Cети и системы радиосвязи и средства их информационной защиты

142

5. СТАНДАРТЫ КОДИРОВАНИЯ В ПЕЙДЖИНГОВОЙ СВЯЗИ

Персональный радиовызов (пейджинг) - услуга электросвязи, обеспечивающая беспроводную одностороннюю передачу информации в пределах обслуживаемой зоны. По назначению системы пейджингового радиовещания (СПРВ) можно разделить на частные (ведомственные) и общего пользования.

Частные СПРВ обеспечивают передачу сообщений в локальных зонах или на ограниченной территории в интересах отдельных групп абонентов. Как правило, передача сообщений в таких системах осуществляется с пультов управления диспетчерами без взаимодействия с телефонной сетью общего пользования (ТФОП).

Под СПРВ общего пользования понимается совокупность технических средств, через которые через ТФОП происходит передача в радиоканале сообщений ограниченного объема. Развитие СПРВ происходит путем внедрения техники автоматического взаимодействия с ТФОП, применения цифровых способов передачи вызовов (адресов) и сообщений в буквенно-цифровом коде, повышения пропускной способности и помехоустойчивости, через миниатюризацию и уменьшение потребления электроэнергии оконечными устройствами.

СПРВ разрабатывались для предоставления услуг в полосах частот 80-931 МГц. Конкретные номиналы частот выделялись на основе национальных условий использования СПРВ, а также в зависимости от вида передаваемых сообщений.

В настоящее время различными фирмами США, Великобритании, Японии и других стран разработаны многочисленные типы национальных и частных СПРВ. Ключевым фактором в развитии СПРВ явилась стандартизация радиоинтерфейса.

Характеристика протоколов пейджинговой связи

Передача адресной информации и сообщений в цифровых системах (в том числе и пейджинговых) осуществляется в определѐнном формате (протоколе) кодирования. История создания и развития протоколов пейджинговой связи насчитывает более полутора десятков различных форматов связи. Первым протоколом пейджинговой связи является двухтоновый формат, разработанный в 50-х годах фирмой MULTITON и предусматривающий передачу на радиостанцию адреса – двух тоновых посылок различной частоты.

Долгое время после этого разрабатывались и применялись форматы связи, обеспечивающие работу тоновых пейджеров. К середине 70-х годов были разработаны и внедрены широко применяемые и сегодня протоколы POCSAG, GOLEY, NEC, предусматривающие модуляцию высокочастотного сигнала двоичным кодом.

Протоколом чемпионом по количеству используемых в мире в последнее десятилетие пейджеров, работающих в этом формате, является POCSAG. Это действительно универсальный протокол, позволяющий передавать цифровые, буквенно-цифровые и тоновые сообщения на скорости 512, 1200 и 2400 бод, что поддерживает уникальную адресацию по 2 млн. номеров пейджеров и обеспечивает ресурс одной частоты СПРВ по количеству обслуживаемых абонентов в пределах 10 – 20 тыс.

Пейджинговый стандарт GSC был разработан компанией Motorola в 1983 г. на основе последовательного кода Голея - GSC (Golay Sequential Code). Код GSC может использоваться в сетях персонального радиовызова для передачи как исключительно сигналов вызова, так и вызова совместно с речевым сообщением в аналоговом или буквенно-цифровом виде. В зависимости от поставленной задачи формируются различные виды пакетов. В передаваемом пакете содержатся избыточные биты (паритетности), что позволяет при приеме осуществлять исправление двух ошибок в кодовом слове. Скорость передачи пакета составляет 600 бит/с.

Стандарт APOC, изобретѐнный компанией PHILIPS, является почти обычным стандартом POCSAG, в котором предусмотрена замена (при передаче) наиболее распространенных слов и фраз кодовым трѐхбайтовым сообщением. Функцию кодировки автоматически выполняет кодировщик сигнала POCSAG (пейджинговый терминал), имеющий соответствующую опцию. При приѐме сигнала и его декодировании, пейджер (также имеющий функцию работы с APOC) заменяет кодовое значение на соответствующее слово (фразу). Такая модернизация стандарта POCSAG,

143

позволяет сжимать трафик не более чем на 20 – 25 %, что, безусловно, важно и полезно, особенно для случаев дефицита частотных ресурсов.

Однако, опыт компании PHILIPS не получил широкого распространения, возможно, возможно, потому что, во-первых, эту инициативу не поддержали основные производители пейджинговых систем, а во-вторых, появились новые высокоэффективные протоколы пейджинговой связи: FLEX (и сопровождающее его семейство ReFLEX, InFLEXion), разработанные компанией MOTOROLA,

иERMES, разработанный Международным союзом электросвязи. Новые протоколы более сложны

исовершенны, обладают в 3 – 8 раз большей абонентской ѐмкостью на один частотный канал, эффективны для роуминга и подключения сервисных подсистем, имеют ряд других преимуществ.

