P25 vs TETRA vs DMR

公共安全(Public Safety)與關鍵性任務需求考量之無線電系統設計已經在90年代末以來從類比慢慢升級到數位化傳輸的時代，主要是因爲數位廣播技術的進步和擴展能力。本文將針對P25和TETRA、DMR等數位式無線電的標準進行粗淺的比較與探討分析.....

1.         P25和TETRA、DMR等數位式無線電標準的歷史發展沿革

1.1   APCO (Association of Public-Safety Communications Officials-International) 於1989年推動Project 25 (簡稱P25) 相關標準和應用計劃以及互連相容能力，以求找到符合公共安全(Public Safety)與關鍵性任務需求之解決方案，以期能提供最好的服務，並隨即獲得 National Association of State Telecommunications Directors (NASTD)、National Telecommunications and Information Administration (NTIA), the National Communications System (NCS) 、National Security Agency (NSA) and the US Department of Defense (DoD)等單位之推廣與使用。此外，一個督導委員會由上面提到的機構代表FPIC（美國國土安全互操作通信聯邦夥伴關係部Department of Homeland Security Federal Partnership for Interoperable Communications），美國海岸警衛隊(Coast Guard)和美國商務部國家標準技術研究院（the Department of Commerce's National Institute of Standards and Technology NIST）等單位共同成立標準辦事處以決定P25技術開發的優先事項和範圍，並交由ANSI (American National Standards Institute)標準組織認可之TIA (Telecommunications Industry Association) Engineering Committee轄下TR-8標準工作小組啟草制定相關標準(TR-8 工作小組負責制定Mobile and Personal Private Radio Standards)。

1995年11月TIA發表其Phase I 初步標準與定義，並於1997~2001年間進行試用與實際功能驗證和標準修正，之後陸續於2001~2005年完善現在的P25 Phase I標準。其標準制定沿革與歷史至今超過15年，並於2005年持續推動Phase II 2-slot TDMA之標準與其他相關標準之完善制定，而於2009~2011年間發表P25 Phase II。

P25是屬於Land Mobile Radio無線電設備;在美國，根據美國國家電信和資訊管理局（National Telecommunications and Information Administration NTIA）與美國聯邦通訊委員會（Federal Communications Commission FCC）的法規和規章，使用P25需要授權或架設許可證。

1.2   TETRA (Terrestrial Trunked Radio formerly known as Trans-European Trunked Radio) 是屬於專業移動無線電(Professional Mobile Radio PMR)和雙向收發器（俗稱爲一個對講機Walkie Talkie）規範。 TETRA是專門設計用於公共安全 (Public Safety)與關鍵性任務需求之無線電通訊規範，主要供政府機構，緊急任務服務，（警察部門、消防部門、救護車和緊急救援）等公共安全與關鍵性任務以及鐵路運輸列車服務和捷運系統無線電通訊服務和軍事單位之無線電通訊服務等之應用。 TETRA是1995年由歐洲電信標準協會（European Telecommunications Standards Institute ETSI）公佈第一個標準的版本並於1997年建立第一個實際應用系統;而隨後數年再經由制定其他相關標準介面及互連相容能力而逐漸完善 (稱為TETRA Release I); 目前全球至少有110以上國家採用TETRA數位式中繼集群無線電通訊服務(Western Europe、Eastern Europe、Middle East、Africa、Asia Pacific、Caribbean and Latin America) 。

1999年TETRA Association轄下之Technical Committee (TC)開始研擬新一代加強版TETRA標準以改善延伸距離和採用較新語音編碼技術(Voice Codec)並提供高速資料傳輸服務 (TETRA Enhance Data Service TEDS)並於2005年由歐洲電信標準協會(ETSI)發佈初步標準稱為TETRA Release 2。

1.3   歐洲電信標準協會（European Telecommunications Standards Institute ETSI）早在2003/2004年就開始發起制定另一個低複雜度 (low-complexity相對於TETRA而言) 數位式專業移動無線電(Professional Mobile Radio PMR)之標準以供一般Enterprise和Professional Business用途，且分為需經授權或架設許可證以及不需架設許可證之數位式無線電標準，但因頻譜問題與廠商擔心市場接受度而一直延遲。直到2005年由一群移動式無線電設備製造商成立DMR協會公開簽署合作協議備忘錄進化而成為DMR協會，並於2007/2008年開始才納入ETSI在專業移動式無線電(PMR)標準化制定的進程中，並於2010~2011年間發表基本相關標準 (TS 106 361.1/2/3/4，Tier 1~Tier 3 Protocol) ，其他標準尚待往後數年時間完善之。

