APRS

Che cos'è e a cosa serve APRS

L'A.P.R.S. nasce negli USA e viene presentato al pubblico nella Conferenza sulle Comunicazioni Digitali orgnizzata nel 1992 dal T.A.P.R. (Tucson Arizona Packet Radio), un gruppo che raccoglie membri dell'A.R.R.L. (American Radio Relay Ligue, la più grande associazione di radioamatori del mondo) che si occupano di tecnologie digitali applicate al mondo dei radioamatori e che si è imposto fin dalla sua nascita, nel 1982, all'attenzione sia dei radioamatori che del grande pubblico per le specifiche competenze, la professionalità dei componenti del gruppo ed i prodotti realizzati e subito mezzi a disposizione dei radioamatori di tutto il mondo.
Ideatore del Protocollo è stato Robert Bruninga WB4APR, istruttore presso la US Naval Academy in Annapolis, MD, che pensò ad una tecnologia di diffusione del tipo "broadcast" (da tutti verso tutti) con lo scopo di diffondere dati in tepo reale ad una rete di stazioni con connesse. Il protocollo consente poi lo scambio di comunicazioni tra tutte le stazioni presenti, sia direttamente tra loro, sia per trasferimento ritardato (store and forward).
Esiste una certa analogia tra il packet radio tradizionale ed il sistema A.P.R.S.; la fondamentale differenza sta nel fatto che questo sistema non necessita siano stabilite delle connessioni fisiche tra stazione e stazione, ma vengono utilizzate le trame beacon UI per inviare a tutti i possibili utilizzatori la trasmissione dei propri pacchetti. In più sul video del proprio PC è possibile avere la rappresentazione grafica di aree geografiche e su tali mappe vengono sovraimpresse le icone raffiguranti vari oggetti come stazioni utente, stazioni meteo, stazioni digipeater, stazioni mobili, altri oggetti.

APRS si differenzia dal comune packet radio per molti aspetti:

Fornisce rappresentazioni di mappe ed altri dati, per la localizzazione di veicoli o persone e per i rapporti meteo in tempo reale.
Utilizza tutte le comunicazioni attraverso un protocollo uno-a-molti, in modo da aggiornare immediatamente tutti gli operatori collegati.
Usa il digipeating generico, con gli alias dei codici di identificazione ben conosciuti, in questo modo non è necessario la conferma a priori della connessione alla rete.
Supporta il digipeating intelligente, con la sostituzione del codice di identificazione per ridurre l'affollamento del canale radio.
Utilizzando i frame <UI> del protocollo AX-25 ( X25 modificato per il traffico digitale radio ), supporta lo scambio di messaggi tra due operatori e la distribuzione di bollettini e di annunci, diffondendo informazioni in modo molto veloce.
Supporta il collegamento con le radio Kenwood TH-D7 e TM-D700 che dispongono, al loro interno, di TNC e firmware APRS

Il sistema A.P.R.S. prevede poi per le stazioni mobili l'abbinamento ad un GPS, cosa che consente l'aggiornamento automatico e continuo delle proprie coordinate, consentendo così il continuo aggiornamento della posizione di un operatore o di un evento su una mappa. È possibile poi l'utilizzo di digipeater (ripetotori digitali) che consentono, senza connessione, la ripetizione del proprio beacon e dei propri pacchetti in diversi e sofisticati modi.
L'APRS può essere eseguito su molte piattaforme, incluso DOS, Windows 3.x, Windows 95/98, MacOS, Linux e Palm. Molte realizzazioni su queste piattaforme supportano le caratteristiche principali di APRS:

