Perspektywy rozwoju systemów łączności opartych na standardzie TETRA

TETRA – standard dla klasycznego trankingu

TETRA jest otwartym standardem cyfrowej radiokomunikacyjnej trankingowej łączności dyspozytorskiej. Standard opiera się na cyfrowej transmisji danych i koncepcji systemu komórkowego, w którym transmisja sygnałów mowy i danych odbywa się za pośrednictwem stacji bazowych. W systemie TETRA wykorzystuje się rozwiązania w zakresie dostępu do kanału radiowego oparte na wielodostępie TDMA (ang. Time Division Multiple Access) oraz FDMA (ang. Frequency Division Multiple Access). Dzięki temu możliwe jest udostępnienie w każdym kanale radiowym o szerokości pasma 25 kHz czterech szczelin czasowych, w których można prowadzić transmisję. Obecnie sam standard TETRA rozwija się w kierunku uelastycznienia sposobu wykorzystania kanałów radiowych oraz poprawienia możliwości realizacji transmisji danych za pomocą podsystemu TEDS. W podsystemie tym zdecydowano się na połączenie kilku kanałów o szerokości 25 kHz w kanały 50-, 100- lub 150-kilohercowe. TEDS stanowi najnowocześniejszy wariant pracy systemu, który obejmuje część nowych standardów opracowywanych w ramach drugiego wydania i zachowuje zgodność wstecz, dzięki czemu możliwe jest aktualizowanie oprogramowania infrastruktury bazowej i mobilnej w celu zwiększenia szybkości transmisji.

TETRA – ciągły rozwój

Obecnie zasadniczy trzon standardu TETRA Release 2 (wersja 2) w wariancie
podstawowym V+D (Voice+Data) obejmuje kilkanaście dokumentów. Są to zarówno standardy, specyfikacje techniczne, jak i raporty techniczne.

W ostatnich kilku latach pojawiło się 16 dokumentów standaryzacyjnych systemu TETRA. Szczególną uwagę należy zwrócić na pakiet aż ośmiu standardów dotyczących tzw. interfejsu międzysystemowego ISI (Inter-system Interface). Interfejs międzysystemowy ISI to zagadnienie, nad którym ciała standaryzacyjne systemu TETRA pracowały od wielu lat. W skrócie chodziło o zapewnienie możliwości łączenia ze sobą różnych (autonomicznych, rozdzielnych) sieci TETRA. Zasadne wydaje się tu porównanie do roamingu. Dysponując ISI, użytkownicy danej sieci regionalnej mogą korzystać z własnego sprzętu i komunikować się wewnątrz własnej sieci. Mogą również łączyć się z użytkownikami innej sieci (korzystającej z zupełnie innych urządzeń radiowych). Możliwe jest też tworzenie większych sieci TETRA na bazie różnych rozwiązań sprzętowych. Warto zwrócić uwagę, że aż siedem z ośmiu wymienionych powyżej standardów dotyczących kwestii ISI to dokumenty, których wersja oznaczona jest jako V1.1.1, co oznacza, że nie są to aktualizacje, lecz zupełnie nowe – opublikowane po raz pierwszy – normy. Obejmują one różne zagadnienia związane z opisem warstwy transportowej czy sposobami przenoszenia sygnałów mowy. Potencjalni użytkownicy tych rozwiązań zwracają również uwagę, że ETSI (European Telecommunications Standards Institute), przygotowując wspomniany pakiet standardów, dopuścił wykorzystanie protokołu IP, co może znacząco przyspieszyć i zwiększyć efektywność łączenia różnych sieci systemu TETRA. Należy zauważyć, że rozwiązanie to mogłoby być korzystne również z punktu widzenia polskich operatorów sieci energetycznych, którzy np. łatwo nawiązywaliby łączność z siecią innego operatora lub też mogliby wydzielać na jego potrzeby określone zasoby z własnej sieci łączności.

Od dłuższego czasu pojawiają się informacje o kolejnej wersji standardu TETRA, określanej jako Release 3. Miałaby ona wprowadzać pełne wsparcie dla trybów transmisji o wysokiej przepływności i zapewniać interoperacyjność z innymi standardami (w tym LTE).

