W poprzednich artykułach wyjaśniono podstawowe pojęcia związane ze standardem cyfrowej łączności radiowej DMR oraz opisano zasadę działania konwencjonalnego systemu radiokomunikacyjnego. Obecnie zostaną wyjaśnione zasady tworzenia prostych systemów trankingowych, z których może jednocześnie korzystać wielu rozmówców.
Jak wyjaśniono w poprzednim artykule, jest wielu producentów urządzeń radiokomunikacyjnych, które są zgodne ze standardem DMR. Na bazie tych urządzeń można budować konwencjonalne systemy łączności radiowej, jednak mają one pewne wady ograniczające zakres ich zastosowań. Podstawowym problemem jest mała pojemność tych systemów, czyli ograniczona zdolność do jednoczesnej obsługi wielu rozmówców.
W systemie konwencjonalnym każda ze stacji retransmisyjnych zawiera tylko jeden przemiennik i udostępnia użytkownikom tylko jeden fizyczny kanał radiowy. Co prawda, dzięki temu, że w standardzie DMR wykorzystane jest zwielokrotnienie w dziedzinie czasu TDMA, na jednym kanale radiowym mogą być jednocześnie prowadzone dwie niezależne rozmowy, jednak na tym kończą się możliwości tego systemu. Tymczasem oczekiwania użytkowników mogą być znacznie większe. Wyobraźmy sobie, że z dyspozytorni pogotowia ratunkowego nie można nawiązać jednoczesnych połączeń radiowych z wieloma karetkami. W takich sytuacjach z pomocą przychodzą systemy trankingowe.
Określenie „trankingowy” pochodzi od spolszczonego słowa trunk, które w języku angielskim oznacza magistralę lub arterię komunikacyjną. Trankingowy system radiokomunikacyjny można porównać do wielopasmowej autostrady, po której może przemieszczać się jednocześnie wiele pojazdów, nie przeszkadzając sobie nawzajem. Poszczególne kanały radiokomunikacyjne są jak pasy ruchu na takiej autostradzie.
W praktyce w systemach trankingowych wykorzystuje się od kilku do kilkunastu kanałów radiowych. Podczas projektowania takich systemów zakłada się, że nie wszyscy użytkownicy chcą jednocześnie rozmawiać, dzięki czemu ich łączna liczba może być znacznie większa od liczby dostępnych kanałów radiowych. Posługując się ponownie analogią do ruchu drogowego, można powiedzieć, że ogólna liczba pojazdów zarejestrowanych na danym obszarze może być znacznie większa od liczby pasów ruchu dostępnych na autostradzie, gdyż nie wszystkie pojazdy są równocześnie w użytku.
W radiokomunikacyjnych systemach trankingowych definiuje się tak zwaną pulę kanałów, w skład której wchodzi od kilku do kilkunastu niezależnych kanałów radiowych. Przemienniki radiokomunikacyjne są urządzeniami jednokanałowymi, dlatego stworzenie puli kanałów wymaga zastosowania wielu przemienników. Nad działaniem całego systemu czuwa sterownik trankingowy. Przeważnie ma on postać oddzielnego urządzenia, jednak nie jest to regułą.
W niektórych przypadkach funkcję sterownika trankingowego pełni oprogramowanie układowe przemienników. Jest to o tyle ważne, że wydzielony sterownik jest drogim urządzeniem i jego zastosowanie powoduje znaczne podwyższenie kosztów instalacji i wdrożenia systemu radiokomunikacyjnego. Zastąpienie wydzielonego sterownika trankingowego oprogramowaniem układowym umożliwia znaczne ograniczenie kosztów inwestycji i jest szczególnie istotne w przypadku małych systemów radiokomunikacyjnych.
By lepiej zrozumieć działanie systemów trankingowych, należy wprowadzić pojęcie kanału kontrolnego. Jak już wspomniano, w tego rodzaju systemach definiowana jest pula zawierająca od kilku do kilkunastu fizycznych kanałów radiowych. Wszystkie kanały, poza jednym, są wykorzystywane do prowadzenia rozmów. Jeden wydzielony kanał służy do komunikacji między urządzeniami radiowymi wchodzącymi w skład systemu trankingowego i nosi nazwę kanału kontrolnego.
