Operativt sambandsnett med DMR

Denne artikkelen vil presentere Digital Mobile Radio (DMR) og hvordan et sambandsnett kan utformes og betjenes med denne teknologien.

Anders Fongen, juni 2021

Innledende om sambandsnett

Med begrepet sambandsnett siktes det til kommunikasjonstjenester til støtte for redningsoperasjoner, katastrofearbeid, krigføring, store bygge- og anleggsprosjekter osv. Operasjonen kan være iverksatt av flere samarbeidende organisasjoner med et ledelseselement og et antall lag under denne ledelsen. Operasjoner er dynamiske, både med tanke på organisasjonens sammensetning av personell og fagområder, og med tanke på det geografiske området som omfattes av operasjonen.

Kommunikasjonsveiene i en operasjon er skjematisk vist på Figur 1 og kan inndeles på følgende måte:

  1. Ordregivning omfatter beskjeder om ledelsesbeslutninger som gis nedover i organisasjonshierarkiet til et antall lag.
  2. Situasjonsrapport omfatter beskjeder fra utførende lag til ledelsen som bygger opp et situasjonsbilde. Situasjonsrapporter kan bestå av posisjonsangivelser, personellopplysninger, ressursanmodninger, geografiske opplysninger osv.
  3. Synkronisering er informasjon som utveksles mellom sideordnede elementer i organisasjonen for å støtte nødvendig samordning.
Figur 1 – Kommunikasjonsveier i en sambandsoperasjon

Innad i lagene er det også et mulig sambandsbehov som følger et lignende mønster, men er ikke vist på Figur 1. Et lag vil typisk ha en lagfører som er kontaktpunktet til ledelseselementet.

Ønskede egenskaper ved et sambandsnett

For å gi tilfredsstillende kommunikasjonstjenester til en dynamisk og sammensatt operasjon er det en del krav som et sambandsnett må oppfylle:

  • Kanatilgjengelighet – Når en melding (tale, data) skal sendes langs en av linjene som vist i Figur 1 er det nødvendig at en kanal er tilgjengelig, og at denne kanalen har kapasitet og egenskaper forøvrig for overføringen. Ofte vil kanalen være opptatt, og det er da av betydning at kanalen blir ledig tidsnok til at meldingen oppfyller sin hensikt.
  • Separasjon av meldingstyper – Dersom alle meldinger blir mottatt av alle radioer i operasjonen vil dette forstyrre uvedkommende personell. Det er et mål at mottatte meldinger skal være relevante og nyttige for mottakeren, og ikke bidra til distraksjoner og svekket fokus på oppgavene. For å oppnå dette må ulike meldingstyper gis ulik utbredelse i sambandsnettet.
  • Tilstrekkelig dekningsområde – Meldinger må kunne sendes til alle aktører i operasjonsområdet i henhold til meldingstype. Dette innebærer ikke at alle meldingstyper skal kunne mottas overalt, men kun av aktuelle mottakere av den gitte meldingstypen. Lag trenger f.eks. ikke å være innen rekkevidde for synkroniseringsmeldinger mellom ledelseselementer.
  • Trygghetsfunksjoner – For bedret personellsikkerhet er det ønskelig at det kan formidle nødsignaler, alarmer, og posisjoner. Slike meldinger har hast og må kunne prioriteres i nettet og være gjenstand for særskilt betjening i radioutstyret (alarm-knapp, “dødmanns”-knapp).
  • Sikring mot misbruk – Det er ønskelig at nettet er beskyttet mot inntrengning og avlytting av uvedkommende. Falske meldinger kan forstyrre operasjonen, og meldinger under en redningsoperasjon kan f.eks. inneholde sensitive helseopplysninger. Det er også ønskelig at alle meldinger vises med identifisert avsender.
  • Posisjonsangivelser – Mange radioer har innebygd GPS-mottaker og mulighet for å formidle sin posisjon på radiosambandet. Slike meldinger kan inngå i “flåtestyring” og i trygghetsfunksjoner.