Wzmianki na temat planowanego Release’u 3 systemu TETRA można już odnaleźć w dokumentach ETSI. Teraz oba te pojęcia, tj. TETRA i komunikacja krytyczna – obejmująca m.in. takie obszary jak bezpieczeństwo publiczne, transport, produkcję paliw i oczywiście szeroko rozumianą energetykę – są traktowane niejako równorzędnie. Oznacza to, że z czasem TETRA stanie się częścią szerszego zbioru rozwiązań dla możliwie najpełniejszej obsługi telekomunikacyjnej zdarzeń o charakterze krytycznym. Jednym z przejawów tego trendu jest fakt, że w 2013 roku TC TETRA (Komitet Techniczny TETRA), czyli jednostka w ramach ETSI koordynująca prace nad TETRĄ, zmieniła nazwę na TC TCCE (Komitet Techniczny ds. TETRA i Rozwoju Komunikacji
Krytycznej), a także zmodyfikowała swój zakres zadań.

W ramach TC TCCE funkcjonuje sześć grup roboczych, które podzieliły się następującymi kompetencjami:

  • TCCE WG1 – analiza wymagań użytkowników w kontekście rozwoju TETRY i innych rozwiązań komunikacji krytycznej;
  • TCCE WG3 – utrzymanie (maintenance) istniejących dokumentów standaryzacyjnych TETRY i za rozwój standardu;
  • TCCE WG4 – standaryzacja w zakresie szerokopasmowych usług związanych z komunikacją krytyczną, ewolucja usług głosowych oraz szybka transmisja pakietowa w ramach TETRY;
  • TCCE WG5 – regulacje w zakresie kodowania sygnałów mowy w systemie TETRA;
  • TCCE WG6 – bezpieczeństwo, przeciwdziałanie nadużyciom podczas komunikacji krytycznej i inne zagadnienia prawne;
  • TCCE WG8 – kwestie związane z trybem DMO (Direct Mode Operation).

Te grupy robocze pracują nad nowymi dokumentami w obszarach zgodnych ze swoimi zakresami tematycznymi. Na podstawie ogólnych informacji wiadomo, że w niedalekiej przyszłości można spodziewać się m.in. uaktualnienia standardu szyfrowania TEA2. Grupy pracują też nad możliwościami interoperacyjności między TETRĄ a standardem MCPTT.

Od strony biznesowej prace dotyczące TETRY – komunikacji krytycznej koordynuje stowarzyszenie TCCA (TETRA and Critical Communication Association), które zrzesza ponad sto firm z całego świata (producentów sprzętu, dostawców usług, operatorów itp.). TCCA zajmuje się wsparciem i promocją rozwoju TETRY oraz powiązanych rozwiązań szerokopasmowych na potrzeby komunikacji krytycznej.

Biorąc pod uwagę powyższe przesłanki należy stwierdzić, że TETRA jest systemem cały czas rozwijającym się, a silnie uwidocznione w ostatnich latach powiązanie z obszarem „critical communication” przełoży się również na rozwój funkcji TETRY. Z uwagi zarówno na definicję samej TETRY, jak i komunikacji krytycznej, bardzo ważnym kierunkiem tego rozwoju będzie wykorzystanie systemu w jak najszerzej rozumianym przemyśle, w tym w zastosowaniach związanych z energetyką.

TETRA a systemy szerokopasmowe

W kontekście rozwoju systemów do obsługi szeroko rozumianej komunikacji krytycznej nie sposób nie wspomnieć o trendach wykorzystywania w tym celu rozwiązań szerokopasmowych, w tym bazujących na systemie LTE. Szczególnie istotne w tym kontekście są prace organizacji 3GPP (3rd Generation Partnership Project), której aktywność w tym segmencie datuje się od tzw. Release’a 13 i jest kontynuowana w kolejnych wersjach standardów 3GPP (w szczególności z serii 22, 23 i 24). Najważniejszym rezultatem tych prac jest rozwiązanie o nazwie Mission Critical Push-to-Talk, w skrócie MCPTT, które ma zapewniać spełnienie części wymagań związanych z łącznością głosową w komunikacji krytycznej przy jednoczesnym utrzymaniu zalet szerokopasmowych systemów 3GPP, w tym LTE. Oprócz MCPTT w kolejnych Release’ach mają pojawiać się następne rozszerzenia związane z łącznością krytyczną, w tym MCData i MCVideo, a także wprowadzane są dodatkowe elementy w ramach samego MCPTT.

