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

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.

 

2.1.3 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]

 

2.1.4 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.

Класс мощности	Максимальный уровень мощности передатчика (Вт)	Допустимые отклонения (дБ)
1	20	1,5
2	8	1,5
3	5	1,5
4	2	1,5
5	0,8	1,5

 

2.2 Организация каналов доступа  в стандарте GSM-R

 

2.2.1 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).

 

2.2.2 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: