В кармане у вас лежит устройство, которое умеет почти все. Четыре или пять радиомодулей внутри, мощный процессор и отличный динамик. Оно найдет базовую станцию, отлично передаст ваш голос на расстояние, поднимет канал в Интернет и даже заплатит за кофе (с вашего счета, но все же).

А теперь спустимся с этим устройством в подземный паркинг торгового центра. Или зайдем в тоннель. Или окажемся в толпе на площади, где сто тысяч человек одновременно решили позвонить домой. Связи может не быть. Потому что ваш оператор не гарантирует вам связь в каждой подворотне вашего города. 

Зато у охранника на поясе висит коробка размером с пачку печенья. Один канал, полоса двенадцать с половиной килогерц, звук как из ведра. И она работает по всей территории объекта. Более того, охранник нажал кнопку и его услышали сразу восемь человек по всему зданию. Одновременно, без конференц-связи и без интернета.

Как так вышло, что аппарат за сто тысяч рублей проигрывает аппарату за десять? Почему рацию до сих пор не выкинули на свалку, хотя ее хоронят с девяностых? Что вообще такое «транкинг» и при чем тут датский математик, лазивший по канализационным люкам? И какие из десятка стандартов актуальны в наши дни? Разбираемся. Герои нашей сегодняшней статьи — рации и транкинговая связь.

Люк в Копенгагене

Слово «транкинг» пришло не из радио, а из телефонии.

Вы наверняка представляете, как выглядел телефонный коммутатор в начале XX века: вызывные панели, ряды барышень, которые щелкают штекерами, и вот это вот все. Абонентов в городе много, от каждого на станцию тянется пара проводов.

А еще есть линии между коммутаторами. Эти межстанционные линии на английском назывались trunk lines — магистральные, или, по-нашему, соединительные. Ставить отдельную межстанционную линию под каждого абонента было бы экономически невыгодно. Вопрос: сколько же их нужно и как это посчитать? И тогда, и сейчас на этот вопрос отвечают в эрлангах.

Эта единица измерения названа в честь Агнера Крарупа Эрланга. Датчанин, родившийся в 1878 году, математик, с 1908 года и до самой смерти работал в Копенгагенской телефонной компании. И работал, судя по всему, не только за письменным столом: современники вспоминали, как Эрланг спускался в городские телефонные колодцы. Правда, там он измерял не трафик, а блуждающие токи, которые разъедали свинцовые оболочки кабелей. Телефонную нагрузку он изучал отдельно — статистически. В 1909 году вышла его работа «Теория вероятностей и телефонные разговоры», где к потоку телефонных вызовов была применена вероятностная модель на основе распределения Пуассона.

В 1917 году появилась его следующая большая работа, оказавшаяся еще важнее. Из нее выросли модели, которыми связисты пользуются до сих пор. Erlang B дает вероятность блокировки вызова в системе без очереди, когда все линии заняты. Erlang C описывает уже систему ожидания: по ней можно оценить вероятность того, что вызову придется ждать, а затем и связанные с очередью показатели.

Единицу нагрузки назвали в его честь только в 1946 году, уже после смерти автора. Один эрланг — это один канал, занятый непрерывно целый час. Если десять человек за час проговорили по шесть минут каждый, это ровно один эрланг нагрузки. Величина безразмерная и очень удобная: она не зависит от того, сколько у вас каналов, и позволяет сравнивать несравнимое.

Вывод из работ Эрланга прост. Абоненты не говорят одновременно. Значит, каналов можно сделать заметно меньше, чем абонентов, и при правильно рассчитанной нагрузке большинство пользователей этого не заметит.

Именно эту идею через полвека взяли и перенесли из проводов в эфир. Только вместо соединительных линий стали делить радиоканалы. Название переехало вместе с идеей.

Одна очередь на все кассы

Чтобы понять, что дает транкинг, посмотрим, как жила радиосвязь без него.

Схема называется конвенциональной, и она до сих пор жива. Работает так: каждой группе выделяют свою частоту. Охране — первый канал, уборщикам — второй, инженерам — третий. Все сидят на своих каналах и друг другу не мешают. Просто, понятно, ломаться нечему.

Беда в том, что канал охраны занят от силы пару минут в час. Все остальное время частота, на использование которой получено разрешение и потрачены деньги, просто простаивает. А у инженеров в этот момент аврал и очередь в три человека. Перейти на пустой канал охраны они не могут: не положено, да и рация на него не настроена.

