TETRA

TETRA (terrestrial trunked radio, ursprünglich trans european trunked radio) ist ein Standard für digitalen Bündelfunk. Er ist als universelle Plattform für unterschiedliche Mobilfunkdienste gedacht. Mit TETRA lassen sich Universalnetze aufbauen, über die der gesamte betriebliche Mobilfunk von Anwendern wie Behörden, Industrie- oder auch Nahverkehrsbetrieben abgewickelt werden kann.

Behördenfunk wurde bis Ende der 1980er Jahre weltweit mit Analogfunk betrieben. Der Mitte der 1990er Jahre entwickelte TETRA-Standard wird in mehreren europäischen und außereuropäischen Ländern in Form landesweiter BOS-Netze oder in lokaler Abdeckung von verschiedenen Anwendern genutzt. TETRA stellte ursprünglich eine Initiative von Netzbetreibern als Antwort auf eine ernste Wettbewerbsbedrohung durch GSM gegen deren analogen Netze dar. Daneben besteht als zweiter Digitalfunkstandard Tetrapol von EADS, der ursprünglich für die französischen BOS entwickelt wurde und heute im gleichen Spektrum wie TETRA im Einsatz ist.

Die Technik

TETRA ist als Zeitmultiplex-System (TDMA) mit vier Zeitschlitzen von jeweils 14,167 ms Länge pro Trägerfrequenz spezifiziert. Der Abstand zwischen den einzelnen Trägerfrequenzen beträgt, abhängig von der gewählten Modulationsart, 25, 50, 100 oder 150 kHz. TETRA nutzt, durch die Aufteilung jedes Kommunikationskanals in eine Uplink- und eine Downlink-Frequenz, das Frequenzmultiplexverfahren.

Die Frequenzökonomie wird wesentlich bestimmt durch

• die Bruttodatenrate des Übertragungskanals
• den Frequenzwiederholabstand (Abstand zwischen zwei Basisstationen, die dieselbe Frequenz verwenden)
• den Gleichkanalstörabstand (Pegelunterschied zwischen zwei Signalen mit derselben Frequenz von zwei verschiedenen Basisstationen, bei dem störungsfreier Betrieb möglich ist).

Unter Berücksichtigung dieser Faktoren hat eine Untersuchung der CEPT dieselbe Kapazität und Frequenzökonomie für GSM und TETRA ergeben, da beide Systeme nahe am theoretischen Limit arbeiten, das durch die Energie pro Bit und den Störpegel bestimmt wird.

Die möglichen Modulationsarten der Trägerfrequenz sind π/4-DQPSK oder π/8-D8PSK bei Verwendung von Phasenmodulation, 4-QAM, 16-QAM oder 64-QAM bei Verwendung von Quadraturamplitudenmodulation.

Ein Zeitschlitz einer phasenmodulierten Trägerfrequenz kann Nettobitraten von 2,4 kbit/s, 4,8 kbit/s und 7,2 kbit/s bei Verwendung von π/4-DQPSK und 10,8 kbit/s bei Verwendung von π/8-DQPSK zur Verfügung stellen. Sprache wird in einem Kanal mit 7,2 kBit/s übertragen. Sprache wird entweder mit einem speziellen TETRA-CODEC oder einem AMR-Codec mit einer Bitrate von 4,75 kbit/s übertragen. Bei dem TETRA-Codec handelt es sich um einen speziell parametrierten ACELP-Codec, der AMR-Codec entspricht dem für GSM und UMTS spezifizierten Codec.

Die Betriebsarten

TMO
Trunked Mode Operation (Netzmodus, Gegensprechen), bei dem zwei oder mehr Funkgeräte über die Infrastruktur kommunizieren. Die Reichweite ist dabei nicht an den Einsatzort gebunden, alle Teilnehmer können sich innerhalb des Netzes, zur Not auch bundesweit, bewegen.

Im TMO gibt es zwei Verkehrsarten:

• Gegensprechen (Duplex-Betrieb), zwei Teilnehmer sprechen miteinander wie im Telefonnetz. Diese beansprucht stark die Ressourcen des Funknetzes, da jeder Teilnehmer einen eigenen Zeitschlitz benötigt.
• Bedingtes Gegensprechen, alle Teilnehmer eines Funkkreises sprechen wie gewohnt untereinander. Eine Sprechgruppe belegt während einer Übertragung einen Zeitschlitz, vergleichbar einem analogen Funkkanal.