Mappe - Le posizioni delle stazioni APRS possono essere visualizzate in tempo reale su mappe, con risoluzione da qualche decina di metri al mondo intero. Le stazioni che trasmettono posizione e velocità durante uno spostamento vengono tracciate alla posizione attuale. Sono disponibili database di dati che possono essere visualizzati sulle mappe con la localizzazione dei digipeaters ed altre informazioni di carattere generale. E' possibile zoomare in ogni punto del globo.
Rapporti Meteo (Weather Station Reporting) - L'APRS permette la visualizzazione automatica di informazioni meteo trasmesse da postazioni remote.
Visualizzazione DX (DX Cluster Reporting -Solo per il traffico Radioamatoriale) - L'APRS è uno strumento ideale per gli utenti di DX cluster. Non solo è possibile vedere tutti gli spot DX sulla mappa, ma operando nel modo monitor-only, viene ridotto sensibilmente il carico packet sul DX Cluster. Questo è un beneficio per tutti.
Accesso Internet - Un collegamento Internet può essere utilizzato in modo trasparente per collegare la situazione locale a tutto il mondo. E' possibile collegarsi ad un server APRS e vedere in diretta centinaia di stazioni da tutto il mondo. Chiunque connesso può alimentare la rete mondiale con i pacchetti ascoltati dalla propria stazione e tutti, da qualsiasi parte del mondo, possono vedere quelle informazioni.
Messaggi - I messaggi sono comunicazioni tra due punti con conferma. Tutti i messaggi in arrivo avvertono l'operatore della loro presenza e sono mantenuti nella finestra dei messaggi sino a quando non vengono distrutti.
Bollettini ed Annunci - I bollettini e gli annunci sono indirizzati a tutti. I Bollettini sono spediti alcune volte in un'ora e per alcune ore. Gli annunci meno frequentemente ma con possibilità di essere trasmessi per alcuni giorni
Registrazioni di Stazioni Fisse - In aggiunta alla registrazione automatica di stazioni mobilie equipaggiate con GPS/LORAN, l'APRS è in grado di tracciare e registrare anche coordinate di mappe inserite manualmente.
Oggetti - Qualsiasi operatore può posizionare un Oggetto APRS sulla mappa, e entro pochi secondi quell'oggetto appare sui display di tutte le stazioni APRS collegate. Questa caratteristica è molto utile se si ha la necessità di tracciare risorse o operatori non equipaggiati con dispositivi automatici (tracker). Solamente un operatore packet ha la necessità di sapere dove le risorse si trovano, monitorando ad esempio il traffico audio, e come egli mantiene le posizioni ed i movimenti delle risorse monitorate sul proprio display, tutte le altre stazioni APRS collegate visualizzeranno le stesse informazioni.

Il campo di applicazione prioritario di un sistema di questo tipo è nelle situazioni di emergenza che si vengono a creare in caso di calamità naturali o incidenti, che per le loro particolari conseguenze richiedono l'impiego e l'intervento degli organi di protezione civile.
A questo proposito va ricordato che l'utilizzazione dei radioamatori, in caso di catastrofi naturali, è codificata della risoluzione n° 640 della Conferenza Amministrativa Mondiale delle Radiocomunicazioni del 6 dicembre 1979, i cui atti finali sono stati resi esecutivi in Italia con D.P.R. 27 luglio 1981, n° 740. La normativa italiana è contenuta nell'Art. 11 del D.P.R. 5/8/1966, n° 1214 (regolamento radiantistico nazionale), titolato "Collaborazione dei radioamtori ad operazioni di soccorso". Più incisivo è il contenuto del Decreto Ministeriale 27 maggio 1974 (comunemente detto Decreto Togni), che detta norme sui servizi di telecomunicazioni d'emergenza. Da sempre quindi, in casi di calamità ed in alternativa ai normali mezzi di comunicazione ed a supporto degli stessi, i radioamatori hanno svolto attività di Protezione Civile.
A tale scopo il sistema A.P.R.S. consente di vedere su una cartina geografica dove sono dislocati operatori radio e mezzi, di sapere le esatte condizioni meteo di aree ristrette e tante altre informazioni che debbono essere tenute sotto controllo, ad esempio, dai C.O.M. (Centri Operativi Misti), ma che possono essere disponibili per ognuno degli operatori sul campo. Il protocollo A.P.R.S. consente anche, tramite TNC multiporta HF-VHF, la realizzazione di gateway tra aree geografiche molto distanti. Esiste anche la possibilità di collegarsi ad un server internet dal quale prelevare in tempo reale il traffico da altre parti del mondo.
L'icona rappresentante stazioni radio o oggetti può essere interrogata e fornisce informazioni dettagliate su chi l'ha emessa, sui dati che essa veicola, sulle stazioni eventualmente ascoltate o riptute, sui eventuali dati meteo o altro ancora. Ogni stazione presente può dialogare con ogni altra, anche in gruppo, dal momento che non ci sono connessioni e tutti vedono i pacchtti di tutti; un traffico di questo tipo avviene con una velocità sicuramente maggiore che con il packet radio tradizionale.

Ogni stazione può creare degli indicatori o oggetti, che appaiono sulla cartina geografica come icone e che indicano avvenimenti, eventi o cose; succede così che possono essere inviate in tempi brevissimi informazioni circa incidenti stradali, incendi, allagamenti, etc. e possono essere informati gli organismi competenti circa la dislocazione esatta di ospedali da campo, infrastrutture di vario tipo, centri di raccolta o altro.
Sintetizzando, quindi, si può dire che l'A.P.R.S. serve in situazioni di emergenza, per il controllo sul territorio di uomini e mezzi; consente l'invio di brevi messaggi e l'effettuazione di QSO; sul mezzo mobile può essere integrato ed abbinato a GPS; segnala dati meteo, incidenti, calamità e simili.