Следует упомянуть и о формате RDS. В таких системах передача сигналов персонального радиовызова ведѐтся вещательными радиостанциями за счѐт уплотнения существующих радиовещательных каналов (на поднесущей).

Двусторонний пейджинг – вид пейджинговой связи в котором предусмотрена, в дополнение к обычной функции приѐма сообщений, посылка (передача) сообщения самим пейджером на специальную сеть приѐмных устройств (станций). Сначала такие системы появился в США (где была построена сеть двусторонней пейджинговой связи с использованием протокола ReFLEX), затем в Австралии и в ряде государств ближнего востока (где была реализована технология

NEXUS).

Разработка технологии двусторонней пейджинговой связи ReFLEX компанией Motorola велась с начала 90-х годов. Первые опытные сети были не совсем эффективны (наблюдались потери сообщений, была очень высокая стоимость оборудования), однако после усовершенствования протокола, доработки и отладки оборудования сеть двусторонней пейджинговой связи стала работать стабильно и была расширена до национальной.

Технология NEXUS (Израиль) была применена в австралийском Сиднее для построения полностью автоматизированной (работающей без участия операторов пейджинга) сети пейджинговой связи. Существенными достоинствами технологии NEXUS являются, во-первых, простота конструкции сети обратной связи (количество передатчиков и станций приѐма практически совпадают) и, во-вторых, направленность технологии на широкое применение в транспорте и промышленности (например, для контроля за движущимися объектами, для сбора телеметрической информации о состоянии объектов).

Таблица 5.1 – Протоколы пейджинговой связи

144

Далее мы подробно рассмотрим наиболее известные протоколы систем персонального радиовызова POCSAG, FLEX, ERMES и RDS. Все эти протоколы являются аналого-цифровыми (т.е. вся информация в эфире передаѐтся в виде 0 и 1, представленных с помощью частотной манипуляции).

Протоколы пейджинговой связи

Протокол POCSAG

Одним из самых распространенных на сегодняшний день форматов пейджинговой передачи является протокол POCSAG, разработанный Британским почтовым ведомством. Он предусматривает скорость передачи информации 512, 1200 и 2400 бит/сек. Сообщения передаются в асинхронном режиме: пакет сообщения может стартовать в любой момент времени и длина его не определена. Общая структура сигнала в формате POCSAG приведена на рисунке 5.1:

Рис. 5.1. Общая структура сигнала в формате POCSAG.

Сигнал в формате POCSAG начинается с преамбулы, состоящей из 576 бит чередующихся 0 и 1. Преамбула служит для вывода приемного устройства (пейджера) из "спящего" состояния в режим "приема" и его тактовой синхронизации. После преамбулы следует поток блоков, содержащих физические адреса пейджеров и тексты сообщений. Длина кодовой последовательности в формате POCSAG не определена, блоки следуют один за другим каждый со своим кодовым словом синхронизации - для подстройки синхронизации приемников (при передаче длинных сообщений). Каждый блок состоит из 17-ти 32-битных слов. Первое из них является словом синхронизации (фиксированная последовательность 32 бит), далее идет последовательность из восьми двойных слов или кадров (фреймов), нумеруемых с 0-го по 7-й. Каждое 32-разрядное слово содержит 21

145

информационный бит и 11 избыточных (контрольных) бит, которые служат для определения и корректировки ошибок. Протокол предусматривает коррекцию ошибок по алгоритму Бокгауза- Чоудхудри-Хоквингема, сокращенно БЧХ(32,12), при котором в одном 32-битном кодовом слове корректируется ошибка при приеме одного неверного бита (либо 2, если расстояние между ними не превышает 6 бит), а возникновение от 2 до 5 ошибок детектируется (т.е. это слово исключается и в большинстве моделей текстовых пейджеров эта часть обозначается скобками). В зависимости от функционального назначения блоки делятся на адресные, в которых передается физический адрес пейджера, и информационные, содержащие текст сообщения.

Основное отличие протокола POCSAG от других протоколов пейджинговой передачи заключается в способе приема содержащегося в начале каждого пейджингового сообщения физического адреса пейджера - кэпкода (CapCode), которому оно адресовано. Все возможные 2 млн. физических адресов разбиты на 8 групп, соответствующие 8 кадрам (frames) адресного блока. Адресный блок состоит из адресного кодового слова и предшествующих "пустых" слов (специальные фиксированные 32-битовые последовательности) и формируется следующим образом: физический адрес пейджера делится на 8. Остаток от деления дает номер фрейма в первое слово которого записывается частное от деления. Во все предыдущие фреймы записываются "пустые" слова (специальные фиксированные 32-битовые последовательности), а все оставшиеся до конца адресного блока слова пропускаются, т.е. сразу за адресным словом начинается следующий блок. Фактически остаток от деления является номером интервала времени (кадра frame), в котором данный пейджер будет вести прием и распознавание своего номера. Пейджер принимает только кадры, соответствующие его адресу. Это позволяет в восемь раз увеличить адресную емкость системы и значительно повысить срок службы элементов питания.