DMO
Direct Mode Operation (Direktmodus bzw. Wechselsprechen), bei dem zwei oder mehr Funkgeräte ohne Verwendung einer Basisstation und unabhängig vom Netz miteinander kommunizieren können, vergleichbar dem Wechselsprechen im Einsatzstellenfunk nach herkömmlicher Bezeichnung.

Dies ist an zwei Punkten von Interesse:

• beim Aufbau des Netzes an Orten mit noch vorhandenem Funkloch.
• bei Inneneinsätzen in Gebäuden ohne Gebäudefunkanlage.

Es ist möglich ein einzelnes Funkgerät als mobile Relaisstation für andere Geräte einzusetzen. So kann ein Gerät im Fahrzeug als Relais die Funkversorgung der Handfunkgeräte an einer Einsatzstelle sicherstellen, ähnlich der bisherigen Verwendung des FuG-9c mit RS-1 Schaltung.

Es ist weiterhin möglich ein Endgerät als Gateway zu verwenden, so dass ein Fahrzeugfunkgerät an einer abgelegenen Einsatzstelle mit schlechter Funkversorgung eine Verbindung für örtliche Handfunkgeräte im DMO zum entfernten Funkturm in TMO herstellt. So kann der Einsatzleiter vor Ort noch die Leitstelle erreichen, vergleichbar einer großen Relaisstelle in RS-2-Schaltung.

Nachteil des DMO sind die relativ langen Aufbauzeiten eines Gespräches. Spontaner, schneller Funkverkehr wie von der analogen Technik bekannt, ist mit DMO nur bedingt möglich, nachdem ein Gespräch aufgebaut wurde. Auch besteht keine Information darüber ob die Gegenstelle erreicht wurde, wie es bei TMO der Fall ist. Das Gerät, das eine Kommunikation beginnt muss zunächst überprüfen ob der verwendete Kanal frei ist, wenn ja, wird er belegt und eine Präambel gesendet um andere Funkteilnehmer 'zu wecken'. Hierin wird u.A. die Information der gewählten Sprechgruppe und die eigene Kennung übertragen. Schließlich erfolgt nach 1-2 Sekunden der Freigabeton bei dem Funkgerät, das das Gespräch begann. Jetzt kann der Nutzer einsprechen. Besteht eine Verbindung kann schnell, abwechselnd gesprochen werden. Sobald die Nachlaufzeit (die Zeit nach der letzten Sendertastung eines Teilnehmers) abgelaufen ist, beginnt der gesamte Rufaufbau wieder von vorn. Diese Rufaufbauzeiten verlängern sich noch einmal bei Verwendung eines Gateways, da dieses zusätzliche Prüfungen und Signalisierungen in das Funknetz vornehmen muss. DMO kann nur als Not- oder Übergangslösung betrachtet werden oder als Lösung für Gespräche bei der der Faktor Zeit keine Rolle spielt.

Für Gegensprechen (Duplex-Betrieb) wird bei TETRA das "Time Division Duplex"-Verfahren eingesetzt. Dabei wird die Sprache zeitlich so komprimiert, dass eine kontinuierliche Zweiwegkommunikation über zwei versetzte Zeitschlitze auf derselben Frequenz möglich ist. Parallel dazu kommt natürlich auch der im trunking mode TMO übliche Frequenzmultiplex zum Tragen; ein TETRA-Endgerät sendet i. d. R. auf der tieferen Frequenz und empfängt auf der höheren Frequenz des Kanalpaares. Die Notwendigkeit für einen Duplexer wird beim Endgerät dennoch vermieden, eben durch den gerade erwähnten zeitlichen Versatz der Zeitschlitze für Senden und Empfangen. Der Digitalfunk zeichnet sich gegenüber dem Analogfunk dadurch aus, dass er verschlüsselt und dadurch relativ abhörsicher ausgelegt werden kann. Die hier erreichte Sicherheit gegen Abhören ist vom benutzten Verschlüsselungsverfahren und der Sicherheit der dabei verwendeten kryptografischen Schlüssel abhängig. Das in einigen Komponenten redundante System verfügt, im Vergleich zu GSM, über eine verbesserte Ausfallsicherheit.

Die Datenübertragung

Zur Datenübertragung im TETRA-Netz können ein bis vier Zeitschlitze zusammengefasst (multislot packet data) werden. Damit ist Datenübertragung bis zu 28,8 kBit/s möglich (Bruttodatenrate). In der Praxis werden Datenraten bis zu 10kBit/s auf Anwendungsebene erreicht. Dieses ermöglicht den direkten Zugriff auf Anwendungen wie z.B. das Verkehrszentralregister.

