3. Системы персонального радиовызова

Категория: Мобильные системы связи

Структура пейджинговых систем

Сети персонального радиовызова (СПР), или пейджинговые сети (paging - вызов), - это сети односторонней мобильной связи, обеспечивающие передачу коротких сообщений из центра системы (с пейджингового терминала) на миниатюрные абонентские приемники (пейджеры).

В простейшем случае СПР состоит из пейджингового терминала (ПТ), базовой станции (БС) и пейджеров. Терминал, включающий пульт оператора и контроллер системы, выполняет все функции управления системой. БС состоит из радиопередатчика и антенно-фидерного устройства и обеспечивает передачу пейджинговых сигналов на всю зону действия системы, радиус которой может составлять до 100 км. Пейджеры осуществляют прием тех сообщений, которые им адресованы. В более сложных случаях (рисунок 3.1) СПР может иметь несколько радиопередатчиков, по возможности равномерно распределенных в пределах зоны действия, что позволяет более надежно обеспечить связью всю зону.

Пейджинговый протокол POCSAG

Во второй половине 70-х годов с целью объединения производителей пейджингового оборудования для создания стандарта, соответствующего требованиям рынка, была образована специальная группа – Post Office Code Standartisation Advisory Group. Ее аббревиатура POCSAG и дала название новому протоколу (т.е. структуре организации передачи информации по каналу связи), спецификации которого были опубликованы в 1978 г. Первоначально код предназначался для передачи тональных сообщений со скоростью 512 бит/с. Но уже годом позже, в 1979 г., он был адаптирован для передачи цифровых и буквенно-цифровых сообщений. Разработка не была запатентована и стала использоваться в ряде стран в качестве стандарта. В 1982 г. этот стандарт был утвержден Международным консультативным комитетом по радиосвязи Международного союза электросвязи, как международный стандарт, получив наименование Radio Paging Code №1 или сокращенно RPCN1 (Рекомендация 584). Однако это название протокола встречается, в основном, в сугубо официальных документах и вряд ли известно широкому кругу. Но сам факт признания POCSAG на таком уровне объясняет то, что этот протокол сегодня используется в подавляющем большинстве пейджинговых систем, оставив позади собственные разработки протоколов фирм Motorola и NEC. Основными преимуществами формата по сравнению с другими форматами того времени были скорость, эффективный алгоритм исправления ошибок и большое число производителей оборудования. Впоследствии с целью увеличения количества передаваемых сообщений протокол был адаптирован для передачи со скоростью 1200 бит/с, а в начале 90-х годов, со скоростью 2400 бит/с. В качестве модуляции используется частотная манипуляция.

Как и любой метод однонаправленной передачи информации, POCSAG использует метод прямого исправления ошибок. Цифровые данные обычно собираются в слова, которые, в свою очередь, группируются в блоки. Код, в котором коррекция ошибок осуществляется в блоках, называется блочным. Одним из самых простых методов обнаружения/исправления ошибок является добавление избыточных битов. Например, цифровое слово из восьми бит может содержать один избыточный. Этот бит вставляется для определения, четное или нечетное число "единиц" в слове с целью выявления возможной ошибки. Для более наглядной иллюстрации представим, что передается семизначное слово "1100011". Общее число "единиц" в нем равно четырем. Тогда для проверки на четность избыточный бит должен быть равен "0", так что слово будет иметь вид "11000110". И, наоборот, для проверки на нечетность этот бит равен "1" и общее слово соответственно выглядит как ”11000111”.

Приемники пейджеров обычно работают в условиях большого уровня помех и число ошибок довольно высоко (примерно одна ошибка на 15-18 передаваемых битов). Для борьбы с этим должны применяться более эффективные способы. В протоколе POCSAG в 32-битных кодовых словах используется циклический блочный код БСН 31,21 (получивший название по именам создателей Боуз-Чхоудхури-Хоквингем или просто БЧХ), где 31 - общая длина слова, 21 - число информационных бит в слове.

Не вдаваясь во все тонкости алгоритма, скажем, что он позволяет исправлять две ошибки, а его адресная емкость равна 2 097152 адресам.