1.4   P25和TETRA、DMR等數位式無線電標準是完全不同的且不相容，P25和TETRA完全針對公共安全Public Safety與關鍵性任務之需求考量設計，P25具備支援Analog/Digital、Conventional與Trunking等數位傳統與中繼集群模式，TETRA只提供數位式中繼集群模式。P25和TETRA對各種緊急應變功能、規模大小、備援功能、負載能力與相關設備相容能力和介面制定齊全且完整，而DMR主要是針對一般專業式移動無線電（PMR）之Professional 和Enterprise用戶為主，雖然有制定Tier 3 (Trunking) 標準協定(TS106 361.4)但目前市面上尚無任何符合此一標準之產品，其他如備援功能、負載能力、設備相容能力和介面等均未完善制定，且目前尚且無法真正使用於公共安全Public Safety與關鍵性任務之需求環境。

2.         P25和TETRA、DMR的主要目標市場

2.1   如前面所述P25和TETRA、DMR主要針對的服務對象在制定標準之初便已有有其目標市場，如P25是以公共安全(Public Safety)與關鍵性任務需求之解決方案為考量設計，以期能提供最好的服務並兼顧多廠商互連相容能力(Multi-Vendor Interoperability) ，另為方便用戶平滑過渡至數位系統，P25也兼顧提供傳統類比模式(Conventional mode)以及數位中繼集群模式或類比/數位相容運作模式。

2.2   TETRA 則除了以公共安全(Public Safety)與關鍵性任務需求之解決方案為考量設計外，另瞄準鐵路運輸列車服務和捷運系統無線電通訊服務等大眾交通系統，當然TETRA也兼顧多廠商之間的互連相容能力;不過TETRA只提供數位中繼集群模式缺乏對類比系統之支援能力。

2.3   DMR主要是針對一般專業式移動無線電（PMR）之Professional 和Enterprise用戶為主，並非以公共安全與關鍵性任務需求之解決方案為考量設計，但DMR也兼顧提供傳統類比模式(Conventional mode)以及數位中繼集群模式或類比/數位相容運作模式以供客戶選擇 ; 不過在多廠商之間的系統互連相容能力上仍有待加強，且其他如備援功能、負載能力、設備相容能力和介面功能等均未完善制定相關標準，故其針對市場主要以一般商業用戶為主。

2.4   P25和TETRA、DMR的主要目標市場如下表所示

未完待續......

P25無線電通信標準、應用與互連互通 Part II

P25無線電之基本規劃設計與運用

P25 Basic Design & Application

本部份將對P25無線電之基本規劃設計與運用提供初步之探討，基本上乃依據APCO P25 System & Standard Definition 所定義之內容、服務介面運用和基本系統功能以及SAFECOM之建議予以描述。

1.基本定義與規劃設計原則:

1.1 規模與範圍:

P25無線電之規模與範圍其基本規劃設計原則是承續與根據LMR (Land Mobile Radio)中對於政府單位(聯邦、州政府和地方政府)或公共安全機構(警政、消防、緊急救難等等)，在全國或大規模範圍內或執行關鍵性(Mission Critical)任務之緊急環境中使用無線電以提供關鍵性任務語音功能為依歸。

根據APCO協會、SAFECOM與Public Safety Wireless Network Advisory Committee對P25和LMR (Land Mobile Radio)用戶的規模與範圍統計和定義可分為如下表(資料來源SAFECOM):

在小於200個使用者(Subscribers/Users)時或小規模地方政府限於預算時，得接受採用傳統模式(P25 Digital Conventional mode)，否則一律建議採用中繼集群模式(Trunked mode)。除非頻譜通道資源相當多(Spectra Frequency or Channel)才使用傳統模式。

因為根據經驗統計與平時5/5/90 (one user per hour per call) 和緊急任務時10/10/80 (one user per hour three calls) 的通訊原則:10個Channel的P25系統在傳統模式下可服務350~500個使用者(users) ，但同樣10個Channel在P25中繼集群模式下可服務1000~1500個使用者。