Analog vs. digital transmisjon

Teknologien som skal presenteres i denne artikkelen benytter såkalt digital transmisjon, i motsetning til tradisjonelle radioer med analog (frekvensmodulert) transmisjon. Forskjellen på disse to formene er vist på Figur 2, hvor utstrålt radioenergi blir plottet langs en horisontal tidsakse.

Figur 2 – Analog vs. digital transmisjon
  • Analog transmisjon representerer et lydsignal, hvor amplituden (energinivået) i signalet kan ha et stort antall verdier. Forstyrrelser som oppstår under overføring vil påvirke det mottatte lydsignalet i form av forstyrrelser og støy. Jo lengre avstand det er mellom sender og mottaker jo dårligere vil kvaliteten på det mottatte lydsignalet være.
  • Digital transmisjon representerer en bitstrøm, og radiosignalet vil representere enten en 0-bit eller 1-bit. Forstyrrelser som oppstår under overføring kan i noen utstrekning rettes opp, fordi det er bare to mulige tilstander av signalet. Dette bidrar til at bitstrømmen overføres riktig også gjennom en dårlig radioforbindelse. Bitstrømmen som overføres kan inneholde et digitalisert lydsignal, tekst, posisjon, et digitalisert bilde m.m. Digital transmisjon kan derfor støtte mange ulike meldingsformer.

Figur 3 viser hvordan digital transmisjon presenterer et utmerket lydsignal mens signalet blir svakere, før det brått blir meget dårligere. Analog transmisjon gir et gradvis dårligere lydsignal etter hvert som avstanden øker.

Figur 3 – Oppfattet lydkvalitet for henholdsvis analog og digital transmisjon.
Kilde: REPORT ITU-R M.2474-0

Digital Mobile Radio i hovedtrekk

Digital Mobile Radio (DMR) betegner en spesifikasjon for et digitalt radiosystem, laget av organisasjonen ETSI. Spesifikasjonen er åpen, dvs. at alle kan produsere radioutstyr uten å betale for en lisens, og det finnes derfor DMR-radioer å kjøpe fra mange ulike produsenter som i noen utstrekning kan brukes om hverandre i samme sambandsnett. Andre nøkkelegenskaper ved DMR er:

  • De bruker radiokanaler med båndbredde på 12.5 kHz. Man kan derfor bruke eksisterende FM-kanaler (altså frekvenser som er tildelt FM-samband) uten videre med DMR-radioer. Dette er en stor fordel for organisasjoner som allerede disponerer FM-kanaler til eksisterende sambandsutstyr. De trenger altså ikke søke om å få bruke andre frekvenser.
  • Hver radiofrekvens kan romme to talekanaler ved at de skiftevis sender/mottar i tidsluker på 30 millisekunder, slik som vist på Figur 4. De kan befordre helt uavhengige samtaler, eller gjøre det mulig å lytte og sende samtidig (kalt full dupleks, slik som i et telefonapparat).
  • Alle sendinger er adressert til enten en enkeltradio (til en DMR-id, se nedenfor) eller til en talegruppe, hvor alle medlemmer i talegruppen mottar sendingen.
  • Et sambandsnett kan basere seg på direkte forbindelser, hvor alle radioene er innen radiorekkevidde av hverandre, eller på bruk av repeatere, hvor radioene kommuniserer via en sentral radio på en fjelltopp el. lign.
  • Konkurranse mellom radioprodusentene presser prisene ned. En DMR-radio koster fra kr. 1000 og oppover.
  • Digital transmisjon åpner opp for mange tilleggstjenester, de er presentert i neste avsnitt.
Figur 4 – Tidsluker på en DMR-frekvens gir to uavhengige kanaler

Tilleggsfunksjoner i DMR

Utover arkitekturegenskapene som ble presentert i forrige avsnitt, spesifiserer DMR også en del funksjoner og tilleggstjenester som i varierende grad blir implementert i radioapparatene:

