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

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 350км/ч за счет использования нового высокоскоростного эквалайзера. А в лабораторных условиях связь обеспечивалась и при скорости 500км/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

2.1.1 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]

2.1.2 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.