Проектирование системы поездной радиосвязи на выбранном участке с применением цифровых стандартов

2.3 Основные особенности базовой структуры сети GSM-R

2.3.1 Архитектура сети GSM-R

Базовая архитектура стандартной сети GSM приведена на рисунке 2.5. Использование компонентов мобильных сетей общего пользования гарантирует высокую надежность системы, так как в ней предусмотрена избыточность аппаратных средств, а функции программного обеспечения предусматривают обработку отказов. Эти компоненты широко распространены на рынке и используют современную технологию, которая уже в течение многих лет применяется в сетях общего пользования. Наличие развитой инфраструктуры стандартной сети GSM исключает необходимость создания собственного специализированного оборудования для сети железных дорог, что, в свою очередь, существенно снижает затраты администраций на эксплуатацию и техническое обслуживание сети.

Особые требования, предъявляемые к сетям GSM-R, связаны с обеспечением гарантированной связи при скоростях движения объектов до 500 км/ч. Кроме того, необходимо обеспечить равномерное покрытие железнодорожного пространства, особенно в пределах железнодорожных станций и маневровых зон, вне зависимости от того, на какой местности лежит полотно - в тоннеле или на открытом пространстве.



Рисунок 2.5-Базовая архитектура стандартной сети GSM.

Связь должна устанавливаться в очень короткий срок, а скорость переключения между сетями должна быть максимальной. И наконец, каналы передачи должны быть всегда доступны.

Эти требования являются более или менее строгими для различных приложений GSM-R. Кроме того, при построении сети следует учитывать, планирует администрация железной дороги развертывание общегосударственной сети или же лишь оборудование системами GSM-R скоростных и международных магистралей. Помимо предусмотренной избыточности коммутатора и базовых станций, в GSM-R должны быть реализованы некоторые дополнительные концепции, гарантирующие повышенную надежность системы. Как известно, критическим местом в любой системе является точка подключения кабеля к BTS. Поскольку надежность медного кабеля или оптоволоконного кабеля в сочетании с необходимыми устройствами линейного окончания (HDSL-модемами или мультиплексорами ввода/вывода) не является обязательно такой же, как надежность самих BTS и BSC, даже очень высоконадежная BTS не обеспечит улучшения доступности системы. По этой причине железнодорожные сети с высокими требованиями к данному параметру должны использовать петлевую архитектуру. Такой подход имеет свои преимущества, поскольку перекрытие BTS двух различных петель уменьшит последствия выхода из строя BTS или BSC. Радиальное соединение используется специально для секторированных BTS с несколькими носителями. При последовательном соединении BTS в случае сбоя BTS или дефекта интерфейса канала связи для соединения Abis реле производит сквозное переключение канала Е1 к следующей BTS. Переключение будет „мягким“ для соединения.

Последовательно - радиальная схема используется при недостаточном количестве каналов на определенных участках. Функционирование в случае выхода из строя BTS или канала связи аналогично первым описанным типам соединений. На рисунке 2.6 изображена структура, обеспечивающая более высокие показатели надежности системы.

Типовая сеть GSM-R состоит из нескольких эллиптических ячеек вдоль железнодорожных путей, предпочтительно с направленными антеннами по направлению пути. Часто используются составные ячейки, т.е. направленные антенны вдоль пути, которые образуют только одну ячейку. Использование этой технологии предпочтительно на линиях с ETCS при желании уменьшить число переключений. На железнодорожных станциях требуется большее количество трафика, в то время как требования по скорости снижаются. Поэтому большие железнодорожные станции, как правило, должны быть оборудованы секторированными ячейками. Для участков с низкоскоростным железнодорожным сообщением требуется просто речевая связь среднего уровня. Здесь ячейки могут функционировать как ненаправленные (участки без ETCS).



Рисунок 2.6 - Примеры базовой архитектуры для сети GSM-R.

Взаимодействие национальных сетей GSM-R рекомендуется выполнить по утвержденной схеме увязки национальных телекоммуникационных железнодорожных узлов стран - членов ОСЖД по выделенным каналам Е1 рекомендации G.703. Количество соединительных каналов как минимум два по альтернативным маршрутам, сигнализация взаимодействия с протоколом SS7 ISUP2. Количество транзитных узлов в соединении не должно превышать два.[7]

2.3.2 Услуги сети GSM-R

Большинство требований железнодорожных сетей связи может быть удовлетворено посредством обычных услуг стандартного GSM. Кроме того, сети, построенные по стандарту GSM-R, должны обладать рядом дополнительных свойств, в числе которых предоставление расширенных услуг телефонной связи ASCI, которые позволяют удовлетворить особые потребности железных дорог за счет применения групповых VGCS и циркулярных VBS вызовов, а также механизма приоритетов eMLPP. Ниже рассмотрены основные специфичные функции системы связи GSM-R. Групповой звонок VGCS - это голосовое соединение между несколькими участниками в границах заранее определенной области (групповой звонок передается только на заранее определенные станции определенной области, Service Area), где все участники разговора должны быть членами одной группы. Групповой звонок может инициировать любой участник группы, набрав номер группового вызова.

