TETRA (Terrestrial Trunked Radio)

Allgemeines
Leistungsmerkmale
Technik
Trunked Mode Operation (TMO)
Direct Mode Operation (DMO)
Endgeräte
Datenübertragung
Adressierung
Netzarchitektur
Gruppenbildung
Alarmierung
Sicherheit
Migration

Allgemeines
TETRA steht für Terrestrial Trunked Radio. Die ursprüngliche Bezeichnung lautete Trans-European Trunked Radio, da Tetra ein Standard des europäischen Telekommunikations-Standardisierungs-Instituts ETSI ist. Der erste Entwurf des Standards wurde 1995 publiziert. Da sich Tetra erfolgreich am Weltmarkt etabliert hat, wurde die Bezeichnung geändert, um auch außerhalb Europas das System erfolgreich vermarkten zu können. Teilweise taucht auch die Bezeichnung TETRA 25 auf, die auf das 25-kHz-Kanalraster hinweist.
Neben den deutschen BOS als zukünftige Nutzer ist Tetra bereits bei zahlreichen Industriebetrieben und Nahverkehrsunternehmen im In- und Ausland als Betriebsfunksystem im Einsatz. Auch die Bundeswehr zählt zu den Tetra-Nutzern.
Da Tetra ein offener Standard ist, können Endgeräte, Leitstellen- und Netztechnik von verschiedenen Anbietern ausgewählt werden (Multivendor). Hier sind z.B. Motorola, R&S Bick, T-Systems, Thales, Sepura, Frequentis sowie diverse andere Anbieter zu nennen. Selbst Airbus/Cassidian, ursprünglich Konkurrent mit dem firmeneigenen Tetrapol-Standard, zählt zu den Tetra-Anbietern und hat auch das Kernnetz in der BRD errichtet. Den Zuschlag für den Betrieb des deutschen BOS-Digitalfunknetzes hat Alcatel Lucent erhalten.

Leistungsmerkmale
Tetra bietet folgende Leistungsmerkmale, die teilweise über die Funktionalitäten von GSM hinausgehen:
- Einzelruf (Direct Call)
- Gruppenkommunikation
- Kommunikation ohne Netz (Direct Mode, DMO)
- Notruf
- verschiedene Prioritäten
- Rückruf
- Kurzwahl
- Datenübertragung, auch mit Kanalbündelung
- Rufumleitung
- eindeutige Identifikation der Teilnehmer
- Abhörsicherheit durch Ende-zu-Ende-Verschlüsselung
- Sperren von gestohlenen/verlorenen Funkgeräten

Technik
Tetra nutzt die Zeitmulitplextechnik TDMA um pro Trägerkanal vier Gesprächskanäle (Zeitschlitze, slots) unterzubringen. Der Kanalabstand zwischen den Trägerfrequenzen beträgt 25 kHz. Gegenüber GSM besitzt Tetra damit eine wesentlich höhere Frequenzökonomie, da der Kanalabstand bei GSM 200 kHz beträgt. Neben dem Zeitmultiplex (TDMA) findet auch Frequenzmultiplex (FDMA) statt, indem jedem HF-Kanal eine Uplink- und eine Downlink-Frequenz zugewiesen wird. Das Modulationsverfahren ist Differential Quarternary Phase Shift Keying (Pi/4-DQPSK), eine Variante des Phase Shift Keying (PSK). Die wesentlichen technischen Kennwerte sind in folgender Tabelle zusammengefasst:

