Транкинговая система цифрового стандарта gsm-r
8. Транкинговая система цифрового стандарта gsm-r
Стандартизацией GSM-R занимается в рамках МСЖД проектная группа EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network), созданием прототипов (сети и оконечных устройств) – консорциум MORANE, в который входят железные дороги, промышленные фирмы и исследовательские институты. Результаты этих работ используются в проекте ERTMS, ориентированном на повышении конкурентно способности железных дорог по сравнению с другими видами транспорта за счет следующих целей:
- обеспечение эксплуатационной совместимости в национальных и международных системах железнодорожной связи;
- повышения эффективности, безопасности и надежности железных дорог;
- совершенствование технологических операций;
- повышения уровня обслуживания пассажиров;
- введения дополнительных услуг для клиентуры;
- создания новых источников доходов для железнодорожных компаний.
Рекомендуемые материалы
Внедрение системы GSM-R позволит удовлетворить потребности железнодорожных служб при помощи единой системы радиосвязи. Дополнительные по отношению к исходному стандарту GSM свойства ASCI (стандартный код для обмена информацией) необходимы для реализации функций автоматического управления движением поездов. Он включают в себя расширенные многоуровневые приоритеты и резервирование, услуги широковещательного оповещения и речевого группового вызова. Для удовлетворения требований железных дорог к услугам поездной маневровой радиосвязи, передачи данных для управления движением поездов, телеуправления и т.д. наряду со свойствами ASCI должны быть реализованы: функциональная адресация, представление функциональных номеров, адресация в зависимости от текущего местоположения и обработка вызовов с высоким приоритетом.
Выдвигаемые требования направлены не только на оптимизацию системы связи. Реализация некоторых из них является обязательным условием для использования GSM-R в качестве среды передачи в системе автоматического управления движением поездов, где с одной стороны тракта передачи генерируются данные, а с другой стороны производится их оценка. Стремление унифицировать системы сигнализации привело к налу работ в рамках МСЖД над проектом создания европейской системы управления движением поездов ETCS, уровни 3 и 4 которой предусматривают использование сети радиосвязи на основе системы GSM-R.
Цифровой стандарт GSM-R – с частотно-временным разделением каналов, имеет 8 временных каналов в полосе 200кГц. Для системы выделена полоса шириной 4 МГц в диапазоне (876-880) МГц для передачи от подвижной к базовой станции и (921-925) МГц для передачи от базовой к подвижной станции.
Структурная схема цифрового стандарта GSM-R
Рисунок 14
В инфраструктуру сетей GSM-R входят следующие элементы (рис14).
Базовая приемо-передающая станция БПС (BTS) - обеспечивающая радиосвязь в определенной зоне.
Контроллер базовой станции КБС (BSC) - выполняет следующие функции:
- управление распределением каналов;
- контроль соединения и регулировка их очередности;
- модуляция и демодуляция сигналов;
- кодирование и декодирование сообщений;
- кодирование речи;
- адаптацию скорости передачи речи, данных и сигналов вызова;
- управление очередностью передачи сообщений персонального вызова.
Центральный коммутатор подвижной связи ЦКП (MSC) – обслуживает группу зон и обеспечивает все виды соединений с мобильными станциями. Он представляет собой интерфейс между сетью подвижной связи и внешними сетями ЦСИО (ISDN) – цифровая сеть интегрального обслуживания, ТФОП (PSTN) –телефонная сеть общего пользования, СКП (PDN) – сеть с коммутацией пакетов, УАТС (PABX) – учрежденческая АТС и обеспечивает маршрутизацию вызовов и функцию управления вызовами. Кроме этого, MSC выполняет функции:
- коммутации радиоканалов, которым относятся эстафетная передача, обеспечивающая непрерывность связи при перемещении мобильных станций из зоны в зону;
- переключение рабочих каналов в зоне при появлении помех и неисправностей;
- формирует данные для тарификации разговоров;
- составляет статистические данные;
- поддерживает процедуры безопасности при доступе к радиоканалу.
MSC осуществляет постоянное слежение за мобильными станциями, используя регистры.