Oczywiście MCPTT i TETRA to niezależne, rozłączne rozwiązania, jednak z jednej strony 3GPP w dokumentach zapewnia o możliwościach interoperacyjności MCPTT z TETRĄ, a z drugiej – samo ETSI organizuje testy funkcjonalności MCPTT i zaczyna wprowadzać elementy związane z tym systemem w swoich dokumentach technicznych. Należy jednak zaznaczyć, że MCPTT jest rozwiązaniem nowym, dopiero rozwijającym się i jak dotąd nie stanowi jeszcze realnej alternatywy dla TETRY.

Innym istotnym rozwiązaniem opracowywanym przez 3GPP (począwszy od Release’a 12) jest tzw. Proximity Services, czyli mechanizm pozwalający na wykrywanie terminali znajdujących się w niewielkiej odległości od siebie i umożliwiający nawiązanie bezpośredniej komunikacji między nimi (z pominięciem stacji bazowej).

W kontekście przytoczonych faktów coraz częściej pojawia się pytanie, czy LTE może być zatem pełnowartościową alternatywą dla typowych systemów trankingowych dyspozytorskich (TETRA) i czy może je w niedalekiej przyszłości zupełnie zastąpić? Obecnie odpowiedź na to pytanie – zwłaszcza w kontekście zastosowań krytycznych z punktu widzenia bezpieczeństwa państwa, jak np. energetyka – jest negatywna. Komunikacja krytyczna wiąże się z szeregiem wymagań dotyczących m.in. niezawodności usług (zwłaszcza w sytuacjach kryzysowych, zniszczenia infrastruktury), połączeń grupowych, priorytetyzacji połączeń oraz czasu ich zestawiania, trybu łączności bezpośredniej itp. TETRA – od swojego zarania budowana jako system trankingowy – wymagania te spełnia niejako „domyślnie”, podczas gdy w przypadku szerokopasmowych sieci komórkowych jest to problematyczne. Na przykład wspomniany już mechanizm Proximity Sevices oferuje mniejsze zasięgi robocze i z uwagi na znaczące różnice technologiczne nie może być traktowany jako pełnowartościowa alternatywa dla trybu DMO (Direct Mode Operation) TETRY, a najwyżej jako jego uzupełnienie. W trybie bezpośrednim DMO realizowana jest łączność terminal-terminal bez pośrednictwa sieci. To szczególnie istotna funkcja w przypadku uszkodzenia infrastruktury sieci, bądź braku zasilania. Zasięg transmisji w trybie DMO wynosi typowo 400 m w obszarze miejskim, do 2 km w terenie otwartym. Innym przykładem jest kwestia niezawodności. O ile infrastruktura krytyczna bazująca na systemie TETRA jest tak projektowana, aby zapewnić funkcjonowanie w sytuacji awarii o charakterze masowym nawet przez 36 godzin (przy braku zasilania obiektów telekomunikacyjnych), o tyle w systemach komórkowych takie buforowanie zasilania, ze względu na wysokie koszty, jest rzadkością. Rzecz jasna, niezależnie od tego, nie sposób przewidzieć, jak przebiegać będzie dalszy rozwój standardów ETSI i 3GPP. Zatem rozwiązania szerokopasmowe opracowywane przez 3GPP mogą w późniejszym czasie stopniowo uzupełniać funkcjonalności typowe dla TETRY.