Структура протокола POCSAG показана на рисунке 3.2. Протокол по своей сути является асинхронным. В начале каждой передачи стоит преамбула длиной не менее 576 бит, представляющая собой последовательность 10101010... Во время ее передачи пейджер переводится в режим "Прием сообщения", причем в интервале приема преамбулы осуществляется тактовая синхронизация. После этого следует передача "пачек" (batch), число которых произвольно.

Каждая "пачка" состоит из слова синхронизации в ее начале и восьми кадров (frame). Так как слово синхронизации по длине равно одному 32-битному слову, то "пачка" состоит из 17 слов. Структура кадров такова, что каждому из них (пронумерованному 0-7) соответствует группа пейджеров. Это означает, что каждый индивидуальный пейджер оказывается постоянно закрепленным за конкретным кадром и будет "слушать" адресную информацию только в своем собственном кадре. Кадр состоит из двух кодовых слов: адреса пейджера и сообщения плюс избыточные биты. Когда в кадре отсутствует сообщение, вместо адреса передается незанятое кодовое слово, имеющее определенный протоколом формат.

Структура кодовых слов приведена на рисунке 3.2. Длина адресной части равна 18 бит, но действительный адрес пейджера равен 21 биту. Обычно эти три избыточных бита служат для определения номера кадра, содержащего адрес пейджера. Функциональные биты обычно используются для того, чтобы разрешить передачу многократных сообщений на один пейджер, таких как разные коды тональных посылок ("бипов"). Длина информационного поля в слове равна 20 бит, однако это не ограничивает размер сообщения, и в случае необходимости может быть передано дополнительное кодовое слово. Если нет, то сообщение заканчивается передачей в кадре следующей "пачки". Такой вариант используется для сохранения структуры протокола.

В настоящее время протокол POCSAG применяется почти во всех странах, где внедрены системы персонального радиовызова. Однако из-за значительного увеличения нагрузки системы POCSAG перестает соответствовать реалиям нынешнего времени - при трафике средней плотности, на одном радиоканале, использующем максимальную для протокола скорость 2400 бит/с, без потери качества обслуживания можно разместить примерно 20-25 тыс. пользователей. Это привело к возникновению следующего этапа развития пейджинга – разработке высокоскоростным протоколам FLEX и ERMES.

Пейджинговый протокол ERMES

Для создания единой европейской системы персонального радиовызова в конце 80-х годов несколько операторов, объединившихся под эгидой одной из комиссий Европейского Сообщества, принялись за разработку концепции. В 1989 году были разработаны рекомендации ЕЭС 166/3, формально положившей начало стандарту. По сути дела, он должен был стать для пейджинга тем, чем стали сети на основе GSM и DCS на рынке сотовой телефонии - всемирной универсальной технологией.

В январе 1990 года, между 23 заинтересованными сторонами, в том числе 16 операторами из 8 стран, был подписан Меморандум о взаимопонимании, утвердивший график реализации проекта. Согласно ему, началом коммерческой эксплуатации сетей ERMES должен был стать декабрь 1992 г. Практически одновременно с этим за разработку стандарта принялся Европейский Институт Стандартизации в области Телекоммуникаций (ETSI), создавший для этой цели специальный Технический комитет пейджинговых систем. Результатом его работы стало появление и утверждение в 1992 г. довольно объемной спецификации стандарта ETS 300-133, иначе ERMES (European Radio Message System). В октябре 1994 года Международный союз электросвязи рекомендовал использовать ERMES в качестве международного стандарта в СПРВ различных стран мира. Но на 2002 год в коммерческой эксплуатации сети стандарта находятся лишь в нескольких (более 8) странах мира.

Системы персонального радиовызова ERMES позволяют предоставлять следующие услуги:

  • передачу цифровых сообщений длиной 20-1600 знаков;
  • передачу буквенно-цифровых сообщений длиной от 400 до 9000 символов;
  • передачу произвольного набора данных объемом до 64 кбит;
  • возможность приема вызова и сообщений одним пейджинговым приемником (пейджером) во всех странах, входящих в СПРВ ERMES.

Одним из условий, позволяющем обеспечить эту услугу, является договоренность стран, участвующих в проекте ERMES, выделять для этих систем единого частотного диапазона 169,4...169,8 МГц, что позволяет организовать 16 радиоканалов с разносом несущих частот в 25 кГц с использованием при приеме сигналов сканирующие по частоте приемники.