Посчитаем, сколько это стоит. Возьмем допустимую вероятность отказа в два процента — то есть в двух случаях из ста абонент упирается в «занято». Один выделенный канал при таком качестве обслуживания вывозит 0,0204 эрланга. Пять групп, пять отдельных каналов — итого 0,102 эрланга на всю систему.

Теперь свалим эти же пять частот в общий котел. Пусть любая группа берет любой свободный канал. Формула Эрланга дает 1,657 эрланга при той же двухпроцентной вероятности отказа.

Разница в шестнадцать раз. Не на проценты, не в полтора раза, а в шестнадцать. На том же самом железе, на тех же пяти частотах, с теми же антеннами.

Это и называется выигрышем транкинга. Причем выигрыш растет вместе с размером системы. Пять каналов при такой модели заняты полезной работой примерно на 33 процента времени. Десять — уже почти на 50 процентов. Двадцать — примерно на 65. Сорок — примерно на 77,5 процента, то есть простаивают меньше четверти времени.

Знакомая картина, правда? Ровно так устроена очередь в супермаркете. Пять отдельных очередей к пяти кассам — и вы всегда стоите за тетей с тележкой, а соседняя касса пустая. Одна общая очередь, из которой людей раздают на освободившиеся кассы, пропускает заметно больше народу. Аэропорты и банки перешли на такую схему не из любви к порядку.

Нюанс. Формула Erlang B описывает систему без очереди: если все ресурсы заняты, новый вызов получает отказ. В реальной транкинговой сети запрос может немного подождать освобождения канала; такие системы уже ближе к модели Erlang C и ее производным. Порядок выигрыша от объединения ресурса не меняется, но при проектировании сети это различие принципиально.

Нюанс. Выигрыш особенно заметен, когда много групп делят сравнительно небольшой общий пул каналов и их пики нагрузки не совпадают. Если у вас три человека и три частоты, транкинг действительно добавит прежде всего оборудование, настройки и новые точки отказа. Универсального порога вроде «от пятидесяти абонентов транкинг окупается» не существует: все зависит от интенсивности трафика, числа групп, количества частот, требований к резервированию и стоимости инфраструктуры.

Кто раздает карты

Хорошо, каналы в общем котле. Но кто-то должен решать, кому какой достанется.

В классической централизованной транкинговой системе для этого выделяют канал управления. По нему идут служебные сообщения: регистрация абонентов, запросы, назначения, подтверждения. Рация, включенная и лежащая в кармане, все это время слушает служебный поток и знает, где находится ее группа и куда ей перестраиваться при вызове.

Логический канал — это далеко не всегда целая несущая. В стандартах с временным разделением под управление можно отдать один таймслот, а есть и архитектуры, где отдельной постоянно выделенной несущей управления нет вовсе — до них мы еще доберемся.

Дальше сценарий такой. Вы нажали тангенту. Рация мгновенно отправляет в канал управления короткий пакет: «я такой-то, хочу говорить с группой такой-то». Система смотрит, какой из рабочих каналов свободен, и рассылает всем участникам группы команду: «перестроиться на канал номер семь». Все рации группы одновременно перестраиваются, и только после этого вы слышите разрешающий сигнал.

Узнаваемый паттерн использования рации «Первый, первый, это шестой, как слышишь? Тшшш! Пиии!» родился не на пустом месте. Разрешающий сигнал сообщает, что ресурс выделен и передавать можно. Заговорите раньше — начало первой фразы действительно может пропасть.

Дальше — развилка. Удерживать канал за разговором можно двумя способами.

• Транкинг по передаче: канал выдается ровно на одно нажатие тангенты и отбирается, как только вы ее отпустили. Собеседник ответит — система выделит канал заново, возможно, другой. Эфир используется предельно экономно, но каждая реплика начинается с задержки.

• Транкинг по сообщению: канал закрепляется за разговором целиком и удерживается еще несколько секунд после каждой реплики. Это время называется временем удержания. Разговор идет слитно, зато канал часть времени греет воздух.

Второй способ дороже по радиоресурсу, но интуитивно проще для работы. Первый — наоборот. В больших системах режимы могут сочетаться: там, где важна мгновенная реакция, ресурс некоторое время удерживают за разговором; редкий служебный обмен освобождает его быстрее.

И тут возникает законный вопрос. А если управление откажет?

