1.1 Introduzione
Questo documento descrive le tecnologie utilizzate per l’utilizzo ed il controllo remoto di diversi canali radio in una moderna centrale operativa, focalizzando l’attenzione sul sistema RoIP (Radio control over Internet Protocol), ovvero il controllo radio utilizzando le tecnologie delle reti IP.
Il RoIP è una applicazione particolare di VoIP (Voice over Internet Protocol), che raccoglie una serie di tecniche più generiche.
Nelle tradizionali centrali operative che impiegavano console di controllo, matrici analogiche e adattatori radio era prevista una connessione analogica a 5 fili tra ogni console ed ogni radio. Inoltre ogni console che voleva controllare più di una radio necessitava di un collegamento in parallelo per permettere a differenti postazioni operatore di controllare la stessa radio.
Per sistemi di grandi dimensioni con molte postazioni di controllo e molti canali radio, venivano
interposte matrici analogiche di interconnessione (o di commutazione) che però presentavano limiti
fisici, richiedevano cablaggio strutturato e costi non trascurabili.
La soluzione basata su una rete IP risolve molti di questi problemi ed offre nuovi servizi non
precedentemente implementabili.
1.1.1 Il protocollo RoIP
La rete Ethernet ha avuto il sopravvento sulle altre tecnologie per le reti di dati; in qualsiasi negozio di informatica si possono trovare molti dei componenti per reti di dati cablate o senza fili. Per esigenze più avanzate, aziende specializzate offrono soluzioni adeguate utilizzando apparati di rete specializzati quali router o switch di layer 3.
Questa sezione presenterà brevemente i protocolli di comunicazione che operano sulle reti Ethernet.
Essendo il RoIP (Radio control over Internet Protocol) un insieme minimale di funzioni offerte dal VoIP (Voice over Internet Protocol), nel testo si farà riferimento al più generico VoIP. Il VoIP è una tecnologia che permette la trasformazione di audio analogico in pacchetti di dati che possono essere trasmessi su una rete di calcolatori. A causa della natura a pacchetti delle reti Ethernet, l’audio è generalmente tagliato in frammenti della durata di 10-40 ms, compressi, e trasferito su Ethernet. I nodi della rete sono quindi liberi di scegliere se utilizzare o ignorare questi pacchetti. Se ci interessa un particolare flusso audio, il flusso di pacchetti è catturato, decompresso, riconvertito in analogico, e modulato da altoparlanti.
Data la popolarità delle reti basate su Ethernet, molte aziende e organizzazioni dispongono già di una rete di questo tipo (come le LAN – Local Area Network). Oltre a queste, un grande numero di aziende fruisce delle reti estese (WAN – Wide Area Network) per collegare siti a grande distanza fra di loro. Le connessioni WAN possono per esempio essere utilizzate per collegare tra di loro uffici o siti in giro per il mondo. Probabilmente il miglior collegamento fra due siti già esiste e spesso i collegamenti WAN sono meno costosi rispetto all’affitto di linee analogiche e possono trasportare più di una conversazione contemporaneamente.
Il motivo fondamentale per basare il prossimo sistema di controllo sulla rivoluzionaria tecnologia VoIP è la semplificazione dei collegamenti : invece di posare più cavi per ogni canale e per ogni console di controllo, basta un solo collegamento Ethernet per gestire un numero teoricamente infinito di canali.
Ne consegue che tutti i canali radio sono quindi accessibili virtualmente da qualsiasi luogo sia presente una connessione a banda larga anche di tipo wireless (LAN,WLAN,WAN) all’interno o all’esterno della centrale operativa.
1.1.2 Ethernet come livello fisico
Ethernet stesso è una rete e dispone di meccanismi di basso livello per trasferire dati da una
postazione ad un’altra. La sorgente e la destinazione vengono definite da un indirizzo “MAC address”, attribuito di fabbrica all’interfaccia Ethernet. Gli indirizzi MAC sono unici al mondo per ogni dispositivo;
un organizzazione internazionale, la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), gestisce l’assegnazione degli indirizzi MAC. La definizione di Ethernet include i requisiti per la comunicazione alle differenti velocità, 10Mbps, 100Mbps o più.
Su questo protocollo base poggiano protocolli di livello superiore, come IP (Internet Protocol).