Bei einem Kanalabstand von 25 kHz resultieren jeweils 200 Trägerfrequenzen für den Up- und Downlink. Diese 200 Trägerfrequenzen stehen jedoch nicht vollumfänglich für TMO zur Verfügung. Da Anwendungen wie DMO, mobile Basisstationen, Luftfahrtzellen, Testfrequenzen und Inhouse-Versorgung auch bedient werden müssen, reduziert sich die Anzahl der Trägerfrequenzen für den Netzbetrieb (TMO) auf ca. 150.
Die Brutto-Datenübertragungsrate beträgt stets 36 kbit/s pro Trägerfrequenz, damit ergeben sich bei vier Zeitschlitzen jeweils 9 kbit/s (brutto). Neben den Nutzdaten werden jedoch auch zusätzliche Steuerinformationen übertragen, so dass sich pro Zeitschlitz eine Netto-Datenübertragungsrate von 7,2 kbit/s ergibt. Die Sprachsignalübertragung erfolgt über einem speziellen Codec. Dieser komprimiert die Sprachinformation in Datenpakete von 60 ms. Die komprimierten Pakete werden dann in einem Zeitschlitz von 15 ms übertragen.
Für den Duplex-Betrieb (Gegensprechen) werden die Sprachinformationen zeitlich so komprimiert, dass eine kontinuierliche Zweiwegekommunikation über zwei versetzte Zeitschlitze auf der gleichen Frequenz möglich ist. Parallel dazu kommt natürlich auch der im TMO übliche Frequenzmultiplex zum Tragen, ein Tetra-Endgerät sendet auf der tieferen Frequenz (Uplink) und empfängt auf der höheren Frequenz (Downlink) des Kanalpaares. Die Notwendigkeit für einen Duplexer wird beim Endgerät dennoch vermieden, eben durch den gerade erwähnten zeitlich Versatz der Zeitschlitze für Sende- und Empfangsbetrieb.

Trunked Mode Operation (TMO)
Der Trunked Mode stellt Funkverbindungen zwischen zwei oder mehr Teilnehmern unter Nutzung der Netzinfrastruktur her. Dies ist die Standardbetriebsart eines Bündelfunknetzes und auch bei GSM. Im analogen BOS-Funk ist dies mit der Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Leitstelle über ein Gleichwellenfunknetz vergleichbar. Grundlage für TMO ist das Air Interface (AI) als Systemfunkschnittstelle. Das standardisierte AI ist Grundlage für für die Kommunikation der Endgeräte mit der festen Netzinfrastruktur.
Bei TMO werden zwei Betriebsarten unterschieden:

- Direct Call; gezielter Gesprächsaufbau zu einem Teilnehmer. Im Halb-Duplex (Wechselsprechen) wird diese Betriebsart als 'Einzelruf' bezeichnet, im Voll-Duplex (Gegensprechen) als 'Zielruf' bzw. Telefonie. Wegen des großen Ressourcenbedarfs dürfte der Zielruf aber eher selten angewendet werden, bzw. die Anzahl der Teilnehmer, bei denen diese Funktion freigeschaltet ist, dürfte eher gering sein.

- Group Call (Gruppenruf (Halb-Duplex)), Ansprechen eines bestimmten Teilnehmerkreises, der z.B. organisatorisch einem Einsatz zugeordnet ist. Diese Art der Kommuniaktion wird im deutschen BOS-Digitalfunknetz am häufigsten Verwendung finden (Zuteilung der Endgeräte zu statischen bzw. dynamischen Rufgruppen).

Direct Mode Operation (DMO)
Steht keine Netzinfrastruktur zur Verfügung, ist auch zwischen zwei oder mehreren Funkgeräten eine Kommunikation möglich. Dieses Verfahren wird als Direct Mode bezeichnet. Im analogen BOS-Funk ist dies mit dem Einsatzstellenfunk über 2m-Handsprechfunkgeräte vergleichbar. Das Air Interface Direct Mode Operation ist als Funkschnittstelle Grundlage für die direkte Kommunikation zwischen Endgeräten ohne Zugriff auf das Netz. Um den Funkverkehr über DMO zu organisieren, übernimmt das erste Funkgerät, bei dem die Sprechtaste gedrückt wird, die Steuerung; es wird daher als Master bezeichnet. Alle nachfolgenden Geräte tragen dann die Bezeichnung Slave.
Das Master-Funkgerät darf jedoch keine Frequenzen nutzen, die vom Funknetz verwendet werden, daher ist hier die Zuweisung gesonderter DMO-Frequenzen erforderlich, die vorab in den Funkgeräten eingestellt werden müssen.
Bei DMO werden verschiedene Betriebsarten unterschieden:

- Direct Call (Einzelruf im Halb-Duplex), siehe unter TMO. Ein Zielruf (Voll-Duplex) ist bei DMO nicht möglich.