Система от этого не обязательно умирает, но начинает терять функции. Типичный первый сценарий: площадка или базовая станция теряет связь с центральной инфраструктурой, однако локальное управление остается живо. Абоненты в пределах этой площадки еще могут работать, а межсайтовые группы и часть централизованных сервисов исчезают. У Motorola подобный режим известен как site trunking; в TETRA и других системах существуют собственные локальные и автономные сценарии, причем детали зависят от конкретной реализации.

Дальше все зависит от архитектуры. Некоторые системы при серьезном отказе переходят в заранее запрограммированный конвенциональный режим: терминалы получают ограниченный набор обычных каналов, пропадают динамическое распределение, часть приоритетов и межсайтовые сервисы, зато остается базовая голосовая связь. У Motorola известен режим failsoft; в других семействах применяются свои fallback-механизмы, и считать их полностью одинаковыми нельзя. Настройщик, который не продумал аварийные режимы, сделал только половину работы.

Нюанс. Канал управления тоже не обязан навсегда жить на одной частоте. Во многих системах предусмотрены резервные каналы управления: при отказе основной несущей система переносит служебный поток, а терминалы перебирают заранее известный список. Это еще одна маленькая деталь, которая незаметна пользователю, пока все работает.

Нажал — говори, отпустил — слушай

Теперь, собственно, про сам паттерн «Первый, первый, это шестой, как слышишь?». В большинстве профессиональной радиосвязи это полудуплекс. Почему так?

Телефонный разговор для пользователя дуплексный: оба собеседника могут говорить и слышать одновременно, как при живой беседе. Для этого вовсе не обязательно иметь две отдельные частоты — дуплекс можно организовать и другими способами, — но аппаратура и сеть должны развести прием и передачу так, чтобы они не мешали друг другу. Рация в типичном групповом режиме решает задачу проще. Пока вы держите тангенту, вы передаете и не слышите эфир.

Через ретранслятор или базовую станцию терминал обычно передает на одной частоте, а принимает на другой, но делает это не одновременно: это двухчастотная полудуплексная работа. В прямом режиме, без сети, все участники обычно работают на одной частоте и говорят по очереди.

Отсюда и узнаваемая дисциплина радиообмена. «Прием» означает: я закончил реплику и жду ответа. «Конец связи» — обмен завершен. В современных служебных сетях эти слова нужны не всегда и конкретный регламент зависит от ведомства, но сама логика остается: когда общий канал может занимать только один говорящий, границы реплик должны быть понятны всем.

Кажется архаикой? Попробуйте провести совещание на восемь человек в Zoom, где все микрофоны открыты постоянно. Вы очень быстро начнете использовать слова-маркеры — или мечтать о тангенте.

Не лучшее качество узкополосного канала и быстрый обмен репликами — одна из причин, почему до сих пор живы позывные. Казалось бы: если в группе десять человек, все знают друг друга по именам. Но «Саня», «Таня», «Маня», «Ваня» и «Аня» в шумном эфире смешиваются удивительно легко. Полоса речевого тракта ограничена, цифровой вокодер дополнительно меняет тембр, а на границе покрытия часть фонем может потеряться. Иное дело позывной: его можно специально подобрать коротким, фонетически различимым и непохожим на остальные.

Это не единственная причина. За радиостанцией может быть закреплен не конкретный человек, а функция: пост «Цех Дежурный» каждые двенадцать часов занимает новый сотрудник. Позывной остается тем же. Наконец, он может давать некоторую маскировку личности в открытом эфире — именно маскировку, а не настоящую секретность.

У тангенты есть и вторая, куда менее очевидная функция: она превращает передачу речи в дискретный радиоресурс. Классический телефонный вызов логически держит соединение от «алло» до отбоя, даже когда собеседники молчат. В современных пакетных сетях вроде VoLTE это уже не означает, что один и тот же физический кусок эфира закреплен за абонентом непрерывно: планировщик LTE раздает ресурсы динамически. Но транкинг идет еще дальше — сам разговор разбит на короткие передачи, между которыми общий голосовой ресурс можно немедленно отдать другой группе.

Именно поэтому транкинговая система с десятком голосовых ресурсов способна обслуживать сотни абонентов, если каждый говорит редко и коротко. В этом и есть главное отличие от модели «одно длительное индивидуальное соединение на пару пользователей»: транкинг эксплуатирует не только статистику того, что люди звонят не одновременно, но и то, что внутри самого разговора говорит обычно один человек и всего несколько секунд подряд.