Die damit erreichten Bandbreiten sind heutzutage nicht mehr zeitgemäß; der bei Definition des Standards in den 1990er Jahren vollmundig gepriesene schnelle Zugriff auf Bild- und Videodaten per TETRA hat sich durch die Entwicklung anderer mobiler Datenübertragungsverfahren wie EDGE, UMTS und WLAN und der mit diesen erreichten Übertragungsraten stark relativiert.

Die derzeit wohl aussichtsreichste Möglichkeit, diese Datenübertragungsrate zu erhöhen, ist der von der EADS entwickelten TETRA Enhanced Data Service. Bis zu 300 kBit/s sind mit diesem System möglich, was etwa einer Verzehnfachung der Geschwindigkeit bedeutet. Damit könnten auch visuelle Informationen wie Karten, Digitalbilder oder Videosequenzen übertragen werden, was die Reaktionszeit von Polizei, Feuerwehr oder Rettungsdiensten beschleunigen soll.

Aufbau des TETRA-Funknetzes

Adressierung der Endgeräte

Jedes TETRA-Endgerät besitzt eine TSI (TETRA Subscriber Identity). Diese besteht aus einem 48-Bit-Code. Jedes Gerät hat eine einmalige TSI, ähnlich einer MAC-Adresse bei einer Netzwerkkarte. Die TSI ist in 3 Bereiche eingeteilt. MCC (Mobile Country Code), MNC (Mobile Network Code) und SSI (Short Subscriber Identity). Mit den 48 Bit (Binärstellen) könnten theoretisch über 281 Billionen Funkgeräte adressiert werden. Jeder Mensch auf der Welt könnte dann in etwa 45.000 Funkgeräte besitzen. Der Mobile Country Code besteht aus 10 Bit und kennzeichnet die Länder der Welt, z. B. Deutschland 262. Der Mobile Network Code besteht aus 14 Bit und kennzeichnet Netze innerhalb eines Landes. Die Short Subscriber Identity besteht aus 24 Bit und kennzeichnet Teilnehmer und Systembestandteile innerhalb eines Netzes. Es existieren dabei vier verschiedene Typen von SSIs:

• Die ISSI (Individual Short Subscriber Identity) kennzeichnet ein Endgerät innerhalb eines Funknetzes eindeutig. (z. B. TETRA Meldeemfänger (TME))
• Die GSSI (Group Short Subscriber Identity) kennzeichnet eine Gesprächsgruppe innerhalb eines Funknetzes.
• Die ASSI (Alias Short Subscriber Identity) wird für die Adressierung fremder Netzteilnehmer verwendet.
• Die vierte Gruppe stellen die TETRA-Systemadressen dar.

Sicherheit

Durch die TSI ist es möglich, jedes Endgerät zu identifizieren. Um sich in das TETRA-Netz einzuloggen, muss die TSI in diesem Netz gültig sein. Ist sie das nicht, hat der Teilnehmer keinen Zugriff auf das TETRA-Netz. Dieses ist vergleichbar mit einer Whitelist von MAC-Adressen in einem Router.

Je nach Anwender kommen verschiedene Verschlüsselungen zum Einsatz, wobei die Hardware immer gleich ist. Es kommen nur unterschiedliche Algorithmen im Gerät zum Einsatz. Die Kurzform TEA kommt von „TETRA Encryption Algorithms“. Es gibt drei verschiedene Verschlüsselungsklassen:

• Class 1, unverschlüsselt
• Class 2, verschlüsselt mit statischen Schlüsseln (SCK-Static Cipher Keys)
• Class 3, verschlüsselt mit dynamischen Schlüsseln (DCK-Dynamic Cipher Keys)

Für Security-Class 2+3 können dann folgende Verschlüsselungsalgorithmen Anwendung finden:

• TEA-1, industrielle Verschlüsselung für EU-Länder
• TEA-2, Behördenverschlüsselung für EU-Länder
• TEA-3, Behördenverschlüsselung für Drittländer
• TEA-4, industrielle Verschlüsselung für Drittländer

TEA-2 darf nur für Sicherheits- und militärische Aufgaben innerhalb von Schengen-Staaten eingesetzt werden, ein Export in Drittländer ist verboten.

Quelle: Wikipedia.de (1.November 2011)