- Group Call (Gruppenruf), wie bei TMO

- Dual Watch; mit bestimmten Funkgeräten ist gleichzeitig die Verbindung zum Funknetz (TMO) und die Kommunikation mit anderen Teilnehmern über DMO möglich. Damit kann z.B. ein Einsatzleiter über TMO mit der Leitstelle in Kontakt bleiben und gleichzeitig - netzunabhängig - den Funkverkehr an der Einsatzstelle abwickeln (DMO). Dual Watch ist nur möglich, wenn das Funkgerät über eine Antennenweiche verfügt, die gleichzeitigen Funkverkehr in zwei verschiedenen Frequenzbereichen ermöglicht.

- Managed Direct Mode; netzunterstützte DMO-Kanalvergabe. Vergleichbar mit der Freigabe zusätzlicher 2m-Kanäle auf Anfrage bei der Leitstelle.

- Direct Mode Repeater; der Repeater fungiert als Zwischenverstärker zur Erhöhung der Reichweite; vergleichbar mit der analogen Relaisstellenschaltung RS 1. Unterschieden werden Repeatertypen 1A und 1B. Typ 1A nutzt einen DMO-Kanal mit zwei Zeitschlitzen (Master-Slot und Slave-Slot) für Up- und Downlink. Die Variante 1B benötigt zwei DMO-Kanäle, jeweils einen für die Verbindung zwischen Master und Repeater sowie zwischen Repeater und Slave.

- Gateway; über ein Gateway-Funkgerät ist z.B. eine Kommunikation mit der Leitstelle von einem Punkt aus möglich, von dem es keine TMO-Verbindung gibt. Vom Gebäudeinneren (keine TMO-Verbindung) ist Kontakt zum Fahrzeug (DMO) mit Gateway-Funkgerät möglich, welches den Kontakt zur Leitstelle über TMO herstellt. In der analogen Technik ist dies mit einer Überleiteinrichtung (ÜLE) vergleichbar.

- Direct Mode Repeater/Gateway; Funktionen Repeater und Gateway in einem Funkgerät vereint.

- Managed Direct Mode Repeater/Gateway; wie vor, DMO-Kanalvergabe durch das Netz

Endgeräte
Hier ein paar Beispiele für TETRA-Endgeräte (HRT) von EADS und Sepura:

__
Links ein THR 880i von EADS (im linken Bild im DMO-Betrieb), rechts ein SRH3500s von Sepura; auch mit Ladestation.

_
Links ein STP8000 von Sepura mit reduziertem Tastenfeld (Prototyp FHRT), in der Mitte die
Standardausführung STP8000, rechts ein FT4 PS von Funkwerk. Auf dem rechten Bild das
STP8000 in der Ladestation; die orangefarbene Notruftaste auf der Oberseite ist hier gut erkennbar.

Datenübertragung
Für die Datenübertragung ist die Bündelung von bis zu vier Zeitschlitzen (Multislot Packet Data) möglich; dies ermöglicht Datenraten bis zu 28,8 kbit/s. Für die Datenübertragung gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, die z.T. auch schon serienreif sind:

- Short Data Service (SDS); Übertragung von Statusmeldungen ("FMS") und Kurznachrichten (vergleichbar mit SMS bei GSM)
- Atemschutzüberwachung (in Verbindung mit einer entsprechenden Schnittstelle am Pressluftatmer)
- Online-Barcodeerfassung (für BOS weniger relevant)

Da der Tetra-Standard in den 90er Jahren definiert wurde, sind die erreichbaren Datenraten im Vergleich zu anderen mobilen Anwendungen (GPRS, EDGE, UMTS, LTE und WLAN) bereits überholt.

Adressierung
Jedes Tetra-Endgerät besitzt eine oder mehrere TSI (Tetra Subscriber Identitiy; vergleichbar mit der IMSI bei GSM). Die TSI besteht aus einem 48-bit-Code, wobei jedem Endgerät eine einmalige TSI zugewiesen ist, die es im Netz unverwechselbar macht. Unterschieden werden weiterhin ITSI (Individual Tetra Subscriber Identity) und GTSI (Group Tetra Subscriber Identity), welche dem Tetra-Funkgerät eine Gruppen- und Individualrufmöglichkeit zuordnen. Die TSI ist - ebenfalls analog zur IMSI - in drei Bereiche eingeteilt; Mobile Country Code (MCC), Mobile Network Code (MNC) und Short Subscriber Identity (SSI).

