CC BY
219
жуКОВ Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук зайцев Андрей Анатольевич,
у ¿4 * Л/Ы к * «Г. -
Q]
in
IPs
кандидат физико-математических наук КОЗЬМИН Владимир Алексеевич, кандидат технических наук
СЫСОЕВ Дмитрий Сергеевич,
»о ■ ^Ч^ к ы * Чн ■ Л И ■■
аспирант
АНАЛИЗАТОРЫ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ TETRA и DECT
Рассмотрены особенности организации физических и логических каналов связи, структуры пакетов данных стандартов TETRA и DECT, описаны, алгоритмы, работы, анализаторов TETRA и DECT на базе панорамных цифровых радиоприемных устройств семейства АРГАМАК.
Ключевые слова: DECT, TETRA, радиомониторинг, транкинговая система, цифровая, обработка сигналов, программно определяемое радио, цифровое панорамное радиоприемное устройство.
TETRA and DECT layers and frame structures specification, description, of algorithms used, in TETRA, DECT analyzers dased on ARGAMAK family's digital panoramic radio receivers.
Keywords: DECT, TETRA, radiomonitoring, trunked radio system, digital signal processing, software defined, radio, digital panoramic radio receiver.
В основе панорамных цифровых радиоприемных устройств (ЦРПУ) семейства АРГАМАК лежит принцип программно-определяемого радио (software defined radio, SDR), что позволяет при неизменной аппаратной базе строить аппаратно-программные комплексы различного назначения, в том числе измерители и анализаторы сигналов различных стандартов [1 — 2]. В работах [1, 3 — 7] показано применение ЦРПУ АРГАМАК для измерения напряженности поля и параметров модуляции сигналов, оценки местоположения источников радиоизлучения, а также анализа сигналов GSM CDMA, DVB-T/H. Цель данной статьи состоит в рассмотрении анализаторов сигналов TETRA и DECT, также построенных на аппаратной базе приемников АРГАМАК.
Как и анализаторы сигналов GSM и CDMA, анализаторы TETRA и DECT осуществляют прием только широковещательных данных, информация трафиковых каналов не извлекается. Структурная схема анализаторов
показана на рис. 1, как и ранее, она состоит из двух частей: аппаратной части - ЦРПУ АРГАМАК и контроллера (ПЭВМ), где выполняется специализированное приложение. С выхода ЦРПУ цифровой сигнал поступает
Рис. 1. Структурная схема анализатора
по USB- или Ethernet-интерфейсу в контроллер, где осуществляется их декодирование и выделение служебной информации с помощью соответствующего приложения математического обеспечения: БС TETRA или БС DECT. Алгоритмы работы приложений имеют определенные особенности, вызванные видом модуляции и структурой пакетов обрабатываемых радиосигналов. В связи с этим при рассмотрении каждого из анализаторов вначале будет рассмотрена структура радиосигнала, а затем алгоритм его работы.
Анализатор базовых станций системы TETRA
В настоящее время одной из наиболее распространенных транкинговых систем мобильной радиосвязи является система TETRA, которая основана на технических решениях и рекомендациях стандарта GSM. Система TETRA позволяет реализовать комплексную систему управления и связи. Сокращение «TETRA» расшифровывается как Trans-European Trunked Radio. Это открытый стандарт цифровой транкин-говой радиосвязи, разработанный Европейским институтом телекоммуникационных стандартов ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для замены морально устаревшего стандарта MPT 1327. Открытость стандарта представляет собой одно из его важнейших достоинств, которое состоит в том, что оборудование различных производителей, соответствующее стандарту, совместимо. Широкое признание стандарта заставило создателей изменить расшифровку аббревиатуры «TETRA», которая теперь расшифровывается как «Terrestrial Trunked Radio» — «Земная или Всемирная транкинговая радиосвязь».