  • Tekstmeldinger – Radioapparater kan formidle korte tekstmeldinger som skrives inn på nummertastaturet og sendes til enkeltmottagere, evt. også til hele talegrupper. I motsetning til SMS i mobiltelefonnettet er det nødvendig at mottakeren befinner seg innen radiorekkevidde da det ikke er noen lagringstjeneste. Avsender kan spesifisere at meldingen skal kvitteres, og kan på den måten få en indikasjon på om meldingen ble levert.
  • Identifikasjon av radioer – Hver DMR-radio er konfigurert med en unik DMR-id som identifiserer avsender av en melding. Dersom radioen er utstyrt med en adresseliste vil radioen vise det tilhørende navnet, ikke id-nummeret. DMR-id kan også brukes for å gjøre direkte oppkall til enkeltradioer. Mange radioer kan enkelt sette sin egen DMR-id, så den er ikke egnet for å beskytte mot meldinger fra falske avsendere, men bidrar til å øke situasjonsforståelsen for de som deltar i operasjonen.
  • GPS-rapportering – mange radioer har en innebygget GPS-mottaker og kan rapportere sin posisjon på flere ulike måter: Som en ekstraopplysning knyttet til hver sending, eller regelmessig sendt til en bestemt adresse. I begge tilfeller kan dette bidra til bedre situasjonsforståelse: Ledelsen kan ha et kart med angitt posisjon for ulike personellfunksjoner, og ved direkte oppkall kan mottakeren få en angivelse av avstand og retning til avsenderen.
  • Alarm- og trygghetsfunksjoner – Radioene kan konfigureres med en alarmknapp, som sender en forutbestemt melding til en bestemt adresse når den trykkes inn. Radioen kan konfigureres til å la andre aktivisere senderen, slik ledelsen kan lytte inn fra radioen uten at den blir betjent. Radioen kan også utstyres med en “lone worker” funksjon: da må operatøren betjene radioen med jevne mellomrom, ellers sendes en alarmmelding. Dette minner om “dødmannsknappen” i visse typer utstyr.
  • Skjerming mot avlytting – Alle med en DMR-radio kan i prinsippet stille inn frekvens, tidsluker og talegrupper og lytte på sambandet. Dersom det er et behov for å beskytte seg mot dette kan man kryptere trafikken. Da må man legge inn kodenøkler i alle radioer, og kanalene settes opp til å benytte disse kodenøklene for sending og mottak. En uvedkommende DMR-radio uten riktige kodenøkler vil oppfatte disse sendingen kun som støy. Kryptering er egentlig ingen del av DMR-spesifikasjonen og radioprodusentene gjør dette på ulike måter. Kryptert trafikk kan ikke påregnes å fungere mellom radioer av ulikt fabrikat.
  • Datatrafikk – DMR-spesifikasjonen inkluderer støtte til overføring av data med IP-protokollen, men de enkle radioene tilbyr ikke noen mekanisme for å kople til en PC og sette opp et datanettverk via DMR-forbindelser. Det er også verd å merke seg at bitstrømmen i én tidsluke er 3600 bits per sekund, som er ganske lite for å støtte f.eks. overføring av bilder. I praksis må man se etter utstyr som kan spre trafikken på begge tidsluker og flere frekvenser, egenskaper som ikke er realistisk å finne i en håndholdt radio.

Separasjon av trafikktyper

Å ha én talekanal for alle funksjonene i en operasjon, der alle hører alt som blir sendt, er en dårlig idé. Personellet vil da måtte høre på en mengde meldinger som ikke vedkommer dem. Resultatet kan bli redusert oppmerksomhet på de mottatte meldingene, og dessuten distraksjon av det pågående arbeidet. Det er også viktig at kanalene ikke er for sterkt trafikkert, av hensyn til at hastemeldingene skal komme raskt frem.

Derfor skal sambandsnettet separere meldinger slik at de sendes til mottagere som har nytte av dem. Figur 1 viser nettopp hvordan de tre ulike veiene i sambandsnettet faller sammen med meldingstyper, og det er fornuftig å separere meldingtrafikken i henhold til disse skillelinjene.

