Terrestrial Trunked Radio

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.

Geschichte

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.

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^[1].

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. Abhängig von der Modulationsart und der Kanalbandbreite ergeben sich die folgenden Bruttobitraten pro Trägerfrequenz^[2]:

Bruttobitraten in kbit/s

Modulation	25 kHz	50 kHz	100 kHz	150 kHz
π/4-DQPSK	36,0
π/8-DQPSK	54,0
4-QAM	38,4	76,8	153,6	230,4
16-QAM	76,8	153,6	307,2	460,8
64-QAM	115,2	230,4	460,8	691,2

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^[3].

Sprache wird entweder mit einem speziellen TETRA-CODEC oder einem AMR-Codec mit einer Bitrate von 4,75 kbit/s übertragen^[4]. Bei dem TETRA-Codec handelt es sich um einen speziell parametrierten ACELP-Codec, der AMR-Codec entspricht dem für GSM und UMTS spezifizierten Codec.

Der TETRA-Standard ermöglicht folgende 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.

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

Das TETRA-Funknetz ist technologisch zellular, Zellwechsel und damit Gesprächsweitergabe ist im gesamten Netz möglich. Die tatsächliche Zulässigkeit der Zellnutzung wird auf Verbindungsnetz-Ebene geregelt, hier kommen u. a. auch die Leitstellen ins Spiel. Das TETRA-Netz verhält sich im Prinzip wie ein IT-Netz, mit Nutzungsberechtigungen und -ausschlüssen sowie Möglichkeiten zur Zusammenschaltung von Benutzergruppen und -funktionen. Die Luftschnittstelle, also das eigentliche Funknetz, liefert dann nur noch den Zugriff (neudeutsch „Access-Network“) darauf. Diesen Netzmodus nennt man dann „Trunked Mode“, also vermittelten Modus. Die Fähigkeiten von TETRA-Endgeräten zum „Direktmodus“ und „Relais-Modus“ müssen durch entsprechende Frequenzplanung bzw. Kanalzuweisung im Netz berücksichtigt werden. Dies geschieht durch das Freihalten der Kanäle, die für DMO-Kommunikation vorgesehen sind. Da eine Vielzahl der Kanäle im grenznahen Bereich einer Frequenzkoordination mit unseren Nachbarländern unterliegt, reduziert sich die Anzahl der in diesen Gebieten nutzbaren Kanäle.

Adressierung der Endgeräte

Aufbau der TETRA Subscriber Identity

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.^[5] 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^[6].

Benutzte Frequenzen in Europa

BOS

Österreich 380–385 MHz (Uplink) 390–395 MHz (Downlink)^[7]

Deutschland 380–385 MHz (Uplink) 390–395 MHz (Downlink)

Weitere europäische Frequenzbänder

410 – 420 MHz (Uplink) 420 – 430 MHz (Downlink)

450 – 460 MHz (Uplink) 460 – 470 MHz (Downlink)

Weitere Frequenzbänder

300-MHz-Band in Russland

800-MHz-Band in Asien

Frequenzplanung

Die Fähigkeit von TETRA-Endgeräten vom „Relais-Modus“ zum „Direktmodus“ umschalten zu können, muss durch entsprechende Frequenzplanung bzw. Kanalzuweisung im Netz berücksichtigt werden. Dies geschieht durch das Freihalten der Kanäle, die für DMO-Kommunikation vorgesehen sind. Da eine Vielzahl der Kanäle im grenznahen Bereich einer Frequenzkoordination mit unseren Nachbarländern unterliegt, reduziert sich die Anzahl der in diesen Gebieten nutzbaren Kanäle.

Standard

TETRA ist ein ETSI-Standard (ETSI: Europäisches Institut für Telekommunikationsnormen). Die erste Version des Standards wurde 1995 veröffentlicht.

Die ETSI ist derzeit dabei, zusammen mit der amerikanischen TIA, einen Nachfolgestandard auf Breitbandbasis zu entwickeln. Das Projekt nennt sich MESA (Broadband Mobility for Emergency and Safety Applications)

Einsatz im privatwirtschaftlichen Bereich

TETRA ist im zivilen bzw. privatwirtschaftlichen Bereich bereits seit einiger Zeit im Einsatz: Gerade Industrie- und Verkehrsbetriebe haben den digitalen Bündelfunk als universelles innerbetriebliches Kommunikationsmedium, das die Funktionen eines Funkgerätes und Telefons in sich vereinigt, für sich in die nähere Anwendung genommen. In Deutschland sind vor allem Betriebe der Autoindustrie, Flughäfen sowie größere städtische Verkehrsbetriebe als Nutzer bekannt, letztere vor allem beim Aufbau funkgestützter Systeme (Automatic Vehicle Location Systems, AVLS). Auch betreiben einige Behörden des Bundes und der Länder erste eigene TETRA-Netze. Der Kölner Energieversorger RheinEnergie z. B. nahm bereits im Jahre 2004 den Digitalfunk in Betrieb. Dabei handelt es sich um ein Netz mit 20 Funkzellen. Auch das Ordnungsamt der Stadt Köln nutzt seit 2005 das Netz der RheinEnergie.