Структура радиосигнала в системах ERMES выбрана таким образом, что позволяет повысить емкость трафика в 10-15 раз по сравнению с существующими аналоговыми СПРВ. При этом следует отметить, что ERMES является полностью цифровой системой, обеспечивающей скорость передачи информации 6,25 кбит/с.

Структура радиоинтерфейса в системе ERMES показана на рисунке 3.3. Цикл передачи состоит из 60 циклов по одной минуте каждый, в свою очередь, каждый цикл содержит пять последовательностей по 12 с. Каждая из подпоследовательностей включает в себя 16 типов "пачек", которые условно обозначены от А до Р. Все пачки содержат четыре группы бит, позволяющие обеспечить:

  • синхронизацию;
  • передачу служебной системной информации;
  • передачу адреса;
  • передачу информационного сообщения.

Процедура поиска и приема сообщения приемником пейджера заключается в следующем. Следует иметь в виду, что пейджер "не знает", во-первых, в каком из 16 каналов передается сообщение, предназначенное именно для него, и, во-вторых, в какой из 16 пачек (от А до Р) находится это сообщение. Поэтому, чтобы "выловить" сообщение из эфира, приемник настраивается на первый канал, просматривает все пачки, далее, если не было найдено сообщение с адресом данного пейджера, приемник перестраивается на следующую частоту, т. е. на следующий канал, и опять просматривает все пачки и так до тех пор, пока не будет найдена и принята информация, адресованная этому абоненту. После этого процедура повторяется снова. Возможна также ситуация, когда сообщение большого объема передается в определенном пакете (например, только в А), но последовательно на каждом из каналов.

Протоколу ERMES свойственно экономичное использование источника питания. Например, при длине сообщения 40 знаков соотношение режимов работы "прием - дежурный прием (standbye)" может быть равно 1:200 при условии, что на передачу всего сообщения понадобилось 6 с. Так что при соотношении режимов работы только 1:70 и токе потребления приемника 30 мкА (что вполне реально достижимо в современных пейджерах) время непрерывной работы приемника составляет более 40 недель.

Важным преимуществом также является более высокая помехоустойчивость системы ERMES, поскольку предполагается использование помехоустойчивого кодирования, а именно прямой коррекции ошибок (FES), циклического кода (30,18).

Помимо преимуществ, связанных со структурой протокола, можно выделить еще и расширенный интерфейс доступа всевозможных систем связи к пейджинговой системе (см. рисунок 3.1). Эта особенность позволяет получить несколько более богатый набор сервисных услуг, среди которых можно выделить переадресацию пейджингового сообщения, приходящего на ваш пейджер, на пейджер другого абонента или переадресацию звонка, поступающего на радиотелефон стандарта GSM, в пейджинговую сеть, абонентом которой является владелец радиотелефона. Таким образом, он получает возможность выключать свой телефон и экономить аккумуляторную батарею, а человек, который звонит на мобильный телефон, может передать нужное сообщение. Кроме того, система позволяет осуществлять процедуру роуминга, т. е. абонент получает возможность использовать свой пейджер в странах, охваченных сетями ERMES. При этом пользователю только нужно сообщить оператору "родной" (или "домашней") сети о планах своего путешествия, и тогда оператор позаботится о том, чтобы все сообщения, поступившие для абонента, попадали в соответствующую пейджинговую сеть по месту его нахождения.

Существенными достоинствами стандарта ERMES являются обеспечение совместимости с европейским стандартом сотовой связи GSM в диапазоне 900 МГц и возможность роуминга одного и того же пейджера в любых сетях, использующих стандарт ERMES. Недостатками являются сложность внедрения этого стандарта в существующие российские пейджинговые сети вследствие необходимости использования новых типов передающего и приемного оборудования, что естественно потребует существенных капитальных вложений.

Пейджинговый протокол FLEX

Мотивом разработки протокола FLEX явился рост числа потребителей услуги пейджинговой связи и объемов передаваемой информации. В начале 90-х годов фирмой «Моторола» был разработан протокол FLEX. Именно за счет того, что протокол позволяет операторам обслуживать большее количество абонентов и обеспечивать более высокие скорости передачи данных, он был принят на вооружение во многих странах Азии, Северной и Южной Америки.

