Сравнение цифровых стандартов DMR – TETRA

Если приходится сравнивать аналоговые и цифровые технологии, мало кто усомнится в превосходстве последних. Другое дело, когда приходится выбирать между двумя стандартами «цифры». Ниже мы предлагаем сравнить два наиболее популярных как в Европе, так и в России стандарта - DMR и TETRA. Данным материал может помочь вам сделать правильный выбор технологии для решения ваших задач коммуникации.

Стоимость оборудования часто играет ключевую роль при формировании проекта. Зона покрытия базовой станции TETRA обычно в два-три раза меньше, чем у DMR, поэтому и количество сайтов в системе TETRA на ту же территорию будет больше. Таким образом средняя система TETRA оказывается в 3-5 раз дороже варианта в DMR на тот же объект. Если учесть, что основной функционал в обоих стандартах примерно одинаковый, требуются серьезные основания для выбора более дорогой TETRA.

Транкинговая система TETRA выгодна для коммуникаций в среде с большой аудиторией пользователей, плотным трафиком, как в телефонной сети с расчетом на тысячи абонентов, сосредоточенных на небольшой площади.

В общем случае TETRA лучше подойдет для средних и крупных сетей городского значения, или для коммуникации большого предприятия. Спектральная эффективность TETRA, меньший радиочастотный ресурс могут создать проблемы в виде повторного использования частот с избирательностью по соседнему каналу и непрерывностью работы управляющего канала.

DMR же без каких-либо оговорок предоставляет 6.25 кГц на канал. К системам DMR предъявляются более жесткие требования к надежности связи на большой площади покрытия, с меньшим вниманием к абонентской емкости.

Тем не менее, в случае миграции с аналоговой радиосистемы TETRA —это революционное решение, в то время как DMR – эволюционное.

TETRA — открытый стандарт, разработанный Европейским институтом стандартов систем телекоммуникаций (ETSI Standard 300 392) Основной его целью было описание серии открытых интерфейсов, которые давали независимым производителям возможность разработать совместимое базовое и абонентское оборудование.

Тип цифровой модуляции был выбран π/4 DQPSK (дифференциальная квадратичная фазовая манипуляция), классифицируется как модуляция с не постоянной огибающей (not constant-envelope), с таким типом для передачи сигнала требуются устройства с линейной характеристикой. В ином случае появляются боковые полосы, мешающие соседним каналам. Максимальная скорость передачи данных составляет 36 кбит/сек по четырем временным слотам на каждой несущей. В связи с тем, что доступ к каналу вносит ограничения на задержку, дальность работы от базовой станции TETRA составляет 58 км.

Речевой сигнал сжимается вокодером ACELP компании SGS Thomson (теперь ST Microelectronics), выходной поток данных составляет 4.567 кбит/сек. После коррекции FEC скорость передачи возрастает до 7.2 кбит/сек - информационная емкость одного временного слота. Полезная нагрузка в канале может меняться от 2.4 кбит/сек для трафика с высокой степенью защиты в одном слоте до 28.8 кбит/сек незащищенных данных при полностью занятом канале.

Система TETRA, как уже упоминалось, решение транкинговое и отличается от конвенциальных систем, в первую очередь, автоматическим распределением небольшого числа каналов в большой аудитории пользователей. Этой процедурой занимается транкинговый контроллер, по управляющему каналу связывающийся с терминальным устройством. Он не прекращает своей работы даже при отсутствии трафика.

Бесшовное переключение между базовыми станциями (hand-over) предполагает их размещение вплотную, с перекрытием зон. Магистральная сеть системы должна располагать достаточной полосой для обеспечения высокой скорости передачи данных и сигнализации и быстродействующим коммутационным оборудованием.

Стандарт продолжает развиваться, и программа TETRA Release2, последний документ которой был подписан в 2003 г, предусматривает:

• увеличение расстояние между БС до 83 км
• большее сжатие кодека
• большее количество модуляторов
• увеличение скорости передачи до 500 кбит/сек в полосе 150 кГц
• взаимодействие с мобильными телесистемами 2.5G/3G

DMR – открытый стандарт (ETSI TS 102 361) был разработан рабочей группой ведущих специалистов компаний-производителей радиокоммуникационного оборудования. Рынку требовалось радиооборудование с новыми возможностями в части цифровой радиосвязи. В то же время этот стандарт должен был обеспечить ровный переход от аналоговых систем к цифровым.

