P25 | Интегрит

Что такое Project 25

Project 25 (P25) представляет собой набор стандартов, разработанных совместыми усилиями ассоциации средств связи и общественной безопасности (Association of Public Safety Communications Officials International, APCO), национальной телекоммуникационной ассоциации (National Association of State Telecommunications Directors, NASTD),федерального агенства национальных систем связи (Federal Agencies and the National Communications System, NCS) и ассоциации телекоммуникационной индустрии (Telecommunications Industry Association, TIA). P25 – это система связи с открытой архитектурой, направленная на удовлетворение потребности государственных, правительственных и прочих организаций в оперативной связи для целей обеспечения безопасности. Р25 стандарт определяет интерфейсы, взаимодействие и возможности любой системы, совместимой с стандартом Р25. Р25 радиостанция может работать как в аналоговом режиме для совместимости с существующими аналоговыми FM радиостанциями, так и в аналоговом или цифровом режиме с другими Р25 радиостанциями. Р25 стандарт не является закрытым, поэтому любой производитель может создавать свои цифровые Р25 радиостанции. Основные цели проекта Р25:

Основываясь на принципах открытой архитектуры, обеспечить дополнительную конкуренцию между различными системами связи
Обеспечить эффективной, надежной и дешевой связью правительственные и прочие организации
Предоставить улучшенную функциональность и дополнительные возможности с упором на потребности общественной безопасности
Повысить эффективность использования радиочастотного спектра

Фазы проекта Р25

Системы связи стандарта Р25 делятся на несколько поколений (фаз) для поэтапного и плавного перехода от устаревших аналоговых систем к цифровым.

Фаза 1

Радиостанции Фазы 1 работают в полосе 12.5кГц в аналоговом, смешанном и цифровом режимах. Для цифровой передачи радиостанции этого поколения используют C4FM (continuous 4 level FM, непрерывную 4-х уровневую ЧМ ) нелинейную модуляцию и обратно совместимы с существующими FM радиостанциями. В дополнении к этому стандарт Р25 описывает открытый интерфейс к внешнему радиооборудованию для упрощения стыковки систем радиосвязи от разных производителей.

Фаза 2

Системы связи этого поколения в настоящий момент находятся в стадии разработки с целью найти способ передачи данных со скоростью 4800бит/сек в полосе 6.25кГц. Радиостанции Р25 Фазы 2 используют схемы модуляции с мультиплексированием по времени и частоте (TDMA и FDMA) с целью эффективной утилизации спектра. Кроме этого все еще решаются вопросы взаимодействия с существующим оборудованием, интерфейсов с базовыми станциями и повторителями, распределения радиочастот и пр.

Фаза 3

Целью оборудования Фазы 3 будут являтся требования по обеспечению высокоскоростной передачи данных для целей общественной безопасности. Направления деятельности будут сфокусированы на воздушной и наземной широкополосной радиосвязи, с помощью которой можно будет передавать и принимать речь, видео и данные с высокой скоростью на большой территории. Европейский телекоммуникационный институт стандартитзации (European Telecommunications Standards Institute (ETSI)) и TIA совместно работают над фазой 3, известной как проект MESA (Mobility for Emergency and Safety Applications, Мобильность для приложений в области безопасности и чрезвычайных ситуаций)

Как работает Р25 радиостанция?

Радиостанция Р25 работает почти также как и обычная аналоговая FM радиостанция. Согласно стандарту Р25, радиостанция должна работать в обычном аналоговом режиме, обеспечивая обратную совместимость с существующим радиооборудованием. Когда Р25 радиостанция работает в цифровом режиме, несущая частота сдвигается на одну из четырех возможных позиций, кодируя таким образом четыре возможные двухбитовые комбинации. Это есть модифицированная 4х уровневая частотная манипуляция (4FSK), используемая в аналоговых системах. В аналоговом режиме Р25 радиостанция работает точно также как и обычная FM радиостанция, с поддержкой сигнализации CTCSS, DCS, пред- и пост- исказителями, широко- и узкополосным режимом работы и так далее. В цифровом режиме Р25 передатчик преобразует аналоговую речь в последовательность пакетов используя IMBE вокодер, затем в приемнике декодирует цифровые данные обратно в аналоговую речь. Помимо этого, к кодированной речи добавляется сервисная информация (в первую очередь для для множественного доступа к радиоканалу) и применяются процедуры помехоустойчивого кодирование. Аналоговая сигнализация CTCSS и DCS заменяется их цифровыми эквивалентами - NAC (network access code) кодами. Для защиты от прослушивания может быть использовано шифрование голосового трафика. Также предусмотрен специальный канал для низкоскоростной передачи данных. Для взаимодействия друг с другом Р25 радиостанции используют Common Air Interface (CAI, общий радиоинтерфейс). Этот стандартный интерфейс описывает типы и содержание передаваемых по радио сигналов. Р25 радиостанция, использующая CAI должна работать навстречу с другой Р25 радиостанцией, использующей CAI, независимо от производителя. Существующие Р25 радиостанции работают в полосе 12.5кГц. Таким образом, в полосе 25кГц можно разместить 2 канала, вместо одного как при традиционной аналоговой FM передаче. В Фазе 2 радиостанции Р25 будут работать в полосе 6.25кГц, что позволит в той же полосе разместить 4 абонента. Р25 радиостанция должна работать в аналоговом режиме на каналах с полосами 25кГц и 12.5кГц, что позволяет пользователям постепенно переходить с аналоговых радиостанций к цифровым. Передача голоса и данных в Р25 радиостанции может быть защищено шифрованием. Р25 стандарты описывают использование AES и DES алгоритмов, а также некоторых других. Существует также отдельная спецификация на алгоритм обмена ключами шифрования OTAR (over the air rekeying). В Р25 канале связи голос или данные передаются со скоростью 9600бит/сек, защищенные FEC (Forward Error Correction, код с прямой коррекцией ошибок) кодом. Это позволяет приемнику бороться с эфирными помехами и увеличить дальность связи. Р25 поддерживает низкоскоростную передачу данных, когда данные подмешиваются к передаваемому голосу, а также передачу на полной скорости 9600 бит/сек.

