Модернизация системы технологической радиосвязи на участке Инта - Воркута Северной железной дороги

/

Введение

Повышение эффективности работы ОАО «РЖД», создание условий для устойчивого и безопасного функционирования железнодорожного транспорта (согласно «Белой книге» ОАО «РЖД» - «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г.») тесно связаны с использованием технологий радиосвязи. С помощью радиосредств обеспечиваются:

- автоматизация управления движением и повышение безопасности движения поездов;

- безбумажная технология взаимодействия между работниками, обеспечивающими управление движением, и машинистами поездов (передача приказов и команд);

- автоматизация управления соединенными и тяжеловесными поездами;

- развитие средств видеонаблюдения на станциях и особо важных объектах и т.д.

В настоящее время на железнодорожном транспорте используются преимущественно линейные сети симплексной поездной радиосвязи гектометрового (2 МГц) диапазона и зоновые (в пределах станций и прилегающих к ним перегонов) сети симплексной поездной и станционной радиосвязи метрового (160 МГц) диапазона. Эти аналоговые радиосети предназначены главным образом для передачи речевых сообщений. Им присущи следующие недостатки: ограниченные функциональные возможности; значительное влияние радиопомех на качество связи; проблемы в обеспечении электромагнитной совместимости радиосредств, особенно в крупных узлах; сложности в эксплуатации, обусловленные низкой надежностью и широким разнообразием применяемых устройств, и др.

Стремительное развитие информационно-управляющих систем уже сегодня требует перехода на цифровые технологии передачи данных по радиоканалам, основанные на временном и кодовом разделении сигналов. Для реализации этих технологий целесообразно использовать как выделенные компании частоты, так и ресурсы других операторов. В то же время в вопросах, касающихся обеспечения безопасности движения поездов, необходимо в максимальной степени ориентироваться на частотные ресурсы, выделенные непосредственно для нужд ОАО «РЖД».

Выбор частотных ресурсов для каждой из систем должен определяться с учетом ряда требований. Основные из них - электромагнитная совместимость (ЭМС) радиосвязи различных систем управления, высокий уровень надежности каналов передачи данных, а также требования систем управления по объемам и скорости передачи данных.

Последующая перспектива развития железнодорожной технологической радиосвязи связана с освоением диапазона дециметровых волн: 450 МГц для линейных сетей поездной радиосвязи (ПРС) и 960 МГц для радиальных сетей ПРС. В этих диапазонах уже не проявляется действие радиопомех, характерных для железных дорог, и в радиосетях может быть реализована чувствительность приемников. Радиосвязь должна перейти в число основных средств управления движением поездов и станционной работой, что требует решения проблемы передачи команд по радиоканалу, исключающих опасные отказы.

С учетом этих требований целесообразно ориентироваться на следующее примерное распределение частотного ресурса для построения систем управления движением:

- диапазон 2 МГц - резервирующий радиоканал систем управления соединенных и тяжеловесных поездов;

- 160 МГц - радиоканалы систем управления соединенных и тяжеловесных поездов, станционных систем передачи данных на малодеятельных участках; резервирующий канал при использовании в системах управления радиосетей общего пользования;

- 460 МГц (система ТЕТRА) - системы управления маневровыми локомотивами на станциях;

- 900/1800 МГц - система GSM-R (от английского Rail - железнодорожный), обеспечивающая поездную радиосвязь и системы интервального регулирования движения поездов на скоростных и высокоскоростных участках;

- 1800, 2400 МГц (системы DECT, Wi-Fi, WiMAХ) - станционные высокоскоростные сети передачи данных для информационно-управляющих систем, организации видеонаблюдения.

В данной дипломном проекте рассматривается одно из решений по модернизации технологической радиосвязи. В настоящее время на рассматриваемом участке Инта - Воркута технологическая радиосвязь базируется на радиостанциях РС 46 М, РС46 МЦ разработанной на основе применения элементов микропроцессорной техники. Это позволяет проектировать программное обеспечение, т.е. конфигурировать распорядительные станции и радиостанции применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Недостатки систем технологической радиосвязи основанных на базе аналоговых систем является:

- отсутствие защищённости данных систем радиопомехам, так как они передаются напрямую без кодирования;

- невозможность работы при высоких скоростях (более 400 км/ч);

- отсутствие дополнительных возможностей, таких как цифровая передача данных и др.

Целью дипломного проекта является проектирование системы поездной радиосвязи на выбранном участке с применением цифровых стандартов. [9]

1. Технико-эксплуатационная часть

1.1 Анализ оснащенности участка проектирования системами связи

В соответствии с заданием в качестве объекта проектирования был выбран участок железной дороги Инта-Воркута Сосоногорского регионального центра связи (РЦС-5). Схема участка, основные станции и их ординаты приведены на рисунке 1.1. Общая протяженность выбранного участка составляет 268 км, на нем находятся 27 станций (в том числе контейнеров). Участок не электрифицированный, однопутный.

Рисунок 1.1 - Схема участка Инта - Воркута

Данный участок железной дороги, согласно правилам технической эксплуатации (ПТЭ) железных дорог, оснащен следующими видами связи: поездной диспетчерской связью (ПДС), межстанционной связью (МЖС), постанционной связью (ПС), линейно-путевой связью (ЛПС), поездной радиосвязью (ПРС), а также стрелочной связью. Этот участок, оборудованный автоблокировкой, оснащен энергодиспетчерской связью (ЭДС) и перегонной связью (ПГС), а также служебной связью электромехаников СЦБ и связи.

Все эти виды оперативно-технологической связи на участке Инта - Воркута организованы на данный момент с использованием аппаратуры К-60 и УС2/4М. На этом участке вдоль железнодорожного полотна на контактных опорах подвешен оптический кабель ОКМС-4/2 (2,4) Сп-12 (2)/4 (5), волокна ОТС заведены на все посты ЭЦ участка шлейфом. В настоящее время производится монтаж цифровой аппаратуры СМК-30 со сроком введения в эксплуатацию в 2011 году.

Оборудование технологической радиосвязи на участке Инта - Воркута базируется на следующих видах радиостанций:

- РС 46 МЦ и РС 46 М гектометрового (2 МГц) диапазона;

- Motorola GM 350 и Icom IC-F110 метрового (160 МГц) диапазона.

На рисунке 1.2 показана радиостанция РС 46 МЦ

Рисунок 1.2 - Радиостанция РС-46МЦ

РС-46МЦ предназначена для работы в сетях поездной, ремонтно-оперативной и станционной радиосвязи в КВ и УКВ диапазонах.

Радиостанция обеспечивает управление по линейному каналу связи со стороны распорядительной станции и со стороны пультов управления, которые могут находиться как непосредственно в месте установки радиостанции, так на расстоянии до 20 км по физическим линиям или с использованием каналов связи. Электрические параметры и характеристики радиостанции обеспечивают совместную работу с эксплуатируемыми на сети железных дорог радиосредствами. В диапазоне гектометровых волн радиостанция обеспечивает работу в режиме одночастотного симплекса на одной из двух частот 2,130 и 2,150 МГц. В диапазоне метровых волн радиостанция обеспечивает работу в режиме одно- и двухчастотного симплекса на любой из 171 рабочих частот в диапазоне от 151,725 до 156,000 МГц с разносом частот между соседними каналами 25 кГц.

Организации радиопроводного канала на участке Инта - Воркута разбита на 5 составных частей каждая из которых берется от крупных ЭЦ участка. Схема радиопроводного канала участка Инта - Воркута представлена на рисунке 1.3. Разводка каждого плеча от крупной станции идентична приведенной разводке станции Сивая Маска.

Четырёхпроводный канал с аппаратуры К-60 поступает на устройство сопряжения УС - 2/4М предназначено для сопряжения двухпроводных линий с четырехпроводными каналами для поездной и ремонтно-оперативной радиосвязи. Далее двухпроводная линия, идущая в магистральном кабеле, заводится на каждую РС46МЦ. При необходимости усиления уровня сигнала в линии ПРС ставятся усилители ПДТУ. Радиостанции находящиеся на перегонах в контейнерах имеют выносные пульты управления на соседние станции, что позволяет перекрыть участки перегона до которых не достают радиостанции установленные на железнодорожных станциях.

Для организации радиосвязи на каждой станции применяются необходимые виды радиостанций. Так для промежуточной железнодорожной станции достаточно поездной радиосвязи работающей на гектометровом (2МГц) диапазоне. Для увеличения надежности поездной радиосвязи используется две радиостанции включенных по принцпу холодного резервирования. На рассматриваемом участке Инта - Воркута основными радиостанциями являются РС-46МЦ, а резервными РС-46М. На железнодорожных станциях где необходима маневровая радиосвязь применяются радиостанции метрового (160 МГц) диапазона, на рассматриваемом участке это радиостанции Motorola GM 350 и Icom IC-F11.

Рисунок 1.3 - Схема радиопроводного канала участка Инта - Воркута.

При необходимости перекрытия мёртвых зон длинных перегонов, до которых не достают радиостанции расположенные на железнодорожных станциях, устанавливаются контейнеры в которых монтируются промежуточные радиостанции, а выносные пульты управления ими выносятся на соседние железнодорожные станции. В таких контейнерах монтируются радиостанции РС-46МЦ. Тип фидера применяемый во всех радиостанциях участка Инта-Воркута РК50-7-11.

Схема организации круга поездной связи (ПРС) Воркута- Инта и резервирования приведена на рисунке 1.4. Поездной диспетчер при необходимости организации связи с машинистом тепловоза нажимает кнопку вызова перегона на котором находится необходимый поезд. На станции распорядительной СР 234 генерируются частоты вызова необходимой радиостанции, которые передаются по четырёхпроводной линии до необходимого участка, где выделяются аппаратурой УС2/4М в двухпроводную линию.

Рисунок 1.4 - Схема организации и резервирования круга ПРС Воркута-Инта

Радиостанция настроенная на данные вызывные частоты подключается к двухпроводной линии и передаёт сигнал ответа на пульт диспетчера, после чего диспетчер вызывает машиниста необходимого поезда и узнаёт необходимую информацию.