La filosofia del progetto APRS
Il ciclo di rete

E' importante sottolineare che l'APRS è principalmente uno strumento tattico di comunicazione in tempo reale, pensato per aiutare un Centro Operativo di Emergenza nel gestire il flusso delle informazioni che ad esso giungono in caso di avvenimenti speciali, di disastri ambientali o comunque ove sia necessario il coordinamento di uomini, mezzi e informazioni in situazioni particolari.
Ma in realtà per il 99% del tempo il sistema APRS opera in condizioni di routine, in attesa che accada un serio evento sicuramente non gradito.
Qualsiasi cosa si faccia per migliorare l'APRS non deve essere dimenticato che il suo scopo iniziale è la capacità di operare in aree critiche. Ecco i dettagli di questa filosofia:
N.B. I cicli sono espressi in minuti e hanno valore puramente indicativo secondo gli standard attualmente utilizzati per il traffico internazionale su rete globale. Per sistemi custom in aree ristrette senza l'uso di digipeaters i cicli potranno essere settati tra 1secondo a 60 minuti.

APRS utilizza il concetto di "ciclo di rete". Questo è il lasso di tempo all'interno del quale un utilizzatore deve essere in grado di ascoltare (almeno una volta) tutte le stazioni APRS nella sua portata, in modo da avere un quadro più o meno preciso dell'attività APRS. Il ciclo di rete varierà a seconda delle condizioni locali e con il numero di digipeaters attraverso i quali i dati APRS viaggiano.
L'obbiettivo è di avere un ciclo di rete Max.di 10 minuti per un impiego locale. Questo vuol dire che nell'intervallo massimo di 10 minuti dopo l'arrivo in una scena di interesse, è possibile ricevere un quadro tattico completo della situazione.
Tutte le stazioni, anche quelle fisse, devono emettere un beacon con la loro posizione con un periodo equivalente al ciclo di rete. In situazioni critiche le stazioni entrano ed escono dal quadro operativo in ogni momento. I rapporti di posizione (beacon) non solo mostrano dove si trovano le stazioni, ma anche che le stazioni sono attive.
Non è ragionevole pensare che tutti gli operatori APRS rispondano ad una situazione di crisi con la consapevolezza del traffico APRS e delle statistiche del canale impegnato. Così, al fine di anticipare la congestione in caso del canale molto impegnato, APRS regola automaticamente il suo ciclo di rete tenendo conto del numero dei digipeaters nel percorso UNPROTO:
- operazioni sul campo (senza digipeater): 10 minuti Max.(probabilmente un ciclo d'ascolto).
- Via un digipeater: 10 Max. minuti (probabilmente un ciclo d'ascolto).
- Via due digipeaters: 20 Max. minuti.
- Via tre o più digipeaters: 30 Max. minuti.
Tutte le stazioni fisse devono settare i loro percorsi su tre o più digipeaters, il ciclo di rete per le operazioni giornaliere di normale impiego è di 30 minuti. Questo deve essere uno standard universale che chiunque dovrebbe seguire: se in caso di normale operatività si accende la radio e l'APRS senza fare alcunché, in 30 minuti è possibile ottenere un quadro completo di tutte le stazioni APRS all'interno dell'area in cui si opera.
Conoscere l'esatta ubicazione dei digipeaters è fondamentale per la connettività dell'APRS, i digipeaters devono usare più comandi beacon per trasmettere la loro posizione ad intervalli diversi su diversi percorsi; cioé ogni 10 minuti per segnalare la loro posizione localmente, ed ogni 30 minuti per segnalare la loro presenza ad altri digipeaters (più altri messaggi ad intervalli diversi se necessario).
Se il ciclo di rete è troppo lungo, un operatore APRS può essere tentato di inviare delle richieste (query) alle stazioni APRS. Questo potrebbe generare del traffico non necessario nel canale. Così gli estremi raccomandati per il ciclo di rete sono 10 e 30 minuti. Questo dato fornisce ai coordinatori ed ai progettisti della rete un assunto fondamentale per il carico del canale per un buon progetto architetturale.