Регистр положения РМП (HLR), в котором хранится та часть информации о местоположении какой-либо мобильной станцией, которая позволяет центральному коммутатору доставить вызов. Фактически HLR является справочной базовой станции о постоянно зарегистрированных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные адреса и номера, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, информеция о маршрутизации, данные о роуминге абонента.
Регистр перемещения РП (VLR) – это второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением мобильных станций из зоны в зону. С его помощью достигается функционирование мобильных станций за пределами контролируемой регистром положения зоны. Когда в процессе перемещения мобильная станция переходит из зоны одного контроллера базовой станции в зону действия другого, то она регистрируется и в регистр перемещения заносится новая информация.Для исключения несанкционированного использования ресурсов в систему введен механизм аутентификации.
Центр аутентификации ЦА ( AUC) состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования на основе базы данных, находящейся в регистре идентификации оборудования (EIR).Регистр идентификации оборудования РИО (EIR) содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования мобильной станции.
Регистр идентификации сети РИС (IN) содержит идентификаторы всех сетей, с которыми обеспечивается роуминг в данной системе.
Центр управления и обслуживания ЦУО (ОМС) обеспечивает управление элементами сети и качеством его работы. В функции ОМС входит:
- регистрация и обработка аварийных сигналов;
- устранение неисправностей ( автоматически или посредством обслуживающего персонала);
- проверка состояния оборудования сети и прохождения вызова мобильной станции; управление трафиком;
- сбор статистических данных;
- управление передачей обслуживания и базой данных.
8.1. Выполнение основных функций железнодорожной радиосвязи стандарта GSM-R
Индивидуальный вызов. Двухточечное соединение между мобильными и/или стационарными абонентами. Обеспечивает дуплексную связь между машинистами локомотивов одного поезда, между машинистом и диспетчером, между любым абонентом и ТФОП или УАТС и в других случаях. Одновременно с передачей речи возможна передача только коротких сообщений – до 160 байт.
Групповой вызов. Вызов членов группы (например, участников маневровой работы) для двусторонней полудуплексной связи по групповому номеру с автоматическим подтверждением или без него.
Вызов может быть с автоматическим подтверждением или без него; невозможно более позднее подключение абонента, который на момент вызова был занят; возможна передача коротких сообщений – до 160 байт.
Широковещательный вызов. Вызов членов широковещательной группы для односторонней связи по широковещательному номеру с автоматическим подтверждением или без него.
Возможна передача коротких сообщений – до 160 байт.
Передача данных с коммутацией каналов связи. Передача больших компьютерных файлов, изображений, видеопотоков от ТВ-камер в реальном масштабе времени на скорости 2,4; 4,8 и 6 кбит/с
Время установления соединения. Время, в течении которого система сообщает вызываемому абоненту о поступившем вызове – более 1,5с. Сравнительно большое время установления определяется необходимостью синхронизации всех компонентов цифрового канала связи, что связано с повышенными временными затратами в системах со сложной иерархией, к которым относится GSM-R.
Время соединения передачи. Время, в течении которого соединение передается другой базовой станции или частотному каналу при перемещении мобильного абонента.
При синхронизации приемопередатчиков базовых станций возможно снижение времени передачи соединения до 0,15с, это дополнительная возможность, которую может выбрать администратор сети.
Вероятность успешной передачи соединения. Вероятность того, что при переходе мобильного абонента, находящегося на связи, из одной базовой станции в зону другой его связь сохранится.
Вероятность успешной передачи соединения не ниже 0,995 обеспечивается при соединении не чаще чем 1 раз в 10 с.
Помехозащита связи. Помехи связи характеризуются интенсивностью потоков ошибочных битов. Помехозащита обеспечивается кодированием речи и данных и разнесенным приемом и составляет 10-2 – 10-3 при отсутствии помезозащиты и зоне, где потери распространения не превышают 3 дБ на 95 % площади этой зоны.
Защита передаваемой информации. Защита передаваемой информации обеспечивается мерами, направленными на предотвращение несанкционированного доступа к каналам связи системы. Обеспечивается шифрованием (несколько десятков криптоключей), аутентификацией оборудования, прыганием по частоте.