Полный дуплекс в транкинге тоже бывает. TETRA, например, поддерживает индивидуальные дуплексные вызовы и выход в телефонную сеть. Причем дуплекс не обязательно съедает два тайм-слота: стандарт описывает single-slot duplex call service, где соответствующие uplink- и downlink-слоты образуют дуплексное соединение. Но экономия группового вызова все равно исчезает: вместо одного общего нисходящего потока для всей группы сеть обслуживает индивидуальный вызов. Поэтому в критических системах телефоноподобные разговоры обычно не являются главным режимом работы.

Сказал один — услышали сорок

Еще одна важнейшая функция рации — групповой вызов. И здесь особенно хорошо видно, насколько по-разному профессиональное радио и обычная мобильная связь расходуют эфир.

Представьте бригаду из сорока человек на большом объекте. Прораб говорит одну фразу. Ее должны услышать все сорок, немедленно и одновременно.

Как это делает рация? Передатчик базовой станции излучает один сигнал. Сорок приемников его принимают. Один голосовой ресурс, одна передача, сорок слушателей. Добавите сорок первого — для передатчика ничего принципиально не изменится. Радио по своей природе широковещательно, и в задаче один-для-всех это огромное преимущество.

А как это делает обычная коммерческая сотовая сеть, если использовать привычный индивидуальный голос или приложение поверх unicast? Она доставляет поток каждому терминалу отдельно. Для сорока слушателей планировщик должен выделить радиоресурс под сорок отдельных пользовательских потоков — не обязательно сорок постоянных «каналов» в старом смысле слова, LTE и 5G так не устроены, но объем нужного ресурса растет вместе с числом получателей.

В этом и заключается принципиальная разница. Узкополосная групповая радиосвязь передает одну копию речи, которую слышат все. Обычный unicast в сотовой сети размножает поток по числу адресатов. На группе из пяти человек разница может быть неважна. На группе из сорока, особенно в перегруженной соте, — уже вполне.

Есть у группового вызова и побочный эффект. Он доносит до всех не только слова, но и общую картину. Каждый слышит, кто уже занял канал и о чем говорят соседи. Это и есть часть ситуационной осведомленности, которую легко потерять при цепочке индивидуальных звонков. Вы позвонили одному коллеге, а остальные семеро не в курсе, что вопрос уже решается, — и начинают звонить туда же.

Радиолюбители, кстати, называют такое пассивное прослушивание «висеть на канале». Формулировка точная.

Справедливости ради, сама сотовая стандартизация эту проблему понимает давно. Спецификация GSM 03.68 еще в девяностых описала Voice Group Call Service: в соте один нисходящий голосовой ресурс мог обслуживать всю группу, что и использовалось в GSM-R. В LTE появился eMBMS, а в экосистеме 5G развиваются собственные multicast/broadcast-механизмы, включая 5MBS. Проблема не в принципиальной неспособности сотовой технологии к one-to-many, а в том, что обычный пользователь массовой коммерческой сети, как правило, не получает такого голосового сервиса «из коробки».

Триста миллисекунд

Второе, за что держатся пользователи транкинговой связи, — время.

Для TETRA одним из ключевых требований изначально было очень быстрое установление группового вызова — порядка 300 миллисекунд для типовых сценариев. Это меньше трети секунды: нажал тангенту, сеть назначила ресурс, группа перестроилась, терминал дал разрешающий сигнал — и можно говорить.

Обычный телефонный вызов живет совсем в другом порядке времени. В хорошо работающей VoLTE-сети установление вызова занимает уже не сотни миллисекунд, а обычно единицы секунд; в старых 2G/3G-сценариях задержка могла быть еще заметнее. Для дружеского звонка это не имеет значения. Для диспетчерского обмена, где за минуту может быть десяток коротких реплик, разница между тремя десятыми секунды и несколькими секундами ощущается очень быстро.

Может показаться, что это придирка. Ну секунда, ну и что? Дело в том, что в рабочем эфире реплики короткие, а обмен плотный. Разговор на минуту — это десяток нажатий тангенты. Если каждое нажатие стоит секунду с лишним, разговор превращается в пытку и им перестают пользоваться. А связь, которой не пользуются, не работает вообще.