Сложившаяся технология организации взаимодействия участников перевозочного процесса и структура построения радиосвязи обусловили ряд проблем. Одна из них - наличие группового радиоканала (режим полупостоянного соединения), функционирующего по принципу «говорит один - остальные слушают», и избыточность регламентируемых переговоров на крупных железнодорожных узлах и грузонапряженных участках. Это ведет к информационной перегрузке каналов радиосвязи и персонала (в первую очередь дежурных по станциям и локомотивных бригад).

В числе других проблем следует назвать отсутствие избирательного вызова и возможности автоматической идентификации вызывающего или говорящего абонента, низкое качество связи и высокие затраты на содержание, нереальность внедрения систем удаленного мониторинга и администрирования. При существующей в ОАО «РЖД» системе радиосвязи невозможно организовать каналы передачи данных, отвечающие требованиям систем и технологических процессов обеспечения безопасности, управления перевозочным процессом, содержания объектов инфраструктуры и подвижного состава.

Совершенно очевидно, что отсутствие цифровой сети радиосвязи РЖД ограничивает развитие современных технологий организации эксплуатации железных дорог, систем автоматического управления движением и безопасности, препятствует повышению пропускной способности железных дорог.

1.2 Требования к стандартам радиосвязи

В соответствии с правилами технической эксплуатации железных дорог (ПТЭ 6.42) все участки железных дрог должны быть оборудованы поездной радиосвязью.

Поездная радиосвязь должна обеспечивать надежную двустороннюю связь машинистов поездных локомотивов, моторвагонных поездов, специального самоходного подвижного состава: с поездным диспетчером в пределах всего диспетчерского участка; с дежурными по станциям, ограничивающим перегон; с машинистами встречных и вслед идущих локомотивов, моторвагонных поездов, специального самоходного подвижного состава находящихся на одном перегоне; с дежурными по переездам и депо; с руководителями ремонтных работ и сигналистами; со стрелками военизированной охраны в поездах и на объектах; с помощником машиниста при выходе его из кабины; с начальником (механиком-бригадиром) пассажирского поезда.

При увеличении протяженности перегонов свыше 15 км вследствие закрытия станций или отмены дежурств дежурными по станциям, впредь до введения новых систем поездной радиосвязи, разрешается обеспечивать радиосвязь машинистов поездных локомотивов, моторвагонных поездов и специального самоходного подвижного состава при следовании по перегону с дежурным по соседней станции при условии устойчивой радиосвязи с поездным диспетчером. Порядок взаимодействия при этом машинистов, поездного диспетчера и дежурных по станциям, обеспечивающий безопасность движения поездов, и перечень таких перегонов устанавливаются владельцем инфраструктуры.

Цифровые системы поездной радиосвязи, внедряемые на сети железных дорог общего пользования, должны обеспечивать надежную двустороннюю связь перечисленных в настоящем пункте работников вне зависимости от протяженности перегонов.

Правила пользования поездной радиосвязью устанавливаются федеральным органом исполнительной власти в области железнодорожного транспорта, а порядок, обеспечивающий безопасность движения при неисправности поездной радиосвязи предусматривается в Инструкции по движению поездов и маневровой работе на железнодорожном транспорте Российской Федерации.

Технические нормативы поездной радиосвязи на железнодорожном транспорте общего пользования устанавливаются владельцем инфраструктуры.

Участки инфраструктурного комплекса, по которым обращаются поезда могут оборудоваться радиосвязью, в соответствии с порядком, установленным владельцем по согласованию с федеральным органом исполнительной власти в области железнодорожного транспорта.

Существует несколько видов радиосвязи:

- поездная радиосвязь;

- станционная радиосвязь;

- ремонтно-оперативная радиосвязь.

Станционная радиосвязь должна обеспечивать двустороннюю связь в сетях: маневровой и горочной радиосвязи, радиосвязи станционных технологических центров, пунктов технического обслуживания вагонов и локомотивов, радиосвязи пунктов коммерческого осмотра вагонов, контейнерных площадок, бригад по обслуживанию и ремонту технических средств (СЦБ, связи, пути, контактной сети и др.), подразделений военизированной охраны. Не допускается применение одинаковых радиочастот для разных маневровых районов в пределах одной станции. Для каждого маневрового района станции и обслуживающих его локомотивов выделяется отдельная радиочастота. Для организации технологических переговоров работников станции по опросам, связанным с маневровой работой, обслуживанием и ремонтом технических средств, допускается наряду с двусторонней парковой связью использование устройств мобильной радиосвязи.

Порядок применения устройств мобильной радиосвязи на станциях устанавливается владельцем инфраструктуры, владельцем инфраструктурного комплекса.

Для управления ремонтными работами на перегонах и станциях грузонапряженных линий должна применяться ремонтно-оперативная радиосвязь, предназначенная для обеспечения надежной двусторонней связи внутри ремонтных подразделений с руководителем работ, руководителя работ с машинистами локомотивов, машинистов специального самоходного подвижного состава и дежурным аппаратом соответствующей службы. [6]

1.3 Обзор современных стандартов радиосвязи

В настоящее время в практике мировых железных дорог используются несколько цифровых стандартов радиосвязи, рассмотрим основные:

GSM-R развернута в основном в европейских страх таких как Германия, Швеция, Франция. Как опытный образец на калининградской железной дороге.

GSM-R - это система связи для железных дорог на базе стандарта GSM. Основное отличие от GSM - частотное планирование как и в транкинге ориентировано на максимальную площадь соты; количество пользователей ограничено, количество соединений больше, время соединения меньше; необходимо гарантированное минимальное время на установление связи; предоставление связи в группах и очередь с приоритетами, динамическая перегруппировка (в аварийных ситуациях) и т.п. Предназначена для связи поездов с управляющими центрами, а также обеспечения работы приложений, управления трафиком. Гарантирует связь при скорости движения до 500 км/ч.

Tetra этот стандарт на железных дорогах используется значительно меньше, в основном в странах азиатского региона.

Стандарт TETRA (TErrestrial Trunked RAdio) является первым утвержденным стандартом на цифровой транкинг. Работает в диапазоне 450 MГц, что является достоинством как с организационной точки зрения (этот диапазон определен для технологической радиосвязи МПС), так и с технической - например большая зона охвата (до 50 км), благодаря чему затраты на инфраструктуру могут быть существенно снижены. При разработке стандарта TETRA учитывался негативный опыт разработки систем МРТ, в которых было стандартизовано недостаточное количество интерфейсов (системы МРТ различных производителей не совместимы друг с другом). Сети TETRA совместимы практически со всеми другими сетями благодаря стандартизации этих интерфейсов. Сеть TETRA может быть подсоединена к ГАТС и УАТС_, различным типам сетей передачи данных, а также и командным и контрольным системам. TETRA использует цифровую технологию TDMA многостанционного доступа с временным разделением каналов и режимом полного частотного дуплекса FDD. На одной физической частоте обеспечивается функционирование четырех временных физических каналов.

CDMA а в частности CDMA-450 используется на железных дорогах Португалии и менее распространен.

CDMA (Code Division Multiple Access) технология множественного доступа с кодовым разделением каналов, стандарт связи третьего поколения. Множественный доступ с кодовым разделением означает, что несколько абонентов могут пользоваться один пулом радиоканалов, не пересекаясь в разговоре благодаря кодовому разделению каналов. CDMA обеспечивает высокое качество связи, высокую конфиденциальность разговоров, низкий уровень шумов одновременно с низкой мощностью излучения передатчиков. Емкость сети CDMA в десятки раз выше, чем у любых аналоговых или цифровых стандартов благодаря возможности многократного использования полосы пропускания сети. CDMA позволяет одновременно с разговором принимать и отправлять факсимильные сообщения и данные.

Опыт ОАО «РЖД» по строительству двух зон цифровой системы радиосвязи стандарта TETRA на участках Свердловской и Октябрьской железных дорог показал, что существующие системы TETRA не отвечают требованиям к цифровым системам радиосвязи. Это связано с отсутствием специализированных железнодорожных приложений и оборудования, что требует значительных доработок аппаратуры и программного обеспечения.

1.4 Преимущества GSM-R

Технология GSM-R позволяет перевести поездную и маневровую радиосвязь на новую мощную унифицированную цифровую системную платформу. Она обеспечивает оптимальное покрытие обслуживаемой зоны, высокие эксплуатационную готовность и надежность, реализует интегрированные алгоритмы для обмена информацией с высокоскоростными поездами. Результатом ее внедрения на железной дороге станет повышение эффективности железнодорожных перевозок. Новая цифровая сеть радиосвязи обладает рядом преимуществ, которые позволяют упростить обмен информацией, повысить качество обслуживания абонентов и уровень безопасности. Сеть реализует интеллектуальные функции и поддерживает большой набор услуг телефонной связи и передачи данных. Например, поддерживается групповой и широковещательный вызов, приоритеты вызовов, прерывание разговора при поступлении срочного вызова с высоким приоритетом (например, в случае чрезвычайной ситуации), что способствует усилению безопасности на железнодорожном транспорте. Кроме того, поддерживается функциональная адресация, причем функциональные единицы например, машинист локомотива или проводник, могут быть вызваны независимо от их конкретного абонентского номера. Кроме того, GSM-R позволяет отказаться от нескольких параллельных сетей радиосвязи. GSM-R интегрирует разные службы и делает ненужной сложную структуру, характерную для аналоговых сетей. Кроме того, технология GSM-R позволяет обеспечить беспрерывную связь машиниста с диспетчером при скорости подвижного состава до 350 км/ч за счет использования нового высокоскоростного эквалайзера. А в лабораторных условиях связь обеспечивалась и при скорости 500 км/ч. Таким образом, данная технология позволяет снять один из основных барьеров на пути создания сверхвысокоскоростных поездов. Потенциал GSM-R не ограничивается телефонной связью. Технология GSM-R, как и GSM, интегрируется с GPRS для предоставления услуг на основе пакетной коммутации. Благодаря этому возможно в режиме реального времени получать телеметрическую информацию с любого локомотива, любой станции или перегона дороги. Информация о местоположении и скорости поезда будет передаваться по сети GSM-R в центр управления, что позволит полностью автоматизировать процесс регулирования движения поездов. Применение такой системы в пассажирском комплексе многократно повысит безопасность пассажирских перевозок. Появляется также возможность во время движения поезда передавать в соответствующие пункты управления разнообразную поездную информацию, например об износе тормозов и температуре в рефрижераторных и топливных вагонах, о состоянии сцепления вагонов. Это позволит существенно сократить затраты времени на техническое обслуживание и маневровую работу.