Sambandsnettet har to kanaler for hver frekvens (delt i to tidsluker), og hver kanal kan logisk deles inn av talegrupper. Trafikk kan gå samtidig på kanalene, mens talegruppene deler kanalen mellom seg. Det betyr at mens en kanal sender melding for en talegruppe vil kanalen være opptatt og vil ikke kunne brukes for andre talegrupper. “Talegruppe” er forøvrig ikke noe som kjennetegner kanalen som sådan, men en adresse som påføres meldingen.

Likestilt med talegrupper er mottakeradresse. Dersom en sending påføres en mottakeradresse (i form av DMR-id) vil den kun mottas av denne mottakeren, men kanalen den sendes over er utilgjengelig for alle andre i dette tidsrommet.

Sambandsdesign innebærer å separere trafikktypene på frekvens, tidsluke, og talegruppe i henhold til krav om tilgjengelighet, trafikkvolum og dekningsområde.

Prinsipper for hvilke kanaler som talegrupper kan legges til:

  • Kanaler for trafikk med krav til kort responstid (hastemeldinger) bærer talegrupper med kortvarig trafikk: Anrop, alarmer, GPS-posisjoner
  • Kanaler for trafikk med krav til stort dekningsområde bærer talegrupper med nasjonal/regional trafikk: Myndighetskontakt, sivil/militær, luftfartøyer
  • Kanaler for trafikk med liten utbredelse (kun én repeater) bærer talegrupper med lokal trafikk: Innad i laget, mellom lagfører og kommandoplass

Utvidelse av dekningsområdet med repeatere

DMR-standarden legger stor vekt på bruk av repeatere i sambandsdesign: En repeater er en dobbel-radio som mottar radiosendinger på én frekvens og sender det samme signalet ut på en annen frekvens. Radioapparatene sender og mottar på motsatte frekvenser.

Slik kan alle radioer innen rekkevidde av repeateren kommunisere via repeateren, selv om de ikke er innen rekkevidde for hverandre. Repeateren kan plasseres høyt og fritt i terrenget og på denne måten skape et stort dekningsområde.

Radioer som er utenfor repeaterens dekningsområde kan derimot ikke kommunisere med hverandre, selv om de er innen rekkevidde av hverandre. Dette skyldes at de ikke lytter på den frekvensen de andre sender på. Man gjør seg dermed helt avhengig av at repeateren er innen rekkevidde og i drift.

Slik som beskrevet hittil er dette identisk med en repeater for et FM-samband. For DMR gjelder det samme prinsippet, men ekstrafunksjonene beskrevet ovenfor kommer i tillegg: Trafikken kan krypteres, deles inn i talegrupper, det kan sendes tekstmeldinger, GPS-posisjoner og alarmer. Og repeateren tilbyr to kanaler på frekvensen, basert på tidslukene.

DMR-radioer kan også settes opp med en funksjon kalt “talk around”. Om denne blir aktivert vil radioen gå over til direkte-forbindelse på repeaterens sendefrekvens (dvs. både motta og sende på denne frekvensen). Da kan andre høre dennes sendinger og selv aktivisere talk-around for å svare. Siden kan alle slå av funksjonen for å returnere til vanlig samband via repeateren. Talk-around lar dermed radioene kommunisere seg i mellom utenfor repeaterens dekningsområde, eller dersom repeateren faller ut av drift.

Linkede repeatere

Repeatere kan i tillegg til lokal utsending av mottatte signaler også videresende gjennom et digitalt nettverk til andre repeatere som igjen sender ut på sine frekvenser og sender videre til enda flere repeatere. Et slikt repeater-nett kan være svitsjet, i den forstand at forbindelsene mellom repeaterne kan koples opp og ned etter behov for større eller mindre dekningsområdet for sendingene.

I et digital nett hvor sendingene er knyttet til talegrupper er det selvsagt mulig å selektere talegrupper som skal videresendes til andre repeatere. På denne måten kan talegrupper gis ulik dekningsområde der hvor det er fornuftig.

Tilsvarende kan en repeater i et digitalt nett utveksle sendinger med andre digitale nett med annen teknologi, fordi det er en velegnet oppgave for en datamaskin å konvertere digitale sendinger, inkludert adresser, kontrollsignaler og digitalisert lyd.