Одновременно может говорить только один участник группы. Разговорный канал можно активизировать, нажав кнопку разговора (Push-to-Talk-Taste PTT). Участник может присоединиться к разговору и после его начала (Late Entry). Инициатор группового звонка группу может оставить, прервав групповой звонок или оставив его в силе. В этом случае участники разговора могут его продолжать. Один участник может быть членом различных групп. В группе могут быть одновременно клиенты мобильной и стационарной сети телекоммуникаций. Если активизируется групповой звонок, участник может выбрать, принять его или нет.

В соответствии со стандартом GSM-R на SIM-карте может быть установлено до 50 групп. Количество участников в группе не ограничено. Чтобы получить групповой звонок, соответствующая группа должна быть активирована на SIM-карте.

Голосовое вещание и голосовые сборные звонки VBS. В отличие от Voice Group Call Service, Voice Broadcast Service - это соединение одного участника в одном направлении со многими участниками в определенной области (Service Area). Эти участники должны быть членами одной VBS-группы. Говорить может только тот, кто инициировал вещание, и только он может прервать соединение. И здесь участник может быть членом многих групп.

В отношении групп здесь распространяются те же правила, как при групповых звонках.

Преимущество и исключение - приоритеты eMLPP. Различным видам звонков можно присвоить различные приоритеты. Приоритетные классы установлены Международным союзом железных дорог (МСЖД) в соответствии с таблицей 2.2. Звонки с более высоким приоритетом в случае проблемы сети, когда нет свободных каналов, отключают звонки с более низким приоритетом.

Эти функции являются важными для организации железнодорожного движения. Высший приоритет всегда у тех соединений, которые относятся к безопасности движения. Дополнительно к функциям ASCI железная дорога использует такие специфические функции, как, например, особая адресация разговора. Эти функции частично были специально разработаны для нужд GSM-R или уже включены в GSM, но только теперь активно используются.

Таблица 2.2 - Категории приоритетов МСЖД.

Приоритет МСЖД	eMLPP	Категории приоритета
Вызов в случае железнодорожной аварийной ситуации	0	Высшая
Управление поездом и безопасность	1
Вызов в случае публичной внештатной ситуации	2
Железнодорожное движение/эксплуатация	3
Железнодорожная информация и другие звонки	4	Низшая

Функциональная адресация FA. В случае функциональной адресации звонок адресуется, используя не номер адресата, который присвоен его конечному терминалу, например, номер MSISDN, а функцию или должность (функциональный номер, функциональный адрес).

Адресация, зависящая от места LDA. В случае звонка по адресации, зависящей от географической зоны, соединения составлены для производителей определенных функций в зависимости от места нахождения звонящего, например, для имеющихся центров управления поездами на определенной территории.

Железнодорожные аварийные вызовы. Железнодорожные внеочередные вызовы - это групповые звонки, которые с высшим приоритетом адресованы всем участникам какой-либо группы по заранее установленной географической области (Service Area). Они используют функцию eMLPP и поэтому исключают во время звонка имеющиеся другие соединения. Имеются два вида внеочередных звонков: внеочередной звонок поездного движения и внеочередной звонок маневровых и сортировочных работ. Если производится аварийный звонок, прерываются все простые разговоры, даже связанные с организацией движения и маневровой работы. Эти услуги могут быть реализованы в системе поездной радиосвязи, где диспетчер может, например, вызвать все поезда, находящиеся в пределах зоны группового вызова, составленной из зон действия нескольких базовых радиостанций. Механизм приоритетов вызовов и их замещения работает при разных уровнях загрузки сети, т. е. экстренный вызов поезда возможен в любое время даже при занятых ресурсах.

Режим прямой связи Direct Mode. Для данной функции, прямое соединение между конечным оборудованием без использования инфраструктуры, зарезервированы 5 частот между 876.0125 и 876.0625 MHz с разносом через 125 KHz.

Выделяют четыре категории специфичных услуг для систем GSM-R.

