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

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

 

Рисунк 2.10 - Мобильный терминал локомотивов Selex GTF2300.

 

2.4.4 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]

 

2.5 Энергетический расчет проектируемой  системы радиосвязи

 

2.5.1 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…100км

Высота мобильной антенны h_AC=1…10м

Частота f=150…1500МГц.

Высота базовой антенны h_БC=30…200м

a(h_AС)=(1-U)β₁+U(β₂ F₁+ β₃ F₂) - коэффициент, учитывающий высоту антенны абонентской станции(U=0 для небольшого города), β₁=(0,7-1,1lg(f))h_AС+1,56lg(f)-0,8, β₂=1,1-8,29lg²(1,54h_AС), β₃=4,97-3,2lg²(11,75h_AС), F₁=, F₂=

a(U_r)= (1-U)([1-2U_r]γ₁+4 U_r γ₂) - коэффициент, учитывающий характер местности(U_r =0 для сельской местности, U_r =0,5 для пригорода), γ₁=4,78lg²(f)+40,94, γ₂=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=30м

h_AС=1,7м

β₁=(0,7-1,1lg(900))1,7+1,56lg(900)-0,8=-0.526

β₂=1,1-8,29lg²(1,54*1,7)=-0,348

β₃=4,97-3,2lg²(11,75*1,7)=-0,442,

 F₁==0,012

F₂==0,988

a(h_AС)=(1-0)(-0.526)+0(β₂ F₁+ β₃ 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

Расчетный уровень полезного сигнала для не электрифицированного участка железной дороги определяется со отношением:

            (2.10)

Где - коэффициенты ослабления кабеля приемного и передающего фидеров, (дБ/м); примем =0,1 дБ/м

- длины приемного и передающего фидеров, (м);

- коэффициенты усиления передающей и приемной антенн по отношению к изотропному излучателю,(по данным таблицы 2.3 G₁=14дБ, G₂ примем  равным -2 дБ согласно [3 стр. 11]

- коэффициент, учитывающий интерференционные замирания (флюктуации) сигналов в каналах станционной радиосвязи и зависящий от принятой надежности канала по полю, определяется по графикам функции распределения уровней напряженности поля при надёжности связи 99%, принимаем равным -12Дб [лит [3] прил. 1];

- коэффициент, учитывающий отличие мощности базового передатчика(40Вт) от мощности 8Вт, принятой за основу при построении номограммы [лит [3] прил. 2];6,99

- коэффициент, учитывающий отличие входного сопротивления приемника от номинала 75 Ом, принятого за основу при определении соотношения между величинами и на кривых номограммы [3, прил. 2];. Примем

Подставляем в выражение (2.13) полученные данные

 

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 30м и 1,7м. R=25км.

На рассматриваемом участке  Инта-Воркута среднее расстояние между станциями 20км при радиусе  соты 25км установка базовых станций возможна на расстоянии 40-50км 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 0,8м (на высоте до 26,5 м),

В таблице 2.4 даны основные высотные характеристики МС45-36.

Таблица 2.4 – Основные высотные характеристики МС45-36

количество секций	количество  уровней такелажа	Высота, м
		опора мачты	одна секция	все секции	консоль (корзина)	полная высота
12	4	0,4	2,75	33,00	1,25	34,65

 

2.5.2 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]