註1 :同樣條件下DMR系統在傳統和中繼集群模式下下可服務的使用者約只有P25系統的一半，若加上Data application 或GPS application，那DMR的服務人數可靠度更低，故DMR不適用於公共安全機構或執行關鍵性任務之緊急環境中使用 (dPMR更不用談) 。

在小於2.5 miles(英哩) 覆蓋範圍且不超過500個使用者時，得接受採用單點中繼集群模式(Single Site Trunking) 。

當然，任一個系統都須配合頻譜效率、完整的網路覆蓋範圍設計規劃，符合並確保可靠性(Reliability)要求、控制與管理性(Control and Management)和即時通信等其他條件予以選擇。

1.2 需求與設計方法基本評估:

根據APCO協會與Public Safety Wireless Network Advisory Committee建議，任一個P25系統之設計包括規劃和準備，資料收集工作，採訪需求資料和相關文件的分析，並分析最佳做法和經驗教訓。 在籌備過程中，規劃和推動的初始階段，必須包括識別該公共安全機構或執行關鍵性(Mission Critical)任務之功能和未來發展為依歸。

由於公共安全與關鍵性任務環境的動態性與不可預知/不可確定性，因此要確定最佳的系統與結構、管理和維護設計的P25無線電系統，往往是具有挑戰性和耗時、耗力的。因此，至關重要的是，在系統管理員級別的公共安全官員，最好配備合適的分析與規劃工具，以確定和辨別面臨的挑戰和關鍵考慮之功能。這些考慮分爲三個重點領域:技術領域和環境 (technical Environment)，經營環境(Operational Environment)，和政治舞臺上之因素(Political Arena)。總括來說，這些重點領域包括解決中繼集群模式無線電系統管理，提高互操作性，並最大限度地提高系統的效率的框架。

1.3 遵照標準設計:--- Follow and based on P25 standard design:

制定標準操作程序（SOP，standard operating procedures）並確認設計的系統架構與廠商提供的解決方案完全遵照APCO P25 相關標準設計(TIA-102)原則 ，且符合並提出P25 CAP (Compliance Assessment Program) 符合性評估認證和 SDoC (Supplier’s Declaration of Compliance) documents供應商符合性聲明文件到您的規劃設計或需求建議書中，至少包括System、Repeater、Fixed station、 Mobile/Portable subscribers等.

註 2: P25無線電設備應符合並通過P25之認證，稱為SOR (Statement of Requirements) 認證，以確認符合P25標準並可以它廠互連互通。SOR可參考http://tsiec.region49.org/SOR-2010.pdf

註 3:目前CAP & SOR並未涵蓋P25標準所制定所有的介面 (Interface) 和P25 Phase II (TDMA) ，但至少是目前最客觀並保證P25標準化相連互通之認證。

註 4:通過P25標準認證之廠商資訊可在網站上查詢通過P25認證之廠商與型號。https://www.rkb.us/search.cfm?typeid=5&subtypeid=710
 

1.4. 全面部署之前測試無線電系統功能--- Test Radio Features Before Full Deployment:

終端用戶的要求和執行關鍵性(Mission Critical)任務之功能或任務驅動的各種對無線電功能的需要是最重要的考量。爲了節省時間和金錢，系統管理人員可以在系統發包之前或系統評估時，與測試組/終端用戶人員測試某些無線電功能功能（例如: TalkGroup call service、Priority Call 、Emergency Call、the SCAN feature）。 測試組可聘請在日常的運作中使用無線電者進行測試，以確定這些功能的運作效能。在較大系統或全國性機構或大規模範圍內或執行關鍵性任務的用戶數量可能在數千至數萬用戶，相對於無線電功能的使用變化和運作效能，可能需要大量的資源投入，因此系統測試評估的做法是特別重要的。

1.5. 保持20％以上的系統通道與使用容量--- Maintain 20 Percent Excess System Channel Capacity:

中大型以上系統，有必要保持20％以上的系統通道與使用容量，以應付或即時反應臨時或緊急事件發生時之所需，並有助於緩解通道擁塞，並確保所有用戶都可以在緊急關鍵任務時維持通訊。