- Железнодорожная сигнализация. Эта категория услуг непосредственно связана с задачей управления движением. Бортовой поездной компьютер должен передавать данные о нахождении поезда, его скорости, количестве вагонов и другую информацию в Радио Блок Центры автоблокировки (RBC). Сеть RBC сравнивает данные, полученные от всех поездов в соответствующей зоне, рассчитывает необходимую информацию о профиле скорости для каждого поезда и передает ее на бортовой компьютер. Такой подход в сочетании с отсутствием проводных каналов позволяет перейти от традиционной фиксированной блочной структуры управления движением к подвижной блочной структуре. При этом появляется возможность уменьшения средней безопасной дистанции между поездами, что позволяет оптимизировать движение и минимизировать задержки поездов. Эти функции реализуются в рамках европейской системы управления железнодорожным движением и европейской системы управления поездом ERTMS/ETCS. Путевое и бортовое оборудование ERTMS/ETCS имеет модульную архитектуру, которая обеспечивает гибкую установку на различных типах транспортных средств и адаптацию к различным путевым интерфейсам. RBC формируют команды, исходя из информации, получаемой от системы централизации и блокировки, в соответствии со стандартами ERTMS/ETCS и передают их транспортным средствам с помощью мобильной радиосвязи GSM-R. Бортовые системы обрабатывают получаемую информацию. Это позволяет вести наблюдение за такими параметрами, как разрешенная скорость на линии и кривыми торможения, которые отображаются на экране интерфейса машиниста. Транспортные средства сообщают свое местоположение на RBC.

К категории железнодорожной сигнализации или передачи данных относятся также услуги, связанные с дистанционным управлением различными функциональными устройствами, начиная с дистанционного управления маневровыми локомотивами, кранами и сигнальными мостиками и заканчивая телеуправлением и телеконтролем различными объектами инфраструктуры.

- Функциональная голосовая связь. Поездное радио охватывает широкий набор различных функциональных систем связи, каждая из которых характеризуется типичным набором услуг, пришедших из оперативно-технологических радиосистем. Эти услуги должны поддерживаться системой GSM-R с модификациями и расширениями. Помимо этого, должны быть обеспечены и дополнительные услуги. Основная функция поездного радио заключается в обеспечении связи поездного или маневрового диспетчера с машинистом поезда и наоборот. В аварийных ситуациях соответствующие должностные лица должны иметь возможность связаться с любым поездом, а также иметь доступ к выделенным и другим функциям поездов в пределах конкретной зоны.

Члены маневровых бригад также должны связываться друг с другом и с фиксированным диспетчерским центром. Обычно дуплексная связь для таких бригад необходима только для обеспечения соединений «точка-точка», тогда как при групповом вызове может использоваться симплексный режим. Эта услуга в зависимости от требований конкретной железной дороги может быть либо непосредственно определена в GSM-R как мультиабонентский вызов, либо реализована с помощью бортовой проводной системы.

Персонал бригад путевого, электротехнического хозяйства использует сегодня либо радиостанции, либо установленные вдоль железнодорожных путей телефоны, обеспечивающие связь через проводные линии, либо мобильные телефоны публичного пользования. Это требует большого количества различных терминалов, что увеличивает расходы на эксплуатацию и техобслуживание.

Персонал бригад, обслуживающий инфраструктуру, должен использовать терминалы GSM-R, а установленные вдоль путей телефонные аппараты должны использоваться в аварийных ситуациях. Радиотелефонные трубки путевых бригад и установленные вдоль путей телефонные аппараты должны поддерживать взаимное соединение посредством увязки GSM-R и фиксированной сетей. Локальная связь на железнодорожных станциях и участках обычно обеспечивается посредством фиксированных сетей PABX, PBX. Для улучшения функциональности и доступности эти сети могут быть подключены к GSM-R MSC/VLR непосредственно или как удаленные устройства доступа.

Глобальная связь в современных железнодорожных сетях обычно представляет собой связь между различными железнодорожными организациями. Сегодняшние требования мобильности для этого типа соединений существуют только до определенного предела. Поэтому данная категория услуг может быть отнесена к связи с низкой мобильностью или без мобильности вообще и не будет использовать GSM-R для поддержки своего функционального назначения. Тем не менее, в зависимости от концепции конкретной железной дороги, эти абоненты могут подключаться к виртуальным частным сетям с помощью SSS GSM-R.