Кроме стандартного набора функций транкинговой системы, системы связи TETRA имеют высокую скорость передачи данных, что является ключом для создания различных приложений, таких как системы позиционирования подвижных объектов, системы мобильного доступа к удаленным базам данных, что позволяет получить единое цифровое пространство, что было невозможно в аналоговых системах. В настоящее время существуют два
Мультифрейм = 18 TDMA кадров (= 1,02 с)
1 2 У 3 4 V 5 17 18
1 2 3 4
контрольный кадр
TDMA кадр = 4 временных слота (~ 56,67 мс)
временной слот =510 бит (~ 14,167мс)
Рис. 2. Структура мультифрейма сигнала TETRA
стандарта системы: TETRA PDO для передачи данных и TETRA V + D (Voice plus Data) — стандарт, поддерживающий как передачу данных, так и речевой обмен, структуру сигналов этого стандарта мы и рассмотрим далее. В системе TETRA V + D используется множественный доступ с временным разделением каналов — в одной частотной полосе последовательно отводится время для передачи четырех временных слотов. Эти четыре канальных интервала (time slot) образуют TDMA-кадры. Разнос соседних радиоканалов составляет 25 кГц, как и в обычных системах связи. Дуплексный разнос каналов для приема и передачи составляет 10 МГц. Для систем TETRA могут использоваться несколько поддиапазонов частот. В Европе за службами безопасности закреплены диапазоны 380 - 385/390 - 395 МГц, а для коммерческих организаций предусмотрены диапазоны 410 - 430/450 - 470 МГц. В Азии, прежде всего в Китае, используется диапазон 806 - 870 МГц. Передача сообщений осуществляется мультикадрами (мультифреймами). Один мультикадр состоит из 18 простых TDMA-кадров и имеет длительность 1,02 с. Гиперкадр образуется из 60-ти мультикадров. Последний TDMA-кадр в мультикадре - контрольный. Длительность кадра составляет 56,67 мс. Каждый TDMA-кадр состоит из четырех пакетов. Пакет в кадре соответствует независимому каналу передачи информации. Один пакет занимает интервал, равный 14,167 мс, и содержит 510 бит, что соответствует 255 символам модуляции. В середине каждого пакета содержится синхронизирующая последовательность, которая исполь-
зуется для синхронизации и обучения адаптивного канального эквалайзера в приемнике. На рис. 2 показана структура мультифрейма сигнала TETRA. Пакет данных может содержать информацию трех видов: служебную, управляющую и трафик. При этом в каждом отдельном пакете могут передаваться как все три вида информации, так и только некоторые из них. В системе TETRA предусмотрено 8 разных типов пакетов, для каждого типа длительность и начало пакета относительно начала временного слота различны. Предварительно на канальном уровне сигналы управления и данные для передачи объединяются в упорядоченные последовательности — логические каналы. Предусмотрено несколько различных типов логических каналов, которые разделяются на следующие группы: логические каналы трафика и логические каналы управления. Каналы трафика в анализаторе не обрабатываются. Имеются пять типов логических каналов управления: широковещательный канал управления (BCCH), канал линеаризации (LCH), канал сигнализации (SCH), канал предоставления доступа (AACH), канал управления на базе части ресурса трафик-канала (STCH). Широковещательный канал делится на канал передачи параметров сети (BNCH) и синхроканал (BSCH). Логические каналы объединяются в один поток и передаются на физический уровень, где шифруются, объединяются в пакеты, поступают на модулятор и усилитель мощности передатчика. Передачу четырех речевых каналов в полосе 25 кГц обеспечивает низкоскоростной кодер речи с алгоритмом CELP (Code Excited Linear Prediction). Ско-
рость потока на выходе кодера составляет 4,8 кбит/с. В стандарте применяется цифровая п/4-DQPSK модуляция, которая позволяет снизить скорость передачи информационного потока с 36 до 18 кбит/с.
Для синхронизации базовой станции с мобильными станциями и передачи управляющих сигналов в широковещательном канале управления БС передаются пакеты синхронизации, которые содержат блоки данных со служебной информацией, в том числе:
♦ номер канала BCCH;
♦ отличительный код базовой станции COLOUR CODE;
♦ идентификатор страны MCC;
♦ идентификатор сети MNC;
♦ несущая частота (main carrier);
♦ идентификатор локальной территориальной области LA.