1.1.3 TCP/IP e UDP/IP
TCP/IP è il protocollo maggiormente noto nell’ambito della comunicazione fra calcolatori. Offre un
metodo per il trasferimento garantito di dati, ed è la base della comunicazione WWW (World Wide
Web) su Internet. E’ garantito in quanto per ogni pacchetto di informazione trasmesso da un calcolatore ad un altro viene generata una conferma del pacchetto; aggiuntive forme di accordo e controllo intercorrono fra i due capi della comunicazione. A causa di questi controlli sulla connessione, TCP/IP aggiunge una serie di ritardi e dati aggiuntivi, non desiderabili nel caso di traffico audio in tempo reale.
Ed è qui che UDP/IP entra in gioco.
UDP/IP è stato pensato assieme a TCP/IP, come sua alternativa per la trasmissione di dati senza
ritardi. La comunicazione è inaffidabile nel senso che un pacchetto di dati inviato da un calcolatore non riceve conferma dell’avvenuta ricezione, e quindi non viene trasmesso di nuovo. Eventuali perdite di pacchetti sono in genere un problema; tuttavia nel caso del VoIP, la perdita di un pacchetto comporta la perdita di soli 10-40 ms di audio, una frazione di tempo poco influente alla comprensione della voce.
Inoltre esistono varie tecniche per correggere eventuali parti di voce mancanti, rendendo difficile per l’orecchio umano notare l’errore.
La causa più comune alla perdita di pacchetti UDP/IP è il carico eccessivo di dati su una rete mal
concepita; una volta che la rete è adeguatamente progettata, non si riscontrano evidenti perdite di
pacchetti.
UDP/IP, grazie alla mancanza di ritardi dovuti al controllo del traffico ed al suo utilizzo con il Multicast, è quindi il protocollo su cui si basano le comunicazioni VoIP.
1.1.4 Multicast UDP/IP
Il Multicast può essere visto come un’estensione al protocollo UDP/IP. Esso permette ad un calcolatore di specificare come destinatario di un pacchetto di dati non un solo punto, ma un insieme di calcolatori.
E’ il modello congeniale alla comunicazione con le radio quando diverse persone devono poter ricevere contemporaneamente: un’unica radio collegata tramite il VoIP può essere configurata per inviare pacchetti VoIP di tipo Multicast ad un gruppo di destinatari. Siccome i pacchetti UDP/IP possono essere ricevuti da tutti, ogni console che controlla i flussi audio può ricevere e decodificare i pacchetti per l’ascolto. Oltre a semplificare il controllo del traffico audio da diverse console, il Multicast riduce fortemente le richieste di banda per la rete: infatti invece di dover rigenerare il flusso di pacchetti UDP/IP ricevuto per ritrasmetterlo alle altre console, che occuperebbe la larghezza di banda del flusso moltiplicata per le console riceventi, un unico flusso di dati viene ricevuti da ogni console. L’impiego del Multicast richiede che i dispositivi riceventi dell’infrastruttura di rete supportino tale protocollo.
I pacchetti Multicast sono pacchetti UDP/IP normali, sennonché l’indirizzo IP di destinazione è
compreso fra 224.0.0.0 e 239.255.255.255. Alcuni di questi indirizzi sono già occupati da flussi audio broadcast su internet. Quando un calcolatore apre una porta UDP/IP per uno di questi indirizzi, entra logicamente a far parte di un gruppo di calcolatori; questo particolare indirizzo IP specifica il gruppo.
Per notificare la sua presenza all’infrastruttura di rete, che deve fargli pervenire i pacchetti di tal gruppo, il calcolatore invia un pacchetto broadcast a tutti notificando il gruppo di cui fa parte. Il protocollo utilizzato per questi pacchetti di servizio si chiama IGMP (Internet Group Management Protocol). Gli apparati e l’infrastruttura di rete devono quindi essere compatibili con il Multicast. Gli apparati utilizzati nel presente progetto supportano IGMPv1, definito nell’RFC 1112.
Oltre a far parte di gruppi Multicast, i calcolatori della rete possono specificare un TTL (Time To Live); esso è il numero di router o altri apparati di rete che i pacchetti possono attraversare prima di fermarsi.
Facciamo un esempio impostando il TTL di un flusso di pacchetti Multicast a 2. Una volta che il
pacchetto è inviato, giunge ad un primo router; esso esamina il valore di TTL, e se non è 0, lo
ritrasmette, decrementandone però il valore. Incontrando un secondo router, il valore di TTL è 1, e
quindi viene di nuovo ritrasmesso decrementandone il valore. Al terzo router che il pacchetto incontra, il
suo campo TTL è 0, e quindi viene scartato. Impostare quindi il valore di TTL per i pacchetti di un
gruppo Multicast è un’operazione importante: incrementare il valore permette in una vasta rete di
comunicare da una parte all’altra, ma ingrandisce i requisiti di banda dovuti ad un numero maggiore di
pacchetti in transito.