Стандарт GSM_R превосходит существующую сеть радиосвязи железных дорог по многим показателям, но его преимущества могут быть реализованы только при правильной и полной настройке оборудования и профессиональном обслуживании системы в целом.

2. Техническая часть

2.1 Принципы построения сети GSM-R

Сетевые требования к стандарту GSM-R

Все специфические функции существующих сетей радиосвязи, эксплуатируемых в настоящее время на железнодорожном транспорте, должны поддерживаться и в будущем. Помимо этого, новый стандарт должен обеспечить поддержку новых функций, связанных, прежде всего, с непрерывностью соединений, позволяющей свободное пересечение границ. Вместе с тем при организации адресации абонентов должны учитываться специальные требования, а именно:

- специфическая внутрисотовая маршрутизация - гарантирует связь машиниста локомотива с соответствующим диспетчером в любое время. Эта операция должна выполняться с учетом текущего местонахождения (информация о ячейке GSM, GPS и т.п.), посредством преобразования информации о месторасположении абонента, идентификатора ячейки и короткого кода в соответствующий номер диспетчера;

- функциональная адресация - позволяет диспетчеру связываться, например, с поездной бригадой при отсутствии сведений об именах абонентов и их действительных мобильных номерах. Соединение должно устанавливаться по схеме адресации, сочетающей номер поезда и функциональный номер, например, руководителя бригады проводников;

- реализация расширенных речевых услуг, типичных для частных мобильных радиосетей в GSM, - для железнодорожных сетей связи определена и стандартизирована структура под названием «расширенные возможности голосового вызова» (ASCI). Большинство функциональных структур, описанных в ASCI, используется в поездном радио. Сюда включена функция под названием eMLPP - услуга расширенного многоуровневого приоритета и прерывания обслуживания, которая гарантирует, что в случае перегрузки сети соединения низшего приоритета, будут переведены в состояние ожидания, обеспечивая преимущество сообщениям, имеющим более высокий приоритет (например, аварийным вызовам или сигналам управления поездами). Услуга группового голосового вызова (VGCS) позволит персоналу определенных групп связаться друг с другом. Она предназначена, прежде всего, маневровым и аварийным бригадам. И третья услуга PARM в GSM-R - вещание речи (VBS), которое позволит координировать групповые вызовы (например, аварийные вызовы) определенных абонентов в предварительно выделенных зонах. Структура сети GSM-R существенно не отличается от структуры мобильных сетей общего пользования и их расширений в смысле элементов сети, стандартизованных интерфейсов и сопряжения. Повторное использование частот для расширения емкости сети, микросотовая структура в зонах высокой плотности (например, на железнодорожных станциях) и принципы наложенной сети с зависящим от скорости переключением уже используются в сети GSM общего пользования и поэтому достаточно просто реализуемы в GSM-R с небольшими модификациями, учитывающими специфику железных дорог. Различия заключаются лишь в конфигурации и планировании сети, вытекающими из критических требований железнодорожных сетей.

Фундаментальным требованием к структуре сети GSM-R является наличие непрерывной сети радиосот, расположенных вдоль железнодорожной колеи. Каждая радиосота содержит одну или более приемо-передающих станций с направленными антеннами вдоль колеи, которые, в свою очередь, подключаются к контроллерам базовых станций. Каждый контроллер отвечает за обслуживание определенного количества радиосот. В целом контроллер базовых станций представляет собой интерфейс к системе коммутации, через которую подключаются все линии связи и обеспечивается соединение с другими сетями.

Так сложилось, что в пределах железнодорожных станций генерируется более высокий трафик (так называемая горячая зона), однако требования к надежности связи при перемещении в такой зоне не так высоки, как на скоростных участках. По этой причине на крупных железнодорожных станциях целесообразнее использовать секторизованные соты, а в зонах с пониженной плотностью абонентов и с невысокими скоростями движения объектов лучше использовать радиальные или всенаправленные соты. [7]

Структурная схема стандарта GSM-R

Стандарт GSM-R организован по принципу сетей GSM/GPRS, а значит отличается от GSM не значительно. Так и структурная схема стандарта GSM-R имеет общую схему со структурной схема стандарта GSM/GPRS, с доработками необходимыми для реализации потребностей железнодорожной радиосвязи.

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. На рисунке 2.1 показана структурная схема системы GSM-R.

Как видно из представленного рисунка мозгом всей системы является центр мобильной коммутации (MSC) представляющий собой интерфейс между фиксированными железнодорожными сетями и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной коммутационной станции цифровой сети с интеграцией обслуживания, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся «эстафетная передача», в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Рисунок 2.1 - Структурная схема системы GSM-R.

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны. Для небольших железных дорог достаточно одного MSC или двух в случае полного резервирования системы связи GSM-R. MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для железнодорожных телефонных сетей MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SSN7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.

MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в биллинговый центр расчетов и далее в биллинговую систему ЦСС. MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.

MSC поддерживает также процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам. MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC.

Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC).

Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по уникальному международному идентификатору абонента (IMSI) или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети в сетях общего пользования). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

BSS совместно с MSC, HLR, VLR выполняет некоторые функции, например: освобождение канала, главным образом, под контролем MSC, но MSC может запросить базовую станцию обеспечить освобождение канала, если вызов не проходит из-за радиопомех. BSS и MSC совместно осуществляют приоритетную передачу информации для некоторых категорий подвижных станций.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register).

Регистры группового вызова (GCP) отвечают за обслуживание групповых вызовов, одной из базовых услуг GSM-R для аварийной и маневровой связи. В GCP содержится информация о приоритетности абонентов, а также различные параметры групповых вызовов. Регистр GCR представляет собой программный модуль, который реализуется на базе VLR.

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает идентификационный модуль абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).

С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети. [10]

ТСЕ (TRAU) - транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с импульсно кодовой модуляции (ИКМ)) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется «полноскоростным».

Транскодер обычно располагается вместе с MSC, тогда передача цифровых сообщений в направлении к контроллеру базовых станций - BSC ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 кбит/с, дополнительных битов (стафингование) до скорости передачи 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-ти канальная ИКМ-линия (Е1), обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Оставшиеся два стандартных цифровых канала занимает сигнальная информация Шестнадцатый канал (64 кбит/с), «временное окно», выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит трафик SS 7 или LAPD. В другом канале (64 кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом X.25.

Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30х64 кбит/с + 64 кбит/с + 64 кбит/с = 2048 кбит/с.

Система управления движением поездов (RBC) позволяет передавать информацию о состоянии путей и рекомендованной скорости из центра автоматического контроля на компьютер машиниста.

Система регистрации переговоров (REC) производит запись всех переговоров и передаваемой информации для дальнейшего хранения. Это необходимо для возможности рассмотрения в дальнейшем правомерности выполнения тех или иных указаний переданных исполнителям.

Интерфейсы стандарта GSM-R

Все внутренние интерфейсы сетей GSM, а значит и GSM-R должны соответствовать требованиям Рекомендаций ETSI/GSM 03.02.

В системах стандарта GSM-R имеются интерфейсы трех видов:

- для соединения с внешними сетями;

- между различным оборудованием сетей GSM-R;

- между сетью GSM-R и внешним оборудованием.

Благодаря данным интерфейсам оператор системы может соединять аппаратуру разных производителей. Информационные потоки, проходящие через один интерфейс, могут принадлежать различным протоколам.

На рисунке 2.2 представлен пример соединения аппаратуры по некоторым интерфейсам.

Рисунок 2.2 - Внутренние интерфейсы стандарта GSM-R

Интерфейс между MSC и BSS (А-интерфейс) обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачи вызова, управления передвижением. А-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации. Последние используют протокол SS 7 ISUP2. Полная спецификация А-интерфейса соответствует требованиям серии 08 Рекомендаций ETSI/GSM.

Интерфейс между MSC и HLR совмещен с VLR (В-интерфейс). Когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции, он обращается к VLR. Если подвижная станция инициирует процедуру местонахождения с MSC, он информирует свой VLR, который заносит всю изменяющуюся информацию в свои регистры. Эта процедура происходит всегда, когда MS переходит из одной области местонахождения в другую. В случае, если абонент запрашивает специальные дополнительные услуги или изменяет некоторые свои данные, MSC также информирует VLR, который регистрирует изменения и при необходимости сообщает о них HLR.

Интерфейс между MSC и HLR (С-интерфейс) используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR. MSC может послать указание (сообщение) HLR в конце сеанса связи для учета трафика разговора. Когда сеть фиксированной телефонной связи не способна исполнить процедуру установления вызова подвижного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения местоположения абонента для того, чтобы послать вызов MS.

Интерфейс между HLR и VLR (D-интерфейс) используется для расширения обмена данными о положении подвижной станции, управления процессом связи. Основные услуги, предоставляемые подвижному абоненту, заключаются в возможности передавать или принимать сообщения независимо от местоположения. Для этого HLR должен пополнять свои данные. VLR сообщает HLR о положении MS, управляя ею и переназначая ей номера в процессе блуждания, посылает все необходимые данные для обеспечения обслуживания подвижной станции.

Интерфейс между MSC (Е-интерфейс) обеспечивает взаимодействие между разными MSC при осуществлении процедуры HANDOVER - «передачи» абонента из зоны в зону при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва.

Интерфейс между BSC и BTS (A-bis интерфейс) служит для связи BSC с BTS и определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием, передача осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с. Возможно использование физического интерфейса 64 кбит/с.

Интерфейс между BSC и ОМС (О-интерфейс) предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией.

Внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования ТСЕ (TRAU), использует стандарт ИКМ-передачи 2,048 Мбит/с и позволяет организовать из четырех каналов со скоростью 16 кбит/с один канал на скорости 64 кбит/с.

