Технологія цифрового мобільного зв’язку DMR

Технологія цифрового мобільного зв'язку DMR.

  • Олексій Названов,
  • 8 травня 2016р.

Тема:"Технологія цифрового мобільного зв'язку DMR: дослідження процесу синхронізації L1 рівня".

Рішення професійного двостороннього радіозв'язку сьогодні роблять найбільший крок уперед із моменту винаходу транзистора: переходять із аналогових стандартів на цифрові. Цифрові системи радіозв'язку мають безліч переваг перед аналоговими: підвищена якість передачі мови, велика дальність дії, покращений захист від прослуховування, прогресивні можливості керування викликами, можливість інтеграції із системами передачі даних тощо.

Сьогодні ми перебуваємо на етапі масованого переходу на цифрові стандарти у професійних системах. У той же час складності, пов'язані з законодавчим регулюванням і поточними потребами абонентів систем радіозв'язку, змушують виробників і користувачів цих систем шукати можливість передати якомога більше інформації у виділеній смузі частотного діапазону: іншими словами, підвищувати ефективність використання частотного ресурсу. Канали, якими раніше передавався один виклик в одиницю часу, тепер поділяються для того, щоб можна було одночасно передати два.

Для полегшення масованого переходу професійних систем на "цифру" Європейський Інститут стандартів зв'язку (ETSI) розробив новий стандарт DMR (Digital Mobile Radio) для користувачів професійного мобільного радіозв'язку ("PMR" - "professional mobile radio") в рамках існуючих частотних діапазонів, що ліцензуються з розносом каналів 12.5 кГц, що використовуються в сухопутному рухомому радіозв'язку, в основі якого лежить двоінтервальний протокол TDMA (Time DivisionMultiple Access – багатостанційний доступ із тимчасовим поділом каналів). На основі протоколу TDMA вже створено низку стандартів зв'язку, що широко і успішно використовуються у всьому світі, наприклад, GSM і TETRA, і можна з великою часткою впевненості заявити, що цей же протокол застосовуватиметься для вирішення завдань подальшого підвищення ефективності використання частотного ресурсу. Протокол TDMA має низку переваг, актуальних для систем зв'язку як нинішнього, і майбутніх поколінь. Це універсальність функціональних можливостей, невисока вартість обладнання, більш тривалий термін роботи акумуляторів, відкритість для реалізації нових функцій та перевірена практично здатність підвищувати ефективність використання частотного ресурсу без ризику перевантаження каналів зв'язку або створення перешкод.

Загальні відомості про стандартDMR(DigitalMobileRadio):

Стандарт DMR поділяється на декілька рівнів:

1. Tier I - Малопотужні комерційні радіостанції мають укорочену антену, що нагвинчується, для використання в діапазоні PMR, що не вимагає оформлення дозволу на використання радіочастот або радіочастотних каналів і свідоцтв про реєстрацію РЕМ.

2. Tier II – Обладнання професійних систем радіозв'язку: репітери, базові станції, мобільні радіостанції, що працюють у смугах частот УПС. «DMR Tier II» орієнтований на користувачів, які потребують максимальної ефективності використання радіочастот, розширених можливостей голосового зв'язку та інтегрованих послуг передачі даних. Стандарт DMR Tier II використовує два слоти TDMA в одному радіоканалі 12,5 кГц.

3. Tier III – Професійні системи цифрового транкінгового радіозв'язку, що працюють у смугах частот УПС. Стандарт "DMR Tier III"використовує два слоти TDMA в одному радіоканалі 12,5 кГц. Підтримуються голосові дзвінки та короткі текстові повідомлення. Також підтримуються послуги пакетної передачі даних у різних форматах, включаючи підтримку протоколів IPv4 та IPv6.

В даний час посилений розвиток йде за рівнями Tier II та Tier III. Також використання обладнання рівнів Tier II та Tier III вимагає оформлення дозволу на використання радіочастот або радіочастотних каналів та реєстрації РЕМ у Роскомнагляді.

В основі технології DMR лежать механізми TDMA (Time Division Multiple Access - багатостанційний доступ з тимчасовим поділом каналів), що дозволяє розмістити два часові інтервали (незалежні логічні канали) на одній частотній несучій із сіткою частот 12,5 кГц. Тип модуляції - 4FSK (чотирирівнева частотна маніпуляція).

Застосування технології тимчасового ущільнення TDMA дозволяє:

  • Поліпшити якість зв'язку. Використання цифрових технологій для передачі голосу дозволяє достовірно відтворювати мову людини навіть за слабкого радіосигналу, що забезпечує високу якість передачі аудіо по всій території охоплення зв'язком;
  • Підвищити спектральну ефективність та заощадити частотний ресурс. При організації в одному фізичному радіоканалі двох логічних каналів передачі інформації, потреба в частотному ресурсі зменшується вдвічі;
  • Інтегрувати в одній радіостанції передачу голосу та даних. За рахунок створення на одному радіоканалі двох інформаційних каналів, з'являється можливість використовувати один із них для передачі голосу, другий – для передачі даних;
  • Значно підвищити час автономної роботи акумулятора. У разі використання одного тайм-слоту радіостанція передає лише 50 % часу запорівняно із звичайною аналоговою радіостанцією, що дозволяє заощаджувати близько 40% ємності акумуляторних батарей та продовжити термін їх роботи.