Информационный блок служит для передачи цифровой и алфавитно-цифровой информации на пейджер, заданный адресным блоком. Он содержит слово синхронизации, информационные слова, и, если сообщение закончилось, "пустые" слова до конца блока.

Впротоколе POCSAG не оговаривается какие физические значения сигнала принимаются за 0,

акакие за 1. Поэтому различные пейджеры (или режимы приема пейджера) воспринимают эту кодировку с точностью до наоборот. Отсюда появилось понятие инверсной кодировки POCSAG. Инверсная кодировка POCSAG полностью совпадает с описанной выше, за исключением того, что нулевые биты заменяются единичными, а единичные биты - нулевыми.

Увеличение скорости передачи сообщений ведет к увеличению пропускной способности системы, однако при этом снижается устойчивость к помехам, а главное - снижается чувствительность радиоприема, т.е. фактически - радиус рабочей зоны приема сообщений. Для подавляющего большинства пейджеров чувствительность в зависимости от скорости передачи равна следующим значениям: 512 бит/сек - 5 мкВ/м; 1200 бит/сек - 7 мкВ/м; 2400 бит/сек - 9 мкВ/м.

Протокол FLEX

Протокол пейджинговой связи FLEX разработан формой Motorola. Основным достоинством этого протокола является высокая скорость передачи данных - 1600, 3200и 6400 бит/сек, а, следовательно, высокая пропускная способность. Так, если в стандарте POCSAG ресурс частоты составляет 10-15 тысяч абонентов, то во FLEX-системах ресурс частотного канала лежит в пределах 20-80 тысяч абонентов. В отличие от протокола POCSAG протокол FLEX использует синхронную передачу данных, т.е. синхронизация передатчика и приемника производится по абсолютному значению времени. Структура формата FLEX приведена на рисунке 5.2.

146

Рис. 5.2. Структура формата FLEX

При скорости 1600 бит/сек используется 2-уровневая частотная модуляция. При скорости 3200 бит/сек может использоваться как 2-уровневая, так и 4-уровневая частотная модуляция. При скорости 6400 бит/сек используется 4-уровневая частотная модуляция. Значения девиации для различных двоичных данных при 2-уровневой и 4-уровневой частотной модуляции приведены на диаграмме рис. 5.3.

Рис. 5.3. Значения девиации при частотной модуляции

Данные в протоколе FLEX формируются в кадры, которые передаются последовательно со скоростью 32 кадра в минуту (1,875 сек на кадр). Полный цикл протокола FLEX состоит из 128 кадров, которые нумеруются от 0 до 127 и передаются ровно 4 минуты. Каждый час делится на 15 циклов, пронумерованных от 0 до 14.

Так как протокол FLEX является синхронным, для его синхронизации используются сигналы точного времени, передаваемые в начале каждого часа в кадре 0 цикла 0. При передаче этого кадра осуществляется синхронизация приемников.

Каждый кадр протокола FLEX передается 1,875 сек и состоит из блока синхронизации (115 мсек) и 11 информационных блоков (по 160 мсек на блок).

Блок синхронизации обеспечивает синхронизацию кадра и настройку пейджеров (фрагменты "Синхрон. 1" и "Синхрон.2"), а также несет информацию о номере цикла и кадра (фрагмент "Кадр инфо").

147

Информационные блоки содержат служебную информацию, адресное поле, задающее адреса пейджеров, которым адресованы сообщения, векторное поле, указывающее, где расположены сообщения в поле сообщений и их длину и непосредственно поле сообщений, содержащее сами сообщения.

Последовательность расположения полей в кадре показана на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Последовательность расположения полей в кадре

Поля не привязаны к границам блока. Порядок расположения адресов пейджеров в адресном поле должен соответствовать порядку расположения векторов в векторном поле. Адреса пейджеров могут задаваться одним кодовым словом (короткий адрес), поддерживая при этом до 2 миллионов адресов, или двумя кодовыми словами (длинный адрес), поддерживая до 5 миллиардов адресов.

При кодировании информации используется код БЧХ, позволяющий восстанавливать единичные ошибки передачи данных. Кроме того, используемая в протоколе последовательность передачи сформированных бит информации позволяет восстанавливать принятые данные при пропадании сигнала на интервале до 10 мсек.