Интерфейс между MS и BTS (Um-радиоинтерфейс) определен в сериях 04 и 05 Рекомендаций ETSI/GSM.

Сетевой интерфейс между ОМС и сетью, так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети, определен ETSI/GSM Рекомендациями 12.01 и является аналогом Q.3-интерфейса, который определен в многоуровневой модели открытых сетей ISO OSI.

Соединение сети с ОМС могут обеспечиваться системой сигнализации SS 7 или сетевым пакетным протоколом для соединений с объединенными сетями или с PSDN в открытом или закрытом режимах.

Протокол управления и обслуживания сети GSM-R также должен удовлетворять требованиям Q.3-интерфейса, который определен в ETSI/GSM Рекомендациях 12.01.

Интерфейс между MSC и сервис-центром SMS необходим для реализации службы коротких сообщений. Он определен в ETSI/GSM Рекомендациях 03.40.

Интерфейс к другим ОМС обеспечиваются Х-интерфейсами в соответствии с Рекомендациями ETSI М.ЗО. Для взаимодействия ОМС с сетями высших уровней используется Q.3-интерфейс. [7]

Состав оборудования стандарта GSM-R

Как и в сетях GSM/GPRS оборудование сетей GSM-R включает в себя подвижные (радиотелефоны) и базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства.

Требования к терминальному оборудованию и функциональности радиосредств рекомендуется определять в соответствии с национальными правилами эксплуатации железных дорог, сложившейся спецификой использования аналоговых радиостанций и технологическими возможностями производителей. Радиостанции должны удовлетворять общим требованиям виброустойчивости, влагозащищенности, помехозащищенности и другим характерным требованиям при эксплуатации оборудования на электрифицированных участках железных дорог, в опасных зонах маневровой работы подвижного состава. Локомотивные терминалы, радиостанции моторельсового и автотранспорта должны иметь универсальный источник питания постоянного тока бортовой сети (DC 12 - 110V). Аккумулятор переносных радиостанций должен обеспечивать непрерывную работу не менее 24 часов в режиме соединения точка - точка 20%, групповые соединения 5% и ожидание 75%. Конфигурация радиостанции, пользовательские установки, записанные номера, закодированные клавиши сокращенного набора, архивные файлы и другие важные функции должны сохранятся при отключении или переключении питания. Стационарные терминалы настольного типа, терминалы передачи данных управления и контроля объектами инфраструктуры должны иметь сетевой источник питания переменного тока в соответствии с национальным стандартом (АС 220V) с резервированием от аккумуляторной батареи или источник питания постоянного тока (DC 24V или 48V). Все терминалы должны иметь интерфейсы передачи данных, в том числе инфракрасные порты, встроенные аккумуляторные батареи типа Li-Ion. В рамках стандарта GSM-R принято пять классов подвижных станций от модели 1-го класса до портативной модели 5-го класса, данные по классам мощности стандарта GSM-R приведены втаблице 2.1. При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи.

Таблица 2.1 - Классы мощности стандарта GSM-R.

2.2 Организация каналов доступа в стандарте GSM-R

Частотный план стандарта GSM-R

4 августа 2009 года Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) одобрила решение на выделение полосы частот 876-880 МГц и 921-925 МГц для создания цифровой системы железнодорожной связи в стандарте GSM-R. Стандарт GSM-R предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот. Полоса частот 876-880 МГц используется для передачи сообщений с подвижной станции на базовую станцию, а полоса частот 921-925 МГц - для передачи сообщений с базовой станции на подвижную станцию. На рисунке 2.3 рассмотрен частотный план стандарта GSM-R.

а)

б)

Рисунок 2.3 - Частотный план стандарта GSM-R

При переключении каналов во время сеанса связи разность между этими частотами постоянна и равна 45 МГц. Полоса частот выделенная на один частотный канал составляет 200 кГц. Таким образом, в отведенной для приема / передачи полосе частот шириной 4 МГц размещается 19 каналов связи (рис. 2,1 б).

Каждой БПС стандарта GSM-R доступны все 19 частотных канала, что позволяет реализовать метод скачкообразной перестройки частоты в стандарте GSM-R. Один из способов переключения частоты состоит в переключении модулирующего сигнала на входе передатчика. В этом случае число частот, используемых для скачкообразной перестройки, определяется числом приемопередатчиков БС.

В канале с номером z средняя частота приема базовой станции, выраженная в мегагерцах:

. (2.1)

Средняя частота передачи, выраженная в мегагерцах:

. (2.2)

Для увеличения пропускной способности в стандарте GSM-R, как и в стандарте GSM применяют множественный доступ с временным разделением каналов, что позволяет на одной несущей частоте разместить одновременно 8 речевых каналов. Таким образом, общее число каналов, доступных в системе GSM-R составляет:

, (2.3)

где N_F - общее число частотных каналов по плану (N_F = 19).

.

Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяется блочное и сверхточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижной станции достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации оборудования рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс. Это соответствует максимальной дальности связи 35 км (максимальный радиус соты).

Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи в данном стандарте осуществляется в рамках системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinuous Transmission).

Организация повторного использования частот

Так же как и в стандарте GSM в стандарте GSM-R для расширения емкости сети использует повторное использование частот.

Применение частотно-территориального планирования с повторным использованием частот позволяет увеличить пропускную способность при ограниченном количестве частотных каналов.

Основным принципом сотовой связи является повторное использование частот в несмежных сотах, идея которого заключается в том, что в соседних ячейках системы используются разные полосы частот, а через несколько ячеек эти полосы повторяются. Это позволяет при ограниченной общей полосе частот охватить системой сколь угодно большую зону обслуживания и существенно повысить емкость системы.

Группа сот с различными наборами частот называется кластером. Определяющим его параметром является количество используемых в соседних сотах частот. При 3-х элементном кластере (рисунок 2.4 а) ячейки с одинаковыми полосами частот повторяются очень часто, что плохо в смысле уровня соканальных помех, т.е. помех от станций системы, работающих на тех же частотных каналах, но в других ячейках. В этом отношении более выгодны кластеры с большим числом элементов например 6-ти элементном кластере (рисунок 2.4 б). На практике это число может достигать пятнадцати.

а) б)

Рисунок 2.4. Повторное использование частот в:

а) 3-секторной соте; б) 6-секторной соте

Увеличение числа элементов в кластере, выгодное в отношении снижения уровня соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в одной ячейке. Поэтому практически число элементов в кластере должно выбираться минимально возможным, обеспечивающим допустимое соотношение сигнал / помеха.

Смежные БС, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций (число ячеек в кластере). Если каждой БС выделяется набор из N каналов с шириной полосы каждого F_к то общая ширина полосы составит:

. (2.4)

МГц.

Отсюда число каналов связи в соте (число абонентов) определяется выражением:

, (2.5)

Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют частотным параметром системы, или коэффициентом повторного использования частот.

Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое «защитным интервалом».

В общем случае расстояние D между центрами ячеек связано с числом ячеек в кластере С соотношениями:

D = R, (2.6)

, (2.7)

где R - радиус ячейки (радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника).

Коэффициент С не зависит от числа каналов в наборе и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, при использовании ячеек меньших радиусов имеется возможность увеличения повторяемости частот. Применение шестиугольной формы ячеек позволяет минимизировать необходимый частотный диапазон, поскольку обеспечивает оптимальное соотношение между величиной С и защитным интервалом D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности БС, установленной в центре ячейки.

Параметр q = называется коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения.

Размеры ячейки (радиус R) определяют защитный интервал D между ячейками, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Величина защитного интервала D, кроме уже перечисленных факторов, зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предложении, что интенсивность вызовов в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одного размера. Размер зоны обслуживания БС, выражаемый через радиус ячейки R, определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников БС и ПС. Это, в свою очередь, улучшает условия ЭМС средств сотовой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

2.3 Основные особенности базовой структуры сети GSM-R

Архитектура сети GSM-R.

Базовая архитектура стандартной сети GSM приведена на рисунке 2.5. Использование компонентов мобильных сетей общего пользования гарантирует высокую надежность системы, так как в ней предусмотрена избыточность аппаратных средств, а функции программного обеспечения предусматривают обработку отказов. Эти компоненты широко распространены на рынке и используют современную технологию, которая уже в течение многих лет применяется в сетях общего пользования. Наличие развитой инфраструктуры стандартной сети GSM исключает необходимость создания собственного специализированного оборудования для сети железных дорог, что, в свою очередь, существенно снижает затраты администраций на эксплуатацию и техническое обслуживание сети.

Особые требования, предъявляемые к сетям GSM-R, связаны с обеспечением гарантированной связи при скоростях движения объектов до 500 км/ч. Кроме того, необходимо обеспечить равномерное покрытие железнодорожного пространства, особенно в пределах железнодорожных станций и маневровых зон, вне зависимости от того, на какой местности лежит полотно - в тоннеле или на открытом пространстве.

Рисунок 2.5. Базовая архитектура стандартной сети GSM

Связь должна устанавливаться в очень короткий срок, а скорость переключения между сетями должна быть максимальной. И наконец, каналы передачи должны быть всегда доступны.

Эти требования являются более или менее строгими для различных приложений GSM-R. Кроме того, при построении сети следует учитывать, планирует администрация железной дороги развертывание общегосударственной сети или же лишь оборудование системами GSM-R скоростных и международных магистралей. Помимо предусмотренной избыточности коммутатора и базовых станций, в GSM-R должны быть реализованы некоторые дополнительные концепции, гарантирующие повышенную надежность системы. Как известно, критическим местом в любой системе является точка подключения кабеля к BTS. Поскольку надежность медного кабеля или оптоволоконного кабеля в сочетании с необходимыми устройствами линейного окончания (HDSL-модемами или мультиплексорами ввода / вывода) не является обязательно такой же, как надежность самих BTS и BSC, даже очень высоконадежная BTS не обеспечит улучшения доступности системы. По этой причине железнодорожные сети с высокими требованиями к данному параметру должны использовать петлевую архитектуру. Такой подход имеет свои преимущества, поскольку перекрытие BTS двух различных петель уменьшит последствия выхода из строя BTS или BSC. Радиальное соединение используется специально для секторированных BTS с несколькими носителями. При последовательном соединении BTS в случае сбоя BTS или дефекта интерфейса канала связи для соединения Abis реле производит сквозное переключение канала Е1 к следующей BTS. Переключение будет «мягким» для соединения.