依據SAFECOM在消防單位回報之經驗: 保持20％以上的系統通道容量，允許在發生重大的火警時可確保所有用戶通信在系統內低於2％~5%的時間擁塞(Busy time)，且確保該系統用戶能夠在5秒鐘之內完成緊急通信。

1.6. 使用掃描功能，以配合回應跨轄區/跨單位事故--- Use the Scan Function to Respond to Cross-Jurisdictional Incidents Proactively:

執行關鍵性任務時大多可能在跨轄區/跨單位的應用系統環境中，因此政府公共安全機構，可在相容互操作性(Interoperability)的方法(功能)上積極取得鄰近地區或跨轄區/跨單位的通話群組掃描(scanning the talk groups)。掃描是在移動式(mobile)和手攜式(portable)用戶設備的基本或選項功能，但是，該功能需要安裝和額外的培訓。 某些類型和掃描功能的方法，將需要“制度的決定”(system policy decision)以及經營決策(operational decisions)的基礎上適當的培訓。 例如，當執行任務的用戶單位需要與周圍的司法管轄區的通話群組編程通信時，該事件的公共安全主管官員可以識別該緊急事件之需求，要求啓動鄰近司法管轄區的通訊聯繫。

1.7. 定期監測土地使用狀況和城市發展--- Regularly Monitor Land Use and Urban Development

此點在執行上並不容易，因為在現有都會區的土地開發(發展)或興建新的建築物，均對通信覆蓋有負面影響且依興建的建築物的類型而定的。例如，一些大範圍建築物群體或大面積建築物可能會阻止無線電信號傳輸或產生干擾並影響完整的網路覆蓋範圍設計規劃或影響其最佳化之實行。 此外，有可能原來的無線電中繼集群系統可能已被設計在一個干擾嚴重或通訊不發達的區域，因此無法提供移動式無線電設備完整的覆蓋範圍。

1.8 規劃支援類比/數位双模式運作以配合其他類比系統或與跨轄區/跨單位之類比系統互相通信--- Design to support Analog/Digital Dual mode operation

系統若在運作時有可能要與即存之類比無線電系統或其他跨轄區/跨單位之類比系統因任務執行需要而互相通信時;便需要規劃支援類比/數位双模式運作以利執行關鍵性任務時之協同任務與即時互相通信。

“類比/數位雙模式”意即可接收和發送類比或數位模式並由P25中繼站台(基地站台)自動偵測選擇操作（P25的數位模式或傳統類比FM操作模式），如果它認爲這該通信將在數位模式下運行便以數位模式與P25數位終端設備( P25 Mobile or Portable手/車機)通訊，否則它會以類比模式與傳統類比無線電終端設備(Analog Mobile/Portable)通訊。

1.9. 規劃P25 中繼集群系統時應設計支援分散式比較器Voting System--- Design to support Distributed Voting for P25 trunking system

對於移動式(mobile)和手攜式(portable)用戶設備而言，系統在運作時應具備漫遊功能(Roaming)以使該移動式或手攜式用戶設備自動轉移通訊(接收/傳送訊號)至最佳的鄰近P25中繼站台(基地站台) ，而比較器(Voting System)則提供通訊系統中中繼站台訊號強度比較的功能，所有中繼站台(基地站台) 接收的訊號經由廣域網路或IP網路傳輸至比較器進行分析與選擇最佳的訊號(QoS Signaling) ，並由比較器判斷該移動式或手攜式用戶設備在該涵蓋區域內的所有中繼站台(基地站台)接收機所接收的訊號狀況，來選擇與決定由那一個中繼站台(基地站台)提供服務。當該服務接收的訊號狀況低於一個預先定義的水平時，比較器會再進行分析與選擇最佳訊號中繼站台(基地站台) 提供服務，如此循環以確保該移動式或手攜式用戶設備在漫遊時一直擁有最佳的訊號與通訊功能。

在P25中繼集群系統中此比較器系統可能必須配備至每一個站點(Site, Each site may have multiple channels) 每一個站點有多個通道，在每一個站點提供訊號比對Votes 並由訊號最佳的站點提供該移動式或手攜式用戶設備在該區域內的服務，如此可以提供在完整的中繼集群系統漫遊功能，故稱為分散式比較器系統(Distributed Voting System) 。

比較器設計的基本原則:

