Методы, Способы, Виды
Перед тем, как приступить к обсуждению принципов организации систем связи, следует определиться с терминами, которые мы будем использовать при обозначении того или иного действия. К сожалению, в этой области не существует конкретных названий, однозначно характеризующих «методы», «способы» и «виды». Поэтому мы оставляем за читателем право выбора предпочтительного слова.
ВНИМАНИЕ! Если не оговорено иное, то приведённые ниже соображения относятся к подвижной наземной связи, организуемой в диапазонах УКВ и ДЦВ (с некоторыми допущениями — «Low Band»).
Симплекс, Дуплекс и нечто среднее
Симплекс
Для связи используется одна частота, как для приёма, так и для передачи. Экономично, просто, понятно.
Дуплекс
Радиосвязь осуществляется одновременно на двух частотах. На одной приём, на другой передача. На этом принципе работают телефонные системы. Неэкономично, сложно и, в подвижной связи, непонятно зачем.
Полудуплекс (двухчастотный симплекс)
Радиосвязь осуществляется с использованием двух частот: приёмной и передающей, но, по сравнению с дуплексом, не одновременно, а поочерёдно. Сигнал принимается на одной частоте, а передаётся на другой. В один момент времени абонент может находиться либо в режиме «приём» либо «передача». Неэкономично, но в большинстве случаев — необходимо.
Что, Когда и Как
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 ок. 5 км. Если надо больше (99,9% случаев), то применяют ретранслятор, устройство, принимающее и усиливающее радиосигнал и снова передающее его в эфир.
Зачем же нужна подобная «перепередача»? Дело в том, что для увеличения дальности связи необходимо преодолеть шарообразность Земли, а это достигается подъёмом приёмника 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 небольшие строительные площадки, магазины, стадионы и т.п. В остальных случаях требуется зона охвата, превышающая возможности прямой связи.
Теперь можно выяснить в каких случаях применяется симплекс и полудуплекс
Принцип дуплексной ретрансляции
Из рисунка видно зачем и почему нужен двухчастотный симплекс или полудуплекс. Так как ретранслятор одновременно передаёт принятые сигналы (дуплекс), то он не может делать это на одной и той же частоте, так как передача будут тут же приниматься приёмником ретранслятора и снова передаваться в эфир… Поэтому дуплексный ретранслятор работает на разных частотах, номиналы которых должны отличаться на определённую величину, зависящую от оборудования, структуры системы и др.
В свою очередь в абонентских радиостанциях используются те же частоты, но в «перевёрнутом» виде: приёмная частота ретранслятора соответствует передающей у радиостанций и наоборот. Так как у всех абонентских радиостанций одинаковы передающие и приёмные частоты, то прямая связь между ними невозможна. Ретранслятор принимает и передаёт сигнал одновременно, а в абонентских радиостанциях режимы приёма и передачи переключаются. 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.
Если не хватает частот, денег или того и другого (наиболее распространённый случай), то можно обойтись одной частотой. В таком случае абонентское оборудование остаётся тем же, только в нем программируются одинаковые приёмные и передающие частоты. А вот в качестве ретранслятора можно использовать… обычную абонентскую радиостанцию. Но она не может принимать и передавать одновременно, что, во-первых, не требуется, а во-вторых, как мы уже рассмотрели, попросту невозможно. 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 заполнится объём памяти, выделенной под запись. После пропадания сигнала контроллер переключает радиостанцию в режим передачи и записанное сообщение воспроизводится в эфире. В результате для ретрансляции достаточно одной частоты.
При всей простоте и относительной дешевизне метода у него есть серьёзный недостаток: абонент должен тратить время на проговаривание сообщения и затем ждать, пока оно воспроизведётся 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 ещё называют «симплексеры», «эхо-репитеры», «кукушки» или «попугаи» — воистину безгранична человеческая фантазия и русский язык) может оказаться наиболее рациональным путём решения задачи повышения дальности связи.
Подветем итоги:
— Дуплекс применяют при непрерывной ретрансляции.
— Симплекс — в случаях прямой связи (без ретрансляторов) или в случае симплексной ретрансляции.
При всей простоте и относительной дешевизне метода у него есть серьёзный недостаток: абонент должен тратить время на проговаривание сообщения и затем ждать, пока оно воспроизведётся 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 ещё называют «симплексеры», «эхо-репитеры», «кукушки» или «попугаи» — воистину безгранична человеческая фантазия и русский язык) может оказаться наиболее рациональным путём решения задачи повышения дальности связи.
