Протоколы обмена данными сетей радиосвязи с примерами в проектах LabWIEW

Содержание

1

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

В. Т. КОРНИЕНКО

ПРОТОКОЛЫ ОБМЕНА ДАННЫМИ СЕТЕЙ 
РАДИОСВЯЗИ С ПРИМЕРАМИ В ПРОЕКТАХ 

LABWIEW

Учебное пособие

Ростов-на-Дону  Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2022

Содержание

2

УДК 621.37(075.8)+004.056.94(075.8)
ББК 32.3я73+32.973я73

К317

Печатается по решению кафедры радиотехниеских 

и телекоммуникационных систем Института радиотехниеских систем

и управления Южного федерального университета

(протокол № 6 от 12 мая 2022 г.)

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент Южного федерального университета

А. М. Пилипенко

кандидат технических наук, доцент Южного федерального университета

Н. Н. Кисель

Корниенко, В. Т.

К317
Протоколы обмена данными сетей радиосвязи с примерами в 

проектах LabWIEW : учебное пособие / В. Т. Корниенко ; Южный 
федеральный университет.  Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издатель-
ство Южного федерального университета, 2022.  105 с.

ISBN 978-5-9275-4237-6
В сжатой форме проанализированы принципы построения сообще-

ний, формируемых протоколами транкинговых сетей радиосвязи на при-
мере стандартов TETRA и APCO 25. Рассмотрены особенности протоколов 
кодирования, шифрования и модуляции в проекции взаимодействия логи-
ческих и физических каналов транкинговой системы. Приведены примеры 
создания рассмотренных алгоритмов в приложениях LabVIEW.

Предназначено для студентов радиотехнических специальностей для 

изучения разделов дисциплин «Протоколы обмена данными сетей радио-
связи», «Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры» и зна-
комых как с базовым курсом LabVIEW, так и с основами кодирования и 
шифрования информации.

УДК 621.37(075.8)+004.056.94(075.8)

ББК 32.3я73+32.973я73

ISBN 978-5-9275-4237-6

 Южный федеральный университет, 2022
 Корниенко В. Т., 2022
 Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2022

Содержание

3

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………….
5

1. СЕМЕЙСТВО ПРОТОКОЛОВ TETRA ……………………….
9

1.1. Уровни семейства протоколов взаимодействия системы 
TETRA ……………………………………………………………..
9

1.2. Основные принципы организации физических и логиче-
ских каналов в семействе протоколов TETRA ………………….
19

1.3. Взаимодействие логических и физических каналов в се-
мействе протоколов TETRA ……………………………………...
33

1.4. Процедура установления связи в семействе протоколов 
TETRA ……………………………………………………………..
35

1.5. Процедура алгоритмов кодирования в семействе протоко-
лов TETRA ………………………………………………………...
39

1.6. Обеспечение безопасности в семействе протоколов TETRA .
43

1.7. Особенности протоколов модуляции в семействе TETRA ..
49

1.8. Задания для самостоятельной проработки ………………….
53

Контрольные вопросы …………………………………………….
54

2. СЕМЕЙСТВО ПРОТОКОЛОВ APCO 25 ……………………..
56

2.1. Архитектура семейства протоколов системы APCO 25 …...
56

2.2. Основные принципы организации физических и логиче-
ских каналов в семействе протоколов APCO 25 ………………..
58

2.3. Процедура установления связи в семействе протоколов 
APCO 25 …………………………………………………………...
66

2.4. Процедура алгоритмов кодирования в семействе протоко-
лов APCO 25 ………………………………………………………
67

2.5. Обеспечение безопасности в семействе протоколов APCO 25
73

2.6. Особенности протоколов модуляции в семействе APCO 25
75

2.7. Задания для самостоятельной проработки ………………….
79

Контрольные вопросы …………………………………………….
80

Содержание

4

3. РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ 
САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ ……………………………...
81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………..
99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………….
103

Введение

5

ВВЕДЕНИЕ

Как системы подвижной УКВ-радиосвязи транкинговые системы 

осуществляют автоматическое распределение каналов между абонентами 
через ретрансляторы, обеспечивая в том числе и групповой режим связи 
абонентов. Использование таких систем радиосвязи нацелено на силовые
и правоохранительные структуры и службы общественной безопасности 
для организации защищенных каналов связи между подвижными абонен-
тами так же, как и со стационарными абонентами, в том числе и абонен-
тами коммутируемых телефонных сетей общего пользования.