Systemer for å linke repeatere er utviklet av utstyrsleverandørene og i form av åpne standarder og protokoller, som f.eks. Brandmeister og TGIF. Disse løsningene tilbyr både linking mellom DMR-repeatere og til repeatere for D-star, Yaesu System Fusion, Allstarlink, Echolink m.fl.

Enda en nyttig egenskap ved DRM er mulighet for at radioapparatene kan “roame” mellom repeatere, dvs. selv finne en repeater med egnet signalstyrke. Dette er ikke mulig ved bruk av FM-samband, der må operatøren selv finne frem til egnede repeaterfrekvenser. Roaming er en egenskap som konfigureres i radioapparatene, repeaterne har ingen rolle i den prosessen.

På Figur 5 vises hvordan “Repeater site 1” betjener stasjonene på venstre side, men også videresender mottatte signaler til “Repeater site 2” via et nettverk. Overføringen gjennom nettverket kan filtrere talegrupper, og konvertere de digitale dataene til andre systemer. Illustrasjonen viser også hvordan “radio-løse” stasjoner (Stasjon B) kan delta i sambandet gjennom ordinære datamaskiner (såkalt Voice over IP, VoIP)

Figur 5 – Prinsipptegning av linkede repeatere

Single Frequency Repeater

En DMR-repeater er en spesialbygget enhet med to radiomoduler og passbåndfiltre for å hindre forstyrrelser mellom dem, med robust kjøling for å tåle lange sendeperioder og en datamaskin som styrer trafikken mellom radiomodulene.

DMR har som kjent to kanaler som vekselvis sender på samme frekvens i tidsluker. Dette er blitt utnyttet til å tillate en annen form for repeaterfunksjon som kun benytter én frekvens. En såkalt Single Frequency Repeater (SFR) vil lytte på tidsluke 1 og sende ut på tidsluke 2. Den skifter altså mellom mottak og sending hvert 30. millisekund, og fordi den aldri sender og mottar samtidig trengs kun én radiomodul, og spesielle passbåndfiltre er ikke nødvendige. Radioapparatene som skal bruke en SFR må stille inn en direktekanal med sending på tidsluke 1. På en direktekanal vil radioapparatene lytte på begge tidslukene, ikke bare nr.2.

Med SFR må alle talegruppene legges i samme tidsluke, så man har mindre kapasitet til rådighet enn for vanlige repeatere, som videresender begge tidslukene.

En interessant egenskap ved SFR er at dersom radioene kommer utenfor dekningsområdet til repeateren (eller at den faller ut av drift), vil radioene uten videre kunne kommunisere dersom de er innen radiorekkevidde av hverandre (i motsetning til ordinære DMR-repeatere, som krever at “talk-around” funksjonen aktiveres). Dette gjelder fordi radioene lytter på begge tidslukene og vil motta sendinger fra andre radioer på tidsluke 1 såvel som fra repeateren på tidsluke 2.

Fordi en SFR ikke er en spesialbygget radio kan en vanlig DMR-radio bli en SFR dersom den har programvare for det. Denne egenskapen, kombinert med at den har kun én kanal, gjør at en SFR tenkes brukt som en improvisert måte å utvide dekningsområdet på ved at en radio settes til SFR-funksjon og bringes opp på en fjelltopp.

Eksempler på radioer med SFR-funksjon er Hytera PD985GMD (pris ca. 10.000,-, krever tilleggslisens) og Anytone D578UV (pris ca. 4200,-). Merk at slike radioer ikke er dimensjonert for kontinuerlig sending (høy duty cycle) med henblikk på batterkapasitet og kjøling.

Figur 6 viser SFR-prinsippet hvor radioen oppe til venstre mottar signal både på tidsluke 1 fra radioen nede til venstre og fra repeateren på tidsluke 2.

Figur 6 – Single Frequency Repeater omgitt av radioer satt til direkte forbindelser

Konfigurasjon av radioene

Det kan inngå et vesentlig antall radioer i en sambandsoperasjon, og det er nødvendig med en effektiv metode for konfigurasjon av dem. Det er f.eks. ikke ønskelig med individuell konfigurasjon av hver enkelt radio gjennom dens betjeningspanel. Andre krav til konfigurasjonen kan være at operatøren ikke skal kunne gjøre endringer selv, men at servicepersonell utfører denne oppgaven i henhold til en besluttet policy.