Последовательно - радиальная схема используется при недостаточном количестве каналов на определенных участках. Функционирование в случае выхода из строя BTS или канала связи аналогично первым описанным типам соединений. На рисунке 2.6 изображена структура, обеспечивающая более высокие показатели надежности системы.

Типовая сеть GSM-R состоит из нескольких эллиптических ячеек вдоль железнодорожных путей, предпочтительно с направленными антеннами по направлению пути. Часто используются составные ячейки, т.е. направленные антенны вдоль пути, которые образуют только одну ячейку. Использование этой технологии предпочтительно на линиях с ETCS при желании уменьшить число переключений. На железнодорожных станциях требуется большее количество трафика, в то время как требования по скорости снижаются. Поэтому большие железнодорожные станции, как правило, должны быть оборудованы секторированными ячейками. Для участков с низкоскоростным железнодорожным сообщением требуется просто речевая связь среднего уровня. Здесь ячейки могут функционировать как ненаправленные (участки без ETCS).

Рисунок 2.6 - Примеры базовой архитектуры для сети GSM-R

Взаимодействие национальных сетей GSM-R рекомендуется выполнить по утвержденной схеме увязки национальных телекоммуникационных железнодорожных узлов стран - членов ОСЖД по выделенным каналам Е1 рекомендации G.703. Количество соединительных каналов как минимум два по альтернативным маршрутам, сигнализация взаимодействия с протоколом SS7 ISUP2. Количество транзитных узлов в соединении не должно превышать два. [7]

Услуги сети GSM-R.

Большинство требований железнодорожных сетей связи может быть удовлетворено посредством обычных услуг стандартного GSM. Кроме того, сети, построенные по стандарту GSM-R, должны обладать рядом дополнительных свойств, в числе которых предоставление расширенных услуг телефонной связи ASCI, которые позволяют удовлетворить особые потребности железных дорог за счет применения групповых VGCS и циркулярных VBS вызовов, а также механизма приоритетов eMLPP. Ниже рассмотрены основные специфичные функции системы связи GSM-R. Групповой звонок VGCS - это голосовое соединение между несколькими участниками в границах заранее определенной области (групповой звонок передается только на заранее определенные станции определенной области, Service Area), где все участники разговора должны быть членами одной группы. Групповой звонок может инициировать любой участник группы, набрав номер группового вызова.

Одновременно может говорить только один участник группы. Разговорный канал можно активизировать, нажав кнопку разговора (Push-to-Talk-Taste PTT). Участник может присоединиться к разговору и после его начала (Late Entry). Инициатор группового звонка группу может оставить, прервав групповой звонок или оставив его в силе. В этом случае участники разговора могут его продолжать. Один участник может быть членом различных групп. В группе могут быть одновременно клиенты мобильной и стационарной сети телекоммуникаций. Если активизируется групповой звонок, участник может выбрать, принять его или нет.

В соответствии со стандартом GSM-R на SIM-карте может быть установлено до 50 групп. Количество участников в группе не ограничено. Чтобы получить групповой звонок, соответствующая группа должна быть активирована на SIM-карте.

Голосовое вещание и голосовые сборные звонки VBS. В отличие от Voice Group Call Service, Voice Broadcast Service - это соединение одного участника в одном направлении со многими участниками в определенной области (Service Area). Эти участники должны быть членами одной VBS-группы. Говорить может только тот, кто инициировал вещание, и только он может прервать соединение. И здесь участник может быть членом многих групп.

В отношении групп здесь распространяются те же правила, как при групповых звонках.

Преимущество и исключение - приоритеты eMLPP. Различным видам звонков можно присвоить различные приоритеты. Приоритетные классы установлены Международным союзом железных дорог (МСЖД) в соответствии с таблицей 2.2. Звонки с более высоким приоритетом в случае проблемы сети, когда нет свободных каналов, отключают звонки с более низким приоритетом.

Эти функции являются важными для организации железнодорожного движения. Высший приоритет всегда у тех соединений, которые относятся к безопасности движения. Дополнительно к функциям ASCI железная дорога использует такие специфические функции, как, например, особая адресация разговора. Эти функции частично были специально разработаны для нужд GSM-R или уже включены в GSM, но только теперь активно используются.

Таблица 2.2 - Категории приоритетов МСЖД.

Функциональная адресация FA. В случае функциональной адресации звонок адресуется, используя не номер адресата, который присвоен его конечному терминалу, например, номер MSISDN, а функцию или должность (функциональный номер, функциональный адрес).

Адресация, зависящая от места LDA. В случае звонка по адресации, зависящей от географической зоны, соединения составлены для производителей определенных функций в зависимости от места нахождения звонящего, например, для имеющихся центров управления поездами на определенной территории.

Железнодорожные аварийные вызовы. Железнодорожные внеочередные вызовы - это групповые звонки, которые с высшим приоритетом адресованы всем участникам какой-либо группы по заранее установленной географической области (Service Area). Они используют функцию eMLPP и поэтому исключают во время звонка имеющиеся другие соединения. Имеются два вида внеочередных звонков: внеочередной звонок поездного движения и внеочередной звонок маневровых и сортировочных работ. Если производится аварийный звонок, прерываются все простые разговоры, даже связанные с организацией движения и маневровой работы. Эти услуги могут быть реализованы в системе поездной радиосвязи, где диспетчер может, например, вызвать все поезда, находящиеся в пределах зоны группового вызова, составленной из зон действия нескольких базовых радиостанций. Механизм приоритетов вызовов и их замещения работает при разных уровнях загрузки сети, т.е. экстренный вызов поезда возможен в любое время даже при занятых ресурсах.

Режим прямой связи Direct Mode. Для данной функции, прямое соединение между конечным оборудованием без использования инфраструктуры, зарезервированы 5 частот между 876.0125 и 876.0625 MHz с разносом через 125 KHz.

Выделяют четыре категории специфичных услуг для систем GSM-R.

- Железнодорожная сигнализация. Эта категория услуг непосредственно связана с задачей управления движением. Бортовой поездной компьютер должен передавать данные о нахождении поезда, его скорости, количестве вагонов и другую информацию в Радио Блок Центры автоблокировки (RBC). Сеть RBC сравнивает данные, полученные от всех поездов в соответствующей зоне, рассчитывает необходимую информацию о профиле скорости для каждого поезда и передает ее на бортовой компьютер. Такой подход в сочетании с отсутствием проводных каналов позволяет перейти от традиционной фиксированной блочной структуры управления движением к подвижной блочной структуре. При этом появляется возможность уменьшения средней безопасной дистанции между поездами, что позволяет оптимизировать движение и минимизировать задержки поездов. Эти функции реализуются в рамках европейской системы управления железнодорожным движением и европейской системы управления поездом ERTMS/ETCS. Путевое и бортовое оборудование ERTMS/ETCS имеет модульную архитектуру, которая обеспечивает гибкую установку на различных типах транспортных средств и адаптацию к различным путевым интерфейсам. RBC формируют команды, исходя из информации, получаемой от системы централизации и блокировки, в соответствии со стандартами ERTMS/ETCS и передают их транспортным средствам с помощью мобильной радиосвязи GSM-R. Бортовые системы обрабатывают получаемую информацию. Это позволяет вести наблюдение за такими параметрами, как разрешенная скорость на линии и кривыми торможения, которые отображаются на экране интерфейса машиниста. Транспортные средства сообщают свое местоположение на RBC.

К категории железнодорожной сигнализации или передачи данных относятся также услуги, связанные с дистанционным управлением различными функциональными устройствами, начиная с дистанционного управления маневровыми локомотивами, кранами и сигнальными мостиками и заканчивая телеуправлением и телеконтролем различными объектами инфраструктуры.

- Функциональная голосовая связь. Поездное радио охватывает широкий набор различных функциональных систем связи, каждая из которых характеризуется типичным набором услуг, пришедших из оперативно-технологических радиосистем. Эти услуги должны поддерживаться системой GSM-R с модификациями и расширениями. Помимо этого, должны быть обеспечены и дополнительные услуги. Основная функция поездного радио заключается в обеспечении связи поездного или маневрового диспетчера с машинистом поезда и наоборот. В аварийных ситуациях соответствующие должностные лица должны иметь возможность связаться с любым поездом, а также иметь доступ к выделенным и другим функциям поездов в пределах конкретной зоны.

Члены маневровых бригад также должны связываться друг с другом и с фиксированным диспетчерским центром. Обычно дуплексная связь для таких бригад необходима только для обеспечения соединений «точка-точка», тогда как при групповом вызове может использоваться симплексный режим. Эта услуга в зависимости от требований конкретной железной дороги может быть либо непосредственно определена в GSM-R как мультиабонентский вызов, либо реализована с помощью бортовой проводной системы.

Персонал бригад путевого, электротехнического хозяйства использует сегодня либо радиостанции, либо установленные вдоль железнодорожных путей телефоны, обеспечивающие связь через проводные линии, либо мобильные телефоны публичного пользования. Это требует большого количества различных терминалов, что увеличивает расходы на эксплуатацию и техобслуживание.

Персонал бригад, обслуживающий инфраструктуру, должен использовать терминалы GSM-R, а установленные вдоль путей телефонные аппараты должны использоваться в аварийных ситуациях. Радиотелефонные трубки путевых бригад и установленные вдоль путей телефонные аппараты должны поддерживать взаимное соединение посредством увязки GSM-R и фиксированной сетей. Локальная связь на железнодорожных станциях и участках обычно обеспечивается посредством фиксированных сетей PABX, PBX. Для улучшения функциональности и доступности эти сети могут быть подключены к GSM-R MSC/VLR непосредственно или как удаленные устройства доступа.