Die räumliche Ausdehnung kann sich auf ein Gebäude oder Gelände beschränken, erreicht teilweise aber auch ganze Ballungsräume mit ihrem Umland. Bereits im Jahr 2000 begann das Unternehmen Dolphin Telecom damit, ein bundesweites Netz nach TETRA-Standard aufzubauen, um dann interessierten Anwendern den digitalen Bündelfunk als Telekommunikationsdienstleistung zu verkaufen. Dies misslang, die Dolphin Telecom musste Ende 2005 Insolvenz anmelden.

Endgeräte-Anbieter

Im Gegensatz zum monopolistischen Tetrapol, bei dem es nur einen Hersteller gibt, führte der offene Standard bei TETRA zu einer Vielzahl von Herstellern.

• Pontypool, Großbritannien
• EADS mit zugekaufter Nokia TETRA-Produktreihe
• Finmeccanica
• Funk-Electronic Piciorgros GmbH
• Funkwerk AG
• HYT, Shenzen, China
• Motorola
• Rohde & Schwarz
• Selex
• Selkom GmbH Tetra Leitstellen
• Sepura
• Team Simoco
• Teltronic TETRA- Spanien
• Unimo, Seoul, Korea

Infrastruktur-Anbieter

• 3T Communications AG, Wien, Österreich
• Damm, Sønderborg, Dänemark
• EADS mit zugekaufter Nokia TETRA-Produktreihe
• Finmeccanica
• Nokia Siemens Networks (ehemals Siemens)
• Motorola
• Rohde und Schwarz
• Selex
• Teltronic TETRA, Spanien

Bücher

• Michael Marten: BOS-Funk 1; Vth; Auflage: 5., veränd. Neuaufl. 2005, ISBN 3-88180-616-4
• Michael Marten: BOS-Funk 2; Vth; Auflage: 11., veränd. Neuaufl. 2005, ISBN 3-88180-647-4
• Linde, Christof: Aufbau und Technik des digitalen BOS-Funks, Franzis Verlag, 2008 ISBN 3-7723-4216-7

Siehe auch

• BOSNET, Einzelheiten zum digitalen, deutschen Behördenfunknetz.
• Tetrapol, ein oft mit TETRA verwechseltes digitales Bündelfunksystem (v. a. Frankreich, Schweiz)
• APCO P25, ein in den USA entwickeltes digitales Bündelfunksystem

Weblinks

• TETRA Association
• Digitaler BOS-Funk – Information zum digitalen BOS-Funk
• www.tetranetz.at, Informationen von 144 Notruf Niederösterreich
• Reportage „Digitalfunknetze unter Spitzenlast – Funkexperten analysieren Großereignisse“, auf Heise-Mobil
• Faktenblatt TETRA, Bakom, Schweiz, 2001, (PDF-Datei; 102 kB)
• Messung der Immissionen elektromagnetischer Felder im Umfeld einer TETRA BOS-Sendeanlage, PDF-Datei vorhanden, (LANUV NRW 2009)
• BOS-Digitalfunk - ein niederländischer Erfahrungsbericht, Schleswig-Holstein-Rundspruch vom 15. Februar 2010
• Milliarden-Debakel beim Digitalfunk der Polizei, Welt Online vom 25. Februar 2010
• Umfangreiche Information über den Digitalfunk und aktueller Stand in der Hauptstadt

Quellen

1. ↑ ETSI EN 300 392-2 V3.2.1: Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Part 2: Air Interface (AI), Kap. 4.5: Multiple access and time slot structure; Stand September 2007. Erhältlich über http://pda.etsi.org/pda (abgerufen: 10. Dezember 2009)
2. ↑ ETSI EN 300 392-2 V3.2.1: Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Part 2: Air Interface (AI), Kap. 5: Modulation; Stand September 2007. Erhältlich über http://pda.etsi.org/pda (abgerufen: 10. Dezember 2009)
3. ↑ ETSI EN 300 392-2 V3.2.1: Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Part 2: Air Interface (AI), Kap. 9.2.1: Logical channels hierarchy; Stand September 2007. Erhältlich über http://pda.etsi.org/pda (Abgerufen: 10. Dezember 2009)
4. ↑ ETSI EN 300 395-2 V1.3.1: Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Speech codec for full-rate traffic channel; Part 2: TETRA codec; Stand Januar 2005. Erhältlich über http://pda.etsi.org/pda (Abgerufen: 10. Dezember 2009)
5. ↑ An Overview of TETRA (Englisch) (PDF; 262 KB) (22. Februar 2005). Abgerufen am 4. August 2010.
6. ↑ Overview of Standard TETRA Cryptographic Algorithms and their rules for management and distribution (Englisch) (PDF; 118 KB) (1. Mai 2008). Abgerufen am 4. August 2010.
7. ↑ [1]. RTR, 19. November 2007