Rys. 1. Stacja bazowa
Mechanizm działania systemu trankingowego jest podobny do tego, z jakim mamy do czynienia w telefonii komórkowej. Jeśli któryś z użytkowników chce nawiązać połączenie z dowolnym innym rozmówcą, wybiera jego numer na swoim radiotelefonie. Zamiast numeru można posłużyć się aliasem, nazwą, imieniem czy innym identyfikatorem. Numer rozmówcy zostaje wyemitowany na kanale kontrolnym i trafia do sterownika trankingowego, który tą samą drogą, czyli także za pośrednictwem kanału kontrolnego, komunikuje się z wywoływanym radiotelefonem i informuje go o próbie nawiązania połączenia. Po uzyskaniu potwierdzenia gotowości do podjęcia rozmowy sterownik trankingowy przydziela obu radiotelefonom konkretny kanał radiowy pochodzący ze wspólnej puli i wydaje im polecenie przejścia na ten kanał. W tym momencie rozmówcy mogą podjąć konwersację. Po zakończeniu rozmowy oba radiotelefony wracają na kanał kontrolny i oczekują na kolejne połączenia. W danej chwili sterownik trankingowy jest w stanie zestawić tyle niezależnych połączeń radiowych, iloma wolnymi kanałami dysponuje. Jeśli wszystkie kanały są zajęte, osoba inicjująca nowe połączenie słyszy w swoim radiotelefonie sygnał zajętości i musi poczekać na zwolnienie się któregoś z kanałów.
Jak widać, w takim systemie kanał kontrolny nigdy nie jest wykorzystywany do prowadzenia rozmów i z punktu widzenia użytkowników jest stracony. Ogólna pojemność systemu jest równa sumarycznej liczbie kanałów minus jeden. Jest to szczególnie uciążliwe w małych systemach, w których w skład puli wchodzi zaledwie kilka kanałów radiowych.
Stosując urządzenia zgodne ze standardem DMR można zbudować system, który nie ma tej wady. Chodzi o mały, prosty w konstrukcji system radiokomunikacyjny, przeznaczony do wykorzystania na ograniczonym obszarze przez niewielkie organizacje, takie jak agencje ochrony czy firmy transportowe.
W takim systemie nie trzeba tworzyć rozległej sieci IP, gdyż wszystkie elementy składowe są zgromadzone w jednym miejscu. Jedynym urządzeniem sieciowym jest przełącznik, do którego są podłączone wszystkie przemienniki. Schemat blokowy przykładowego systemu zgodnego z tymi założeniami jest przedstawiony na rysunku.
W takim systemie nie ma wydzielonego sterownika trankingowego. Jego rolę pełni oprogramowanie układowe przemienników, więc koszty instalacji i wdrożenia są relatywnie niskie. Ponadto w opisywanym systemie nie ma ściśle zdefiniowanego kanału kontrolnego. Jego rolę może pełnić którykolwiek spośród kanałów radiowych należących do wspólnej puli. Tak zdefiniowany kanał kontrolny ma zmienioną nazwę i jest nazywany kanałem spoczynkowym.
Gdy tak skonfigurowany system trankingowy znajduje się w stanie czuwania, to znaczy w danej chwili nie jest prowadzona żadna rozmowa, wszystkie radiotelefony prowadzą nasłuch na kanale spoczynkowym. Jeśli któryś z użytkowników inicjuje nowe połączenie, na kanale spoczynkowym emitowana jest specyficzna informacja, przeznaczona wyłącznie dla wywoływanego radiotelefonu, a wszystkie radiotelefony nie biorące udziału w nowo inicjowanym połączeniu przechodzą na kolejny wolny kanał radiowy, który staje się nowym kanałem spoczynkowym. Poprzedni kanał spoczynkowy zmienia swoją rolę i staje się kanałem głosowym. Jeśli w trakcie zainicjowanego wcześniej połączenia inny użytkownik inicjuje kolejne połączenie, odbywa się to na nowym kanale spoczynkowym i w ten sposób z niczym nie koliduje.
