Конвенциональные системы связи

Виды и принципы организации связи

Выбор между симплексом и дуплексом
Симплексная радиосвязь
Для связи используется одна частота, как для приема, так и для передачи. Экономично, просто, понятно.
Дуплексная радиосвязь
Радиосвязь осуществляется одновременно на двух частотах. На одной прием, на другой передача. На этом принципе работают телефонные системы. Неэкономично, сложно и, в подвижной связи, непонятно зачем.
Полудуплексная радиосвязь (двухчастотный симплекс)
Радиосвязь осуществляется с использованием двух частот: приемной и передающей, но, по сравнению с дуплексом, не одновременно, а поочередно. Сигнал принимается на одной частоте, а передается на другой. В один момент времени абонент может находиться либо в режиме «прием» либо «передача». Неэкономично, но в большинстве случаев – необходимо.
Выбор между дуплексной и симлексной радиосвязью
Обычно первичной задачей любой системы связи является обеспечение требуемой (очень большой) дальности связи. Но дальность, к сожалению, ограничена физикой. Как утверждают очевидцы, наша планета представляет собой шар, кривизна поверхности которого не позволяет осуществлять связь за пределы горизонта. А это значит, что между портативными радиостанциями, находящимися в руках у стоящих вертикально людей на открытой равнинной местности, связь возможна на расстоянии 5 км. В случае необходимости увеличения этого растояния (99.9% случаев) применяют цифровые ретрансляторы (репитеры).
Ретрансляторы радиосигналов
Ретранслятор это устройство, принимающее радиосигнал и передающее его в эфир. Зачем же нужна подобная «перепередача»? Дело в том, что для увеличения дальности связи необходимо преодолеть шарообразность Земли, а это достигается подъемом приемника и/или передатчика. Если все абоненты «рождены ползать», тогда единственным выходом станет применение отдельного устройства установленного на достаточной высоте, которое будет принимать и с высоты передавать сообщения, «раздвигая горизонты». Наибольшую зону охвата будет иметь ретранслятор, установленный на искусственном спутнике Земли в космосе. Если же опуститься на Землю, то для обеспечения заданного охвата наиболее простым вариантом будет установка ретранслятора на искусственном или естественном высотном сооружении (здание, мачта, холм).
Практически ни одна современная система связи не обходится без ретранслятора. Среди редких исключений можно упомянуть магазины, строительные площадки, стадионы, автоколонны и т.п. В остальных случаях требуется зона охвата, превышающая возможности прямой связи.
Так в какихже случаях применять симплекс, а в каких полудуплекс?
Принцип организации связи через ретранслятор
Ретрансляторы радиосигналов
Ретранслятор это устройство, принимающее радиосигнал и передающее его в эфир. Зачем же нужна подобная «перепередача»? Дело в том, что для увеличения дальности связи необходимо преодолеть шарообразность Земли, а это достигается подъемом приемника и/или передатчика. Если все абоненты «рождены ползать», тогда единственным выходом станет применение отдельного устройства установленного на достаточной высоте, которое будет принимать и с высоты передавать сообщения, «раздвигая горизонты». Наибольшую зону охвата будет иметь ретранслятор, установленный на искусственном спутнике Земли в космосе. Если же опуститься на Землю, то для обеспечения заданного охвата наиболее простым вариантом будет установка ретранслятора на искусственном или естественном высотном сооружении (здание, мачта, холм).
Практически ни одна современная система связи не обходится без ретранслятора. Среди редких исключений можно упомянуть магазины, строительные площадки, стадионы, автоколонны и т.п. В остальных случаях требуется зона охвата, превышающая возможности прямой связи.
Получается, что ретранслятор непрерывно излучает принимаемый сигнал, а в абонентских радиостанциях режим прием/передача должен переключаться. В один момент времени или говорю или слушаю. Чем выше чувствительность и мощность ретранслятора и выше установлены антенны, тем большую зону можно охватить устойчивой радиосвязью.
Но если не хватает частот, денег или того и другого (наиболее распространенный случай), то можно обойтись симплексом. В таком случае абонентское оборудование остается тем же, только в нем программируются одинаковые приемные и передающие частоты. А вот в качестве ретранслятора можно использовать… обычную абонентскую радиостанцию. Но она не может принимать и передавать одновременно, что, кстати, и не требуется (да и нельзя, как мы уже рассмотрели).
Для работы такого ретранслятора (его, кстати, обычно называют симплексным) требуется специальное устройство – контроллер симплексного ретранслятора. Устройство представляет собой так называемый цифровой магнитофон, который записывает принимаемое сообщение до тех пор, пока оно присутствует в эфире (или пока не кончится «пленка»). После пропадания сигнала, контроллер переключает радиостанцию в режим передачи, и записанное сообщение воспроизводится в эфире. Получается, что достаточно одной частоты и одной (не дуплексной) радиостанции.
При всей простоте и относительной дешевизне метода, у него есть серьезный недостаток: абонент должен тратить время на проговаривание сообщения, и затем ждать, пока оно воспроизведется в эфире. Таким образом, на радиопереговоры при использовании симплексного ретранслятора потребуется в два раза больше времени, чем при использовании дуплексного. Если количество денег и радиочастот являются определяющими факторами и можно смириться с потерей оперативности, то применение симплексных ретрансляторов (как их еще называют «симплексеры», «эхо-репитеры», «кукушки» или «попугаи» – воистину безгранична человеческая фантазия и русский язык) может оказаться наиболее рациональным путем решения задачи.
Выводы можно сделать следующие
Дуплексную радисвязь (Дуплекс) - применяют при непрерывной ретрансляции.
Симплексную радиосвязь (Симплекс) – в случаях прямой связи (без ретрансляторов) или в случае симплексной ретрансляции.
Полный дуплекс
При полном дуплексе (как и при полудуплексе) используются две частоты, но абонентские радиостанции в один момент времени находятся одновременно и в режиме приема, и передачи, т.е. аналогично телефону. Бесспорно, это повышает удобство переговоров, так как они ведутся в привычной для человека манере. Но использование дуплекса существенно усложняет и, следовательно, удорожает оборудование, т.к. абонентская станция должна содержать два независимых тракта – приемник и передатчик (в симплексных станциях основную часть электрической схемы обычно объединяют). Кроме того, в большинстве систем дуплексная связь невозможна между радиоабонентами, а осуществима только при соединениях с телефонной сетью. Но даже при этом в серьезных системах связи (например, в транковых системах МРТ 1327), при проведении дуплексной связи выделяются два дуплексных канала (4 радиочастоты!). Это повышает нагрузку на систему и требует увеличения каналов, а это, в свою очередь, ведет к усложнению и, следовательно, удорожанию системы. Существует варианты дуплекса в разных частотных диапазонах, например: прием в 138–174 МГц, а передача в 400–470 МГц. Но такой подход также сопряжен с рядом сложностей: выделение частот в разных диапазонах, усложнение системы, повышенные требования к настройке. Вряд ли вам удастся найти на рынке, оборудование серьезных производителей рассчитанное на работу в междиапазонном дуплексе (обычно называют «кросс-диапазонный» дуплекс). По нашим сведениям такое оборудование выпускает небезызвестная японская компания «Alinco».
Аналоговые транковые системы на основе протоколов MPT 1327 и LTR позволяют применять дуплекс в одном частотном диапазоне, но дуплексные радиостанции в этих системах обладают низкой мощностью, что подразумевает многозоновую конфигурацию, как в сотовых сетях.
На рынке представлены десятки производителей радиосвязного оборудования и среди всего множества предложений только единицы являются дуплексными образцами. Практически все дуплексные системы предназначены для работы в диапазоне 800 МГц. Связано это с тем, что на низких частотах невозможно создать дуплексный фильтр (устройство, позволяющее приемнику и передатчику одновременно использовать одну антенну) таких размеров, чтобы он уместился в корпусе портативной радиостанции.
Намного проще реализовать дуплекс в цифровых системах связи (TETRA, Tetrapol, APCO-25, GSM). Но в них понятие дуплекса несколько отличается от принятого в аналоговой связи. Дуплекс в цифровом виде – это не одновременные прием и передача, а прием и передача, разделенные во времени. То есть в каждый момент времени радиостанция находится либо в режиме приема, либо передачи. Переключение происходит настолько часто, что абонент его просто не слышит (например, в TETRA 18 раз в секунду). Следовательно, отпадает необходимость во включении в конструкцию радиостанций относительно габаритного дуплексного фильтра.
Дуплексная радиосвязь не получила широкого распространения среди систем подвижной связи еще и потому, что в оперативных условиях нет необходимости вести пространные беседы о погоде или справляться о здоровье. Служебная связь призвана решать задачи производства, управления, безопасности. А в этих сферах обычно отдаются команды и распоряжения и принимаются отчеты о проделанной работе.
Секретность связи, идентификация абонентов
Допустим, мы обеспечили требуемую зону покрытия, и теперь можем приступить к реализации сервисных функций. Т.е. того, что собственно и характеризует систему связи. Обычно под уровнем сервиса понимают возможности связи с конкретными абонентами, групповую связь, соединение с телефонной сетью, передачу цифровых данных и т.п.
Пожалуй основной задачей (после обеспечения требуемой зоны охвата) является адресация вызова конкретному абоненту без возможности прослушивания другими.
Если не принять определенных мер, то при работе в эфире любой радиостанции, остальные, настроенные на эту же частоту будут слышать сообщения. В некоторых случаях с этим можно мириться (охрана небольшого объекта, строительная площадка, стадион), а иногда это даже нужно (вызов свободного такси, ближайшей патрульной машины милиции и т.п.). Но в остальных случаях сообщения должны направляться конкретному абоненту (группе), а остальным переговоры слышать не нужно или нельзя.
Процесс направления вызова конкретному абоненту (абонентам) обычно называют идентификацией. Существует несколько основных способов идентификации, которые мы и рассмотрим ниже.
При построении систем связи для идентификации абонентов и групп чаще всего используются специальные устройства кодировки/декодирования, так называемые шумоподавители. Наибольшее распространение получили тональные (CTCSS), цифровые (DCS) и кодовые (DTMF) шумоподавители или их комбинации.
Принцип идентификации с помощью CTCSS заключается в том, что к полезному сигналу «примешивается» тон определенной звуковой частоты, так называемый субтон (более по-русски – пилот тон). Приемник радиостанции будет активизироваться («открываться») только в том случае, если в принимаемом сигнале присутствует субтон, на который радиостанция настроена.
Устройство - Цифровой шумоподавитель (DCS)
Для идентификации абонента или группы абонентов используется специальная цифровая посылка перед началом сообщения. При передаче (нажатии клавиши PTT), радиостанция автоматически формирует цифровую посылку на рабочей частоте, соответствующую абоненту (группе абонентов), которому адресовано сообщение. Приемник активизируется только в том случае, если он настроен на прием данного кода, остальные приемники, работающие на той же частоте, будут неактивны. Организация идентификации практически аналогична использованию CTCSS, со всеми достоинствами и недостатками последней.
Возможное количество цифровых комбинаций теоретически бесконечно, хотя стандартными являются 104 кода.
Устройство - Кодовый шумоподавитель (DTMF)
Для идентификации абонента или группы абонентов используется специальная тональная посылка перед началом сообщения, так называемая DTMF последовательность. Каждому символу на клавиатуре радиостанции соответствует звуковой тон определенной частоты (по принципу тонального набора в современных телефонных сетях). Когда вы нажимаете клавишу на клавиатуре радиостанции, формируется звуковой тон, который затем передается в эфир на частоте передачи. Приемник активизируется только в том случае, если он настроен на включение при приеме данного кода, остальные приемники, работающие на той же частоте, будут неактивны. Для организации связи с помощью DTMF радиостанция должна быть оснащена клавиатурой и модулем DTMF.
Наиболее распространенный метод идентификации. В частности без DTMF невозможна организация телефонных вызовов. Чаще всего используется совместно с CTCSS и DCS. Кроме идентификации абонентов, применяется для доступа к внешним устройствам, подключенным к системе связи. Например, телефонные интерфейсы, устройства дистанционного управления, контроллеры и т.п.
CTCSS, DCS и DTMF методы идентификции
При всем разнообразии методов идентификации (DQT, PL, Select 5, CCIR, EEA, EIA, ZVEI и пр.), практически все они сводятся к трем основным форматам CTCSS, DCS и DTMF, отличающиеся длительностью посылок, их частотой, формой сигналов и т.п.
Итоги
Прямая связь Непрямая связь
Увеличение дальности Диспетчерская радиостанция
(симплекс или полудуплекс) Ретранслятор
(симплекс или полудуплекс)
Идентификация*
Разбивка на группы внутри системы связи CTCSS или/и DCS
Индивидуальный вызов DTMF (+ CTCSS или/и DCS)
Вызов группы DTMF (+ CTCSS или/и DCS)
Вызов в телефонную сеть DTMF (+ CTCSS или/и DCS)
Доступ к устройствам управления** DTMF (+ CTCSS или/и DCS)
* Методы идентификации могут использоваться в сочетаниях друг с другом. Например, доступ в телефон осуществляется DTMF последовательностью, но для дополнительной защиты можно установить проверку CTCSS и/или DCS тона.
** К устройствам управления относятся цифровые ретрансляторы (репитеры), контроллеры, механизмы и приборы, управляемые по радиоканалу (телеметрия).
«Прямая» связь
«Прямая» связь - это прежде всего самый простой метод построения системы связи.
Для нее характерны – ограниченный радиус действия, простота организации, минимум затрат. Наиболее часто такие радиосети используют строители, службы охраны локальных объектов, группы телеоператоров, организаторы массовых мероприятий и т.п. В таких радиосетях не используются цифровые ретрансляторы (репитеры), поэтому они имеют небольшую зону действия и, как правило, применяются на небольших площадках, в здании или группе близкорасположенных зданий, небольшом поселке. То есть там, где требования по дальности минимальны и ограничены радиусом действия радиостанций. Для работы системы необходимо одна частота. В зависимости от типа применяемых станций возможны две разновидности сетей:
радиосети без индивидуального вызова, работающие по принципу «один говорит – все слышат»;
радиосети с индивидуальным и групповым вызовом, в которых возможна работа на одной частоте нескольких групп пользователей с использованием CTCSS, DCS или DTMF.
Диспетчерские системы
Слово «диспетчерские» в начальном смысле слова, предполагает наличие человека (диспетчера) при организации переговоров. Абонент с мобильной, носимой, либо стационарной радиостанции осуществляет вызов диспетчерского пункта на определенной частоте, затем диспетчер передает сообщение другому абоненту на той же или на другой частоте. Задача диспетчера заключается в том, чтобы «ретранслировать» сигнал и/или перераспределять вызовы по частотным каналам.
Например: одна группа абонентов работает на частоте 1 (первый канал), а другая группа на частоте 2 (второй канал). В данном случае, если возникает надобность в передачи сообщения между абонентами разных групп, связь невозможна. При использовании диспетчерской (многоканальной) радиостанции, прием информации от 1-й группы осуществляется на одном канале, затем диспетчер переключается на частотный канал 2-й группы и передает сообщение в эфир.
Системы связи с применением ретрансляторов
Кроме своей основной функции (увеличения дальности), цифровые ретрансляторы (репитеры) позволяют создавать сложные системы связи. Хотя сам по себе ретранслятор обычно только принимает и передает сигнал, но как раз это и открывает огромные возможности управления. Получается, что с помощью ретранслятора сигналы всех абонентских радиостанций «собираются» в одном месте. Это значит, что их можно анализировать после приема и изменять перед передачей. Это достигается с помощью специальных контроллеров, подключаемых к ретранслятору.
Контроллеры – довольно сложные электронные устройства, выполняющие большинство функций по идентификации абонентов, ограничению доступа к системе, объединению в рамках единой сети нескольких систем, стыковку с телефонной сетью и многое другое.
Обычно создание сети с конкретными задачами заключается в подборе необходимого контроллера. В настоящее время выпускаются контроллеры для решения всех мыслимых (и немыслимых) задач в радиосвязи. Кстати, организация сетей с автоматическим выбором свободного канала (модное слово транк!) также сводится к подключению к ретрансляторам специальных транковых контроллеров.
Часто (если не всегда) при построении систем связи существует необходимость (читай, желание) соединения с телефонной сетью, городской или ведомственной. Одним из методов решения этой задачи может быть применение телефонных интерфейсов.
Принцип работы интерфейса заключается в том, что между телефонной линией и радиостанцией (как правило, стационарной) подключается устройство, преобразующее сигналы телефонной линии в понятный для радиостанции вид. А сигналы радиостанции в вид и форму необходимую для осуществления вызовов абонентов телефонной сети. Таким образом, владельцу абонентской радиостанции достаточно набрать код доступа к интерфейсу (DTMF набором), а затем нужный телефонный номер. Для того чтобы вызвать радиоабонента с телефонного аппарата, нужно набрать телефонный номер, к которому подключен интерфейс и затем донабрать номер требуемой радиостанции.