Packet Timing

Dal momento che che i pacchetti APRS sono assicurati dal protocollo AX-25 senza errori, ma di loro non viene garantita la consegna, l'APRS trasmette le informazioni in modo ridondato. Per assicurare la consegna di dati nuovi o cambiati e per preservare la capacità del canale, riducendo l'interferenza di dati più vecchi, l'APRS deve trasmettere le nuove informazioni molto più frequentemente che le vecchie.

Per ottenere questo vengono impiegati alcuni algoritmi:

Algoritmo a esaurimento (Decay Algorithm) - Trasmettere un nuovo pacchetto una sola volta e x secondi dopo. Raddoppiare il valore di x ad ogni nuova trasmissione. Quando x raggiunge il ciclo di rete, continuare con quella cadenza.
Cadenza fissa (Fixed Rate) - Trasmettere un nuovo pacchetto una sola volta e x secondi dopo. Ritrasmetterlo per n volte e basta.
Massage-on-Heard - Trasmettere un nuovo pacchetto secondo uno degli algoritmi precedenti. Se il pacchetto è ancora valido, ma non ancora confermato ed è stato raggiunto il ciclo di rete, probabilmente il destinatario non è disponibile. Tuttavia, se il pacchetto è stato udito dal destinatario, provare a ritrasmetterlo ancora una volta.
Time-Out - Questo termine è utilizzato per descrivere un periodo di tempo al di là del quale è ragionevole assumere che la stazione destinataria non esiste più o è fuori rete, se non è stato ascoltato alcun pacchetto proveniente da essa. Si suggerisce un tempo di 2 ore come timeout standard. Questo time-out non è usato in nessuno degli algoritmi di trasmissione. E' utile, tuttavia, in alcuni programmi per decidere quando interrompere la visualizzazione come "attiva". Notare che in HF i segnali possono essere soggetti a fading ( evanescenza di segnale ), e le decisioni riguardanti le attività delle stazioni hanno bisogno di maggior flessibilità.

Digipeating generico

La potenza di APRS dimostrata sul campo deriva dall'uso del digipeating generico che permette la propagazione dei pacchetti in assenza di una conferma a priori della rete. Esistono 6 potenti tecniche che si sono evolute da quando, nel 1992, è stato introdotto l'APRS:

RELAY - Ciascun TNC APRS in VHF/UHF deve avere un alias RELAY, in modo che qualsiasi operatore sia in grado di usarlo in ogni momento.
ECHO - Le stazioni HF usano l'alias ECHO come alternativa a RELAY. ( E' bene ricordare la natura della propagazione in HF, questa ha il potenziale di poter causare interferenze su una vasta area, e deve essere usato con parsimonia dalle stazioni mobili).
WIDE - Tutti i digipeaters in quota devono avere un alias WIDE per comunicazioni a lunga distanza.
TRACE - Tutti i digipeaters in quota che impiegano la sostituzione del codice di identificazione devono avere un alias TRACE. Questi digipeaters auto-identificano i pacchetti che ripetono inserendo il proprio identificativo al posto di RELAY, WIDE o TRACE.
WIDEn-N - Un digipeater che supporta la ripetizione WIDEn-N ripeterà qualsiasi pacchetto WIDEn-N "nuovo" e diminuirà di 1 il SSID finchè questo parametro non raggiunge zero. Il digipeater mantiene una copia o il checksum del pacchetto e non lo ripeterà per 28 secondi (generalmente). Questo modo riduce considerevolmente il numero delle ripetizioni superflue nelle aree con molti digipeaters nello stesso raggio di copertura.
GATE - Questo nominativo generico è usato dai digipeaters che sono impiegati come gateway tra HF e VHF/UHF. Ciascun pacchetto ascoltato in HF via GATE verrà ripetuto localmente in VHF. Questo permette di propagare la situazione della rete locale in un contesto che può essere nazionale o anche internazionale.

L' HARDWARE

L'APPARATO RADIO

Qualsiasi apparato radio ricetrasmittente moderno è teoricamente utilizzabile per il traffico APRS.
Per il traffico amatoriale si dovrà utilizzare la frequenza internazionale di 144.800 MHz in FM o le porzioni di banda stabilite dai regolamenti IARU per il traffico digitale in HF.

Normalmente le operazioni standard di utilizzo prevedono apparati VHF/UHF/SHF in FM canalizzati e non.
Potranno essere utilizzati, unitamente a TNC adatti per il traffico a pacchetti in HF, anche apparati SSB con funzione di GATEWAY per traslare il traffico locale verso aree geograficamente lontane oppure collegamenti via TCP/IP con identica funzione per traslare verso internet.

