienia do projektu TETRA MoU (ang. Memorandum of Understanding) podpisała w 1994 grupa złożona z producentów, operatorów narodowych i regionalnych, organizacji standaryzujących oraz potencjalnych użytkowników. W pracach TETRA MoU bierze również udział – w charakterze obserwatora – Urząd Regulacji Telekomunikacyjnej i Poczty.
Architektura systemu i interfejs radiowy
Standard TETRA zaprojektowano w sposób, który umożliwia efektywne przesyłanie w kanale radiowym zarówno sygnałów mowy, jak i danych w trybie połączeniowym, a także pakietowym. Istotnym wymaganiem stawianym projektantom była również możliwość współpracy systemów eksploatowanych przez różnych operatorów.
Architekturę ogólną przykładowego systemu TETRA pokazano na rysunku 1. Można w niej wyróżnić część komutacyjno-sieciową, stacje bazowe i terminale. W części komutacyjno-sieciowej znajdują się centrale główne i lokalne. Te ostatnie są podporządkowane centralom głównym, pełniąc rolę pośrednią pomiędzy koncentratorami wyniesionymi nowoczesnych central elektronicznych w telefonii stałej a sterownikami stacji bazowych w systemie GSM (ang. Global System for Mobile communication). W części komutacyjno-sieciowej znajduje się jeszcze moduł rejestracji użytkowników oraz centrum eksploatacji i utrzymania sieci. W tej części znajduje się zespół modułów pośredniczących, umożliwiających współpracę systemu z sieciami zewnętrznymi, takimi jak publiczna telefoniczna sieć stała, sieci ISDN, sieci pakietowej transmisji danych itp. Do central lokalnych dołączone są stacje bazowe.
Oprócz połączeń bezpośrednich DMO (ang. Direct Mode Operation) między terminalami możliwe jest wykorzystanie terminala jako bramy (ang. repeater) – rysunek 2.
Transmisja w kanale radiowym
W standardzie TETRA zastosowano, podobnie jak w systemie GSM, mieszany sposób wielodostępu, tj. połączenie wielodostępu częstotliwościowego FDMA i czasowego TDMA. Przydzielone do użytkowania pasmo częstotliwości dzielone jest na kanały o szerokości 25 kHz, a w każdym kanale zdefiniowana jest struktura ramkowa pozwalająca na utworzenie czterech kanałów rozmównych zwielokrotnionych czasowo – rysunek 3. Tak więc efektywna szerokość pasma zajmowanego przez pojedynczy kanał rozmówny wynosi 6,25 kHz. Transmisja w kanale radiowym odbywa się z wykorzystaniem modulacji /4 DQPSK, tj. różnicowej kwadraturowej modulacji fazy z przesunięciem o /4.
Sygnały mowy kodowane są z przepływnością 4,8 kbit/s, co zapewnia jakość transmisji wystarczającą dla systemów prywatnych, choć niższą niż w telefonii publicznej. Tak więc sumaryczna przepływność danych w pojedynczym kanale częstotliwościowym wynosi 19,2 kbit/s, a po kodowaniu protekcyjnym 36 kbit/s. Dostęp do kanału radiowego realizowany jest przy pomocy algorytmu ALOHA. Zdefiniowano trzy klasy terminali ruchomych o mocach: 1, 3 i 10 W. Podstawowe parametry techniczne opisujące interfejs radiowy standardu TETRA przedstawia tabela.
Intencją twórców standardu TETRA było zdefiniowanie systemu, który mógłby być używany co najmniej w całej Europie. Aby to zrealizować, konieczne było znalezienie pasma częstotliwości dogodnego dla wszystkich krajów Starego Kontynentu. Niestety, okazało się, że w Europie w zakresie poniżej 1 GHz nie istnieje pasmo częstotliwości o szerokości 2 x 20 MHz, które byłoby powszechnie dostępne.
Tryb pracy systemu
Standard TETRA definiuje dwa podstawowe tryby pracy systemu:
- Voice plus Data (w skrócie: TETRA V+D), służący do transmisji sygnału mowy oraz danych,
- Packet Optimized Data (w skrócie: TETRA POD), przeznaczony wyłącznie do transmisji danych.
W standardzie TETRA Voice plus Data system pracuje w trybie połączeniowym. Transmisja sygnałów mowy realizowana jest w opisanych wcześniej kanałach rozmównych zwielokrotnianych czasowo po cztery na każdej nośnej. Transmisja danych przebiega z przepływnością dopasowywaną do aktualnych potrzeb użytkownika. Układ sterujący umożliwia korzystanie w części lub w całości z czterech szczelin czasowych znajdujących się w obrębie każdego kanału częstotliwościowego. Oznacza to możliwość transmisji danych z szybkościami od 4,8 kbit/s do 19,2 kbit/s. W tym trybie pracy możliwa jest także łączność bezpośrednia pomiędzy terminalami z pominięciem stacji bazowej, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obszaru działania sieci trankingowej.
