Когда в 1989 г. компании Motorola и DVSIприступили к созданию нового открытого цифрового стандарта подвижной радиосвязи под эгидой ассоциации APCO, мало кто верил, что проект под номером P25 станет настолько успешным и востребованным на мировом рынке радиосвязи. В 2014 г. стандарту исполняется 25 лет.
Сергей Нелюб, специалист по защите информации в радиоканалах, НТЦ «Интер-Вок»
Зрелый стандарт
То, что стандарт APCO25 присутствует на рынке так долго, можно объяснить дальновидностью его создателей. Они заложили в него все перспективные технологии, доступные на тот момент. Во-первых, стандарт цифровой, что четверть века назад было колоссальным прорывом в области радиосвязи – тогда использовалось в основном аналоговое оборудование. Тем не менее в стандарт была заложена совместимость с существующим аналоговым оборудованием, что позволило потенциальным заказчикам сохранить свои инвестиции. Благодаря переходу на цифру появилась возможность предоставить высокий уровень сервиса: помехозащищенность, передача данных, администрирование, межсистемные интерфейсы с существующими телекоммуникационными системами и др. Во-вторых, стандарт открытый. Это означает, что есть утвержденный свод документов, определяющих принципы работы радиостанции. Любой производитель может начать выпуск радиосредств, совместимых с другими поставщиками. В результате радиооборудование разных производителей способно работать «навстречу» друг другу, что, в свою очередь, заставляет производителей заботиться о качестве своей продукции и снижать стоимость, дабы не проиграть в конкурентной борьбе. В-третьих, стандарт предусматривает работу в конвенциональном и транкинговом режимах. В-четвертых, было предусмотрено поэтапное развитие стандарта. Наконец, в-пятых, в нем были заложены основные принципы организации защищенных радиоканалов, ставшие де-факто ориентиром для всех новых стандартов радиосвязи. Изначально стандарт был ориентирован на американский рынок, поскольку был разработан при участии организационных структур США, однако его распространение за пределы США позволяет присвоить ему статус международного. К основным производителям аппаратных и программных решений на международном рынке относятся следующие компании:
- Motorola Solutions (США);
- Tait (Новая Зеландия);
- EF Johnson Technologies (США);
- Harris Corporation (США);
- Icom (Япония);
- Cimarron Technologies (США);
- Teltronic (США);
- Kenwood (Япония);
- Etherstack (Великобритания)идр.
Таким образом, сложно найти более-менее значимую компанию, которая не выпускала бы или не продолжает выпускать оборудование стандарта APCO25. Некоторые производители стараются расширить базовый функционал стандарта, чтобы предложить заказчику дополнительные функции. Например, компания «Моторола» поставляет оборудование, которое может работать в двух режимах: в стандартном режиме совместимости с радиостанциями APCO25 и в режиме совместимости с радиостанциями собственного стандарта ASTRO25. Стандарт нашел применение в странах с большими территориями и невысокой плотностью населения, таких как Австралия, Бразилия, Казахстан, Канада, Россия и США. Именно эти государства на сегодняшний день представляют интерес для производителей и поставщиков. Потребителями оборудования стандарта могут выступать разные организации, однако основной упор сделан на службы обеспечения общественной безопасности и правоохранительные органы.
Фазы стандарта
Стандарт предусматривает поэтапное (пофазное) развитие. Радиооборудование фазы 1 уже давно широко применяется во многих странах правоохранительными силами, в то время как оборудование фазы 2 начинает делать первые шаги. Фаза 3 – только в планах. Главный акцент будет сделан на скорость передачи. Этот проект известен также под названием MESA. Считается, что из-за отсутствия интереса со стороны рынка данный проект временно закрыт, однако некоторые эксперты полагают, что стандарт APCO25 фазы 3 уже прорабатывается в непубличном режиме, вследствие чего, скорее всего, утратит свою открытость. Для обработки речи в радиооборудовании фазы 1 применяется вокодер IMBE. Скорость кодирования речи – 4400 бит/с. Помехоустойчивое кодирование (FEC) добавляет определенную избыточность и повышает скорость до 7200 бит/с. Служебные данные, так называемый сигналинг, добавляют еще 2400 бит/с. Таким образом, необходимая канальная скорость составляет 9600 бит/с. Применяется четырехпозиционная частотная модуляция C4FM. Данные передаются двухбитными символами, скорость передачи которых составляет 4800 символов в секунду. В фазе 1 используется технология множественного доступа с разделением по частоте (FDMA). Полоса канала – 12,5 и 25 кГц. Предусмотрена работа радиостанций в нескольких УКВ-поддиапазонах: 38–174 МГц (VHF), 406–512 МГц и 746–869 МГц (UHF). В аналоговом режиме радиостанции APCO25 могут взаимодействовать с аналоговыми FM-радиостанциями. Также предусмотрены два механизма передачи данных – с подтверждением и без него. В радиостанциях фазы 2 используется улучшенный вокодер AMBE. Для дальнейшего расширения использования частотного ресурса применяется технология временного разделения TDMA. Эквивалентная ширина канала составляет 6,25 кГц, так как в двух временных слотах в полосе 12,5 кГц могут передаваться два сигнала. Применяется четырехпозиционная фазовая манипуляция CQPSK, благодаря чему радиостанции фазы 1 и 2 имеют одинаковые приемные каскады, различаясь только усилителями мощности. Демодуляторы радиостанций фазы 1 и 2 могут осуществлять обработку C4FM- и CQPSK-сигнала.
