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Aktuelle Test- und Messtechnik-News

Hintergrund: Herausforderungen beim Test sicherheitskritischer Kommunikationssysteme

Sicherheitskritische Kommunikationssysteme sind nicht nur bei Behörden und Sicherheitsorganen im Einsatz, sondern ebenso bei Unternehmen, die wichtige Infrastrukturaufgaben erfüllen, wie beispielsweise Energieversorgern oder Flughäfen aber auch bei Großveranstaltungen. Es versteht sich von selbst, dass solche Kommunikationssysteme mit den entsprechenden Test- und Messgeräten ordnungsgemäß installiert und gewartet werden müssen.

Das klare Ziel für einsatzkritische LMR-Systeme (Land Mobile Radio) ist eine zuverlässige und störungsfreie Kommunikation. Grundsätzlich müssen die Hauptbestandteile eines solchen kritischen Kommunikationssystems folgende Funktionen sicherstellen:

  • Abdeckung (Verfügbarkeit) und Zuverlässigkeit;
  • direkte Kommunikation zwischen den Geräten (damit Ersthelfer miteinander kommunizieren können, wenn das Netzwerk ausfällt);
  • Gruppenkommunikation (die Netzwerkschicht muss das Anlegen von Gruppen ermöglichen).

LMR kann auch kommerzielle Implementierungen beinhalten, die auch als PMR (Private Mobile Radio) bezeichnet werden. Derzeitige LMR/PMR-Systeme basieren hauptsächlich auf verschiedenen digitalen Standards, die für verschiedene Benutzer gelten, darunter:

  • P25 (APCO-Project25), TETRA (Terrestrial Trunked Radio) für Ersthelfer (Feuerwehr/Polizei, Krankenwagen);
  • DMR (Digital Mobile Radio) für große Unternehmen (Logistik, Verkehrsknotenpunkte, Einkaufszentren);
  • dPMR, NXDN für kleine und mittlere Unternehmen, Single Site Coverage.

TETRA ist der vorherrschende Standard für Polizei, Feuerwehren, Militär und Technischem Hilfswerk [PDPR (Public Protection and Disaster Relief)] und anderen Regierungsorganisationen, während P25 für die öffentliche Sicherheit in den USA vorgeschrieben ist. TETRA-Systeme bieten eine vergleichsweise höhere Nutzerkapazität, während P25 unter bestimmten Voraussetzungen eine größere Reichweite bieten kann. Für die Sprachkommunikation bietet TETRA TDMA-basierten Mehrfachzugriff indem vier Sprachverkehrskanäle (TDMA-basiert) in einem einzigen 25 kHz breiten Datenkanal zusammengefasst werden. Daneben bietet TETRA Enhanced Data Service mit QAM64 den höchstmöglichen Datendurchsatz in einem 150 kHz breitem Übertragungskanal.Gleichzeitig ist DMR der am schnellsten wachsende digitale Standard, mit dem sich kostengünstige digitale Systeme mit geringerer Komplexität realisieren lassen.

Figure 2 LMR standards overview s

Übersicht der Land-Mobile-Radio-(LMR-)Standards

Heute dringt LTE auch in den Bereich der öffentlichen Sicherheit ein. Dafür sorgt der Bedarf an zuverlässigen Breitbandkommunikationssystemen. Viele Aufgaben erfordern Breitbanddienste, z.B. wenn Ersthelfer auf datenintensive Anwendungen zugreifen, Datenbanken online durchsuchen oder Videos gemeinsam nutzen wollen – auch in Echtzeit. Leistungsstarke, robuste und benutzerfreundliche Kommunikationsgeräte, ähnlich wie Smartphones, sind dringend erforderlich, um die Anforderungen der öffentlichen Sicherheit zu erfüllen und erweiterte Funktionen und Dienste bereitzustellen, die den Fachleuten bei ihrem Auftrag, Leben zu retten, helfen.

Die derzeitige Konvergenz von 4G/LTE-, PMR- und LMR-Kommunikationssystemen ist in einigen Bereichen offensichtlich, und es ist klar, dass LMR in naher Zukunft nicht durch LTE ersetzt wird. LMR-Systeme sind etabliert und bieten eine zuverlässige Sprachkommunikation, was die Hauptanforderung für jedes öffentliche Sicherheitssystem ist. Wie erwähnt, spielen dabei die Abdeckung und die Störfestigkeit eine wichtige Rolle.

LTE 450 MHz, auch LTE Band 31 genannt, ist eine ideale Implementierung für Critical Communications Anwendungen wie sie derzeit zum Beispiel in Brasilien eingeführt worden ist. Mit FDD und 10 MHz Bandbreiten können bis zu 25 Mbps im Downlink und bis zu 12.5 Mbps im Uplink für Sprache und Daten zur Verfügung gestellt werden.

Für die nächste Generation der Kommunikation im Bereich öffentliche Sicherheit wird eher die hybride LTE/PMR-Technik eingesetzt, bei der schmalbandige LMR-Netze für Sprache und Breitband-LTE für Hochgeschwindigkeitsdaten verwendet werden. Zu beachten ist, dass sich LTE-Netze für die öffentliche Sicherheit von kommerziellen Implementierungen unterscheiden, da sie spezielle Funktionen und Anforderungen aufweisen, um sie zuverlässiger zu machen.