К достоинствам данного метода стыковки с телефонной линией, следует отнести относительную дешевизну реализации, простоту подключения, возможность использования практически в любых системах радиосвязи с любым радиооборудованием. К недостаткам – легкий доступ к системе. Любая радиостанция, оборудованная DTMF-клавиатурой, может выйти на телефонный интерфейс. Подслушать и расшифровать пароль доступа при определенных навыках и наличии соответствующего оборудования – довольно простое дело.
Наиболее распространенные модели телефонных интерфейсов позволяют при одном базовом устройстве вызывать донабором одной цифры (от 0 до 9) до десяти удаленных абонентов, а удаленный (мобильный) аппарат – до 10 базовых. Существуют и более сложные устройства, поддерживающие до 100 и более пользователей.
В большинстве контроллеров ретрансляторов доступ к телефонной сети является стандартной функцией.
Многозоновые системы - системы для покрытия больших площадей
Применение ретрансляторов, установленных в одном месте, не всегда позволяет решить проблему охвата больших территорий. В таких случаях создают многозоновые системы связи.
Подобную организацию можно рассматривать как совокупность однозоновых систем, объединенных в одну общую сеть. С помощью специальных контроллеров (опять контроллеры!) обеспечивается работа абонентов в разных зонах. Разрешаются частотные конфликты (когда абонент находится в зоне действия двух и более ретрансляторов), обеспечивается идентификация, соединение с телефонной сетью и т.п.
Наибольшее распространение получили транковые многозоновые системы связи на основе протоколов MPT 1327 и TETRA. Они предоставляют абонентам высокий уровень сервиса (индивидуальный вызов, динамические группы, телефония, очереди вызовов, передача данных по радиоканалам), но сложны в построении, дороги и становятся рентабельными при большом количестве абонентов (от нескольких сотен до нескольких тысяч).
В случаях, когда число абонентов невелико (от десятков до сотен) и они территориально рассредоточены, а также нет надобности в высоком уровне сервиса (промышленные предприятия, горные разработки, газо- и нефтепроводы, железные дороги, объекты водоснабжения и т.п.) можно использовать «обычные» системы связи в многозоновом построении.
К достоинствам таких систем следует отнести возможность использования практически любых радиостанций, оснащенных CTCSS или DCS. Это позволяет включать в сеть как уже имеющееся оборудование на данный частотный диапазон, так и легко расширять систему в дальнейшем. В многозоновых системах обычно решена проблема перемещения абонентов между зонами (роуминг), вызов радиостанций находящихся в разных зонах, разделение абонентов на группы, соединение с другими сетями связи, в том числе телефонной.
Например, контроллеры М47МR, производства американской компании Zetron, позволяют создавать вытянутые в линию многопользовательские системы связи с возможностью соединения с телефонной сетью. Контроллер подключается к ретранслятору и управляет его работой. Все контроллеры соединяются последовательно с использованием 4-х проводных выделенных линий или других аналоговых каналов связи (радиочастотные, проводные, радиорелейные). В каждой зоне через ретранслятор могут работать несколько групп пользователей. Радиостанции каждой группы программируются своим тоном CTCSS. Возможно соединение радиостанций с другими зонами, для чего на DTMF клавиатуре радиостанции набирается номер вызываемой зоны. С помощью DTMF также возможен индивидуальный вызов конкретной радиостанции.

Выводы
Создание в рамках общей сети независимых групп абонентов, вызов конкретного абонента или группы абонентов (идентификация), защита от посторонних пользователей, управление абонентами из центральной диспетчерской, ретрансляция для расширения зоны охвата, передача в рамках сети цифровых данных – это далеко не полный перечень вопросов, с которыми приходится сталкиваться при построении систем связи. А если добавить сюда еще дефицит радиочастот, ложную электромагнитную обстановку, ограниченность средств – то можно будет представить, насколько сложно воплотить в реальность желание обладать качественной и надежной связью.
Трудно, а порой невозможно выдать какие-либо универсальные "рецепты" по решению той или иной задачи. Обычно каждая задача уникальна, и, следовательно, решается уникальным способом.

Информация взята из сайта http://www.lr.kiev.ua