Выделяя служебную информацию из пакетов синхронизации, можно однозначно идентифицировать БС, сравнивая эту информацию с территориально-частотным планом, можно судить о легитимности ее работы. Прием широковещательной информации предполагает в анализаторе выполнение процедур формирования видеосигнала с необходимой частотой отсчетов, поиска сигналов базовых станций, временную синхронизацию, а также непосредственно процедуры приема сообщений канала синхронизации. Структурная схема цифровой обработки сигналов в программе СМО-БС TETRA представлена на рис. 3. На вход устройства обработки поступает цифровой сигнал с частотой дискретизации fd = 6,4 МГц, из которого формируется видеосигнал. Для этого рассчитываются позиции частотных каналов, в которых могут находиться BCCH. Частота сигнала базовой станции определяется номером частотного канала. Оценивается уровень сигнала, который сравнивается с порогом обнаружения. Выполняется перенос на видеочастоту. После переноса частоты сигнал фильтруется для подавления высших гармоник и приведения исходной полосы сигнала к полосе 25 кГц. Далее каждый сигнал исследуемого частотного канала подается на демодулятор п/4-DQPSK. На выходе демодулятора формируется битовый поток. В полученном битовом потоке производится поиск синхронизирующей по-
^/4-DQPSK демодуляция
Рис. 3. Структурная схема алгоритма обработки сигналов TETRA
Рис. 4. Окно программы СМО-БС TETRA в режиме «Мониторинг»
следовательности. После ее обнаружения вычисляется начало кадра, далее данные кадра поступают на дескрем-блер, где над ними осуществляется операция, обратная скремблированию. После дескремблирования преобразованный битовый поток подвергается операции обратного перемежения. Затем данные поступают на декодер Ви-терби, далее декодированный битовый поток проверяется на правильность декодирования по проверочным битам контрольной суммы (CRC). После удачной проверки контрольной суммы выделяются информационные данные служебного канала. Программное приложение СМО-БС TETRA имеет два режима работы: «Мониторинг» и «Контроль ЧТП». Режим «Мониторинг» предназначен для обнаружения присутствующих в эфире базовых станций TETRA в ре-
жиме реального времени, измерения их параметров, занесения результатов в базу данных для дальнейшего анализа, просмотра результатов сканирования диапазонов в отложенном режиме, определения местоположения базовых станций по сохраненным в базе данных результатам измерений, формирования отчетов по результатам измерений. Режим «Контроль ЧТП» предназначен для проверки соответствия наблюдаемых в эфире базовых станций частотно-территориальному плану, формирования отчетов по результатам проверки. На рис. 4 показано окно программы СМО-БС TETRA в режиме «Мониторинг». В левой части окна на вкладке «Сеть» отображается список обнаруженных операторов и базовых станций, представленный в виде иерархической структуры «дерева операто-
ров». В правой части окна представлена спектральная диаграмма сигналов и результаты измерений. Результат определения местоположения БС по измеренным значениям уровня на маршруте движения мобильной станции с анализатором TETRA представлен на рис. 5.
Анализатор базовых станций беспроводной телефонии DECT
Радиоинтерфейс DECT основан на радиодоступе с использованием нескольких несущих, принципе множественного доступа с разделением времени и дуплекса с разделением времени (MC/ TDMA/TDD). Частотный диапазон, выделенный для DECT, может быть различен в зависимости от страны; в Европе стандартными является частоты 1880 - 1900 МГц.
Длительность TDMA-кадра в системе DECT составляет 10 мс, 16 кадров организуются в мультикадр. Сам кадр разбит на 24 временных сегмента по 480 битов (приблизительно 416,7 мкс). Первые 12 интервалов служат для передачи от базовой станции, вторые - для передачи от портативных терминалов, один дуплексный канал формируется из интервалов, отстоящих на 12 слотов. При передаче речи используется 320 битов, остальные биты это: код синхронизации (32 бита), код сигнализации (48 битов), код защиты от ошибок (16 битов), проверочные символы (4 бита) и защитный интервал (60 битов). В системе DECT реализован принцип непрерывного динамического выбора канала (Continuous Dynamic Channel Selection — CDCS), при котором каждый из абонентских терминалов имеет доступ к любому из 120 каналов. При установлении соединения трубкой выбирается канал с наилучшим качеством связи, впоследствии может произойти его смена в течение того же сеанса. Это осуществляется за счет фонового сканирования и оценки уровня сигнала по всем частотно-временным позициям.
В качестве базового типа модуляции в стандарте DECT принята гауссовская частотная манипуляция (GFSK) с параметром гауссовского фильтра сглаживания BT = 0,5. Скорость передачи информации составляет 1152 кбит/с.