Среди систем транкинговой подвижной радиосвязи общего пользо-

вания известно много различных стандартов, реализующих как аналоговые, 
так и  цифровые методы передачи речевой информации, использующих 
различные методы многостанционного доступа к каналам связи  с частотным 
разделением каналов (МДЧР), c временным разделением каналов 
(МДВР), c кодовым разделением каналов (МДКР). Также транкинговые 
системы радиосвязи отличаются различными типами каналов управления: 
выделенный и распределенный канал, и такими способами поиска и назначения 
канала, как с децентрализованным и централизованным управлением.

Аналоговые транкинговые системы радиосвязи уступают цифровым 
системам по ряду параметров, таких как большая спектральная эффективность 
за счет применения сложных видов модуляции и низкоскоростных 
алгоритмов речепреобразования, повышенная емкость систем 
связи, высокие характеристики помехоустойчивости приема речевых сигналов 
по всей зоне обслуживания базовой станции, повышенная безопасность 
и оперативность связи, предоставление широких возможностей по 
передаче данных и более широкого спектра услуг связи, включая специфические 
услуги связи с учетом требований служб безопасности, а также 
широкие возможности организации взаимодействия абонентов различных 
сетей. Оборудование транкинговых аналоговых систем ведущих мировых 
производителей все больше адаптируется к цифровой связи, все больше 
использует цифровые стандарты радиосвязи, предусматривая при этом 
выпуск принципиально нового оборудования.

Известны такие широко используемые стандарты цифровой тран-

кинговой радиосвязи, как [1,2]:

Введение

6


EDACS, разработанный фирмой Ericsson;


TETRA, разработанный Европейским институтом стандартов 

связи;


APCO 25, разработанный Ассоциацией официальных представителей 
служб связи органов общественной безопасности;


Tetrapol, разработанный фирмой MatraCommunication (Франция);


iDEN, разработанный фирмой Motorola (США).

Даные стандарты представляют собой совокупность протоколов систем 
транкинговой радиосвязи, позволяющих создавать различные конфигурации 
сетей связи: от локальных однозоновых систем до сложных много-
зоновых систем регионального или национального уровня. Системы, реализующие 
такие стандарты связи, обеспечивают различные режимы передачи 
речи, включая кроме индивидуальной связи также групповую связь и широковещательный 
вызов, различные режимы передачи данных типа коммутируемых 
пакетов, коммутируемых каналов, коротких сообщений, а также 
предоставляют возможность организовать связь с различными системами 
по стандартным интерфейсам: с цифровой сетью с интеграцией услуг, с 
телефонной сетью общего пользования, с учрежденческими АТС и т.д. 
В указанных стандартах радиосвязи используются современные способы 
преобразования речевых сигналов, алгоритмов обеспечения безопасности 
соединений абонентов эффективных методов помехоустойчивого кодирования 
информации и улучшенными видами манипуляции с оптимальными 
характеристиками помехоустойчивости при приеме. 

Стандарты цифровой транкинговой радиосвязи большинством систем 
предоставляют следующие функциональные возможности [1, 2]:


поддержку индивидуальных, групповых и широковещательных 

вызовов;


функционирование полнодуплексных абонентских терминалов;


передачу данных и доступ к централизованным базам данных;


режим прямой связи;


автоматическую регистрацию мобильных абонентов;


персональный вызов;


доступ к фиксированным сетям IP;


передачу статусных сообщений;


передачу коротких сообщений;

Введение

7


поддержку режима передачи данных о местоположении от системы 
GPS;


возможность установки открытого канала;


множественный доступ с использованием списка абонентов;


наличие стандартного режима ретрансляции сигналов;


наличие режима «двойного наблюдения».