1.2 I prodotti IDAS
Gli apparati oggetto del presente documento sono i prodotti IDAS della multinazionale ICOM, di cui Marcucci ne è unico distributore per l’italia
La linea Idas RoIP comprende una vasta gamma di prodotti. Nella descrizione del presente documento si prenderanno in considerazione i tre principali prodotti,
descritti nei capitoli seguenti.
IC-FR5100 : Matrice RoIP di interconnessione (Radio controller)
CT-24 : Interfaccia audio (Vocoder)
RC-FS10 : Posto operatore (PC Software Console)
1.2.1 Adattatore RoIP
Il principale vantaggio di un sistema di controllo RoIP è la modularità, che permette in maniera
estremamente flessibile di creare una matrice di controllori radio capace di gestire e interconnettere da un minimo di due apparati fino a teoricamente infiniti apparati radio ricetrasmittenti.
L’adattatore radio ct-24 è un’interfaccia affidabile e sicura per controllare due apparati radio
remoti tramite collegamento IP. L’adattatore può essere gestito da una centrale operativa VoIP
mediante console software per Windows RC-FS10;
la programmazione del modulo si effettua tramite la sua interfaccia web.
L’RC-FS10 si connette ai posti operatore (locali o remoti) con qualsiasi connessione LAN/WAN
disponibile: basta connettere un cavo standard 10/100 all’unità ed assegnare un indirizzo IP.
1.2.1.1 Funzionamento
| Mediante questa unità è possibile realizzare una rete che collega tra loro diversi ponti ripetitori IDAS utilizzando connessioni IP, estendendone così il raggio di comunicazione pressochè ovunque. I normali terminali radio IDAS, IC-F3162D/F4162D e IC-F5062D/F6062D, possono essere utilizzati nella rete radio IP convenzionale senza alcuna modifica hardware o software.Fino a 16 ripetitori IDAS collegabili tramite una rete IP o 48 siti in una rete trunking multisito. L’UC-FR5000 è lo strumento che consente la possibilità di interfacciare i ripetitori IC-FR5100/FR6100 con una rete IP: in una rete di questo tipo due semplici radio portatili potranno parlare tra loro anche se distanti migliaia di km, mantenendo tutte le funzionalità IDAS, quali chiamate individuali e di gruppo, messaggi di stato ecc. |
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| Ridotta larghezza di banda utilizzata Grazie all’utilizzo del protocollo di compressione del vocoder AMBE+2TM, la larghezza di banda necessaria per una comunicazione voce è, in teoria, di soli 13kbps. Ciò significa che una linea DSL con indirizzo IP fisso è sufficiente per realizzare un link tra ripetitori IDAS e può sostituire una linea dedicata o un link a microonde. |
| Sistema integrato per una semplice installazione Le radio IDAS e le funzionalità della rete IP sono progettate come sistema integrato a sè stante; l’introduzione e l’installazione di una rete IDAS IP è estremamente semplice. E’ necessaria solamente l’unità UC-FR5000 controller di rete opzionale, che dev’essere installata nei ripetitori IC-FR5100/FR6100: non è richiesto alcun server di controllo e/o spazio aggiuntivo nel rack di installazione. Inoltre, tutte le impostazioni del ripetitore e della rete possono essere gestiti e monitorati in modo remoto mediante un PC connesso via IP. Nota: La funzionalità di rete IP in modalità IDAS Trunking sarà prossimamente disponibile. |
| Esempi applicativi di rete mediante IP:
Link di comunicazione tra postazioni distanti. Soluzione in-building e intra-building. Postazione base remota via rete IP.
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1.2.2 Interfaccia fonia di posto operatore CT-23
CT23 è l’interfaccia fonia per ogni PC che converte il segnale audio proveniente dai microfoni HM-152 e SM-26 (connettore RJ-45) ed i segnali PTT inun connettore jack stereo da 3,5 mm per la connessione ad un PC con software radio virtuale. Fornito con cavetto intestato con connettori jack stereo.
1.2.3 Console Software RC-fS10 per posto operatore
Il kit per radio virtuale RC-FS10 consiste in un convertitore della voce in digitale (Vocoder) CT-24 e in un pacchetto software di comunicazione remota per PC con
sistema operativo Windows®.