Архитектура сетей связи стандарта APCO25
Основным функциональным блоком является радиоподсистема (RFSS), взаимодействие с которой осуществляется по пяти открытым интерфейсам – Um, En, Et, Edи G (рис. 1).
Рис. 1. Интерфейсы стандарта APCO 25
Общий радиоинтерфейс Um – это основной интерфейс стандарта APCO 25. Его часто называют CAI-интерфейсом. Данный интерфейс описывает взаимодействие радиооборудования по радиоканалу, поэтому любая радиостанция стандарта APCO 25 обязательно должна поддерживать этот интерфейс. Межсистемный открытый интерфейс G позволяет строить многосайтовую систему из радиоподсистем стандарта APCO 25, а также обеспечивает связь радиоподсистем с другими телекоммуникационными системами. В частности, появляется возможность обеспечить взаимодействие радиооборудования разных стандартов радиосвязи, например APCO 25 и DMR. Интерфейс Et – интерфейс сопряжения с телефонной сетью общего пользования (ТфОП), позволяющий мобильным абонентам вести переговоры с абонентами аналоговых и цифровых телефонных сетей. En-интерфейс определяет стандартизованный механизм управления всеми элементами радиоподсистемы. Открытый интерфейс Ed определяет взаимодействие RFSS с сетями передачи данных, работающими по протоколам X.25, SNA, TCP/IP и др. Интерфейсы Ef, Ec и A в стандарте не описаны, взаимодействие оборудования по ним отдается на откуп производителям. A-интерфейс – интерфейс порта данных, который позволяет периферийному оборудованию, подключаемому к радиостанции, использовать радиостанцию как шлюз для передачи данных по радиоканалу. В роли таких устройств могут выступать считыватели отпечатков пальцев, сетчатки глаза и другие устройства правоохранительных органов. Интерфейсы Ef и Ec определяют механизмы взаимодействия с базовой радиостанцией и диспетчерской консолью соответственно. На рис. 1 также обозначены блок KMF, который обеспечивает централизованное управление ключами, и блок RFG, выполняющий функции шлюза подсистемы RFSS.
Радиоинтерфейс Um
Любая радиостанция APCO25, как уже говорилось, должна поддерживать общий радиоинтерфейс Um (или CAI), который описывает процесс обработки речи и данных, а также структуру радиоканала для взаимодействия абонентских радиостанций между собой и с базовой радиостанцией. Рассмотрим структурную схему передающей части радиостанции. Для передачи в эфир речь и данные проходят предварительную обработку. Речевой сигнал оцифровывается с помощью АЦП, цифровой поток поступает на вокодер, затем на шифратор, если поддерживается сервис шифрования, после чего к зашифрованному цифровому потоку применяется помехоустойчивое кодирование, и далее цифровой поток поступает на модулятор (рис. 2). На модулятор поступает также поток сигналинга. Рис. 2. Упрощенная схема работы радиостанции в режиме передачи Порядок размещения данных в канале определяется его структурой (рис. 3). Когда радиостанция выходит на передачу, в эфир передается заголовок, затем следуют суперфреймы, и все завершается необязательным концевиком. Каждый суперфрейм состоит из двух логических блоков (LDU), содержащих 18 вокодерных фреймов, которые, перемежаясь со служебными данными, составляют суперфрейм. Основные структурные блоки приведены в таблице.
Рис. 2. Структурная схема передающей части радиостанции
Рис. 3. Структура сообщения
Таблица. Основные структурные блоки
| Поле | Nбит | NFECбит | Описание |
| ES Синхрони-зация шифраторов | 96 | 240 | ES– EncryptionSync. Состоит из индикатора сообщения MI, идентификатора алгоритма шифрования ALGIDи идентификатора ключа шифрования KID |
| LCКонтроль связи | 72 | 240 | LC– LinkControl. Формат LCопределяется с помощью поля LCF. LCможет содержать идентификатор производителя MFID, разговорной группы TGID, идентификатор отправителя SIDи получателя DID |
| LSD«Медленные»данные | 32 | 64 | LSD– Lowspeeddata. Такие данные могут использоваться, например, для передачи местоположения подвижных абонентов |
| Вокодерный фрейм | 88 | 144 | Вокодерный фрейм несет в себе речевые параметры отрезка речи длительность 20 мс |
Примечание.NFECопределяет фактический размер поля после операции помехоустойчивого кодирования, N– размер «полезной» нагрузки.