Der MCC besteht aus 10 Bit und dient zur Identifikation des Herkunftslandes. Der MNC besteht aus 14 Bit und kennzeichnet die Netze innerhalb eines Landes. Die SSI kennzeichnet Teilnehmer und Systembestandteile innerhalb eines Netzes; sie besteht aus 24 Bit und wird in weiter unterteilt: Die Individual Short Subscriber Identity (ISSI) dient zur eindeutigen Kennzeichnug eines Endgeräts, die Group Short Subrscriber Identity (GSSI) kennzeichnet eine Gesprächsgruppe innerhalb des Funknetzes (Gruppenbildung, s.u.). Die Alias Short Subscriber Identity (ASSI) wird für die Adressierung fremder Teilnehmer verwendet. Ebenfalls in die SSI integriert sind die Tetra-Systemadressen (hier mit TS abgekürzt).

Neben der ISSI bzw. ITSI spielt unter einsatztaktischen Gesichtspunkten die Operativ-taktische Adresse (OPTA) eine wichtige Rolle. Ähnlich wie beim Schema der FMS-Codierung, enthält auch die OPTA die Kennungen für das Bundesland (zweistellig), die Organisation (dreistellig), die Region (dreistellig), die eigentliche taktische Kennung des Fahrzeugs (achtstellig) sowie weitere fünf Stellen für Zusatzinformation (z.B. Unterscheidung Fahrzeug- und Handfunkgeräte). Im Gegensatz zur FMS-Codierung kommen keine Hexadezimalzahlen zur Anwendung, sondern es steht der komplette alphanumerische Zeichensatz zur Verfügung.

Netzarchitektur

schematische Darstellung der Kommunikationswege zwischen Funkgerät(en) und Leitstelle

Innerhalb des Tetra-Netzes finden sich ähnliche Komponenten wie im GSM-System, wobei allerdings die Schnittstellen innerhalb der festen Netzinfrastruktur zwischen Basisstationen (BS) und Vermittlungseinrichtungen Digital Exchange for Tetra (DXT) nicht offen standardisiert sind.
Die Tetra-Endgeräte (HRT, MRT und/oder FRT) sind über die Luftschnittstelle mit der zuständigen BS verbunden. Mehrere BS innerhalb eines regionalen Suchkreises werden durch eine DXT (auch DXTip genannt) angebunden, wobei die Anbindung als Leitungsring ausgeführt ist. Beide Ringenden terminieren auf zwei verschiedenen DXT, so dass bei einer Leitungsstörung zumindest noch ein Anbindungsweg zur Verfügung steht.
Die DXT sind untereinander über die Transit-Vermittlungsebene (Digital Exchange for Tetra Transit Type, DXTT) vernetzt. Im Digitalfunknetz der BRD dienen vier DXTT und 64 DXT als Vermittlungsebene. Von den 64 DXT sind 62 für den regulären Betrieb vorgesehen, zwei dienen aus Ausfallreserve (Not-DXT).
Die Anbindung der Leitstellen (incl. deren Kryptoserver; s.u.) erfolgt über drei Schnittstellen an die DXT:
LS1 zur Übertragung der Ende-zu-Ende-verschlüsselten Sprachinformation; E1-Verbindung (2 Mbit/s)
LS2 für Steuerinformationen, Systemadressen (ISSI) und SDS (IP-basierte Verbindung)
LS3 für Netzmonitoring und Datenübertragung (IP-basiert)
Die Schnittstellen LS2 und LS3 werden über den Tetra Connectivity Server (TCS) an den DXT bereitgestellt. Neben der Möglichkeit, eine Leitstelle mittels der o.g. Schnittstellen und Leitungen (E1 und IP) unmittelbar an eine DXT anzuschalten, gibt es auch andere Anbindungsvarianten, z.B. die Nutzung von 'Konzentratoren' zur Bündelung von Schnittstellen und Vorverlagerung des Kryptoservers bis hin zur Schaffung einer einheitlichen Schnittstelle ("Digitalfunkstecker"), so dass Leitstellensysteme verschiedener Hersteller angebunden werden können. Die Bundesländer haben hierzu unterschiedliche Anbindungskonzepte entwickelt, die u.a. von der Landesgröße (Stadtstaat vs. Flächenland), den organisatorischen Strukturen bei Polizei und Brandschutz/Rettungsdienst sowie den technischen Voraussetzungen (vorhandene Leitstellenhard- und software) abhängig sind.