Preferibilmente l'apparato radio dovrà essere predisposto di connettore separato per Microfono/Altoparlante per la connessione al TNC in particolare se monocanale per utilizzo misto Fonia/APRS.

Il protocollo APRS è attualmente implementato nel firmware di 2 apparati radio prodotti da Kenwood in grado di operare secondo gli standard specificati.

Detti apparati contengono all'interno un TNC per traffico Packet Radio implementato su protocollo AX25 a 1200 bps ( standard APRS ) e a 9600 bps per comunicazioni digitali su rete a pacchetti.
Sono disponibili e predisposte anche prese per connettersi ad una unità GPS esterna e ad un PC risolvendo in questo modo qualsiasi problema relativo alla messa in funzione del sistema e all'eventuale necessità di interscambio delle periferiche durante le fasi di manutenzione.

IL TNC

Se non vengono utilizzati apparati radio Kenwood come precedentemente indicato, sarà necessario aggiungere esternamente un TNC con funzione di "modem radio" in grado di eseguire le operazioni di tx dei dati digitali prodotti al GPS e di rx dei dati provenienti dalle altre unità del sistema.

Sono disponibili sul mercato molteplici TNC professionale e amatoriali in grado di interfacciarsi con l'apparato radio RX/TX attraverso un collegamento con altoparlante/microfono.

IL GPS

Affinchè i mezzi mobili possano essere identificati e ne sia visualizzata la loro posizione sulla mappa della stazione di controllo, sarà necessario che gli stessi siano dotati di una unità GPS in grado di determinare in tempo reale le coordinate geografiche del mezzo e di inviarle al TNC perchè siano trasmesse dal RX/TX di bordo.

Il mercato è in grado di fornire molteplici soluzioni che vanno da un economico sistema GPS in contenitore stagno con uscita in standard NMA di ridottissime dimensioni da applicare al lunotto della vettura o quello dotato di antenna preamplificata per zone di difficile copertura satellitare.

Sono inoltre disponibili sistemi GPS di livello superiore con antenna esterna e cartografia in grado di fornire all'utente del mezzo mobile, oltre che la mappatura dell'area d'utenza e la sua attuale posizione in forma grafica, anche l'esatta indicazione della posizione degli altri utenti del sistema che appariranno sul display del GPS con il loro codice di identificazione come waypoint.

Saranno resi disponibili dati relativi alla velocità relativa del mezzo, alla sua altezza s.l.m.( sistema altimetrico ) e i dati relativi alla direzione di movimento ( radiobussola ).

N.B. Per l'uso del GPS ai fini del sistema APRS è necessario solamente che vengano trasmesse le coordinate geografiche del mezzo. Le ulteriori funzionalità del sistema GPS installato avranno solamente scopo locale.

IL PC

Per attivare il software APRS di controllo del sistema è necessario disporre di un PC con una qualsiasi delle piattaforme DOS-Windows (3.xx/95/98/2000/NT)-UNIX ...ecc.

Di norma viene utilizzato un PC con piattaforma Microsoft Windows a 16 o 32 bit con le seguenti configurazioni

CONFIGURAZIONE MINIMA
Processore : 486/33MHz
Memoria RAM : 8 Mb
Spazio su disco fisso dispon. : 30 Mb
Porte Seriali libere : 1 ( COM1-COM8 )
Schermo SVGA : 256 colori
Unità floppy 1.44 Mb : 1

CONFIGURAZIONE TIPICA
Processore : Pentium 100
Memoria RAM : 16 Mb
Spazio su disco fisso dispon. : 50 Mb
Porte Seriali libere : 1 ( COM1-COM8 )
Schermo SVGA : 256 / 16Mil. colori
Unità floppy 1.44 Mb : 1
Unità CD-ROM : 1
Scheda audio S.B. : 1

Per un sistema ottimizzato su prestazioni di velocità e risoluzione di qualità professionale si consiglia un processore PENTIUM-II a 300 MHz - 64 Mb RAM - 100 Mb di spazio su disco fisso ( in funzione del numero e delle dimensioni delle mappe caricate ) - n. 2 porte seriali per eventuale gateway con internet o rete locale - scheda soundblaster per avvisi fonetici inviati al sistema ( annuncio vocale dell' identificativo beacon ) - Video SVGA/XVGA 17" in alta risoluzione - Lettore CD-ROM per aggiornamenti al software di base.
Lo spazio richiesto sul disco fisso varia in funzione del sistema operativo utilizzato e al software APRS utilizzato oltre che al numero e dimensione delle mappe caricate.

www.nandoweb.it

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