Роуминг. Обеспечение адресации мобильных абонентов при переходе из одной сети связи в национальную или международную сеть.
Передача соединения. Соединение с мобильным абонентом при его передвижении передается из одной базовой станции в зону другой базовой станции или из одного частотного канала в другой и составляет менее чем за 0,5с.
Интеграция с системами определения местоположения. Необходима для диспетчерского управления мобильными объектами, например, локомотивным, вагонным или контейнерным парком.
Интеграция с сетями ISDN. ISDN – ЦСИО, Цифровые Сети с Интеграцией Обслуживания.
Интеграция с ТФОП. ТФОП – телефонные сети общего пользования.
Интеграция с УАТС. УАТС – учрежденческие АТС.
Исключительный приоритет. Исключительный приоритет позволяет диспетчеру срочно прервать любое соединение и вызвать любого абонента.
Приоритетный доступ. Выделение канала связи в соответствии со схемой приоритетов вызывающих абонентов.
Дистанционное присвоение индивидуальных и групповых абонентских идентификационных номеров. Функция, позволяющая, например, диспетчеру адресовываться к абонентам поезда (машинисты, поездная бригада) с использованием номера поезда в расписании, этот номер сохраняется при замене локомотива или локомотивной бригады.
Вызов, санкционированный диспетчером. Эта функция позволяет диспетчеру разрешить или запретить установление связи между некоторыми абонентами (например, между участниками маневровой работы – машинистом поезда, дежурным по станции, сцепщиками, с одной стороны и вызовами из ТФОП с другой).
Предотвращение входных вызовов. Блокировка системой определенных категорий вызовов, поступающих данному абоненту.
Быстрый набор номера. Присвоение некоторым абонентам коротких номеров для быстрой адресации внутри данной сети связи.
Идентификация вызывающего абонента. Данная функция позволяет вызываемому абоненту определить номер вызывающего абонента.
Ограничение на выдачу идентификационной информации. Данная функция позволяет вызываемому абоненту блокировать идентификацию номера вызывающего абонента, а вызывающему – блокировать идентификацию номера вызываемого абонента.
Идентификация вызываемого абонента. Данная функция позволяет вызывающему абоненту определить номер и зону нахождения вызываемого абонента, а также абонента, через которого осуществляется переадресация вызова (если вызов был переадресован).
Вызов занятого абонента. Вызов занятого абонента по завершении им текущего сеанса, все это время удерживается.
Сообщение о вызове. Функция, позволяющая вызывающему абоненту информировать вызываемого абонента о своем вызове и оставить ему свой номер связи. При этом на дисплее занятого абонента отображается тип вызова и идентификационный номер вызывающего абонента.
Оповещение занятого абонента о поступлении вызова. На дисплее занятого абонента отображается оповещение о поступающем вызове.
Информация об оплате. Данная функция позволяет вывести на дисплей абонента данные от стоимости текущего соединения.
9. Сравнение стандартов GSM - R и TETRA
1. Стандарты - GSM - R и TETRA, являются европейскими стандартами цифровой транкинговой радиосвязи, их распространение развитие поддерживается европейскими организациями по стандартизации, сообществами пользователей и производителями. Стандарт GSM - R предназначен для использования на железных дорогах Европы. Стандарт TETRA предназначен для использования транспортными, в том числе – и железнодорожными, предприятиями, силами охраны порядка, безопасности, полицией и другими подобными организациями европейских стран.
В настоящее время стандарт GSM - R уступает стандарту TETRA в части обеспечения функций железнодорожной технологической связи:
2. В стандарте GSM- R отсутствует возможность обеспечения связи вне сетевой инфраструктуры (прямой режим), что возможно в стандарте TETRA.
Прямой режим (DMO) в стандарте TETRA предусматривает возможность установления радиосвязи между двумя или более мобильными радиостанциями без использования сетевой транкинговой инфраструктуры (рис. 15). Дальность связи в этом случае определяется расстоянием прямой радиовидимости и для мобильных абонентов обычно находится в диапазоне 0,4 ÷ 3 км.