Gdy wszystkie kanały są wykorzystywane do prowadzenia rozmów czyli są zajęte, kanał spoczynkowy chwilowo zanika i taki stan trwa do momentu zwolnienia się któregoś z kanałów. Dzięki temu w przypadku „dużego ruchu” wszystkie kanały mogą być wykorzystane do prowadzenia rozmów i żadne zasoby systemowe się nie marnują. Jak już wspomniano, jest to szczególnie ważne w małych systemach, w których utrata jednego kanału powoduje odczuwalne zmniejszenie się ogólnej pojemności systemu.
Warto podkreślić, że w standardzie DMR wykorzystywane jest zwielokrotnienie w dziedzinie czasu TDMA, więc pojemność wszystkich systemów radiokomunikacyjnych zgodnych z tym standardem jest dwukrotnie większa od sumarycznej liczby wykorzystywanych kanałów radiowych. W celu uściślenia opisu tych systemów wprowadza się pojęcie kanałów fizycznych i kanałów logicznych. Kanały fizyczne odpowiadają konkretnym częstotliwościom radiowym, zaś kanały logiczne mają związek ze szczelinami czasowymi, w których mogą być transmitowane niezależne strumienie danych.
Pojemność jednokanałowego systemu konwencjonalnego jest równa dwa, zaś pojemność systemu trankingowego jest równa podwojonej liczbie przemienników użytych na stacji retransmisyjnej. Ta właściwość systemów zgodnych ze standardem DMR przekłada się na realne korzyści ekonomiczne, gdyż, chcąc zbudować system radiokomunikacyjny o określonej pojemności, można wystąpić o przydział dwukrotnie mniejszej liczby fizycznych kanałów radiowych oraz zastosować o połowę mniej przemienników.
Nie są to jedyne korzyści wynikające ze stosowania urządzeń zgodnych ze standarden DMR. Dwukrotne zmniejszenie liczby przemienników bardzo upraszcza system antenowy stacji retransmisyjnej. Z reguły w systemach wielokanałowych, jakimi są wszystkie systemy trankingowe, korzysta się z jednej wspólnej anteny dla wszystkich nadajników i wszystkich odbiorników wchodzących w skład systemu. Jest to oczywiste, gdyż trudno sobie wyobrazić stosowanie kilkunastu oddzielnych anten nadawczych i odbiorczych. Poza tym umieszczenie anten odbiorczych w pobliżu anten nadawczych powoduje bardzo silne zakłócenia i prowadzi do drastycznego pogorszenia warunków pracy urządzeń odbiorczych.
Z powyższych względów na trankingowych stacjach retransmisyjnych stosuje się jedną wspólną antenę i rozbudowany system rozdzielaczy i separatorów sygnałów radiowych, osobno dla toru odbiorczego i toru nadawczego. Konstrukcja rozdzielaczy systemu antenowego komplikuje się wraz ze wzrostem liczby przemienników, co powoduje lawinowy wzrost kosztów całej instalacji. Dlatego zastosowanie zwielokrotnienia w dziedzinie czasu TDMA ma tak znaczny wpływ na działanie, konstrukcję i koszty wdrożenia wielokanałowych systemów radiokomunikacyjnych.
W systemie trankingowym wykorzystywana jest pojedyncza stacja retransmisyjna, w skład której wchodzi od kilku do kilkunastu przemienników radiowych. W ten sposób zwiększona zostaje pojemność systemu, lecz jego zasięg nie ulega poprawie. By zbudować system radiokomunikacyjny, który ma jednocześnie dużą pojemność i duży zasięg, należy stworzyć hybrydę łączącą korzystne cechy systemów konwencjonalnych i trankingowych. I właśnie temu poświęcony będzie kolejny artykuł.
Andrzej Walczyk
Zabezpieczenia 4/2014