Структура протокола представлена на рисунке 3.5. После того, как информация абонента подвергается кодированию, происходит ее структурная организация. Все данные передаются в виде пакетов определенной длины (их иногда называют окнами или кадрами). Система FLEX содержит 128 окон. Чтобы передать все 128 окон, требуется ровно 4 минуты вне зависимости от скорости передачи информации. Передача всех 128 окон носит название flex-цикл. Таким образом, получается, что за один час можно передать 15 циклов.

Основными задачами, которые удалось решить разработчикам протокола, являются: максимизация емкости канала, увеличение скорости передачи данных, увеличение срока службы источников питания и усовершенствование методов защиты данных от ошибок. Рассмотрим каждый из этих аспектов.

FLEX позволяет передавать сообщения на трех скоростях, что дает возможность операторам пейджинговой связи адаптировать емкость своей системы под определенные требования рынка. Высокоскоростной протокол позволяет обеспечить более высокую пропускную способность канала, а также более низкую задержку передачи сообщений.

Протокол поддерживает следующие скорости: 1600 бит/с, 3200 бит/с и 6400 бит/с. При работе со скоростью 6400 бит/с выигрыш в емкости канала составляет примерно 10 раз по сравнению с системой POCSAG, работающей на скорости 512 бит/с. В системе FLEX на один канал может приходиться 600 000 абонентов, имеющих цифровые пейджеры, что значительно выше, чем в системе POCSAG. Также, важно отметить, что если число адресов в системе POCSAG ограничено двумя миллионами, то адресное поле FLEX составляет более миллиарда. Кроме того, пейджер системы FLEX может работать на любой из возможных скоростей, таким образом, отпадает необходимость использовать различные пейджинговые приемники для различных скоростей передачи.

Известно, что POCSAG, например, по своей структуре протокол асинхронный, что требует сигнала, сигнализирующего о начале информационной последовательности (так называемая преамбула). Чтобы ее обнаружить, пейджеру необходимо хотя бы периодически включаться в режим поиска преамбулы, соответствующей номеру данного абонента. Это, в свою очередь, приводит к значительным затратам электроэнергии. FLEX, напротив, протокол синхронный. Любое сообщение, предназначенное для конкретного абонента, посылается в эфир не случайным образом, а в определенный момент времени, т. е. в определенном временном интервале. Это значит, что приемнику достаточно включаться для просмотра одного или более предназначенных для него временных окон всего один раз каждый flex-цикл, так что не требуется расходовать энергию на декодирование сообщений, предназначенных для других пейджеров. Такая организация передачи сообщений значительно снижает энергопотребление, что приводит к увеличению времени работы источников питания, которые можно сделать несколько меньших размеров, а, следовательно, сделать сам пейджер более компактным.

В системах данного класса предусмотрена дополнительная защита от замираний сигнала, вызванных многолучевым распространением радиоволн в условиях города. По этому показателю системы FLEX в 12 раз более эффективны, чем POCSAG со скоростью передачи 1200 и в 24 раза более эффективны, чем POCSAG со скоростью 2400.

В отличие от ERMES внедрение стандарта FLEX не требует кардинальной замены передающего оборудования. Имеющаяся аппаратура позволяет проводить смешение протоколов FLEX и POCSAG во время передачи информации, т.е. осуществлять попеременно ее передачу в синхронном режиме (стандарт FLEX) и в асинхронном (стандарт POCSAG). В настоящее время в трех городах Российской Федерации — Москве, Санкт-Петербурге и Самаре — существуют пейджинговые сети, работающие на основе стандарта FLEX.

Для работы в сетях FLEX предназначен цифровой пейджер PROENCORE. Существуют также некоторые версии буквенно-цифровых пейджеров данного протокола. Одна из таких разработок, принадлежащих семейству FLEX, носит название ReFLEX и является первым протоколом, позволяющим осуществлять двустороннюю пейджинговую связь. Для этих целей используется пейджер Tango, также разработанный фирмой Моторола. Эта же фирма активно работает над внедрением протокола In FLEXion для обеспечения передачи на пейджер голосовых сообщений. Первая модель такого пейджера называется Tenor.