Standard TETRA w wariancie Packet Optimized Data zoptymalizowano pod kątem transmisji danych i będzie wykorzystywany w aplikacjach, w których transmisja głosu nie jest wymagana. W tym wariancie system może przesyłać dane zarówno w trybie połączeniowym, jak i bezpołączeniowym. Transmisja danych może być wówczas realizowana z różnymi priorytetami do odbiorców indywidualnych oraz grupowych z przepływnością do 19,2 kbit/s.
Dużym walorem standardu TETRA jest możliwość transmisji danych. Dostęp do baz danych uzyskuje się bezpośrednio z terminali. Można przekazywać obrazy, schematy budynków, sprawdzać informacje, transmitować wolnozmienne obrazy wideo. Możliwa jest też integracja z sieciami światłowodowymi, ISDN oraz dostęp do X.25, Internetu czy intranetu. Inne usługi to lokalizowanie pojazdów, zarządzanie taborem pojazdów, przesyłanie wiadomości, telemetria czy dostęp do różnych aplikacji sieciowych poprzez protokół TCP/IP (rysunek 4) czy WAP (rysunek 5).
Usługi
Standard TETRA przewiduje realizację bardzo szerokiego wachlarza usług (rysunek 6), począwszy od transmisji sygnałów mowy w różnych wariantach, poprzez różnorodne formy transmisji danych, do klasycznych usług dodatkowych typu przekazywanie rozmów, blokowanie określonych połączeń itp. Do najważniejszych teleusług należy możliwość realizacji:
• połączeń indywidualnych,
• połączeń grupowych,
• połączeń grupowych z potwierdzeniem,
• wywołań ogólnych.
Wiele z tych usług znanych jest z nowoczesnych systemów telefonii komórkowej. Standard oferuje także cały szereg usług niespotykanych w typowych systemach komórkowych: od monitorowania rozmów, przez rozbudowane możliwości nadawania priorytetów, po tzw. dyskretne nasłuchiwanie.
W grupie usług przenoszenia w standardzie TETRA należy wymienić:
- transmisję danych 7,2/14,4/21,6/28,8 kbit/s;
- chronioną transmisję danych 4,8/9,6/14,4/19,2 kbit/s;
- silnie chronioną transmisję danych 2,4/4,8/7,2/9,6 kbit/s;
- zorientowaną na połączenie transmisję pakietową;
- niezorientowaną transmisję pakietową.
Oto ważniejsze usługi standardu TETRA: - transmisja sygnałów mowy półdupleksowa lub dupleksowa z szyfrowaniem lub bez do abonentów indywidualnych lub grupowych,
- transmisja danych w trybie połączeniowym z szyfrowaniem lub bez z różnymi poziomami zabezpieczenia przed błędami z maksymalnymi przepływnościami od 9,6 kbit/s (wysokie zabezpieczenie przed błędami) nawet do 28,8 kbit/s (brak kodowania protekcyjnego) do abonentów indywidualnych lub grupowych,
- pakietowa transmisja danych, w tym także z potwierdzeniem,
- przekazywanie rozmów bezwarunkowe oraz warunkowe w przypadku zajętości wołanego terminala, braku odpowiedzi lub też jego wyjścia poza zasięg działania systemu,
- blokowanie przychodzących lub wychodzących rozmów od i do określonych grup odbiorców, informowanie abonenta o rozmowach przychodzących w trakcie trwania innego połączenia,
- definiowanie numerów skróconych,
- dynamiczne tworzenie grup abonentów, a także zestawianie połączeń konferencyjnych,
- priorytetowanie dostępu do zasobów systemu, w tym do kanałów radiowych, bezwarunkowe lub w zależności od aktualnego natężenia ruchu,
- autoryzację zestawianych połączeń przez centrum nadzoru, np. w sieciach używanych przez policję,
- dyskretne nasłuchiwanie – oznacza to, że użytkownik posiadający autoryzację może monitorować rozmowy prowadzone przez innych użytkowników,
- możliwość warunkowego zestawiania połączeń, np. tylko wtedy, gdy abonent wywoływany znajduje się na wskazanym obszarze,
- przechowywanie przez system wiadomości dla użytkowników chwilowo nieobecnych w systemie (nieaktywnych) i ich przekazywanie po wznowieniu przez nich pracy.
Szczególny nacisk położono więc na wysoką niezawodność systemu, jego bezpieczeństwo (szyfrowanie, karty SIM, stopniowanie poziomów dostępu, wykrywanie nadużyć, ochrona przed niepowołanym dostępem), dostępność specyficznego typu usług oraz możliwość współdziałania różnych systemów ze sobą. Szyfrowanie realizowane jest w interfejsie radiowym między terminalem i stacją bazową oraz w komunikacji między terminalami.
Wprowadzone do standardu TETRA mechanizmy bezpieczeństwa w interfejsie radiowym obejmują:
- realizację procedury autoryzacji terminali w sieci,
- szyfrowanie informacji w połączeniach indywidualnych, jak i grupowych w trybie pracy trankingowej i bezpośredniej,
- synchronizację pracy szyfrowanej pomiędzy terminalami,
- dwa algorytmy szyfrowania (jeden do zastosowań ogólnych, drugi dla służb ratunkowych),
- algorytm szyfrowania stosowany do zarządzania kluczem oraz procedurą autoryzacji,
- algorytm szyfrowania transmisji między terminalem i kartą SIM,
- mechanizmy zezwalające na legalny podsłuch.