Каждый пейджер, работающий с протоколом FLEX, может принимать сообщения на любой из допустимых скоростей передачи данных (1600, 3200 или 6400 бит/с). Одним из важных следствий синхронного протокола является то, что сообщения для каждого конкретного пейджера можно помещать в кадр с определенным номером. Это позволяет пейджеру избирательно принимать один или несколько кадров из всего четырехминутного цикла протокола FLEX, в которые помещаются сообщения на его адрес. Если пейджер не обнаруживает своего адреса в своем кадре, он прекращает прием. Такая организация связи позволяет резко повысить срок службы батареек пейджера.

Еще одной важной отличительной особенностью протокола FLEX является возможность работы совместно с другими протоколами связи. Для этого в цикле выделяются определенные кадры для работы по протоколу FLEX, а промежутки между ними отдаются для работы по другим протоколам, например, POCSAG. Это позволяет компании оператору не создавая новой инфраструктуры, постепенно перейти от работы в протоколе POCSAG на работу в протоколе

FLEX.

К достоинствам протокола FLEX следует отнести:

повышенную скорость передачи данных, а, следовательно, повышенную пропускную способность на один частотный канал;

возможность поддержания большого количества адресов (до 5 миллиардов);

улучшенные характеристики помехоустойчивости канала передачи;

обеспечение энерго-экономичного режима работы пейджеров;

возможность совместной работы с другими протоколами.

148

Протокол ERMES

Протокол ERMES был разработан как общеевропейский протокол пейджинговой связи. Он включает в себя, кроме собственно протокола передачи данных, ряд организационных положений и технических решений в рамках Меморандума о взаимопонимании, подписанного руководителями администраций 16 стран Европы в январе 1990 г. с целью координации усилии по созданию общеевропейской СПРВ. К достоинствам протокола ERMES следует отнести следующее:

повышенную скорость передачи данных, а, следовательно, повышенную пропускную способность на один канал;

обеспечение энерго-экономичного режима работы пейджеров;

возможность передачи произвольного набора данных объемом до 64 кбит;

возможность удобной организации роуминга во всех регионах, охваченных сетью ERMES. Для функционирования СПРВ по протоколу связи ERMES выделяется единый диапазон частот

(или его часть) 169,4 - 169,8 МГц, в котором организуются 16 частотных каналов с разносом частот в 25 кГц. Для приема сигнала используются сканирующие по частоте абонентские приемники (пейджеры). Скорость передачи данных составляет 6,25 кбит/сек.

Системы персонального радиовызова на базе протокола ERMES обеспечивают следующие услуги:

передачу цифровых сообщений длиной до 1600 знаков;

передачу буквенно-цифровых сообщений длиной до 9000 символов;

передачу произвольного набора данных объемом до 64 кбит;

возможность приема вызова и сообщений одним унифицированным приемником (пейджером) во всех странах, входящих в объединенную СПРВ ERMES.

Структура протокола ERMES приведена на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Структура протокола ERMES

Каждый час передается 60 циклов по одной минуте каждый. Каждый минутный цикл содержит 5 последовательностей по 12 сек. Каждая из последовательностей включает в себя 16 типов групп, которые обозначаются буквами латинского алфавита от А до Р. Каждая группа имеет длину 0,75 сек и состоит из четырех блоков: синхронизации; служебной информации; адреса; информационного сообщения.

Порядок расположения групп внутри последовательности для каждого частотного канала свой и устроен так, что позволяет пейджеру в пределах последовательности просмотреть свою группу в режиме сканирования на всех 16 частотах. Порядок расположения групп для каждого частотного

149

канала показан в табл. 5.1 (выделенные группы показывают порядок сканирования пейджера для группы А).

Протокол ERMES использует помехоустойчивое кодирование передаваемой информации с прямой коррекцией ошибок (FEC),циклический код (30,18), кодовое расстояние Хемминга - 6.

Приемники персонального вызова (пейджеры) в системе ERMES работают следующим образом. Находясь в зоне приема "своей" базовой станции пейджер принимает сообщения на ее частоте. При попадании в другой регион пейджер, не "слыша" сигнал на своей частоте, переходит в режим сканирования по каналам ERMES и, обнаружив сигнал, начинает принимать информацию на частоте базовой станции данного региона.

Таблица 5.1. Порядок расположения групп для каждого региона

Протокол RDS

Протокол RDS (Radio Data System) получил путѐвку в жизнь в начале 90-х годов в качестве многофункционального формата передачи данных как на адресные, так и на безадресные приѐмники. Принцип передачи данных основан на уплотнении сигнала вещательной станции, работающей в FM и УКВ диапазонах. Передача данных происходит путѐм замешивания в комплексный стереосигнал на поднесущей частоте 57 кГц с девиацией 2 кГц частотномодулированного сигнала RDS. Спектр суммарного сигнала показан на рисунке 5.6 (где А и В – сигналы левого и правого каналов стереовещания).