Тенденции развития пейджинговой связи

В настоящее время в России сложилась устойчивая структура связных систем персонального радиовызова. Число компаний — операторов пейджинговой связи перевалило за сотню, а их услугами охвачено большинство крупных российских промышленных городов и прилегающие к ним районы. Системы персонального радиовызова обеспечивают своих абонентов достаточно оперативной и относительно недорогой связью. С другой стороны, они являются едва ли не единственным видом односторонней связи. Работа большинства существующих пейджинговых систем строится на утверждении, что их клиентам нет необходимости организовывать двустороннюю связь, а достаточно получать только короткую информацию или вызов.

Увеличение объема предоставляемых услуг абонентам пейджинговой связи достигается двумя основными методами: организационно-техническим совершенствованием работы служб компаний и внедрением новых технологий и стандартов.

Метод в области расширения услуг основан на максимальном использовании возможностей существующего связного оборудования. Подавляющее большинство отечественных пейджинговых сетей работают в известном асинхронном стандарте POCSAG (в документах МККР стандарт обозначается как Radiopaging Code No. 1, рекомендация № 584), разработанном еще в начале 70-х годов. Хотя, безусловно, данный стандарт уже не удовлетворяет современным требованиям, но и в его рамках отдельным компаниям-операторам удается значительно расширить комплекс предоставляемых услуг.

Клиентам предлагается все более широкий диапазон информационных сообщений, получаемых по пейджинговым каналам. Стандартный набор многих крупных компаний включает курсы основных мировых валют, сводки погоды, описание ситуаций на дорогах, информацию о работе клубов, театров, ресторанов и т.д. Пытаясь еще более расширить этот вид услуг, некоторые компании предлагают своим клиентам использовать информационные каналы для их рекламных нужд, создают пакеты предоставляемой информации по группам пользователей, деля их по профессиональным и возрастным категориям. Расширяется перечень дополнительных услуг, общепринятыми дополнительными услугами в настоящее время являются:

  • сквозная нумерация сообщений;
  • ведение архива сообщений с возможностью ограничения доступа к хранящейся в нем информации;
  • возможность временного отключения абонента;
  • отправка сообщения абоненту в заданное время;
  • групповой вызов;
  • роуминг;
  • использование в качестве идентификатора абонента нескольких одновременно действующих цифровых и символьных обозначений (фамилии или имени, пр.).

Отправить сообщение на пейджер, обслуживаемый в одной из крупных компаний, можно через Web-сайт этой компании.

В 1998 г. в Москве введена в эксплуатацию система двусторонней пейджинговой связи, предоставляющая владельцам специальных двухсторонних пейджеров - твейджеров - возможность ответа на получаемые сообщения и передачу собственных. Использование технологии двустороннего пейджинга позволило в значительной мере расширить возможности изначально симплексной (односторонней) пейджинговой связи. Пользователь твейджера в ответ на полученное сообщение выбирает подходящий ответ и отсылает его адресату. Для массовых пользователей выпускается твейджер SPR-8000 фирмы Samsung. Существует модель твейджера фирмы Nexus Telocation Systems (Израиль), специально разработанная для применения в автоматизированных системах промышленного мониторинга или охраны объектов. Данный тип твейджера не имеет экрана и органов ручного управления, ему требуется внешнее питание напряжением 12 В, но он обладает всеми возможностями полноценной связи с внешними устройствами, такими как компьютер через интерфейс RS-422. Это позволяет строить на его основе автоматизированные системы связи и управления. Областями применения этих систем могут быть: автоматическое определение местоположения подвижных объектов, управление обеспечением безопасности подвижных и стационарных объектов, дистанционное управление включением и выключением различных приборов, автоматическое снятие показаний удаленных датчиков и т.д.

Еще одно направление развития пейджинговой связи - спутниковый пейджинг. С 1998 г. в России существует возможность полного международного пейджингового роуминга через спутниковую систему связи IRIDIUM. По существу он является многочастотным синтезаторным приемником спутникового сигнала, способным принимать сообщения, приходящие по одному из четырех частотных каналов в диапазоне 1,6 ГГц. Обладая возможностью измерения уровня сигнала из эфира, он позволяет осуществлять индикацию зоны уверенного приема.