Несколько слов о полном думплексе
При полном дуплексе, как и при полудуплексе, используются две частоты, но абонентские радиостанции в один момент времени находятся одновременно и в режиме приёма, 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 — приёмник 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 и к тому же для дуплекса, к примеру, в системах МРТ 1327, выделяются 4 радиочастоты или два дуплексных канала! Это повышает нагрузку на систему и требует увеличения числа каналов, а это, в свою очередь, ведёт к усложнению и, следовательно, удорожанию системы. Существуют варианты дуплекса в разных частотных диапазонах, например: приём в 138–174 МГц, а передача в 400–470 МГц. Но такой подход также сопряжён с рядом проблем: получение частот в разных диапазонах, усложнение и удорожание системы, повышенные требования к настройке.
Аналоговые транковые системы на основе протоколов MPT 1327 и LTR позволяют организовывать 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 приёмнику и передатчику одновременно использовать одну антенну) таких размеров, чтобы он уместился в корпусе портативной радиостанции.
Физически проще реализован дуплекс в цифровых системах связи (TETRA, DMR, GSM). Но в них понятие дуплекса несколько отличается от принятого в аналоговой связи. Дуплекс в цифровом виде это не одновременные приём и передача, а приём и передача, разделённые во времени. То есть в каждый момент времени радиостанция находится либо в режиме приёма, 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 ещё 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 отчёты о проделанной работе.
Але! Кто это?
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 или с группами абонентов, стыковка с другими коммуникационными сетями, идентификация и контроль пользователей, передача текстовых сообщений и 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 определённых 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 или группе, а остальным переговоры слышать не нужно или нельзя.
Процесс направления вызова конкретному абоненту или группе абонентов обычно называют идентификацией. В радиосвязных сетях для идентификации абонентов и групп чаще всего используются специальные устройства кодировки/декодирования. Наибольшее распространение получили тональные (CTCSS), цифровые (DCS) и кодовые (DTMF) методы идентификации и их комбинации.
Тональное кодирование (CTCSS)
Принцип идентификации с помощью CTCSS заключается в том, что к полезному сигналу «примешивается» тон определённой звуковой частоты, так называемый субтон (или пилот тон). Приёмник радиостанции будет активизироваться («открываться») только в том случае, если в принимаемом сигнале присутствует субтон, на который радиостанция настроена.
Пример разбивки абонентов на группы с использованием тонального кодирования
Как видно из рисунка, связь с использованием CTCSS возможна только между абонентами, у которых совпадают частотный канал и тональный субтон. Подобные системы требуют наличия в радиостанции блока, кодирующего и декодирующего CTCSS тоны. Этот блок может быть оформлен в виде отдельного модуля, встраиваемого в радиостанцию, либо являться частью схемы. Обычно CTCSS модуль может формировать 38–50 тонов в каждом частотном канале радиостанции. Использование CTCSS позволяет организовывать достаточно развитые системы радиосвязи с разбивкой на группы. В некоторых случаях, особенно в местах со сложной электромагнитной обстановкой, нелишне активизировать CTCSS даже в простых симплексных системах связи без идентификации. Это позволит частично защитить систему от помех и в некоторой степени от нелегальных абонентов. Например, ретранслятор системы не будет «открываться» на сигналы, не содержащие требуемого CTCSS тона.
Частоты пилот-тонов лежат в диапазоне ниже 300 Гц (обычно 67–250 Гц) и при приёме не слышны в громкоговорителе радиостанции, так как вырезаются специальными фильтрами.
Следует учитывать, что использование пилот-тонов не позволяет расширить ёмкость системы (количество абонентов). Все равно в один момент времени, на одном частотном канале может проводиться только один сеанс связи (абонент–абонент, абонент–группа, группа–группа). Это связано с тем, что радиостанция не может одновременно принимать два сигнала, с одинаковой частотой, даже если у них разные тоны (увы, физические принципы радиосвязи фундаментальны). Поэтому ёмкость системы не зависит от метода и сложности идентификации, а ограничена количеством физических радиочастотных каналов. Одна частота или дуплексная пара частот в аналоговых сетях означает один сеанс связи в один момент времени.