Все оборудование DMR — репитеры и радиостанции — может работать как в цифровом, так и в аналоговом режимах, сохраняя характеристики радиоинтерфейсов:

• традиционной голосовой ЧМ связи с канальной сигнализацией
• голосовой связи и передачи данных с цифровой модуляцией 4FSK
• с максимальной скоростью 9600 кбит/сек.

Переключение между режимами происходит автоматически: ретранслятор самостоятельно определяет тип принимаемого сигнала — аналоговый или цифровой – и на основе этого меняет свои настройки.

Стандарт DMR обеспечивает обработку как поступающих данных, так и речевого трафика. Голосовой сигнал оцифровывается, сжимается и разбивается на пакеты. Передача производится по двум временным слотам TDMA (Time division Multiple Access), в частотном канале шириной 12.5кГц. Совокупность временных слотов одного порядка формирует отдельный независимый логический канал. Таким образом, в одной несущей частоте в DMR информация может передаваться одновременно по двум логическим каналам.

Системы DMR могут сосуществовать с обычными аналоговыми системами, расположенными на соседних каналах без взаимного влияния. 

Спектральная эффективность составляет 6.25 кГц на канал, как в системах TETRA - в два раза больше, чем в аналоговых системах. Однако при работе в прямом режиме без ретранслятора нет возможности произвести межслотовую синхронизацию, и это преимущество пропадает.

В DMR применяется модуляция типа FSK (4-хуровневая частотная манипуляция), оптимально подошедшая для данного стандарта. Каждая пара бит информации определяет частотный сдвиг относительно несущей частоты.

Огибающая в этом типе модуляции является постоянной (constant-envelope), что предоставляет значительные преимущества по потреблению и построению схемы передатчика: нет жестких требований по обеспечению линейности тракта передачи, выходные каскады могут работать в более экономном режиме С.

Уровень излучаемой мощности и чувствительность устройств DMR такие же, как у обычных аналоговых систем, но зона покрытия несколько выше за счет цифровой обработки сигнала.

Радиоканал DMR и TETRA

Зона покрытия зависит от многих параметров радиостанции: эффективной излучаемой мощности, шумовых характеристик приемного тракта, характера местности, используемого диапазона частот и т.д.

Между чувствительностью приемника и скоростью передачи есть прямая зависимость. Как правило, более интенсивная передача при заданной полосе частот ведет к уменьшению чувствительности в связи с большей восприимчивостью к шумам. Типовые динамические характеристики приемных устройств DMR составляют -110dBmи -105dBm TETRA терминалов.

В системах TETRA необходимо постоянное присутствие управляющего канала. Если уровень сигнала от базовой станции падает до некоторого порога, мобильный терминал начинает искать другую БС с более сильным сигналом. Уровень порога может зависеть от многих факторов: требуемого сервиса, характера окружающего ландшафта, ожидаемой скорости транспортного средства и т.д. Типовое значение порога в условиях малой застройки устанавливается на величину 18 дБ выше чувствительности, и обычно составляет -87dBm.

При создании проекта с определенной зоной покрытия нужно учитывать, необходимо ли обеспечить соответствующий уровень поля в каждой точке зоны средствами БС. По статистике, размер покрытия одной ячейки в системе TETRA примерно составляет 20 км.

Роуминг в системах DMR присутствует в конфигурации IP Site Connect. Уровень сигнала, при котором станция приступает к поиску новой БС, устанавливается вручную и по умолчанию имеет значение порядка -108dBm. В результате БС DMR оказывается способной обеспечить связью абонентов на удалении до 40 км.

Для полноты картины рассмотрим еще два случая — режим работы радиостанции с одной БС и непосредственное взаимодействие друг двух радиостанций с другом без участия БС. Напомним, что на дальность связи влияет выбранный диапазон рабочих частот. Для систем TETRA выделены диапазоны 380 — 400 МГц для служб общественной безопасности и 410-430 МГц — для частного использования. В последнее время добавлен диапазон 800 МГц.

Большинство предприятий владеют частотами в диапазоне VHF. Переход на цифровую платформу DMR позволяет сохранять ранее используемый частотный план, что дает некоторый выигрыш, обусловленный особенностями распространения радиоволн.

В системах TETRA требования к обеспечению линейности тракта передачи терминала сказываются на том, что его мощность обычно не превышает 1 Вт. В то же время в радиостанциях DMR излучаемая мощность, как в аналоговых, 5 Вт, что обеспечивает выигрыш более чем в 6 дБ.

Общее превосходство в энергетическом потенциале DMR против TETRA достигает 10-12 дБ (выигрыш по чувствительности 5 дБ и по излучаемой мощности — 6/7 дБ). В результате дальность действия систем DMR оказывается больше приблизительно в 2 раза, что в пересчете площадь покрытия дает выигрыш в 4 раза.