Глобальная связь в современных железнодорожных сетях обычно представляет собой связь между различными железнодорожными организациями. Сегодняшние требования мобильности для этого типа соединений существуют только до определенного предела. Поэтому данная категория услуг может быть отнесена к связи с низкой мобильностью или без мобильности вообще и не будет использовать GSM-R для поддержки своего функционального назначения. Тем не менее, в зависимости от концепции конкретной железной дороги, эти абоненты могут подключаться к виртуальным частным сетям с помощью SSS GSM-R.

- Дополнительные услуги связи для пассажиров. Сегодня пассажиры не могут получить по бортовой связи полной информации, касающейся поездки, или справок от поездного персонала. В будущем информация в пути следовании должна быть доступна через сеть радиосвязи. Новые услуги, такие как резервирование билетов, изменение или отмена брони, доведение информации об изменениях в расписании движения поездов, о задержках и пересечениях поездов для транзитных пассажиров, заказ гостиницы, такси или авиабилетов, планирование маршрута, должны быть доступны для пассажиров. [7]

Система нумерации в GSM-R.

План нумерации сети GSM-R можно рассматривать на следующих уровнях:

- межгосударственный уровень открытых пользователей - роуминг обеспечивается аналогично публичной сети GSM по национальному коду страны;

- межгосударственный уровень нумерации поездов международного обращения - роуминг обеспечивается в выделенном каждым железнодорожным предприятием диапазоне нумерации с конвертацией в уникальный (неповторяющийся) номер поезда, «двойная нумерация» с соединением по национальному коду страны;

- национальный уровень открытых пользователей (технологическая связь) - роуминг обеспечивается аналогично публичной сети GSM внутри страны в выделенном каждому железнодорожному предприятию диапазоне нумерации. Перечисленные выше уровни нумерации должны находиться в базах данных пользователей во всех национальных сетях GSM-R;

- национальный закрытый план нумерации поездов международного, местного и пригородного обращения с присвоением уникального номера каждой графиковой нитке (номер поезда), каждой тяговой (самоходной) подвижной единице и конвертацией в равномерный семизначный план;

- национальный закрытый план нумерации операторов движения, поездных диспетчеров;

- национальный закрытый / открытый план нумерации раздельно по всем специализированным службам железнодорожного предприятия;

- национальный закрытый план нумерации по кругам поездной диспетчерской радиосвязи;

- национальный закрытый план нумерации по кругам маневровой радиосвязи;

- национальный закрытый план нумерации по кругам оперативной радиосвязи;

- национальный закрытый / открытый план аварийной нумерации поездной и маневровой диспетчерской радиосвязи.

Для обеспечения межгосударственных и национальных соединений должен быть выделен нумерационный ресурс публичного диапазона, для большинства стран достаточно стотысячного индекса. Вызов абонента другой железнодорожной сети осуществляется путем набора номера + ХХХ (код страны) ABххххх (номер абонента).

В основе плана нумерации GSM-R лежит функциональная адресация, с помощью которой можно производить звонки в пределах одной сети GSM-R.

Система управления движением поездов посредством GSM-R

Внедрение системы управления движением поездов (TCS), являющейся подсистемой системы управления железнодорожными перевозками (Rail Traffic Management System, RMTS), позволит значительно сократить расходы на управление движением поездов как на обычных, так и на высокоскоростных линиях, повысить безопасность железнодорожного транспорта, пропускную способность магистралей.

Система RMTS состоит из трех уровней управления движением поезда.

1 уровень. Точечная система управления поездом. Может использоваться как часть системы сигнализации или накладываться на ней с фиксированным управлением перегона. Команды управления движением зарождаются на пути и передаются поезду через приемоответчиками TCS. Контроль за поездом и общий контроль осуществляется напольным оборудованием. Схема точечной системы управления поездом представлена на рисунке 2.7 а).

2 уровень. Система управления использует радиосвязь. Может использоваться как часть системы сигнализации или накладываться на ней с фиксированным управлением перегона. Команды управления движением зарождаются на пути и передаются поезду по радио. Приемоответчик TCS используется в качестве устройства точечной передачи, главным образом для установления местонахождения. Определение поезда и общий контроль обеспечиваются напольным оборудованием в составе системы сигнализации (рельсовые цепи и централизация). Радио центр автоблокировки RBC служит для связи с поездами и идентифицирует каждый поезд. Схема система управления использующей радиосвязь представлена на рисунке 2.7 б).

3 уровень. Система управления поездом с непрерывным контролем его скорости и использованием радио и подвижного (не фиксированного) блок участка. Подвижный блок участок охватывает зону, которая зависит от тормозного пути и длины поезда. Это позволяет лучше использовать путь и уменьшить интервалы между поездами. Система использует связь пути с поездом через GSM-R и приемоответчик TCS для точечной связи с целью определить месторасположение поезда. RBC обеспечивают передачу информации на поезда и идентифицирует каждый поезд. Данная схема представлена на рисунке 2.7 в)

Управление движением поездов во многом обеспечивается системой железнодорожной сигнализации. Бортовой компьютер локомотива передает данные о его местонахождении, скорости, количестве вагонов и другие характеристики в центр радиосвязи (RBC). Тот сравнивает сведения, полученные от всех поездов в соответствующей зоне, рассчитывает профиль движения каждого состава и пересылает информацию на бортовой компьютер.

Благодаря этому можно уменьшать среднюю безопасную дистанцию между поездами, что позволяет оптимизировать движение и сводить к минимуму задержки в движении составов. С помощью железнодорожной сигнализации осуществляется и дистанционное управление различными устройствами и оборудованием - от маневровых локомотивов до сигнальных мостиков.

Так же в сетях GSM-R возможна реализация многих дополнительных услуг для пассажиров железнодорожного транспорта. Таких как платное использование услуг GSM-R для дозвона в сети общественного пользования, так как зона покрытия сетей GSM не гарантирует устойчивую связь на всем протяжении поездки. Либо выделение платного доступа к сети WI-FI в вагонах бизнес класса.

Рисунок 2.7 - Примеры управления движением поездов

2.4 Выбор и описание оборудования GSM-R

Структура парка производителей оборудования GSM-R.

На сегодняшний день парк производителей оборудования GSM-R представлен несколькими основными компаниями. Выделим три основных производителя решений GSM-R:

- Nokia Siemens Networks,

- Nortel,

- Huawei Networks.

Nokia Siemens Networks основанная в 2007 г. путём слияния двух компаний Nokia и Siemens, страна Финляндия. Опыт постройки более 20 GSM-R сетей в 15 странах с покрытием более 50 тыс. км железнодорожных путей.

Nortel Networks Corporation активно работающая с 1999 года в сфере GSM-R решений, страна Канада. Последний крупный проект продажа оборудования GSM-R для телефонизации железных дорог в 20 провинциях Китая и подписание контракта на внедрение оборудования GSM-R на новой железнодорожной линии в Алжире.

Huawei Networks компания динамично развивающаяся в сфере услуг GSM-R, страна Китай.

В виду большего распространения на железных дорогах Европы, а также на рынке обслуживания и эксплуатации сети мобильной связи операторов GSM России, в дальнейшем рассмотрении будет выбрана аппаратура компании Nokia Siemens Networks.

Выбор базовой станции

Для оборудования проектируемой системы GSM-R на заданном участке выбираем модели базовых станций Siemens BS240/241, которые поддерживают как стандарт GSM-R, так и стандарт GSM. Внешний вид BS240 представлен на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Базовая станция GSM BS240

Данная базовая станция обладает рядом преимуществ:

- Совместимость с существующими системами базовых станций Siemens обеспечивает свободную интеграцию в уже установленную инфраструктуру;

- Возможности расширения стоек до 24 обслуживаемых приёмопередатчиков (TRX) на сайт отвечает возрастающим потребностям в повышенной ёмкости;

- Наивысшая степень надёжности, обеспечиваемая за счёт дублирования всех основных модулей;

- Меньшие инвестиционные расходы благодаря встроенному перекрёстному соединению Аbis-интерфейса (8 ИКМ-линий);

- Оперативное развёртывание сети требует приблизительно на 50% меньше сайтов благодаря наивысшей чувствительности приёмных устройств и применению мощных усилителей;

- Предварительно проводимая наладка обеспечивает время инсталляции продолжительностью менее 1 часа;

- Бесперебойность в работе при расширении стойки или замене TRX;

- Интеллектуальные антенны обеспечивают повышение ёмкости;

- Архитектура, подготовленная для поддержки будущих функциональных возможностей GSM (например EDGE): функциональная модульная внутренняя структура, гибкие возможности обработки сигнала, заменяемая высокочастотная часть.

Технические характеристики базовых станций Siemens BS240/241 сведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 - Технические характеристики Siemens BS240/241

В системе компании Siemens, созданной на базе GSM-R, реализованы следующие возможности:

- обеспечение пользователей, находящихся в поезде, радиосвязью со внешними абонентами или диспетчером;

- организация связи поезда с диспетчерскими пунктами системы;

- автоматическое управление движением поездов;

- получение оперативной информации о движении состава (прогноз времени прибытия в ту или иную точку, основанный на измерении его скорости);

- согласование нумерации поездов при пересечении границ;

- автоматический мониторинг технического состояния железнодорожного состава и запись характеристик оборудования в базу данных бортового компьютера.

Стандарт GSM-R (он базируется на спецификациях GSM фазы 2) поддерживает такие важные функции, как групповая связь, голосовое вещание и многоуровневая приоретезация вызовов - включая экстренный вызов всех абонентов системы. Время установления соединения в режиме обычной связи составляет 3-6 с, а при срочном вызове - менее 1 с.

Выбор абонентских терминалов

В настоящее время выпуск абонентских терминалов стандарта GSM-R производится более двадцатью производителями такого оборудования и их число постоянно растет. Равно как и выбор моделей трубок.

Главными критериями выбора абонентского терминала является его приспособленность к рабочей среде его использования. Так носимые трубки используемые в полевых условиях должны обладать рядом качеств, таких как ударопрочность, влагозащищенность, использование универсальных средств заряда, наличие кнопки экстренного вызова. Не маловажным фактом является стоимость абонентского терминала. Исключение ненужных функций из носимой трубки, таких как фотокамера, игры, и другие атрибуты современных GSM телефонов приведет к удешевлению, а значит к скорейшей окупаемости данного оборудования.