Gruppenbildung
Wesentliches Merkmal von Tetra ist die Nutzung von Funkgruppen, die einsatzbezogen miteinander kommunizieren können. Dadurch können parallel mehrere Einsätze laufen, deren Kommunikation unabhängig voneinander stattfindet. Auch Funkgespräche unterschiedlicher Nutzer (z.B. Polizei, Feuerwehr) beeinflussen sich dadurch nicht. Bisher war dies lediglich durch unterschiedliche Betriebskanäle realisiert.
Die Zuweisung durch eines Endgerätes/Fahrzeuges erfolgt durch die Leitstelle. Alle Fahrzeuge/Einheiten, die an einer Einsatzstelle tätig sind, werden einer vordefinierten Gruppe zugewiesen. Für weitere, parallele Einsätze können weitere Funkgruppen genutzt werden. Fahrzeuge ohne Einsatzzuweisung verbleiben auf der Betriebsgruppe ("allgemeiner Kanal").
Statische Gruppen sind fest im Netz eingerichtet und in den Funkgeräten, die diese Gruppen nutzen dürfen, hinterlegt (Fleetmapping). Hierbei gibt es eine grundsätzliche Trennung von polizeilichen Gruppen, nicht-polizeilichen Gruppen (Brand- und Katastrophenschutz, Rettungsdienst) sowie Zusammenarbeitsgruppen / Anrufgruppen, die eine Schnittmenge beider Bereiche darstellen.
Dynamische Gruppen werden bei Bedarf erzeugt (durch die Autorisierte Stellen) und die hierfür vorgesehenen Funkgeräte zur Nutzung berechtigt. Ein Anwendungsfall dynamischer Gruppenbildung sind planbare, größere Einsätze, bei denen einen Vielzahl von Kräften (örtlich und überörtlich) miteinander auf einen begrenzten Gebiet (Einsatzraum) kommunizieren soll. Dynamische Gruppen können mit einem "Verfalldatum" versehen werden, so dass sich diese z.B. einige Stunden nach Einsatzende von selbst im Netz und aus den Funkgeräten löschen.

Alarmierung
Achtung: Tetra-Alarmierung bitte nicht mit POCSAG-Alarmierung verwechseln; letztere findet auf den analogen 2m-Kanälen statt und ermöglicht die Übertragung von Textnachrichten zu Digitalen Meldeempfängern (DME) und daher auch als "Digitale Alarmierung" bezeichnet. Dies hat jedoch nichts mit Tetra zu tun!
Auf der CeBIT 2006 wurde von Oelmann Elektronik erstmals ein Tetra-Meldeempfänger vorgestellt. Dieser wurde weiterentwickelt und trägt jetzt die Typenbezeichnung Viper (siehe Abbildung unten). Auch die Fa. TPL hat einen Tetra-Meldeempfänger entwickelt, dieser trägt die Bezeichnung Birdy. Auf der PMRExpo 2013 wurde von Airbus das Modell P8GR ("Pager") vorgestellt. Als Basis für den P8GR diente das Handfunkgerät TH1n ("Thin"); dies ist u.a. daran erkennbar, dass TH1n und P8GR den gleichen Akkutyp verwenden. Auf der PMRExpo 2016 stellte Motorola ebenfalls einen Tetra-Pager vor, das Modell Advisor TPG2200.
Die Alarmauslösung ist sowohl über die Gruppenrufadresse (GSSI), über die GSSI mit Subadresse(n) und auch als Einzelalarmierung mittels ISSI möglich. Zusätzlich zur Alarmierung ist auch der Versand von Text-SDS zu Informationszwecken möglich. Als Rückfallebene können die P8GR auch über DMO angesteuert werden. Detailinformationen zur Tetra-Alarmierung u.a. hier: Technik und Einführung.
Die Tetra-Meldeempfänger unterstützen passives und aktives Paging, d.h. über den aktiven Modus ist eine Rückmeldung möglich, ob die Einsatzkraft tatsächlich zur Verfügung steht. Somit kann die Leitstelle ggf. unverzüglich weitere Kräfte alarmieren. Das passive Paging (kein Sendebetrieb) ist mit den herkömmlichen analogen und digitalen Meldeempfängern vergleichbar.