Гнучкість, закладена у межах стандарту DMR, дозволяє реалізовувати рішення у класичних діапазонах 136-174 МГц і 403-470 МГц, але у всьому спектрі частот від 50 МГц до 999 МГц. Причому дуплексний рознесення для рішень із застосуванням точки ретрансляції допускається будь-яким, у тому числі класичні 4,6 МГц для діапазону 160 МГц і 45 МГц для діапазону 900 МГц. Дуплексне рознесення визначається 15 бітною сигнальною послідовністю в структурі цифрового коду стандарту DMR. На даний момент Motorola випускає обладнання MotoTRBO для трьох діапазонів частот: (VHF) 136-174 МГц, (UHF1) 403-470 МГц та (UHF2) 470-512 МГц. Тривалість часового інтервалу, який організує один логічний канал, становить 30 мс. З них 27,5 мс відведено під корисне навантаження, що становить 216 біт та 48 сигнальних бітів. Захисний міжінтервальний рознос – 2,5 мс. Канальна швидкість передачі даних становитиме близько 2 кбіт/с. У разі передачі пакетних даних слід враховувати, що в залежності від довжини IP-пакетів відсоток корисних даних знижуватиметься за рахунок заголовків IP пакетів. У цьому випадку маємо:

1. Кожна посилка має максимальну тривалість 30 мс, що містить 264 біта інформації.

2. 216 біт корисного навантаження дозволяє передати 60 мс стиснутої мови.

передачі

Малюнок 1.Тривалість тимчасового інтервалу.

В основі технології DMR лежать механізми TDMA (Time Division Multiple Access - багатостанційний доступ з тимчасовим поділом каналів), що дозволяє розмістити два незалежні канали зв'язку на одній частоті, що несе, шириною 12,5 кГц і отримати канал з умовною шириною 6.25 кГц.

Малюнок 2. Поділ каналів на одній частоті.

Це призводить до таких поліпшень:

1.Канал ділиться на 2 тайм-слоти.

2.Продуктивність стає вищою, ніж у каналу з 12.5 кГц FDMA .

3.Пропускна здатність подвоюється.

Ще однією перевагою є збільшення ефективної зони покриття:

передачі

Малюнок 3. Зона покриття.

У цифрових систем при віддаленні станції забезпечується постійна якість зв'язку по всій зоні покриття, набагато відчутніше придушення перешкод, можливість працювати з різними видами сигналів.

Якщо говорити про дальність зв'язку варто згадати, що результати, що досягаються, залежать не тільки від наявності природних перешкод, але і від навколишньої електромагнітної обстановки.

Синхронізація до стандарту DMR:

Перший рівень радіоінтерфейсу має бути фізичний рівень. Він повинен взаємодіяти з фізичним маркером, що складається з бітів, який має бути відправлений чи отриманий.

Перший рівень радіоінтерфейсу повинен містити у своєму складі:

• модулятор та демодулятор;

• передавач та приймач комутації;

• біти та визначення символів;

• частота та символи синхропослідовності;

Докладніше хотілося б розглянути синхронізацію L1-рівня.

Синхронізація - це засіб підтримки роботи всього цифрового устаткування мережі зв'язку однієї середньої швидкості. Для цифрової передачі інформація перетворюється на дискретні імпульси. Під час передачі цих імпульсів через лінії та вузли зв'язку цифрової мережі всі її компоненти повинні синхронізуватися. Синхронізація має існувати на трьох рівнях: бітова синхронізація, синхронізація на рівні канальних інтервалів (time slot) такадрова синхронізація.

Бітова синхронізація полягає в тому, що передавальний та приймаючий кінці лінії передачі працюють на одній тактовій частоті, тому біти зчитуються правильно. Для досягнення бітової синхронізації приймач може отримувати свої тактові імпульси з вхідної лінії. Бітова синхронізація включає такі проблеми як джиттер лінії передачі та щільність одиниць. Ці проблеми піднімаються при пред'явленні вимог до синхронізації та систем передачі.

Синхронізація канального інтервалу (time slot) з'єднує приймач і передавач таким чином, щоб канальні інтервали могли бути ідентифіковані для отримання даних. Це досягається шляхом використання фіксованого формату кадру для поділу байтів. Основними проблемами синхронізації на рівні канального інтервалу є час зміни кадру та виявлення втрати кадру.

Кадрова синхронізація викликана необхідністю узгодження фази передавача і приймача таким чином, щоб можна було ідентифікувати початок кадру.

Щоб вхідний потік даних мав сенс приймача, приймач повинен синхронізуватися з кадрової структурою потоку даних. Кадрова синхронізація зазвичай виконується за допомогою певної спеціальної процедури передавача. Ця процедура може бути як простою, так і досить складною, залежно від середовища, в якому має функціонувати система.

Ймовірно, найпростішим методом, який використовується для забезпечення кадрової синхронізації, є введення маркера. Маркер кадру - це окремий біт або коротка послідовність біт, що періодично вводиться передавачем в потік даних. Приймач повинен знати цю послідовність та період її введення. Приймач, який досяг синхронізації даних, зіставляє (перевіряє кореляцію) цю відомупослідовність з потоком даних, що надходять протягом відомого періоду введення. Якщо приймач не синхронізовано з кадровою послідовністю, кореляція буде слабкою. При синхронізації приймача з кадровою структурою кореляція буде практично ідеальною, пошкодити яку може тільки випадкова помилка виявлення.

Можна виділити такі переваги DMR:

  • Тимчасовий поділ каналу на два тайм-слоти веде до подвійної економії частотного ресурсу та заряду акумуляторів.
  • Поліпшена якість зв'язку по всій зоні покриття.
  • Великі можливості закладені у технології, потенціал для реалізації нестандартних рішень.

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