TETRA + LTE optymalnym rozwiązaniem dla energetyki

Oczywiście LTE ma szereg cech, które są korzystne i pożądane z punktu widzenia współczesnych sieci trankingowych. Jest to system szerokopasmowy (szerokości kanału od 1,4 do 20 MHz), oferuje bardzo wysokie przepływności, wielokrotnie wyższe niż w przypadku TETRY (osiągalne w Polsce faktyczne szybkości transmisji sięgają teraz 140 Mb/s) i zapewnia duży zbiór dostępnych szybkości transmisji, umożliwia elastyczny przydział pasma użytkownikom w zależności od ich bieżących potrzeb itp. Mówiąc o ewentualnym wykorzystaniu LTE na potrzeby budowy sieci łączności krytycznej, najczęściej przywołuje się pasmo 450 MHz, co wynika z faktu rezerwacji jego części na potrzeby energetyki. Trzeba jednak pamiętać, że pasmo to włączono do LTE stosunkowo niedawno, więc problemem może tu być niewielka liczba kompatybilnego sprzętu radiowego. W przypadku naszego kraju w początkowym okresie jedynie część zarezerwowanego pasma 450 MHz będzie faktycznie dostępna dla przedsiębiorstw energetycznych. Wygaśnięcie licencji ostatnich firm, które obecnie korzystają z omawianych zakresów, przewidywane jest na 2027 rok, a zatem dopiero wtedy hipotetyczna sieć LTE mogłaby osiągnąć docelowe, nominalne parametry jakościowe. Innym pasmem wymienianym w kontekście sieci łączności dla energetyki jest pasmo 700 MHz. Systemy LTE na potrzeby bezpieczeństwa korzystające z tego właśnie pasma są już wykorzystywane m.in. w Korei Południowej czy USA. Należy jednak podkreślić, że ewentualna budowa sieci łączności na potrzeby energetyki oparta wyłącznie na LTE wydaje się nieuzasadniona. I to niezależnie od docelowego pasma częstotliwości. Wskazują na to trzy czynniki:

  • System komunikacji krytycznej dla potrzeb energetyki musi być siecią własną, dedykowaną w tym celu (tj. nie można wydzierżawić infrastruktury od operatorów telekomunikacyjnych). Oznacza to, że konieczne byłoby zbudowanie ewentualnej sieci LTE od zera (uwzględniając kwestie formalne, prawne, projektowanie sieci, planowanie radiowe, budowę samej infrastruktury, pomiary testowe itp.), co niewątpliwie byłoby procesem bardzo czasochłonnym i kosztownym. Natomiast w przypadku bazowania na systemie TETRA oznaczałoby to konieczność jedynie rozbudowy istniejącej już infrastruktury.
  • W przypadku ewentualnej sieci LTE w paśmie 450 MHz (a także 700 MHz) konieczne byłoby uwzględnienie kwestii koordynacji transgranicznej.

I wreszcie – co było już sygnalizowane, ale jest niezwykle istotne – w przypadku systemów komórkowych spełnienie wszystkich wymagań stawianych sieciom komunikacji krytycznej może być trudne, a nawet niemożliwe.

Te trzy punkty nie oznaczają jednak, że szerokopasmowe systemy komórkowe takie jak LTE w ogóle nie powinny być brane pod uwagę w kontekście systemów łączności krytycznej. Wprost przeciwnie. Ich możliwości i potencjał w wielu aspektach znacznie przewyższają tradycyjne rozwiązania bazujące na systemie TETRA. Zatem ich wdrożenie może przynieść niewątpliwą korzyść dla użytkowników. Optymalnym rozwiązaniem wydaje się zastosowanie wariantu mieszanego TETRA+LTE, w którym system trankingowy zapewniałby główne funkcjonalności i usługi komunikacji krytycznej, natomiast komórkowy – funkcje o niższym priorytecie i oferował usługi wymagające wysokich przepływności. Za takim rozwiązaniem przemawia choćby podejście organizacji standaryzacyjnych, które w swoich dokumentach dużo miejsca poświęcają kwestii interoperacyjności (o czym wspomniano już przy okazji systemu MCPTT).

W dokumencie wyraźnie sygnalizowano fakt ciągłego rozwoju systemu TETRA i ogólnie rozwiązań przeznaczonych dla szeroko rozumianych systemów komunikacji krytycznej. Dotyczy to nie tylko ciał standaryzacyjnych, ale również producentów sprzętu i dostawców rozwiązań. Już nawet pobieżna analiza rynku wskazuje bowiem, że dostępność sprzętu TETRA jest bardzo wysoka. Obecnie na rynku działa wiele firm, które oferują taki sprzęt – w najróżniejszej konfiguracji, dopasowany do rozmaitych odbiorców (również z sektora przemysłowego) i o odmiennym poziomie zaawansowania. Biorąc pod uwagę aktywność wielu z tych firm również w obszarze realizowanych na całym świecie inwestycji związanych z TETRĄ, nie ma żadnych przesłanek pozwalających twierdzić, że stan ten może się gwałtownie zmienić w ciągu kilku najbliższych lat.

Maciej Skoraszewski
Biuro PTPiREE

Czytaj dalej