Tetra-Meldeempfänger P8GR mit Alarmtext

Größenvergleich Oelmann Tetra-Meldeempfänger Viper (links)
mit analogen Meldeempfängern von Swissphone

Sicherheit
Die mangelnde Abhörsicherheit des analogen BOS-Funknetzes war und ist eines der wesentlichen Argumente für die Einführung der Digitalfunktechnik bei den BOS. Der Tetra-Standard sieht nur für die Luftschnittstelle, d.h. den hochfrequenten Teil der Sprach- und Datenübertragung, eine Verschlüsselung vor. Die Luftschnittstellenverschlüsselung trägt die Bezeichnung Tetra Encryption Algorithm (TEA); im deutschen BOS-Digitalfunknetz kommt die Version TEA2 mittels statischer Schlüssel (Static Cipher Key, SCK) zur Anwendung. TEA1 ist für gewerblich-industrielle Tetra-Nutzung vorgesehen.
Zum Einbuchen ins Funknetz werden die Informationen zur Geräteidentitiät ebenfalls verschlüsselt (Authentication Key; K-Schlüssel).
Um ein Abhören der Kommunikation im Festnetz zu unterbinden, werden alle Gespräche im Digitalfunknetz Ende-zu-Ende-verschlüsselt übertragen. Leitstellenseitig ist das Digitalfunk-Gateway ("Kryptoserver") mit Mehrkanal-Kryptokomponente (MKK) das Endgerät im Sinne der Verschlüsselung. Die zur Kommunikation notwendigen Schlüssel werden von der Kryptovariablen-Managementstation (KVMS) bereitgestellt, einem gesonderten Rechner in räumlicher Nähe des Kryptoservers, der über eine ISDN-Wählverbindung aktuelle Schlüssel beim Trustcenter (TC) des BSI herunterladen kann. Der Schlüssel für das Endgerät ist auf der BSI-Sicherheitskarte gespeichert, wobei immer nur der jeweils aktive Schlüssel abgelegt ist. Mit Hilfe abhanden gekommener oder gestohlener Karten ist keine Rekonstruktion früherer Schlüssel o.ä. möglich. In allen Fragen der Kryptierierung arbeiten die BDBOS und die Bundeslänger eng mit dem Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnk (BSI) zusammen, welches als Auftragnehmer der BDBOS die Schlüsselalgorithmen und deren Verwaltung spezifiziert hat.

_
BOS-Sicherheitskarte, Vorder- und Rückseite (uncodierte Musterkarte)

Durch die TSI ist eine eindeutige Identifikation jedes Endgerätes möglich. Ein Ändern oder Löschen der TSI des Tetra-Funkgeräts ist nicht möglich, da diese fest im Gerät gespeichert ist. Gestohlene oder abhanden gekommene Geräte sind daher für unbefugte Benutzer wertlos. Mit einer ungültigen oder gesperrten TSI ist kein Zugriff auf das Tetra-Netz möglich; damit ist auch das Beeinträchtigen des Funkverkehrs durch Absetzen falscher Meldungen o.ä. nicht möglich.

Migration
Die Übergangsphase von der analogen zur digitalen Technik wird als Migration bezeichnet. Mit Installation der digitalen Funktechnik bei den Leitstellen muss diese als "Vermittler" zwischen analogem und digitalem Funk fungieren und ggf. auch digitale Funkgruppen mit analogen Kanälen temporär koppeln. Die aktuell am Markt erhältlichen Abfrage- und Vermittlungseinrichtungen ermöglichen die Anschaltung analoger und digitaler Funkkanäle.
Für den Zeitraum des Parallelbetriebs haben verschiedene Firmen bereits Lösungen entwickelt, damit ein reibungsloser Übergang möglich ist. So bietet z.B. die Firmen Carls und Radiodata Kombinationsbedienteile für analoge Funkgeräte (z.B. FuG 8b) und Tetra-Geräte an. Ebenfalls im Portfolio befindet sich ein Tetra-FMS-Switch, welcher der Leitstelle die herkömmlichen FMS-Meldungen in die Tetra-Technik umsetzt. Auch Antennenkoppler und Kombiantennen für Analogfunk (2m/4m) und Tetra haben die einschlägigen Firmen im Programm.