Специальные услуги стандартов включают в себя:


приоритет доступа;


систему приоритетных вызовов;


динамическую перегруппировку;


избирательное прослушивание;


дистанционное прослушивание;


идентификацию вызывающей стороны;


санкционированный диспетчером вызов;


передачу ключей по радиоканалу (OTAR);


имитацию активности абонентов;


дистанционное отключение абонента;


аутентификацию абонентов.

Важной харктеристикой стандартов является и его статус. Корпоративные 
стандарты являются собственностью разработчиков и приобретение 
оборудования возможно только у ограниченного круга производителей.


Открытые стандарты обеспечивают создание конкурентной среды, 

привлечение большого количества производителей базового оборудования, 
абонентских радиостанций, тестовой аппаратуры для выпуска совместимых 
радиосредств, что способствует снижению их стоимости. Откры-
тые стандарты пользуются поддержкой со стороны государственных и 
правоохранительных структур, крупных компаний многих стран мира, а 
также поддержаны ведущими мировыми производителями.

Рассматривая технические характеристики и функциональные воз-

можности представленных стандартов транкинговой связи, можно отме-
тить, что все стандарты позволяют строить различные конфигурации се-
тей связи, обеспечивают разнообразные режимы передачи речи и данных, 
связь с другими сетями. По сравнению с другими стандартами EDACS 

Введение

8

имеет несколько меньшую спектральную эффективность и не использова-
ние цифровых методов модуляции (осуществляется передача оцифрован-
ной речевой информации по аналоговому каналу связи).

Остальные стандарты специфицируют широкий спектр предостав-

ляемых стандартных услуг связи, по уровню сравнимый между собой. 
Стандарты TETRA и APCO 25 являются наиболее широко используемы-
ми, поэтому в данном учебном пособии систематизируем материал по 
семейству протоколов TETRA и APCO 25 [1] и в сжатом виде рассмотрим 
их основные особенности.

1.1. Уровни семейства протоколов взаимодействия системы TETRA

9

1. СЕМЕЙСТВО ПРОТОКОЛОВ TETRA

1.1. Уровни семейства протоколов 
взаимодействия системы TETRA

TETRA (расшифровывается как Наземное транкинговое радио 

(TErrestrialTrunkedRAdio)) означает наземную систему транкинговой ра-
диосвязи и представляет собой общий стандарт для цифровой транкинговой 
связи, обладающий высоким качеством передачи голоса и улучшеным ча-
стотным планированием, согласно приведенному в табл.1.1 краткому срав-
нительному анализу стандартов цифровой транкинговой радиосвязи [1].

Таблица 1.1

Сравнительный анализ стандартов цифровой транкинговой 

радиосвязи

№
Характеристика 
стандарта связи
EDACS
TETRA
APCO25
Tetrapol
IDEN

1
Разработчик 
стандарта
Ericsson 
ETSI
APCO

Matra

Commu-
nications

Motorola

2
Статус 
стандарта

Корпора-
тивный
Открытый
Открытый
Корпора-
тивный

Корпора-

тивный с от-
крытой архи-

тектурой

3

Диапазон 
рабочих частот, 
МГц

138−174; 
403−423;
450−470;
806−870

138−174;
403−423;
450−470; 
806−870

138−174;
406−12;
746−869

70−520
805–821 / 
855−866

4

Разнос между 
частотными 
каналами, кГц

25;
12,5
8
12,5; 6,25
12,5; 10
25

5

Эффективная 
полоса частот на 
один речевой
канал, кГц

25
6,25
12,5; 6,25
12,5; 10
4,167

6
Вид модуляции
FM
p/4-DQPSK

C4FM 

(12,5 кГц) 

CQPSK 

(6,25 кГц)