Еще раз обратим внимание на то, что производители DMR предлагают оборудование в традиционных для конвенциональной связи диапазонах частот и с тем же уровнем выходной мощности как у аналоговых станций. Приемные устройства этих радиостанций имеют чувствительность сравнимую с чувствительностью обычных станций. Все это дает возможность плавной миграции радио систем от аналоговой базы к цифровой с сохранением части оборудования и существующей зоны покрытия. В то же время переход с аналоговой системы на транкинговую потребует как минимум удвоения числа БС для сохранения зоны охвата.

Обеспечиваемая спектральная эффективность определяется шириной полосы на один коммуникационный канал, коэффициентом повторного использования частот (frequency re-use factor), способом доступа к каналу и др. Рассмотрим последний фактор. На рисунках схематично отражена технология доступа к каналу в системах DMR и TETRA соответственно. 

Как видим, DMR имеет большую спектральную эффективность из-за отсутствия управляющего канала, забирающего часть ресурса под протокол. Конечно, с ростом числа каналов эта ситуация исправляется до момента, когда возрастающая плотность абонентов потребует введения дополнительного канала управления.

Если смотреть широко, то кроме явных показателей спектральной эффективности можно рассмотреть косвенные показатели, которые описывают, насколько плотно можно распределить частотный ресурс в ограниченном пространстве.

Например, важной характеристикой является избирательность по соседнему каналу. Способность приемника выделить полезный сигнал на фоне помехи зависит от вида модуляции. В радиостанциях DMR, как и у аналоговых образцов, составляет 60 дБ при разносе 12.5 кГц и 70 дБ при 20/25 кГц. TETRA может обеспечить только 40-45 дБ при разносе 25 кГц. Поэтому разработчики систем часто вынуждены отказываться от использования частот соседних каналов на том же сайте или даже в прилегающих. И если в аналоговых или DMR системах построение независимых сетей не накладывает особых ограничений на расположение БС, то в системе TETRA работающая на соседнем канале БС должна находиться не ближе 25 км.

Еще одна характеристика того же плана — минимальное отношение мощности полезного сигнала к мощности сигнала от другого передатчика на той же частоте, при которой система продолжает нормально работать (Carrier-to-Interference ratio (C/I)). Другими словами, это требуемая изоляция в канале от независимых устройств, работающих на одной частоте. Для систем TETRA эта изоляция должна быть 19дБ, для DMR так же, как и для аналоговых систем — только 12 дБ. Можно считать, что ослабление поля на 6-9 дБ происходит при двукратном увеличении расстояния. Таким образом повторное применение частот в радиосети TETRA наталкивается на большие трудности, чем в DMR.

Допуск на задержку на время распространения сигнала накладывает ограничения на предельную дальность работы систем на базе технологии TDMA. В канале необходимо обеспечить синхронизацию работы всех устройств для предотвращения наложения слотов TDMA. Стандарт DMR предписывает защитный интервал 2.5 мсек, который позволяет обеспечить требуемое время нарастания и спада мощности в передатчике, а также задержку на распространение сигнала в пространстве. Теоретически защитный интервал длительностью всего 1 мсек дает возможность работать с задержками сигнала на расстоянии 150 км от БС. Защитный интервал в TETRA составляет всего 0.4 мсек ограничивает максимальные размеры ячейки значением 58км. В некоторых случаях на таком расстоянии еще сохраняется достаточный уровень сигнала для работы системы.

Межсимвольная интерференция происходит в случаях, когда в качестве среды передачи радио частоты используется оптоволокно (Radio-over-Fiber Transmission), а последующее усиление и излучение сигнала производится обычными средствами.

Такая технология применяется для организации связи в протяженных тоннелях или больших зданиях, где затухание в перекрытиях вынуждает размещать множество так называемых «расширителей ячейки» (cell enhancer). В таких случаях разница в излучаемых сигналах, обусловленная временем распространения в оптоволокне, не должна приводить к их взаимной интерференции. Допуск к времени задержки не должен превышать одной восьмой от символьной скорости. На практике разница по скорости передачи в системах TETRA и DMR выражается в том, что допустимая задержка составляет 7-10 мксек против 30-40 для вторых. Т.е. БС DMR можно располагать в 3-4 раза дальше друг от друга, чем TETRA.