Заголовок состоит из идентификатора производителя (MFID), синхронизации шифраторов (ES) и идентификатора разговорной группы (TGID). Размер заголовка составляет 648. Благодаря заголовку получатель может определить, относится ли сообщение к его разговорной группе, и, если да, синхронизовать свой шифратор. На передающей стороне очередной вокодерный фрейм получается в результате работы вокодера, выполняющего операцию анализа. Каждые 20 мс в вокодер передаются фрагменты речи, из которых он извлекает параметры (88 бит). Рассмотрим последовательность помехоустойчивого кодирования вокодерного фрейма (рис. 4). Вначале он разбивается на блоки u0, u1, … u7. Блоки u0, u1, u2, u3 кодируются совершенным кодом Голея (23, 12, 7), исправляющим три ошибки. Блоки u4, u5, u6 кодируются классическим кодом Хэмминга (15, 11, 3), способным исправить одну ошибку. В результате образуется 114-битный вектор, который складывается по модулю 2 с 114-битной псевдослучайной последовательностью, вычисленной на основе блока u0. К результату сложения конкатенируются блоки u0* и u7, образуя 144-битный вектор, и над этим вектором выполняется операция перемежения. Данная операция позволяет рассредоточить возможные канальные ошибки, переводя их из групповых в одиночные.
Рис. 4. Операции над вокодерным фреймом
Похожая процедура выполняется над данными, которые могут быть переданы двумя способами (см. рис. 2). Первый способ предполагает разбиение блока данных на мелкие пакеты, так называемое пакетирование с последующим кодированием. При наличии сервиса шифрования данные шифруются, затем шифрованный цифровой поток разбивается на пакеты, к которым применяется операция помехоустойчивого кодирования, и цифровой поток поступает на модулятор. Второй способ заключается в подаче цифрового потока данных на модулятор без какой-либо обработки на максимальной скорости.
Конвенциональная и транкинговая системы
Все радиостанции APCO 25 должны работать как в конвенциональной, так и в транкинговой системе. Конвенциональная система – это система радиосвязи, не использующая управляющий канал для назначения канала, поэтому она не имеет центрального элемента распределения каналов. Переключение каналов осуществляется пользователями. Конвенциональный режим допускает работу радиостанций между собой как напрямую, так и с использованием ретрансляторов. В первом случае сетевая инфраструктура может отсутствовать. Во втором случае для увеличения зоны покрытия используются ретрансляторы, которые принимают сигнал на одной частоте и переизлучают его на другой. В транкинговых системах всегда должен присутствовать контроллер, управляющий распределением ресурсов для предоставления телекоммуникационных сервисов. Такой подход позволяет более эффективно по сравнению с конвенциональными системами использовать частотный спектр при обслуживании пользователей. При этом из-за неизбежных простоев в использовании радиоресурса транкинговые системы обеспечивают возможность обслужить больше пользователей, чем количество доступных радиоканалов в системе. Для радиостанций, работающих в «транке», процедура предоставления доступа к радиочастоте и маршрутизация вызова выполняются автоматически. Однако недостатками таких систем являются необходимость поддержания управляющего радиоканала и увеличенное время задержки установления соединения.
Информационная безопасность
Традиционно информационная безопасность рассматривается с трех точек зрения – конфиденциальность, целостность и доступность. Надо отметить, что все функции безопасности закладывались в стандарт изначально, что говорит о детальной проработке стандарта и о нацеленности стандарта на обеспечение нужд правоохранительных органов. Стандарт APCO 25 описывает механизмы обеспечения конфиденциальности переговоров, определения аутентичности источника сообщения, целостности сообщения, защиты от повторов и т. д. Более того, безопасность в стандарте делится на типы, начиная с первого – самого высокого для государственных учреждений и заканчивая четвертым – для коммерческого применения[1].
Развитие стандарта APCO25 в России
В нашей стране стандарт APCO25 получил самое широкое распространение. Например, в МВД России он принят в качестве основного стандарта для развития цифровой сухопутной подвижной радиосвязи в органах внутренних дел Российской Федерации. Оборудование стандарта APCO25 уже развернуто в Москве, Санкт-Петербурге, Казани, Ярославле и других городах. Успешные примеры использования оборудования APCO25: город Владивосток, где прошел Саммит АТЭС 2012, и город Сочи, принявший XXII зимние Олимпийские Игры в 2014 г.
Заключение
Можно считать, что стандарт APCO25 успешно выдержал проверку временем и продолжает развиваться. Необходимо еще раз отметить весомое преимущество данного стандарта – открытость. Любой производитель может создать радиооборудование, соответствующее всем спецификациям стандарта для встречной работы с оборудованием других производителей. Распространенной практикой является специализация одних поставщиков на абонентском оборудовании, а других – только на базовом. В любом случае конкуренция на этом рынке положительно сказывается на конечной стоимости изделий, а значит, выигрывают конечный заказчик и пользователь. [1] Подробнее об информационной безопасности стандарта APCO 25, возможных угрозах и способах их нейтрализации читайте в одном из следующих номеров журнала.
