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 принципу 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

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

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.

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.

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 NF - общее число частотных каналов по плану (NF = 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: 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 Fк 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.