Рис. 5. Окно программы СМО-БС TETRA с результатами определения местоположения базовой станции
Передача базовой станции Передача абонента
_А__ ._А
32--64--320--4-—60—
Рис. 6. Временной цикл DECT и структура пакета
Для повышения скорости передачи данных предусмотрена возможность использования более сложных схем модуляции (п/2-DBPSK, п/4-DQPSK, n/8-D8PSK, 16-QAM и 64-QAM). Прием и передача ведется на одной частоте. На каждой несущей частоте организуются регулярные временные циклы по 24 таймслота, повторяющиеся каждые 10 мс и называемые кадром или фреймом (frame). Кадр состоит из 24 временных слотов, каждый из которых индивидуально доступен устройствам DECT, т.е. реализуется принцип множественного доступа с разделением по времени (TDMA, Time Division Multiple Aacess). Благодаря данному техническому решению DECT обеспечивает до 12 одновременных голосовых соединений на каждый трансивер, что дает значительные ценовые преи-
мущества по сравнению с технологиями, требующими по одному передатчику на каждое активное соединение. Для облегчения реализаций базового стандарта DECT временной фрейм разделяется на две половины (TDD — Time Division Duplex); первые 12 временных слота используются для передач базовой станции, а остальные 12 — для передач абонентских трубок, как показано на рис. 6.
Каждый полный слот содержит 480 битовых интервалов, логически разбитых на поля синхронизации, управления и опциональное поле данных. Поле синхронизации содержит последовательность для активации начала приема информации. Поле «управление» содержит сведения о типе передаваемой информации, команды управления и собственную контрольную сумму для
Таблица 1. Каналы данных поля «управление»
Логический канал Функция канала
C управление активным соединением
M управление доступом к радиоканалу
N управление выбором канала активного соединения
P избирательное сообщение о поступившем вызове
Q широковещательная передача системной информации
Поиск
Сигнала —► Подстройка
БС частоты
контроля правильности приема. Поле данных содержит данные абонента и может обеспечить передачу речи или данных. В поле «управление» логически организовано пять каналов данных, представленных в табл. 1. Базовая станция DECT постоянно передает сигнал по крайней мере по одному каналу, таким образом, выступает в качестве маяка для соединения с мобильными DECT-трубками (абонентскими радиоблоками). Передача маяка базовой станции содержит служебную информацию об идентификации базовой станции, возможностях системы и ее статусе, а также пейджинговую информацию для установления входящей связи.
Базовые станции DECT могут работать как в одиночном режиме (наиболее типовым применением этого режима являются домашние беспроводные телефоны), так и в составе микросотовой сети. Внутри сети поддерживается ро-уминг и эстафетная передача обслуживания при переходе абонента в зону действия другой базовой станции, что делает DECT весьма привлекательным для применения в крупных офисах и отдельных жилых районах. Предусмотрена возможность стыковки микро-
сотовых DECT сетей с сетями GSM/ UMTS, а также прямое соединение между абонентскими трубками без участия базовой станции (данная функция поддерживается не всеми абонентскими устройствами). Перейдем к рассмотрению алгоритма работы анализатора. Прием широковещательной информации предполагает процедуры формирования видеосигнала с необходимой частотой отсчетов, поиска сигнала базовых станций, временной синхронизации, а также непосредственно процедуры приема сообщений. Структурная схема цифровой обработки сигналов DECT представлена на рис. 7.
Как и в анализаторе TETRA на вход контроллера обработки поступает цифровой сигнал с частотой дискретизации 6,4 МГц, из которого формируется видеосигнал. Поиск сигнала базовой станции производится по энергетическому критерию. Обнаруженный сигнал после предварительной подстройки частоты и фильтрации подается на вход демодулятора. Демодулятор выдает на выход битовый поток, в котором производится поиск последовательности синхронизации. После ее обнаружения пакет в 480 бит подается на
блок декодирования и выделение параметров сообщения. Далее проверяется правильность контрольных сумм, в случае их несовпадения пакет считается недостоверным и исключается из дальнейшего рассмотрения. Извлечение идентификационной информации производится из незашифрованных широковещательных сообщений, передаваемых в поле «управление». Анализатор способен извлекать из них следующую информацию:
♦ класс сети (одиночная базовая станция, частная или публичная микросотовая система);
♦ публичный доступ к GSM/UMTS сети, прямое соединение);
♦ код производителя оборудования (EMC, Equipment Manufacturer's Code);
♦ коды сети DECT (FPN, Fixed Part Number);
♦ код базовой станции в сети (RPN, Radio fixed Part Number).