Архитектура радиостанции Р25

Аналого-цифровое, цифро-аналоговое и речевое кодирование/декодирование

Р25 использует специфический метод оцифровки голоса с использованием IMBE вокодера (Improved Multi-Band Excitation). Вокодер анализирует голос на микрофонном входе и вместо передачи самих отсчетов передает некоторые характеристики, представляющие голос. Приемник использует эти характеристики и синтезирует синтетический эквивалент переданного голоса. IMBE вокодер сильно оптимизирован под человеческий голос и не очень хорошо передаёт другие типы сигналов, включая DTMF. IMBE вокодер дискретизирует сигнал с микрофонного входа, генерируя 88 бит каждые 20 мсек. Таким образом, вокодер передает речь со скоростью 4400 бит/сек.

Канальное кодирование-декодирование

Канальное кодирование – это метод, в котором системы передачи данных используют помехоустойчивое кодирование и другие методы защиты данных для обеспечения их корректного восстановления на приемной стороне. Помехоустойчивое кодирование и защита данных сделаны для улучшения характеристик всей системы, работающей в условиях канальных помех, таких как шум, замирания и интерференция. P25 стандарт включает целый спектр разнообразных типов кодирования: перемежение, линейное блочное кодирование, коды Хэмминга, коды Голуа, коды Рида-Соломона, БЧХ, укороченные циклические коды.

Модуляция/демодуляция и фильтрация

В Фазе 1 работа ведется в полосе 12.5кГц с использованием C4FM модуляции, которая представляет собой разновидность QPSK, в которой каждый символ сдвигается по фазе на 45 градусов относительно предыдущего символа. Несмотря на то что информация кодируется фазой C4FM сигнала, его амплитуда несущей остается постоянной, генерируя таким образом ЧМ модулированный сигнал с постоянной огибающей. Эта особенность позволяет использовать для Фазы 1 радиотракты ЧМ аналоговых радиостанций практически без изменений, что упрощает переход аналогового оборудования на цифровой стандарт. В Фазе 2 работа ведется в полосе 6.25кГц с использованием CQPSK модуляции. У модулируемого CQPSK сигнала одновременно модулируется фаза и частота таким образом, чтобы минимизировать ширину занимаемого спектра. В результате получается амплитудно-фазово модулированный сигнал. Передача ведется со скоростью 4800бит/сек, в которой каждый симол передает 2 бита информации. Таблица соответствия между символами и битами для обоих видов модуляции показана ниже

Информационные биты С	Символ	C4FM модуляция (Фаза 1)	C4FM модуляция (Фаза 2)
11	-3	-1.8 кГц	-135 градусов
10	-1	-0.5 кГц	-45 градусов
00	+1	+0.5 кГц	+45 градусов
01	+3	+1.8 кГц	+135 градусов

Модулятор C4FM сигнала включает фильтр Найквиста типа "приподнятый косинус", формирующий фильтр и FM модулятор. Модулятор C4FM строется на основе квадратурного модулятора, модулирующего одновременно две несущие. Фаза сигнала в квадратурном канале задержана относительно Фазы сигнала в синфазном канале на 90 градусов. Отфильрованный 5-ти уровневый сигнал, полученный с выхода таблицы преобразования используется как входной сигнал квадратурного модулятора.

CQPSK демодулятор способен принимать сигналы и с C4FM, и с CQPSK модуляцией. Детектор FM сигнала на входе демодулятора позволяет принимать аналоговый FM, C4FM и CQPSK сигналы. Это позволяет сохранить приемный тракт Р25 радиостанции неизменным при переходе от Фазы 1 к Фазе 2 с 6.25кГц рабочей полосой. Переделка нужна только для передатчика. Кроме этого такой демодулятор одинаково хорошо будет принимать аналоговый FM и C4FM сигналы. В настоящий момент оборудование Фазы 2 еще не производится. Оно требует линейности выходных усилителей для передачи CQPSK сигнала, чувствительного к нелинейным искажениям.