DMR-radioer konfigureres i hovedsak gjennom et PC-program kalt Customer Programming Software (CPS), hvor alle konfigurasjonsopplysninger legges inn i et omfattende skjema, som f.eks.

  • Radioens DMR-id (nummer)
  • Kanaler (frekvenser og tidsluker) med angivelse av navn, utstrålt effekt, trygghets- og sikkerhetsfunksjoner m.m.
  • Talegrupper, med gjenkjennelige navn
  • Adresselister, for å gjenkjenne avsendere
  • Tilpasning av betjeningsfunksjonene (f.eks. sperre visse funksjoner)
  • Passord for endring av konfigurasjonen
  • Tidsgrenser for automatisk power-off, maksimal sendetid
  • m.m

Slike opplysninger resulterer i en konfigurasjonsfil kalt Code Plug som lastes til radioen med hjelp av CPS. Det blir dermed mulig å lage en Code Plug for hver radio-“rolle” fremfor en for hver radio. Hvert radiofabrikat har sin egen CPS, og den resulterende Code Plug kan heller ikke brukes på andre radiofabrikater.

Dersom flere radiofabrikater inngår i en sambandsoperasjon er det nødvendig å bruke CPS på en slik måte at det ikke oppstår interoperabilitetsproblemer. Mer om det i neste avsnitt.

Figur 7 viser et skjermbilde fra en bestemt CPS (til en TYT MD-2017). Et omfattende sett av opplysninger inngår i en Code Plug og det knytter seg en viss lærekurve til bruken av CPS fordi en del av konfigurasjonsopplysningene dreier seg om “dype” tekniske detaljer i DMR-protokollene.

Figur 7 – Skjermbilde fra et CPS

Radiomarkedet for DMR

DMR er en åpen spesifikasjon, og det finnes Open Source programvare for DMR-protokollene som tillater produksjon av DMR-radioer uten veldig store utviklingskostnader. Resultatet er at det er mange ulike fabrikater på markedet, inkludert billige kinesiske radioer av varierende kvalitet på elektronikken og programvaren.

DMR-spesifikasjonene tillater teknologien brukt i mange brukstilfeller, men de billige radioene retter seg med sine funksjoner mot enkle samband, direktekontakt eller via repeatere. Funksjoner som f.eks. full dupleks tale (for samtrafikk med telefonnettet) og dataoverføring med IP-protokoll finnes ikke i det billige prissegmentet, men er å finne i dyrere “enterprise”-type produkter. Radioprodusentene er også systemleverandører, og ønsker at avansert bruk av DMR skal tilbys gjennom produkter med høyere pris.

Interoperabilitet

Et vesentlig moment med DMR og dens “åpenhet” knytter seg til interoperabilitetsproblemer, dvs. at ulike radioer implementerer funksjoner på ulik måte, og at slike funksjoner bare virker mellom radioer av samme fabrikat. Et eksempel er sikkerhetsfunksjoner, hvor krypteringsfunksjonene ikke virker på tvers av radiofabrikater.

Det krever mye undersøkelser for å kartlegge interoperabilitetsproblemer. Målet må være å komme frem til et felles sett av funksjoner som dekker behovet til sambandsoperasjonen. I dette arbeidet er CPS-programvaren sentral, siden det er der disse detaljene konfigureres.

Sammendrag

DMR er en digital teknologi med en rekke egenskaper som gjør den svært velegnet for sambandsnett. DMR støtter talegrupper, digitale tilleggstjenester og trygghetsfunksjoner. DMR-standarden er åpen og det er mange utstyrsprodusenter å velge mellom.

Dersom man ønsker å kjøpe DMR radioutstyr av flere fabrikater må man være oppmerksom på mulige interoperabilitetsproblemer. Erfaringsmessig er det mange digitale tilleggstjenester som ikke lar seg benytte i et heterogent system.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

3 × one =