Pewne mechanizmy bezpieczeństwa są również wprowadzane w części stałej sieci. Standard TETRA przewiduje także możliwość tworzenia profili bezpieczeństwa indywidualnie dla grup użytkowników. W przypadku nadużyć system pozwalana na blokadę terminala i karty SIM (ang. Subscriber Identify Module). W zastosowaniach wojskowych ważnym elementem jest przeciwdziałanie potencjalnemu zagłuszaniu transmisji. W tym zakresie standard TETRA nie ma jeszcze zaleceń. Standard przewiduje także możliwość zagwarantowania anonimowości poprzez szyfrowanie identyfikatora, jak i włączanie (wyłączenie) funkcji szyfrowania w terminalu. Funkcje szyfrowania są również realizowane w roaming‑u.
Przewiduje się, że wysoka przepływność danych oferowana przez system umożliwi policji m.in. transmisję z centrum dowodzenia do radiowozów zdjęć przedstawiających poszukiwane osoby, a w przeciwną stronę przekazywanie zdjęć z miejsca wypadku. Standard TETRA spełnia niemal w całości wymagania na systemy dla organów bezpieczeństwa zdefiniowane przez ETSI. Jedynym odstępstwem jest opóźnienie wnoszone podczas połączeń terminal-terminal przekroczone o 15 ms w stosunku do normy. Ze względu na te korzyści, systemem może być również zainteresowane wojsko do łączności wewnętrznej w kraju i poza nim w akcjach pokojowych oraz podczas działań wojennych.
Ponieważ standard TETRA pozwala na przenoszenie usług IP, możliwe jest wprowadzenie takich protokołów jak TCP (ang. Transmission Control Protocol) czy WAP (ang. Wireless Application Protocol). Dzięki temu może nastąpić integracja z istniejącymi usługami i sieciami. System TETRA jest przygotowany na integrację z systemami trzeciej generacji. Ze względu na otwartość standardu, z pewnością powstanie rynek dostawców aplikacji i informacji (rysunek 7).
Ewolucja standardu TETRA do TETRA2
Ewolucja standardu TETRA prowadzi w kierunku systemu szerokopasmowego. Rozwiązanie TETRA2 to system TETRA Enhanced Data Service (TEDS) – TETRA Release 2, który charakteryzuje się:
- przepływnością minimum 50 kbit/s na skraju obszaru komórki,
- technologią adaptacji parametrów kanału radiowego oraz wyższą przepływnością maksymalną,
- jednoczesną transmisją głosu i danych z priorytetyzacją komunikacji głosowej,
- maksymalną mocą terminali przenośnych 1 W i terminali przewoźnych 3 W.
Zastosowane rozwiązania techniczne obejmują: - transmisję TDMA na wielu nośnych,
- adaptacyjny dobór typu modulacji oraz kodowania kanałowego,
- różne modulacje:
- 4 QAM dla transmisji na brzegu komórki,
- 16 QAM dla średnich przepływności,
- 64 QAM dla dużych przepustowości,
- π/4 DQPSK dla kanałów sterujących,
- D8PSK w celu zwiększenie przepływności w okresie migracji,
- szerokość kanału radiowego 25, 50, 100 lub 150 kHz –
- szerokość kanału zależy od liczby użytkowników i ich zapotrzebowania na przepływność,
- wykorzystanie symboli pilotujących do estymacji odpowiedzi impulsowej kanału transmisyjnego,
- szczelinę czasową o pełnym lub połówkowym rozmiarze:
- ʱ 14,176 ms dla 25 kHz oraz 50 kHz przy stosowaniu modulacji małowartościowych,
- ʱ 7,08 ms dla kanałów o większej szerokości oraz modulacji więcej wartościowych,
- równolegle splotowe kody kaskadowe PCCC (ang. Parallel Concatenated Convolution Coding),
- każdą nośną z modulacją QAM, która składa się z pewnej liczby podnośnych w pasmie podstawowym (osiem podnośnych w pasmie 25 kHz),
- oczekiwaną przepływność 30‑ 400 kbit/s,
- dostosowanie wyższych warstw technologii TETRA V+D do potrzeb technologii TEDS.
Na rysunku 8 pokazano analizę zasięgu stacji bazowych standardu TEDS. W odległości 2 km można uzyskać od 100 kbit/s do 300 kbit/s. Możliwa jest zatem wymiana na zasadzie kompromisu szerokości zajmowanego pasma, przepływności oraz zasięgu. Możliwa jest też transmisja wideo.
Inna analiza pokrycia radiowego jest pokazana na rysunku 9. Zależnie od przepływności można uzyskać różne pokrycie radiowe terenu.
MACIEJ SKORASZEWSKI, Biuro PTPiREE