Цифровое кодирование (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. Приёмник активизируется только в том случае, если он настроен на приём данного кода. Остальные приёмники, 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
Двухтоновое кодирование (DTMF)
Для вызова определённого абонента или группы абонентов используется специальная тональная посылка перед началом сообщения, так называемая DTMF последовательность. Каждой клавише на клавиатуре соответствует звуковой тон определённой частоты. Кстати, подобный метод формирования вызовов используется в телефонии и откуда, кстати, попал в радиосвязные системы.
DTMF — наиболее распространённый метод организации вызовов. Обычно его используют совместно с CTCSS или DCS. Кроме вызова абонентов, тональное кодирование применяется для доступа к внешним устройствам, подключённым к системе связи. Например, к телефонным интерфейсам, устройствам дистанционного управления, контроллерам, датчикам, исполнительным устройствам и т.п.
Реализации
«Прямая» связь
Самый простой метод построения системы связи. 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 ретрансляторы, поэтому они имеют небольшую зону действия и, как правило, применяются на небольших площадках, в здании или группе близкорасположенных зданий, небольшом посёлке. 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 определённой частоте, затем диспетчер передаёт 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 передаче сообщения между абонентами разных групп, связь невозможна. При использовании диспетчерской (многоканальной) радиостанции, приём информации от 1-й группы осуществляется на одном канале, затем диспетчер переключается на частотный канал 2-й группы и передаёт сообщение в эфир.
Пример распределения радиочастот в симплексных диспетчерских системах
При такой системе связи можно использовать простые радиостанции с минимумом каналов и одну многоканальную для диспетчера.
Если диспетчер требуется только для увеличения дальности связи (без функции управления), то будет логичней использовать ретранслятор.
Системы с использованием диспетчерского пункта наиболее часто используются милицией, пожарной охраной, службой скорой помощи, где на диспетчера возложены ещё и функции управления.
Системы связи с ретрансляторами
Кроме своей основной функции увеличения дальности, ретрансляторы позволяют создавать сложные системы связи. Хотя сам по себе ретранслятор обычно только принимает и передаёт сигнал, но как раз это и открывает огромные возможности управления. Ведь на ретрансляторе сигналы всех абонентских радиостанций «собираются» в одном месте. Это значит, что их можно анализировать после приёма 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 большинства радиосвязных задач. Кстати, организация сетей с автоматическим выбором свободного канала (модное слово транк!) также сводится к подключению к ретрансляторам специальных транковых контроллеров.
Подключение к телефонной сети
Как правило в развитых системах связи соединение абонентов с телефонной сетью реализуется в управляющем контроллере или с помощью диспетчерской консоли. В простых системах для этого можно применить отдельное устройство, так называемый телефонный интерфейс.
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 подключён 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 — лёгкий доступ к системе. Любая радиостанция, оборудованная DTMF-клавиатурой, может выйти на телефонный интерфейс. Подслушать и расшифровать пароль доступа при определённых навыках и наличии соответствующего оборудования — довольно простое дело.
Наиболее распространённые модели телефонных интерфейсов позволяют при одном базовом устройстве вызывать донабором одной цифры (от 0 до 9) до десяти удалённых абонентов, а удалённый (мобильный) аппарат — до 10 базовых. Существуют и более сложные устройства, поддерживающие до 100 и более пользователей.
Системы с охватом больших территорий (многозоновые системы)
Применение ретрансляторов, установленных в одном месте, не всегда позволяет решить проблему охвата больших территорий. В таких случаях создают многозоновые системы связи, представляющие собой совокупность однозоновых систем, объединённых в общую сеть. В таких сетях с помощью специальных контроллеров координируется работа отдельных зон, отслеживаются перемещение абонентов между зонами (роуминг), обеспечиваются вызовы абонентов и групп абонентов в разных зонах, разрешаются частотные конфликты в зонах перекрытия и многое другое.
Среди многозоновых систем наибольшее распространение получили аналоговые транковые системы на основе протоколов MPT 1327 и цифровые системы TETRA. Они предоставляют абонентам высочайший уровень сервиса, но сложны в построении, дороги и рентабельны 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 нетранковые системы связи в многозоновом построении
К достоинствам таких решений можно отнести возможность использования практически любых радиостанций, оснащённых CTCSS или DCS, что 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.
И все же
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 ещё дефицит радиочастот, сложную электромагнитную обстановку, ограниченность средств — то можно будет представить, насколько сложно воплотить в реальность желание обладать качественной и надёжной 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.