Для получения информации о конфигурации и возможностях базовой станции используются служебные сообщения логических каналов P и Q — первый из них предоставляет информацию о доступных типах модуляции и текущей мощности передатчика, второй — о количестве трансиверов и доступных частотных каналах.
Программа СМО-БС DECT обеспечивает выполнение следующих функций:
♦ обнаружение присутствующих в эфире базовых станций стандарта DECT, отображение спектра сигналов;
♦ расшифровка передаваемой базовыми станциями служебной информации, измерение уровней сигналов, определение местоположения базовых станций, сохранение результатов в базе данных;
♦ проверка соответствия наблюдаемых в эфире базовых станций частотно-территориальному плану;
♦ формирование отчетов по результатам измерений.
В программе имеется два режима: «Мониторинг» и «Контроль ЧТП», назначение режимов аналогично соответствующим режимам СМО-БС TETRA. Окна программы в режиме «Мониторинг» представлены на рис. 8, 9. На рис. 8 в окне программы открыта вкладка «Измерение», на которой отображаются результаты измерения
Рис. 7. Структурная схема алгоритма обработки сигналов DECT
Рис. 8. Окно программы СМО-БС DECT в режиме «Мониторинг». Результаты измерений
Рис. 9. Окно программы СМО-БС DECT в режиме «Мониторинг». Определение местоположения базовой станции
Заключение
параметров обнаруженных базовых станций. Список обнаруженных базовых станций отображается слева в «дереве операторов». На рис. 9 представлены результаты поиска местоположения базовой станции по серии измерений, выполненных в движении на автомобиле.
Результаты работы анализатора заносятся во встроенную базу данных и могут в дальнейшем быть использованы для автоматизированного контроля параметров сигналов, сравнения с частотно-территориальным планом, построения зон покрытия и в других целях.
Представленные анализаторы предназначены для идентификации и измерения параметров сигналов базовых станций TETRA и DECT. Они имеют одинаковую структуру: ЦРПУ семейства АРГАМАК, с выхода которого цифровой сигнал на промежуточной частоте поступает в контроллер, где выполняется приложение СМО-БС TETRA или СМО-БС DECT, которые реализуют выделение широковещательных данных, определение идентификационных признаков базовых станций и характеристик сигналов,
визуальное представление и анализ результатов. Обеспечивается поиск в рабочем диапазоне ЦРПУ радиосигналов TETRA и DECT, декодирование широковещательной информации, измерение частоты, полосы и уровня радиосигнала. Результаты работы заносятся во встроенную базу данных и могут использоваться для автоматизированного контроля параметров сигналов, сравнения с частотно-территориальным планом, построения зон покрытия и в других целях
Литература
1. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства/ Под редакцией
A.М. Рембовского. - Изд. 3. - М: Горячая. линия - Телеком, 2012. - 640 с.
2. Ашихмин. А.В., Козьмин В.А. Першин П.В., Поляков А.В., Сергиенко А.Р., Рембовский А.М. Цифровые радиоприемные устройства семейства АРГАМАК с улучшенными, техническими характеристиками./ Спецтехника и связь, 2012. - № 1. - С. 51 - 61.
3. Ашихмин А.В., Козьмин В.А., Кочкин Д.Е., Чубов Е.А. Использование цифрового измерительного приемника АРГАМАК-ИМ для. измерения, напряженности поля, в мобильных станциях радиомониторинга./ Специальная техника, 2006. - № 3. - С. 35 - 44.
4. Ашихмин А.В., Каюков И.В., Козьмин
B.А., Манелис В. Б. Анализатор базовых станций GSM сетей на базе панорамного измерительного приемника Аргамак-ИМ./ Специальная техника, 2008. - № 1. - С. 31 - 39.
5. Козьмин В.А., Савельев А.М., Уфаев В.
A., Чубов Е.А. Сравнение методов ме-стоопределения источников радиоизлучения./ Специальная, техника, 2007. - № 1. - С. 30 - 38.
6. Ащихмин А.В., Каюков И.В., Козьмин
B.А., Рембовский А.М., Манелис В.Б. Анализ радиосигналов цифрового телевидения./ Радиотехника, 2012. - № 2. - С. 75 - 91.
7. Ашихмин А.В., Каюков И.В., Козьмин В.А., Манелис В. Б. Анализатор базовых станций CDMA сетей./ Специальная. техника, 2008. - № 3 - 4. - С. 16 - 26.