Есть еще одна особенность, о которой вспоминают реже. Приоритет.

В транкинговой системе абонентам и типам вызовов назначают классы приоритета. Диспетчер может быть выше обычного пользователя, аварийный вызов — выше диспетчера. Если все голосовые ресурсы заняты, высокоприоритетный вызов способен вытеснить менее важный. Радиостанция со специальной оранжевой кнопкой инициирует emergency-процедуру, а система может вместе с идентификатором терминала передать диспетчеру и координаты, если такая функция настроена.

У обычного абонента коммерческой мобильной сети такого пользовательского механизма обычно нет. Сотовые стандарты умеют QoS, приоритет и pre-emption, а специальные сети вроде FirstNet действительно дают их службам. Но случайный полицейский с обычной SIM-картой в перегруженной коммерческой соте не получает магического преимущества над подростком, который отправляет видео.

Вас вызывает Диспетчер

Есть у профессиональной радиосети персонаж, которого в массовой сотовой связи в таком виде обычно нет. Диспетчер.

Формально диспетчер — это рабочее место с компьютером, картой и гарнитурой. Фактически именно через диспетчеризацию профессиональная радиосеть превращается из набора раций в рабочий инструмент. В зависимости от системы диспетчер видит группы и абонентов, может оценивать их статус, инициировать и объединять вызовы, подключаться к разговору, управлять приоритетами. Не в каждой сети круглые сутки сидит живой человек, но сама архитектура обычно предусматривает такой уровень управления.

Он может вызвать одну группу или сразу несколько, временно объединить группы на время происшествия, разорвать менее приоритетный разговор, отключить потерянную радиостанцию, отправить короткое сообщение. Конкретный набор функций зависит от системы и полномочий, но сама идея централизованного оперативного управления — базовая.

Отдельно — журналирование. Профессиональные диспетчерские комплексы могут централизованно записывать переговоры и события с отметками времени; в критических службах это обычная практика. Разбор серьезного происшествия после этого начинается не с воспоминаний «кто кому вроде бы звонил», а с журнала и записи эфира.

Еще один типичный инструмент — позиционирование. Во многие современные терминалы встроены GNSS-приемники, а служебные протоколы позволяют периодически отправлять координаты в диспетчерский центр. Частоту обновления выбирают по задаче и доступной емкости: раз в несколько секунд для динамичной операции, заметно реже для спокойного дежурства. На карте в результате появляется живая картина расстановки сил.

А теперь — оранжевая кнопка.

И последнее, ради чего особенно важен диспетчер: аварийный вызов. После нажатия оранжевой кнопки терминал запрашивает emergency call с высоким приоритетом; система при необходимости освобождает для него ресурс и сообщает диспетчеру идентификатор станции, а при настроенной геолокации — координаты. Во многих аппаратах можно включить hot mic: после тревоги радиостанция некоторое время сама передает окружающий звук без удержания тангенты. Конкретное поведение задается стандартом, возможностями оборудования и конфигурацией сети.

Более того, оранжевую кнопку не всегда нужно нажимать вручную. Если в терминале есть датчик man-down (падение), систему можно настроить так, чтобы длительная неподвижность, необычное положение рации, удар или другое условие запустили предупреждение, а затем аварийную процедуру.

Ложное срабатывание? Пользователь успеет отменить тревогу. А если терминал лежит неподвижно и человек не отвечает, у диспетчера появляется вполне конкретный повод отправить к нему помощь.

Башня, Башня, вас не слышно

Сотовая связь в привычном режиме жестко завязана на инфраструктуру. Нет доступной сети — два обычных смартфона не могут просто нажать на кнопки и получить стандартизованную километровую голосовую связь. Wi-Fi Direct, Bluetooth и mesh-приложения позволяют строить прямые соединения, но это другой класс дальности, энергопотребления, удобства и, главное, эксплуатационной предсказуемости.

У профессиональной рации такой режим есть штатно. В TETRA он называется DMO — Direct Mode Operation; в американской радиопрактике часто используют термин talkaround. Терминалы говорят друг с другом напрямую, без базовой станции. Дальность обычно меньше, чем через высоко расположенную инфраструктурную антенну: от сотен метров в тяжелой застройке до километров на открытой местности. Но связь остается.

Это не аварийный трюк из инструкции, а нормальный эксплуатационный режим. Пожарные, спасатели, строители и охрана могут сознательно использовать прямой канал там, где инфраструктура не нужна или заведомо не достает.