LMR und LTE sind sehr unterschiedliche Techniken und erfordern daher auch unterschiedliche Mittel für die Installation und Wartung. Bezüglich der Testabläufe stellen zwei verschiedene Technologien bzw. zwei separate Netzwerke eine Herausforderung dar. Messungen erfordern oft eine Reihe verschiedener Instrumente, die alle an einen Ort transportiert werden müssen, der in einiger Entfernung liegen kann, weshalb die Größe und das Gewicht solcher Testgeräte entscheidend sind. Bevorzugt werden batteriebetriebene, tragbare Geräte, mit denen sich komplexe Tests von LTE-Netzen durchführen lassen, einschließlich Techniken wie MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) und OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Mit der Durchführung wichtiger EVM- (Error Vector Magnitude; Fehlervektorbetrag) und BER-Messungen (Bit Error Rate; Bitfehlerrate), um die Signalqualität, Modulationstreue und Empfindlichkeit des Empfängers (Rx) in LMR-Netzwerken zu testen, können Techniker und Entwickler darauf vertrauen, dass die einsatzkritischen Kommunikationssysteme zuverlässig und gemäß den Spezifikationen installiert und gewartet werden.

 

Figure 4.1 LTE app RB view s Figure 4.2 LTE app ModQ view s
Messung der Signalqualität in LTE- und LMR-SystemenModulationsqualität
Leistung vs. Ressourcen (links)

Hohe Werte führen zu größeren Interferenzen zwischen den Zellen und zu niedrigeren Datenraten an den Zellenrändern. Niedrige Werte wirken sich auf die Abdeckung in Gebäuden aus. Die Analyzer-Werte P25 (links) und TETRA (rechts) geben einen vollständigen Überblick über die HF-Qualität.
Modulationsqualität – Steuerkanäle (rechts)

Eine hohe Auslastung der Ressourcenblöcke deutet darauf hin, dass sich ein Zellenstandort einer Überlastung nähert. Es macht dann Sinn, mit der Planung zusätzlicher Kapazitäten zu beginnen.

 

Figure 4.3 DMR app ModQ view s Figure 4.4 TETRA app Quad view s
Die Analyzer-Werte P25 (links) und TETRA (rechts) geben einen vollständigen Überblick über die HF-Qualität.

 

Um den ordnungsgemäßen Zustand eines Kommunikationssystems sicherzustellen, muss unter Berücksichtigung des HF-Teils die Signalqualität sowie die gesamte Signalkette analysiert und aufrechterhalten werden. Dazu gehören Antennen, Kabel/Zuleitungen, HF-Ports (VSWR, Fehlanpassung), Kombinierer, Duplexer/Diplexer, Verstärker, Transceiver und Empfänger. Hinzu kommen Störungssuche und -minderung sowie die Zuordnung der Abdeckung. Diese Aufgaben können eine Reihe von Test- und Messinstrumenten erfordern, u. a. einen Spektrumanalysator, Vektornetzwerkanalysator, Signalgenerator/Vektorsignalgenerator, Leistungsmesser, ein Oszilloskop usw. Die HF-Leistung des Testinstruments muss den Anforderungen des Kommunikationssystems mit einem angemessenen Spielraum entsprechen. Parameter wie Empfindlichkeit (bessere Sendermessungen), Störempfindlichkeit (Gewissheit, dass die Messergebnisse von realen und nicht von geräteinternen erzeugten Signalen stammen), Phasenrauschen (bessere Modulationsmessungen), Intermodulation dritter Ordnung/TOI (weniger intern erzeugte Verzerrung), Unterdrückung von Nachbarkanälen (bessere Messungen in einem überfüllten Spektrum) und der Dynamikbereich sind bei der Auswahl der richtigen Testgeräte von entscheidender Bedeutung.

Es gibt jedoch sogenannte Kombi-Analysatoren, die einen kompletten Satz von Multifunktionsinstrumenten enthalten. Dies entlastet Techniker und Entwickler, da sich die Zahl der Instrumente reduziert, die zur Überprüfung der Infrastruktur von Kommunikationssystemen erforderlich sind. Ein solches Gerät ist der Anritsu S412E LMR Master, ein batteriebetriebener, tragbarer Analyzer mit einer Reihe von Funktionen, einschließlich der Analyse von Breitband-/LTE- und Schmalband-/LMR-Funknetzen. Das Gerät erfasst auch die Abdeckung in Gebäuden, misst das elektromagnetische Feld (EMF), prüft die Strahlungskonformität nach verschiedenen nationalen Standards und hilft bei der Störungssuche.

Figure 5 S412E front view s

Um die Herausforderungen bei der Bereitstellung zuverlässiger Kommunikation im Bereich öffentlicher Sicherheit zu meistern, sind erhebliche Anstrengungen und eine sorgfältige Umsetzung erforderlich. Mit den richtigen Instrumenten und dem Verständnis für die Bedeutung ordnungsgemäßer Tests einsatzkritischer Systeme wird sichergestellt, dass Sicherheitsfachleute die besten Kommunikationsressourcen für ihre wichtigen Aufgaben erhalten. Ein leichtgewichtiges und batteriebetriebenes Testgerät mit entsprechender Messleistung, wie der o.g. Kombianalysator, lässt sich problemlos an jeden beliebigen Ort transportieren, um eine kritische Aufgabe für ein einsatzkritisches System zu lösen.

www.anritsu.com/



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