Экономичность систем DMR обеспечена меньшими требованиями к линейности характеристики передающего тракта и отсутствием постоянно работающего управляющего канала. В среднем, потребляемая мощность оборудования TETRA превышает этот же показатель DMR в 10-12 раз. Кроме того, для соблюдения требуемых климатических условий приходится устанавливать более мощные кулеры и кондиционеры, которые добавляют к расходу количества энергии. Средних размеров сеть TETRA может потреблять 10-15 кВт в день против 0.8-1.2 кВт DMR.

Системная производительность

Функции обеих систем призваны выполнять базовые требования к цифровым системам связи, такие как индивидуальный/групповой/широковещательный вызовы, аварийный вызов, определение местоположения, поздний вход, идентификация абонентов, текстовые сообщения, передача данных и т.д.

На сегодня TETRA предлагает более мощные средства по шифрованию канала, возможность дуплексного обмена между терминалами и более совершенные приложения благодаря десятилетнему опережению стандарта. Однако, благодаря доступности стандарта DMR и разработанной фирмой Motorola программе содействия разработчикам приложений ADP, появляется множество решений, заметно повышающих конкурентоспособность систем DMR.

Простота и гибкость любой системы, а также способность адаптироваться под новые задачи повышают ее жизненный цикл. TETRA - это революционное решение в сфере телекоммуникаций. Это транкинговая система, способная охватить территорию от нескольких квадратных километров до размеров региона или страны. Она включает в себя мощные коммутационные и вычислительные средства, высокоскоростные магистрали, требует скрупулезной работы по проектированию зон покрытия и частотного плана подобно системам мобильной связи GSM. Это достаточно сложная работа, которая скрыта от понимания конечного пользователя.

Для поддержания работоспособности развернутой системы нужен специально подготовленный штат администрирования. Стандарт DMR разрабатывался в целях простой и щадящей миграции от аналоговых средств связи к цифровым. Масштаб этих систем — от одного репитера до нескольких связанных БС.

Такая конфигурация практически повторяет конфигурации существующих традиционных систем связи, в том числе транкинговых, уровня предприятия или месторождения. При замене одной системы на другую не требуется перепроектирования расположения БС и частотного плана, поскольку оборудование DMR работает на тех же частотах что и аналоговые станции.

Благодаря объединению БС по сетям IP DMR выводит существующие сети связи на новый уровень телекоммуникаций. При этом как правило не требуется мощных дорогостоящих коммутаторов. Увеличения зоны покрытия производится простой установкой новой БС без переконфигурирования системы. Новый стандарт скорее предлагает конструктор из ретрансляторов для сборки простой и надежной системы со всем необходимым функционалом.

Надежность любой системы в первую очередь зависит от ее сложности. Хороши известные методики расчета наработки на отказ указывают на то, что вероятность отказа жестко коррелирует с числом компонентов, составляющих систему и температурным режимом ее работы. При одном качестве производства TETRA уступает DMR по обоим этим показателям.

В сетях обеих систем предусмотрена процедура переключения в локальный режим работы БС в критических случаях. Система DMR при этом имеет некоторое преимущество благодаря тому, что ее логика работы слабо зависит или не зависит вовсе от наличия центрального коммутатора.

Заключение

Стандарт TETRA был сильно расписан в свое время производителями оборудования в маркетинговых целях. Те преимущества в сфере телекоммуникаций, которое стандарт предоставлял потенциальным потребителям, заставляли их смиряться с высокой стоимостью, резко возросшей сложностью при сокращении производительности радиостанций по мощности и чувствительности и, как следствие, сокращением зоны покрытия. Появление альтернативной цифровой технологии DMR продемонстрировало возможность сочетания высокой функциональности цифровых систем с эффективностью традиционных аналоговых образцов.

Если стоимость мобильных терминалов обеих систем сопоставима, то оборудование инфраструктуры DMR обладает заметным преимуществом в отношении цена/качество. Зона покрытия БС TETRA (более дорогих, чем DMR) меньше в 2-3 раза, чем у аналоговых или DMR БС. Поэтому система TETRA требует установки в 3-5 раз большего количества сайтов для покрытия аналогичной территории. Кроме того, системы TETRA требуют больших средств на содержание.

Сложность базового оборудования TETRA не позволяет конечному пользователю обходиться собственным персоналом для его обслуживания. Поэтому заказчик оказывается в зависимости от сервисных служб сторонних организаций, что также приводит к затратам на поддержку системы.

Итак, систему TETRA имеет смысл устанавливать в целях обеспечения высокотехнологичной связью на небольших территориях с высокой плотностью абонентов — аэропортов, больших предприятий, муниципальных служб и т.д. Если таких задач не стоит, то предпочтительнее развернуть систему DMR.