Но даже без полного отказа инфраструктуры массовая сотовая связь может захлебнуться в самый ответственный момент.

7 июля 2005 года, Лондон. Взрывы в метро и автобусе. Резкий всплеск звонков серьезно перегрузил мобильные сети в центре города: связь стала нестабильной и местами практически недоступной. У британцев на такой случай существовал ACCOLC — Access Overload Control, механизм, который при перегрузке ограничивал доступ обычных абонентов и оставлял его пользователям с назначенным приоритетным классом.

И вот тут выяснилось, что приоритет — это не только радиотехнология, но и организация. Центральный штаб не стал вводить ACCOLC по всему Лондону: нужным классом доступа были обеспечены далеко не все, кому связь требовалась на местах. Полиция лондонского Сити все же активировала ограничение локально примерно в километровой зоне вокруг Олдгейта — фактически в обход общего порядка.

Эта история хорошо показывает: даже мобильная сеть со специальными механизмами для чрезвычайной ситуации может подвести не из-за отсутствия нужной функции в стандарте, а из-за покрытия, перегрузки, настроек и организационных решений.

Нюанс. Из этого не следует, что профессиональная радиосеть надежнее по определению. Ее базовые станции точно так же требуют питания, транспортной сети и обслуживания, а емкость тоже конечна. Разница в том, что для деградации заранее проектируют отдельные сценарии: резервирование, локальную работу площадки и, главное, прямой режим рация-рация. Плюс сама эксплуатация обычно жестче регламентирована, чем парк личных и служебных смартфонов.

Пять ватт против двух десятых

Перейдем к железу. Почему коробка за десять тысяч добивает туда, куда не добивает телефон за сто?

Начнем с передатчика. Типичный LTE-смартфон выдает максимальную мощность порядка 23 дБм, то есть около 0,2 ватта, хотя в реальной сети большую часть времени он передает слабее. У профессиональной техники допустимая мощность выше: ручные TETRA-терминалы встречаются в классах порядка 1–3 ватт, мобильные и возимые — заметно мощнее, а обычная носимая DMR-станция часто выдает 4–5 ватт.

Пять ватт против двух десятых — это примерно четырнадцать децибел разницы по мощности. В идеальном свободном пространстве дальность при той же чувствительности росла бы примерно в пять раз: там потери увеличиваются как квадрат расстояния. В городе закон жестче. Если показатель затухания среды n равен примерно 3–4, то выигрыш по дистанции грубо оценивается в 2,2–2,9 раза. 

Дальше антенна, и тут разница даже интереснее. На 450 мегагерцах длина волны около 67 сантиметров, четверть волны — примерно 17. Полноразмерный четвертьволновый штырь такого порядка вполне помещается на автомобиле или стационарной установке; у ручной рации антенна короче и тоже компромиссная, но все равно проектируется под сравнительно узкий набор диапазонов. Смартфону приходится запихивать в корпус толщиной несколько миллиметров целый зоопарк антенн для разных LTE/5G-band, Wi-Fi, Bluetooth, GNSS и MIMO, причем рядом постоянно находится ладонь пользователя.

Третье — частота. Профессиональная подвижная связь широко использует VHF и UHF: примерно 136–174 и 400–470 мегагерц для многих типов оборудования. У сотовых операторов существенная часть емкости находится выше — 1800, 2100, 2600 мегагерц и дальше, хотя покрывающие слои давно работают и на 700, 800 и 900 мегагерцах. Низкая частота при прочих равных обычно дает более выгодный бюджет линии на дальности и лучше проходит через многие препятствия. Поэтому рация на 400–450 мегагерцах может иметь преимущество по проникновению относительно высокочастотной сотовой связи, но сравнивать надо конкретные диапазоны, антенны и мощность.

Четвертое — приемный тракт. Было бы несправедливо говорить, что в профессиональной станции стоит «нормальный приемник», а в смартфоне сэкономили. RF-система современного телефона — чрезвычайно сложная штука. Но задачи разные: узкополосную профессиональную станцию можно оптимизировать под чувствительность, избирательность и работу рядом с мощными соседними передатчиками в относительно небольшом наборе диапазонов. Смартфон одновременно должен поддерживать десятки бэндов, широкополосные сигналы, агрегацию несущих и MIMO в очень маленьком корпусе.

И пятое, самое приземленное. Батарея.