Il convertitore di voce in digitale CT-24 è dotato di connessione USB e converte l’audio analogico proveniente da un microfono per PC in un segnale digitale compatibile con il protocollo IDAS: il software di comunicazione remota non può funzionare se il CT-24 non è connesso al PC.
Con l’adattatore opzionale CT-23 per microfoni con PTT, possono essere utilizzati i modelli ICOM HM-152 (da palmo) o SM-26 (da tavolo); in alternativa possono essere utilizzati normali accessori per comunicazioni VoIP. Il CT-23 converte e trasferisce l’audio ed i segnali del PTT provenienti dal microfono ad un connettore jack stereo da 3,5 mm per la connessione alla scheda audio installata sul PC, contemporaneamente fornisce l’alimentazione al microfono stesso.
Tutte le funzionalità di comunicazione IDAS, quali chiamate individuali, di gruppo,
codici di stato, ecc., possono essere utilizzate con il software di comunicazione
remota (radio virtuale).L’invio e la ricezione di brevi messaggi di dati e di messaggi di stato viene enormementesemplificato mediante l’utilizzo di questo software. Il canale operativo
del ripetitore IDAS IP connesso può essere controllato dal software RC-FS10.
E’ possibile programmare nel software fino ad 8 ripetitori IDAS.Il software RC-FS10 può trasmettere ad un solo ripetitore alla volta.E’ richiesto un CT-24 per ricevere ogni ripetitore connesso, quindi, il controllo di8 ripetitori richiede l’utilizzo di 8 CT-24; a sua volta, ogni ripetitore può esserecontrollato da 8 radio virtuali remote diverse.
1.3 Centralizzazione delle comunicazioni attraverso ADSL
Al fine di centralizzare le operazioni di comunicazione provenienti dalle varie stazioni remote su una (o più) Centrali Operative, è possibile far transitare il traffico voce over IP degli impianti radio, attraverso il sistema IDAS, che consente di far convergere la comunicazione PMR su infrastruttura basata su IP, attraverso rete ADSL.
Il sistema proposto infatti prevede sulle stazioni remote esistenti, la connessione alla linea ADSL locale tramite modulo UC-FR5000. La presenza di Router connesso ad una linea ADSL su ciascuna delle postazioni remote, consente di trasferire le comunicazioni radio in WAN con tecnologia VoIP alla Centrale Operativa remota o la stazione base di Riserva dislocata nel territorio.
La Centrale deve anch’essa disporre di connessione ADSL e relativo Router per ricevere il traffico dati proveniente dalle stazioni remote.
1.3.1 Requisiti delle connessioni ADSL
Un flusso audio attivo (half-duplex) tra gli apparati ICOM utilizza una banda di 50kbps in multicast,
diviso in pacchetti da 20ms. Per riuscire a trasportare i pacchetti UDP multicast su ADSL è necessario utilizzare il protocollo mGRE (multipoint Generic Routing Encapsulation), offerto ad esempio dai router Cisco serie 1800, che include 2 porte 10/100 e un modem ADSL su linea telefonica. Considerando l’overhead introdotto dal mGRE, un flusso audio half-duplex occupa sull’ADSL 59.4kbps.
Questo vuol dire che l’ADSL presso la sala operativa deve essere dimensionata in modo opportuno:
sono necessari, in caso di ricezione simultanea, ad esempio da N°10 Uc-FR5000 collegati, fino a 594kbps di traffico netto in download. Con l’ISP fornitore della connettività ADSL sarà necessario concordare un piano che preveda una banda garantita di traffico UDP in download che sia almeno quella indicata.
La banda in upload deve essere quella necessaria a trasmettere un flusso audio verso un Uc-Fr5000 alla volta, per cui la banda garantita deve essere di almeno 59.4kbps di traffico UDP.
La connessione ADSL (dove sono poste le base station radio), se il traffico multicast
deve raggiungere solamente una sala operativa e ricevere solo da questa, deve garantire almeno
59.4kbps di traffico UDP sia in upload che in download.
Si noti che tutti gli inidirizzi IP delle linee ADSL devono essere pubblici e statici, in quanto la
configurazione dei tunnel mGRE si basa su soli indirizzi IP. Inoltre i requisiti di banda indicati sono
quelli minimi teorici, è meglio sovradimensionare le linee ADSL in accordo con gli ISP.