GMSK

(BT = 0,25)
M16-QAM

1. Семейство протоколов TETRA

10

Продолжение табл 1.1

№ Характеристика 

стандарта связи
EDACS
TETRA
APCO25
Tetrapol
IDEN

7

Метод речевого 
кодирования и 
скорость 
речепреобразо-
вания

Адаптивное 

многоуровневое 

кодирование (
преобразование 

64 Кбит/с и 
компрессия 

до 

9,2 Кбит/с)

CELP

(4,8 Кбит/с)

IMBE

(4,4 Кбит/с)

RPCELP
(6 Кбит/с)

VSELP

(7,2 Кбит/с)

7

Метод речевого 
кодирования и 
скорость 
речепреобразо-
вания

Адаптивное 

многоуровневое 

кодирование (
преобразование

64 Кбит/с и 
компрессия 

до 

9,2 Кбит/с)

CELP 

(4,8 Кбит/с)

IMBE

(4,4 Кбит/с)

RPCELP
(6 Кбит/с)

VSELP

(7,2 Кбит/с)

8

Скорость 
передачи 
информации в 
канале, бит/с

9600

7200 

(28800 –

при передаче 
4-х информа-

ционных 
каналов на 
одной физической 

частоте)

9600
8000

9600 (до 32 К 
при передаче 

данных 

в пакетном 

режиме)

9

Время установления 
канала 
связи, с

0,25

(в одно-
зоновой
системе)

0,2 с − при 
индивидуальном

вызове;

0,17 с − при 
групповом 

вызове

0,25 − в 
режиме 
прямой 
связи;
0,35 − в 
режиме 

ретрансляции;

0,5 − в 
радио-

подсистеме

не более 

0,5
не более 0,5

1.1. Уровни семейства протоколов взаимодействия системы TETRA

11

Окончание табл. 1.1

№ Характеристика 

стандарта связи
EDACS
TETRA
APCO25
Tetrapol
IDEN

10

Метод 
разделения 
каналов связи

МДЧР

МДВР

(с исполь-
зованием 
частотного 
разделения 
в многозо-
новых си-
стемах)

МДЧР
МДЧР
МДВР

11 Вид канла 

управления

Выделен-

ный

Выделен-
ный или 
распреде-
ленный 

Выделен-

ный

Выделен-

ный

Выделенный 
или распре-
деленный 

12

Возможности 
шифрования 
информации

Стандарт-
ный фир-
менный 
алгоритм 
сквозного 
шифрова-

ния

1) Стан-
дартные 
алгоритмы; 
2) Сквозное 
шифрова-
ние

4 уровня 
защиты 
информа-

ции

1) Стан-
дартные 
алгорит-
мы; 
2) Сквоз-
ное шиф-
рование

Стандартные 

алгоритмы

Протокол TETRA состоит из двух версий исполнения: TETRA 

Voice + Data (TETRA V+D) и TETRA PacketDataOptimized (TETRA PDO). 
TETRA V+D выполняет объединенную схему передачи голоса и данных, а 
спецификация TETRA PDO рассчитана только на передачу данных.

В варианте TETRA V+D используется уплотнение каналов по техно-

логии TDMA (множественный доступ с временным разделением каналов). 
Во временном разнесении каналов на одной несущей частоте размещается
четыре голосовых канала связи, что представляет собой кадр с временным 
разделением, как показано на рис. 1.1. Каждый кадр имеет продолжитель-
ность 56, 67 мс и содержит четыре временных интервала (timeslots) [1].

Последовательность из 18 кадров образует мультикадр, длитель-

ность которого составляет 1,02 с. В последовательности также присут-
ствует контрольный кадр. Один кадр содержит 512 бит информации, в 
которых 432 являются информационными [1]. Применение схем сжатия 
позволяет транспортировать общий трафик голоса и данных в 17 кадрах и 
один восемнадцатый для сигналов управления.

1. Семейство протоколов TETRA

12

Рис. 1.1. Временные интервалы в кадре и суперкадре протокола TETRA