Носимая рация рассчитана на рабочую смену. Типичный профиль, которым производители любят мерить автономность, — 5/5/90: пять процентов времени передача, пять — прием, девяносто — ожидание. При таком режиме аккумулятор порядка 2000–3000 мА·ч действительно способен прожить смену. У смартфона батарея больше, но и потребителей несравнимо больше: экран, мощный чип, фоновые приложения, несколько радиоинтерфейсов, камеры. При этом сам сотовый модем не держит передатчик включенным постоянно — LTE и 5G используют idle-состояния, DRX и регулировку мощности, иначе современный телефон разряжался бы за часы.

Нюанс. Все сказанное не означает, что рация всегда добьет дальше. В плотном городе сотовая сеть часто выигрывает количеством площадок: базовая станция может быть в нескольких сотнях метров, тогда как профессиональная сеть строится куда реже. Преимущество мощной узкополосной рации становится особенно заметно там, где инфраструктура редкая, перегружена или отсутствует.

Голос из бочки

Отдельный разговор — почему голос из рации иногда звучит как из бочки.

В цифровой профессиональной радиосвязи речь не передают как несжатую звуковую дорожку. Вокодер строит компактную модель речевого сигнала. В случае TETRA применяется семейство ACELP — Algebraic Code-Excited Linear Prediction. Очень грубо: кодер оценивает параметры линейно-предсказательного фильтра, описывающего речевой тракт, а затем подбирает возбуждение из кодовых книг так, чтобы восстановленный сигнал был максимально похож на исходный. В эфир уходят не тысячи аудиосэмплов как таковых, а параметры модели и возбуждения. Декодер по ним снова строит звуковую волну.

Скрытый текст

То есть по радио передается не запись голоса, пусть даже очень сильно сжатая. В эфир уходит компактный набор инструкций, по которым приемник восстанавливает речевой сигнал. Это немного похоже на ситуацию, когда вместо готовой картинки вы передаете набор команд: какой формы должны быть основные элементы, где они расположены и чем заполнить промежутки. Файл получается на порядки меньше, а на другом конце по этим инструкциям собирают изображение, похожее на исходное.

Возможно, вас немного накроет эффектом зловещей долины, но из цифровой рации в некотором смысле говорит уже не ваш собеседник, а его небрежно восстановленная копия. Такое вот закулисье реальности в технологиях.

Цифры впечатляют. В TETRA речевой кодек ACELP работает со скоростью около 4,567 кбит/с — это примерно 571 байт на секунду исходных речевых параметров, около 34 килобайт на минуту. В P25 Phase 2 и в огромном количестве коммерческих DMR-терминалов используется семейство AMBE+2: собственно речевая часть там порядка 2450 бит/с, плюс отдельная помехозащита. В P25 Phase 1 применялся IMBE примерно на 4400 бит/с речевых данных — то есть не ровно вдвое, а примерно в 1,8 раза больше.

Чем мы за это платим? 

Во-первых, платим естественностью и узнаваемостью голоса. Человека обычно узнать можно, но тембр и мелкие индивидуальные детали речи вокодер передает хуже, чем широкополосный телефонный кодек.

Во-вторых, сложным шумом. Вокодер не «обучен» человеческой речи в современном нейросетевом смысле — алгоритм спроектирован и оптимизирован именно под речевые сигналы. Рев двигателя, сирена, ветер или грохот цеха не всегда хорошо укладываются в его модель. В результате фон может превратиться в странное бульканье, а вместе с ним иногда страдает и разборчивость речи.

Есть и третья вещь, о которой стоит помнить при выборе. Цифровой сигнал ведет себя иначе, чем аналоговый, на границе приема.

Аналоговая частотная модуляция обычно деградирует плавно: сигнал слабеет — растет шум, затем голос начинает тонуть в шипении, но опытный оператор еще какое-то время вытаскивает смысл. Цифровая связь дает резкую просадку. Пока кодирование и коррекция ошибок справляются, звук остается сравнительно чистым; затем появляются роботизация, выпадение фрагментов, бульканье и довольно быстро — тишина. Переходная зона есть, но она заметно уже и резче, чем у аналога.

На этом первая часть разбора заканчивается. Мы немного погрузились в теорию и разобрались в чем сила и предназначение современных раций. В следующей части мы продолжим и познакомимся с основными действующими и уже ставшими историей стандартами.

---

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.