На рисунке 2.9 представлены несколько моделей носимых трубок разработанных специально для нужд GSM-R.

а) б) г)

Рисунок 2.9 - носимые трубки GSM-R а) Sagem - CPH-940, б) Sagem TiGR 350R, г) Selex ROG100 GSM-R

Что касается возимых станций применяемых например для использования в тепловозах, то в них основными критериями является пыле и влагозащищенность, работа в условиях вибрации, экранируеммость.

На рисунке 2.10 представлена радиостанция GSM-R для кабины машиниста

Рисунок 2.10 - Мобильный терминал локомотивов Selex GTF2300.

Оборудование пакетной передачи данных

Комплекс оборудования, реализующего услуги пакетной передачи данных (GPRS), производства Siemens состоит из:

- подсистемы базовых станций (ПБС) BSS R9 стандарта GSM-R;

- приемо-передающих базовые станции (ППБС) BS 240/241;

- контроллера с транскодером BSC/TRC с блоком пакетной передачи данных PCU;

- комбинированного узла шлюзовой, текущей поддержки GPRS CGSN (версия ПО 3.0),

- узла обслуживания оборудования GPRS GIS;

Структурная схема системы подвижной связи(СПС) стандарта GSM-R с поддержкой службы пакетной передачи данных через радиоинтерфейс GPRS, с использованием комплекса оборудования GPRS производства Siemens включает в себя следующие основные элементы:

1. MSC/VLR - (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) в дальнейшем, именуется, как ЦКП/ВРМ (Центр коммутации подвижной связи, временный регистр местонахождения)

2. SMS-GMSC - (Short Message Service - GMSC) - служба коротких сообщений GMSC.

3. SMS-IWMSC - (Short Message Service - Interworking MSC) - служба коротких сообщений - взаимодействие MSC.

4. «Опорная сеть СПС» - сеть оператора услуг сотовой связи, в состав которой входит оборудование GSN.

5. «Другая сеть СПС» - сеть другого оператора услуг сотовой связи.

6. Gb, Gn, Gp, Gr, Gd, Gi, Gom, Gs, Ge - интерфейсы службы пакетной передачи данных через радиоинтерфейс GPRS.

7. C, E, D, A, Abis, Um - стандартные интерфейсы сети СПС стандарта GSM-R.

8. В качестве оборудования элементов системы СПС стандарта GSM-R с поддержкой службы пакетной передачи данных через радиоинтерфейса GPRS может использоваться оборудование других фирм-производителей имеющих Сертификат соответствия Министерства Российской Федерации по связи и информатизации.

Комплекс оборудования GPRS может быть реализован в различных вариантах конфигурации.

Узел CGSN версии 3.0 позволяет обслуживать до 110000 одновременных сеансов передачи данных (PDP Context).

Комплекс оборудования GPRS конструктивно выполнен в виде единой стойки и обеспечивает поддержку службы пакетной передачи данных через радиоинтерфейс GPRS и включает в себя:

1. Комбинированный узел шлюзовой / текущей поддержки GPRS СGSN, который обеспечивает как функциональность SGSN, так и GGSN.

2. Комбинированный узел поддерживает:

- интерфейс Gb - с сопряжённой с ним подсистемой базовых станций;

- интерфейс Gd - c шлюзовым и промежуточным узлами службы коротких сообщений;

- интерфейс Ge - с узлом CAMEL GSM-SCF для обеспечения тарификации в реальном режиме времени;

- интерфейс Gi - с внешней фиксированной сетью передачи данных (IPv4); интерфейс Gn - c узлами GGSN и SGSN внутри одной сети;

- интерфейс Gom - с сетью управления и эксплуатации; интерфейс Gp - с узлами GGSN других сетей;

- интерфейс Gr - c опорным регистром местонахождения (HLR); интерфейс Gs - с узлом MSC/VLR для одновременного предоставления услуг голосовой связи и пакетной передачи данных. [лит 4]

радиосвязь канал доступ стандарт

2.5 Энергетический расчет проектируемой системы радиосвязи

Расчет высоты подъема антенны базовой станции

Использование систем GSM-R в условиях железнодорожного транспорта накладывает определённый характер расположения базовых станций и антенн. В отличие от GSM систем, в которых используется система сот, в системе GSM-R оптимальным расположением базовых станций является расположение вдоль железнодорожной магистрали с привязкой к уже имеющимся железнодорожным станциям и перегонным контейнерам, так как экономически выгоднее использовать уже имеющуюся инфраструктуру (помещения, электропитание и т.д.)

Произведем расчет максимальной зоны охвата базовой станции и высоты подъема антенн.

Для расчета распространения сигнала в сетях подвижной связи необходимо использовать математические модели, дающих возможность рассчитать усредненное значение принимаемой мощности в зависимости от различных параметров, характеризующих конкретные условия мобильной связи. Большинство из них являются почти полностью эмпирическими

К этим моделям относятся модели Окамуры, Окамуры-Хата и модель Ли.

Модель Окамуры основана на экспериментальных результатах. Сначала определяется ослабление сигнала при распространении для квазигладкой местности. Трасса протяженностью несколько километров, на которой средняя высота неровностей не превышает 20 м, определена в модели Окамуры как «квазигладкая».

Модель Окамуры-Хата основывается на экспериментальных измерениях Окамуры. Эмпирические зависимости, используемые в модели Окамуры в виде графиков, в этой модели представлены в виде аппроксимирующих их формул.

Модель Ли «от зоны к зоне» классифицирует по следующим признакам:

- по инфраструктуре, сформированной человеком (характер застройки): открытая территория, пригородная зона, городская застройка.

- по естественным свойства (характер трассы): гладкая, холмистая, трасса над водной поверхностью, трасса через лиственные леса. [лит1стр 225]

На рассматриваемом участке Инта-Воркута преобладает среднепересеченный рельеф с пологими неровностями типа холмов.

Для расчета используем модель Окамуры-Хата, так как она рекомендована Международным Консультативным Комитетом по Радиосвязи (МККР) и довольно проста в применении. Эта модель позволяет вычислить потери на радиотрассе для конкретной местности и параметров базовой станции.

При использовании для открытой местности:

Средний уровень потерь на радиотрассе, следуя эмпирической модели Хата, определяется следующим выражением:

a_mx=69.55+26.16lg(f) - 13.82lg(h_БС)+[44.9-6.55lg(h_БС)] lg(R)+

+a(h_AС)+a(U_r)+a(b)+a(h_БС., f) (дБ) (2.8)

Здесь:

Радиусе ячейки R=1…100 км

Высота мобильной антенны h_AC=1…10 м

Частота f=150…1500МГц.

Высота базовой антенны h_БC=30…200 м

a(h_AС)=(1-U)?₁+U(?₂ F₁+ ?₃ F₂) - коэффициент, учитывающий высоту антенны абонентской станции (U=0 для небольшого города), ?₁=(0,7-1,1lg(f)) h_AС+1,56lg(f) - 0,8, ?₂=1,1-8,29lg²(1,54h_AС), ?₃=4,97-3,2lg²(11,75h_AС), F₁=, F₂=

a(U_r)= (1-U) ([1-2U_r]?₁+4 U_r ?₂) - коэффициент, учитывающий характер местности(U_r =0 для сельской местности, U_r =0,5 для пригорода), ?₁=4,78lg²(f)+40,94, ?₂=2 lg²(f/28)+5,4

a(b)=25lg(b) - 30 - коэффициент, отражающий влияние плотности застройки, b=3…50%, для нашего случая плотность построек минимальна значит ставим 3%

a(h_БС., f)= - коэффициент, учитывающий сферичность Земли (вводится, если 0,2R₀ < r ? 0,8R₀, где R₀ - расстояние прямой видимости).

Рассчитаем зону покрытия базовой станции GSM-R в условиях участка Инта-Воркута, исходя из требования обеспечения надлежащего качества сигнала.

При расчетах используем:

f=900МГц

h_БС=30 м

h_AС=1,7 м

?₁=(0,7-1,1lg(900)) 1,7+1,56lg(900) - 0,8=-0.526

?₂=1,1-8,29lg²(1,54*1,7)=-0,348

?₃=4,97-3,2lg²(11,75*1,7)=-0,442,

F₁==0,012

F₂==0,988

a(h_AС)=(1-0)(-0.526)+0 (?₂ F₁+ ?₃ F₂)=1

a(U_r)=0

a(b)=25lg(3) - 30=-18,072

a(h_БС., f)==30,91lg()+0,173

найдём a_mx

a_mx=69,55+26,16lg30+(44,9-6,55lg30)lgR-1+0-18+30,91lg()+0,173=

=89.364+35.225lgR+30,91lg(), (дБ)

Теперь, исходя из выходной мощности передатчика P(дБ), запаса по замираниям S(дБ) и требуемого уровня сигнала на входе приемника Q(дБ), запишем уравнение для нахождения R - максимального расстояния от БС, на котором достигается требуемое качество связи:

P-L-S=Q (2.9)

P-=Q

Задавая соответствующие параметры P(дБ), S(дБ), Q(дБ), можно вычислить расстояние уверенной связи R; на основании этих данных строится зона покрытия БС с точки зрения качества сигнала (без учета нагрузки на соту и возможностей БС по пропускной способности).

На рисунке 2.10 показан характерный вид функции уровня сигнала в зависимости от расстояния между БС и а носимой станцией. Пересечение этой функции с прямой Q дает значение максимального значения радиуса зоны обслуживания, при котором еще предоставляются услуги требуемого качество.

Рисунок 2.10 - Зависимость уровня сигнала от расстояния между базовой и носимой станцией

Область использования модели Хата меньше области использования модели Окамуры. Аппроксимирующие выражения по модели Хата совпадают с результатами Окамуры с точностью до 1 дБ в пределах основной области и с меньшей точностью в пределах расширенной области. []

Для вычисления высоты установки антенны базовой станции можно также использовать пример приведенный [3].

Расчет дальности радиосвязи начинается с определения необходимой высоты установки антенны базовой станции по заданным исходным данным: максимальному удалению абонента, качеству радиосвязи и её надёжности.