(1). 話務派遣系統(Console/Dispatch)總是第一優先

(2). 緊急呼叫(Emergency call)和最高優先順序(Priority call)之話務優於其它普通話務

(3). 傳統類比呼叫永遠排在數位模式呼叫之後

(4). 語音呼叫(Voice call)總是優先於數據資料(Data traffic)傳輸流量

2.本節介紹與無線電運作或經營環境有關的基本考量和做法。爲了幫助引導瞭解，考慮分割有以下幾種: 通話群組組織(Talk Group Organization) 、系統管理(System Administration) 、互操作性(Interoperability)和教育訓練(Training)。

2.1. 通話群組組織之規劃原則Talk Group Organization

(1).     讓終端用戶(使用者)參與規劃和定義” 通話群組” Involve the User Community in Planning

終端用戶應積極參與群組編組和整體組織編制的發展以配合無線電通信” 通話群組”之規劃設計，並可確保滿足各種無線電通信需求。

用戶將因此獲得一個機會可以更好地瞭解一個P25無線電系統上的通信如何發生的，如何才能實現互操作性以及發揮更好效益。 此外，用戶將因此更能接受新的系統與運作，並誘導其他終端用戶配合新系統方面的發展變化。系統管理員應協調從每個部門或機構選出終端用戶代表而組成用戶群體代表參與規劃。

(2).     定義基本和整體通話群組編組和組織編制Define a Default Fleet Map

在每一個無線電通信傳輸，各個用戶單位元和中央控制中心(Control center)是使用與規劃ID的第一步。分配ID的過程被稱爲團隊映射(Fleet mapping)或稱功能任務編組。

一個ID是由典型的十六進制數字組成的，並定義出系統ID (System ID) 、通話群組ID(TalkGroup ID)和單位(Unit)或個人ID(Individual)。

通話群組編組主要應根據用戶的業務需求和任務，而並非單純的組織結構。無線電管理人員可能會發現，在規劃一個更詳細的通話群組編組計劃之前先定義團隊映射(功能任務編組) 將會更有助於整體通話群組編組規劃。在時系統發生問題時，用戶單位的群組可由功能任務編組恢復到基本組織結構編組。而在基本組織結構編組下，可支援的基本操作。

(3).     制定一個標準化且跨領域的群組編組Develop a Standardized Fleet Map Template Across Domains

一個標準化跨領域的基本群組編組，有助於降低無線電重新設定/編程(Re-programming)工作並簡化未來的設定/編程工作，節省時間和金錢。此外，如果無線電有一個標準的群組編組，那麽任何用戶應能夠有效地從系統上的任何無線電通話群組的順序執行標準化操作。

(4).     定期檢討功能任務編組和改善群組編組計劃Regularly Review Fleet Maps and Talk Group Plans

更新和修訂功能任務編組和通話群組編組計劃有助於確保該系統是最有效的方式經營和運作。更新和修訂審查應每年進行一次或每兩年一次，取決於系統的規模和複雜性。 在審查期間，系統管理員分析系統的統計資料、大規模的人員任務編組或人事變動、通信擠塞情況、跨系統共用狀況以及地理因素等作為改善的基礎。

2.2系統管理之規劃原則System Administration

(1).     制定災難備援與復原計劃Develop a Disaster Recovery Plan

由於潛在災害的預測能力是有限的，系統安裝實施之前公共安全機構應制定和實施災難備援/復原通信計劃。例如，如地震或颱系統實施之前風等自然災害是不可預測的生命和財産構成了相當大的威脅。 因此，公衆安全的機構應該有一個備份通信計劃，該計劃將允許公衆安全官員履行(執行)其職責，當主系統“離線”或”故障”時，機構不應該等待一個新的通信系統或緊急制定災難恢復計劃，而是立即實施難備援/復原通信計劃。2003年5月15日起，在美國的陸地移動無線電通信系統已經實施公共安全機構的災難備援/復原通信計劃，以確保公衆安全官員履行(執行)其災難備援與復原計劃職責並保障公衆的生活與生命安全。

(2).     告知系統升級調度Inform Dispatchers of System Upgrades 
(3).     創建一個區域的新聞集團Create a Regional News Group
(4).  監控系統的統計Monitor System Statistics

未完待續..............................

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