Прямой режим
Рисунок 15
Для увеличения дальности связи предусмотрены ретрансляторы, в качестве которых могут использоваться те же мобильные радиостанции. Кроме того, сохраняется возможность принимать вызовы, поступающие из транкинговой сети, и, тем самым, гибко и оперативно изменять зону радиопокрытия единой системы связи.
В прямом режиме радиостанции стандарта TETRA автоматически синхронизируются и, как следствие, на одной частоте можно организовать до двух полудуплексных каналов связи с временным разделением. В прямом режиме стандарта TETRA абоненту предоставляются следующие услуги:
- индивидуальный и групповой вызов;
- экстренный вызов;
- более позднее подключение абонента к уже установившемуся соединению при более позднем включении радиостанции, при переключении с другого канала прямого режима, при возвращении в зону радиовидимости, при переключении из транкингового режима в прямой режим;
- использование шифрования для защиты информации;
- дистанционное установление криптоключей;
- передача данных по коммутируемым каналам со скоростью 7,2кбит/сек;
- передача коротких и статусных сообщений.
Прямой режим в стандарте TETRA позволяет сохранить наиболее важные каналы технологической железнодорожной радиосвязи (поездная, станционная, маневровая) при возможных нарушениях в работе сетевой инфраструктуры, например, при выходе из строя приемопередатчика базовой станции, при этом абоненты используют те же самые мобильные средства радиосвязи. Такая возможность отсутствует в стандарте GSM-R, технические средства которого не поддерживают прямой режим и который не содержит требований по типам радиооборудования, применяемого для связи в прямом режиме, оставляя решение этого вопроса на усмотрение железнодорожных администраций. При выходе из строя базовой станции системы GSM-R все железнодорожные абоненты в зоне этой базовой станции должны срочно отбросить сотовые радиотелефоны и предпринять попытки для восстановления связи с использованием, например, радиосредств системы «Транспорт».
Главное достоинство прямого режима в заключается в том, что он, в отличие от GSM-R, позволяет внедрять новую технологию цифровой радиосвязи в практику повседневной работы железнодорожных служб без предварительного создания сетевой зонной инфраструктуры. В этом случае закупку наиболее дорогого приемопередающего, антенного и коммутационного оборудования базовых станций и наиболее трудоемкие монтажные работы можно будет осуществлять тогда, когда возможности мобильных радиостанций по передаче и приему речи и данных будут уже освоены персоналом этих служб.
3. Радиус дальности связи для систем TETRA (400МГц) ≈ 24 км в плотно застроенной городской местности, превышает это показатель для систем GSM-R ≈ 7 км примерно в три раза.
4. Скорость передачи данных стандарта TETRA (28,8 кбит/с) в три раза выше, чем в стандарте GSM-R (9,6кбит/с).
Обратите внимание на лекцию "Использование редактора электронных таблиц Ms Excel в рекламной практике".
5. В системах GSM-R, по сравнению с TETRA, практически отсутствует возможность:
- по динамической перестройке границ зоны связи – использование прямого режима позволяет: расширить границы зоны, путем дополнительной зоны вокруг ретранслятора (возимой радиостанции);
- по перенаправлению вызова (вызов переадресовывается другому абоненту на заранее заданный номер).
6. В системах TETRA по сравнению с системами GSM-R, более совершенный механизм обеспечения безопасности. Это объясняется более широким спектром возможностей стандарта TETRA.
7. Внедрение GSM-R требует создания сетей инфраструктуры (закупка и монтаж приемопередающего, антенного, коммутационного оборудования, кабельных линий связи, соединяющих базовые станции), что связано со значительными капитальными затратами. В отличие от GSM-R внедрение транкинговых сетей стандарта TETRA может быть произведено поэтапно: до готовности базовых станций связь осуществляется в прямом режиме на закрепленных каналах.
8. Стандарт TETRA способен решать не только задачи железнодорожной технологической связи, но задачи обеспечения радиосвязью транспортной милиции и других сил охраны порядка и обеспечения безопасности.