Минимальный допустимый уровень сигнала на входе приемника (U_2p) определяется из условия электрификации участка железной дороги. Участок Инта-Воркута является не электрифицированным, а значит U_2p=4дБ/мкВ

Вычислив напряжение полезного сигнала определяем по номограмме [3 приложения 2] расстояние радиуса соты для базовой станции GSM-R при высоте установки антенн базовой и носимой радиостанции соответственно 30 м и 1,7 м. R=25 км.

На рассматриваемом участке Инта-Воркута среднее расстояние между станциями 20 км при радиусе соты 25 км установка базовых станций возможна на расстоянии 40-50 км друг от друга. На рисунке 2.11 показан предварительный план установки базовых станций GSM-R на участке Инта-Воркута.

Рисунок 2.11 - Предварительный план установки базовых станций GSM-R на участке Инта-Воркута

Для монтирования на участке Инта-Воркута цели выбираем стационарную опорную антенная мачту МС45-36. Антенная мачта МС-45 имеет треугольное сечение со стороной треугольника 450 мм, т.е. представляет собой более «мощную» конструкцию. МС-45 допускает установку корзины обслуживания вплоть до максимальной высоты - 33 м, а также допускает крепление к телу мачты довольно крупных параболических антенн, диаметром 0,8 м (на высоте до 26,5 м),

В таблице 2.4 даны основные высотные характеристики МС45-36.

Таблица 2.4 - Основные высотные характеристики МС45-36

Расчет абонентской нагрузки в сетях GSM-R

Количество абонентов, подлежащих включению в проектируемую сеть цифровой радиосвязи, определено на основании исходных данных, получаемых от дирекций связи, и с учетом требований задания на проектирование и перечня типов абонентов. При расчете абонентской нагрузки, создаваемой на каждую базовую станцию, учитываются следующие данные:

Для голосового трафика: средняя абонентская нагрузка в час наибольшей нагрузки должна составлять 0,15 Эрл для ДСП и диспетчерского аппарата, 0,025 Эрл - для остальных абонентов; допустимая доля отказов при установлении вызовов - 1%; количество машинистов и помощников машинистов, которые должны быть обеспечены радиосвязью, определяется количеством составов, находящихся одновременно в зоне действия базовой станции.

Для каналов передачи данных: в соответствии с «Техническими требованиями к системе цифровой технологической радиосвязи стандарта GSM_R ОАО «РЖД» для систем управления движением должен обеспечиваться непрерывный канал передачи данных в течение всего времени пребывания подвижного объекта управления на участке, оборудованном этой системой; количество единиц подвижного состава в зоне действия базовой станции определялось для перегонов на основании данных о минимальном интервале попутного следования, полученных от Департамента движения, с учетом средней участковой скорости в пригородной зоне 40 км/ч, в остальных - 60-80 км/ч. Количество единиц подвижного состава для станций принимается в объеме 50% от количества приемоотправочных путей. Количество приемопередатчиков базовых станций определено, исходя из необходимого количества непрерывных каналов передачи данных и голосовых каналов, с использованием теории телетрафика. [8]

При оценке нагрузки и, следовательно, емкости в сотовых сетях пользуются распространенной моделью Эрланга для систем с отказами (вероятность поступления вызова в момент, когда все каналы заняты) вычисляется как:

(2.11)

где A - нагрузка; n - общее число каналов

Данная формула Эрланга является табулированной. Но, как оказалось на практике, это не всегда является удобным для расчетов нагрузки при проектировании сотовой сети. Очевидная сложность процедуры определения нагрузки непосредственно при помощи формулы не позволяет рекомендовать ее для инженерного использования, тем более, что по ее виду ничего нельзя сказать о характере зависимости величины допустимой нагрузки от значений вероятностей отказа и числа каналов.

Точное решение уравнения (2.11) относительно нагрузки (A) невозможно. В то же время со сколь угодно высокой точностью оно может быть получено одним из методов приближенного решения нелинейных уравнений, например, с помощью итерационной процедуры Ньютона.

Основная трудность состоит в отыскании эффективной аппроксимации для функции F(n). Как оказалось, удовлетворяющим этим условиям, достаточно точным и удобным для последующего использования является следующее приближение:

(2.15)

Таким образом, используя аппроксимацию (2.15) и формулу (2.13.), получаем следующий приближенный вариант уравнения (2.11):

В дальнейших рассуждениях большую роль играет параметр, который можно назвать критическим значением вероятности отказа в обслуживании p_aкр.

Если p_aI I₁, допустимая величина нагрузки меньше числа каналов n, т.е. A< n; напротив, при p_aI I₂ имеет место обратное неравенство, т.е. A> n.

Решая уравнение (2.17) с учетом уравнений (2.18) и (2.19) получаем:

(2.20)

где (2.21)

(2.22)

где (2.23)

(2.24)

(2.25)

(2.26)

(2.27)

Анализ проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Определение значения p_кр является первым этапом оценки допустимого значения нагрузки A и позволяет указать одну из границ диапазона изменения A. Если задаваемое значение p_a меньше (больше) p_кр, величина A будет меньше (больше) n. Это и есть ориентировочная оценка A;

2. Исследования расчетов подтвердило целесообразность исследования нагрузки при вероятности потерь от 0.01 до 0.05. Сравнительно небольшое возрастание нагрузки приводит к резкому росту вероятности отказа, т.е. к ухудшению качества обслуживания.

В связи с этим, приближенные соотношения, полученные в результате моделирования, представляют собой практический интерес и позволяют определить абонентскую нагрузку с заданной вероятностью отказа при заданном качестве связи.

Таким образом, полученная модель системы массового обслуживания и метод расчета нагрузки позволят операторам сотовых сетей прогнозировать распределение нагрузки в пределах зоны действия базовой станции.

Данная формула является не только математическим аппаратом для операторов сотовых сетей, т. к. набор формул без рекомендаций и общих методик это еще не прикладное средство, которым будут пользоваться операторы. На данном этапе разработана методика планирования сотовых сетей с учетом конкретных параметров и характеристик радиооборудования.

2.6 Разработка схемы построения проектируемой системы радиосвязи

Полученные в пункте 2.5.1 расчеты показали, что при расстоянии между базовыми станциями 20-25 км, высоте подъема антенны не менее 30 метров, высоте подъема антенным мобильной станции от 1,7 м и выше на участке Инта-Воркута можно организовать систему радиосвязи с подвижными объектами на базе стандарта GSM-R. В качестве базовых станций используются модели Siemens BS240/241, которые по потоку Е1 подключаются к мультиплексорам СМК-30.

Все базовые станции на рассматриваемом участке подключаются к одному контроллеру базовых станций BSC, который находится в Центре управления дороги (г. Ярославль.).

При проектировании необходимо выделить четыре пусковых комплекса:

- первый - приспособление помещений, организация внешнего электроснабжения;

- второй - строительство антенно-мачтовых сооружений и антенно-фидерных устройств;

- третий - создание центра коммутации и управления цифровой системой технологической радиосвязи;

- четвертый - построение сети цифровой технологической радиосвязи.

Заключение

В «Белой Книге» ОАО «РЖД» одной из целей модернизации сети железных дорог определено создание единого информационного пространства, интегрированного с информационными системами других видов транспорта и промышленности, иностранных железных дорог.
Стратегическое направление создания такого информационного пространства - внедрение системы цифровой радиосвязи. Это может быть достигнуто посредством внедрения GSM-R.

В настоящее время GSM-R непрерывно эволюционирует с сохранением обратной совместимости. При этом следует различать меры по развитию сети на уровнях МСЖД и (европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций). Например, в настоящее время на уровне МСЖД подготовлена спецификация на улучшенную адресацию в зависимости от местоположения (eLDA), построенную на базе системы спутниковой навигации GPS и обеспечивающую более точное определение местоположения по сравнению с прежним вариантом LDA на базе ячеек сети. Кроме того, в МСЖД изучают возможность применения улучшенных способов кодирования речи современных алгоритмов шифрования и проверки аутентичности. В то же время институт ETSI намерен создать спецификацию на метод шифрования и управление ключами для групповых разговоров и изучает возможности взаимодействия между службами ASCI и пакетной передачи данных по радио (GPRS), имеющего большое значение для железнодорожного транспорта.

Таким образом, сеть GSM-R будет играть важную роль в развитии железнодорожного транспорта и повышении его эффективности. При этом решающее значение будут иметь новые услуги на основе информации о местоположении абонентов, GPRS и сети Интернет.

Список используемой литературы

1. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы с вязи с подвижными объектами. - М.: Радио и Связь, 2009.

2. Гавриленко В.Г., Яшнов В.А. Передача информации по беспроводным сетям в условиях пересеченной местности. - Нижний Новгород: 2007

3. Панкратов Л.В. Радиотехнические системы на железнодорожном транспорте. 31/15/2 - РГОТУПС, 2009

4. Комплекс оборудования, реализующего услуги пакетной передачи данных (GPRS), Описания коммутационных систем применяемых на ВСС России. - Лаборатория Информационно-справочных систем и сертификации средств связи, 2008

5. Модели и методы расчета абонентской нагрузки в сотовых сетях И.Р. Гершман Интернет сайт http://telecomproject.tripod.com/nagr.htm - ЛОНИИС. 2009 г.

6 Правила технической эксплуатации железнодорожного транспорта Российской Федерации. - Министерство транспорта Российской Федерации. 2007 г.

7. Рекомендации по разработке эскизного проекта системы цифровой радиосвязи стандарта GSM-R. - Варшава: Разработано экспертами Комиссии ОСЖД по инфраструктуре и подвижному составу 2008

8. Ю.А. Тараненко. Проектирование цифровой сети технологической радиосвязи // Автоматика Связь Информатика, 2008. №12. - с28-29

9. В. Воронин, А. Вериго. Особенности развития технологической радиосвязи ОАО «РЖД» на современном этапе // Connect! Мир Связи, 2009. №3

10. Структурно-функциональное построение систем GSM. Интернет сайт http://alex-bor2006.narod.ru/gsm/3_struk.htm