- Дополнительные услуги связи для пассажиров. Сегодня пассажиры не могут получить по бортовой связи полной информации, касающейся поездки, или справок от поездного персонала. В будущем информация в пути следовании должна быть доступна через сеть радиосвязи. Новые услуги, такие как резервирование билетов, изменение или отмена брони, доведение информации об изменениях в расписании движения поездов, о задержках и пересечениях поездов для транзитных пассажиров, заказ гостиницы, такси или авиабилетов, планирование маршрута, должны быть доступны для пассажиров. [7]

2.3.3 Система нумерации в GSM-R

План нумерации сети GSM-R можно рассматривать на следующих уровнях:

- межгосударственный уровень открытых пользователей - роуминг обеспечивается аналогично публичной сети GSM по национальному коду страны;

- межгосударственный уровень нумерации поездов международного обращения - роуминг обеспечивается в выделенном каждым железнодорожным предприятием диапазоне нумерации с конвертацией в уникальный (неповторяющийся) номер поезда, «двойная нумерация» с соединением по национальному коду страны;

- национальный уровень открытых пользователей (технологическая связь) - роуминг обеспечивается аналогично публичной сети GSM внутри страны в выделенном каждому железнодорожному предприятию диапазоне нумерации. Перечисленные выше уровни нумерации должны находиться в базах данных пользователей во всех национальных сетях GSM-R;

- национальный закрытый план нумерации поездов международного, местного и пригородного обращения с присвоением уникального номера каждой графиковой нитке (номер поезда), каждой тяговой (самоходной) подвижной единице и конвертацией в равномерный семизначный план;

- национальный закрытый план нумерации операторов движения, поездных диспетчеров;

- национальный закрытый/открытый план нумерации раздельно по всем специализированным службам железнодорожного предприятия;

- национальный закрытый план нумерации по кругам поездной диспетчерской радиосвязи;

- национальный закрытый план нумерации по кругам маневровой радиосвязи;

- национальный закрытый план нумерации по кругам оперативной радиосвязи;

- национальный закрытый/открытый план аварийной нумерации поездной и маневровой диспетчерской радиосвязи.

Для обеспечения межгосударственных и национальных соединений должен быть выделен нумерационный ресурс публичного диапазона, для большинства стран достаточно стотысячного индекса. Вызов абонента другой железнодорожной сети осуществляется путем набора номера + ХХХ (код страны) ABххххх (номер абонента).

В основе плана нумерации GSM-R лежит функциональная адресация, с помощью которой можно производить звонки в пределах одной сети GSM-R. [7]

2.3.4 Система управления движением поездов посредством GSM-R

Внедрение системы управления движением поездов (TCS), являющейся подсистемой системы управления железнодорожными перевозками (Rail Traffic Management System, RMTS), позволит значительно сократить расходы на управление движением поездов как на обычных, так и на высокоскоростных линиях, повысить безопасность железнодорожного транспорта, пропускную способность магистралей.

Система RMTS состоит из трех уровней управления движением поезда.

1 уровень. Точечная система управления поездом. Может использоваться как часть системы сигнализации или накладываться на не? с фиксированным управлением перегона. Команды управления движением зарождаются на пути и передаются поезду через приемоответчиками TCS. Контроль за поездом и общий контроль осуществляется напольным оборудованием. Схема точечной системы управления поездом представлена на рисунке 2.7 а).

2 уровень. Система управления использует радиосвязь. Может использоваться как часть системы сигнализации или накладываться на не? с фиксированным управлением перегона. Команды управления движением зарождаются на пути и передаются поезду по радио. Приемоответчик TCS используется в качестве устройства точечной передачи, главным образом для установления местонахождения. Определение поезда и общий контроль обеспечиваются напольным оборудованием в составе системы сигнализации (рельсовые цепи и централизация). Радио центр автоблокировки RBC служит для связи с поездами и идентифицирует каждый поезд. Схема система управления использующей радиосвязь представлена на рисунке 2.7 б).

3 уровень. Система управления поездом с непрерывным контролем его скорости и использованием радио и подвижного (не фиксированного) блок участка. Подвижный блок участок охватывает зону, которая зависит от тормозного пути и длины поезда. Это позволяет лучше использовать путь и уменьшить интервалы между поездами. Система использует связь пути с поездом через GSM-R и приемоответчик TCS для точечной связи с целью определить месторасположение поезда. RBC обеспечивают передачу информации на поезда и идентифицирует каждый поезд. Данная схема представлена на рисунке 2.7 в)

Управление движением поездов во многом обеспечивается системой железнодорожной сигнализации. Бортовой компьютер локомотива передает данные о его местонахождении, скорости, количестве вагонов и другие характеристики в центр радиосвязи (RBC). Тот сравнивает сведения, полученные от всех поездов в соответствующей зоне, рассчитывает профиль движения каждого состава и пересылает информацию на бортовой компьютер.

Благодаря этому можно уменьшать среднюю безопасную дистанцию между поездами, что позволяет оптимизировать движение и сводить к минимуму задержки в движении составов. С помощью железнодорожной сигнализации осуществляется и дистанционное управление различными устройствами и оборудованием - от маневровых локомотивов до сигнальных мостиков.

Так же в сетях GSM-R возможна реализация многих дополнительных услуг для пассажиров железнодорожного транспорта. Таких как платное использование услуг GSM-R для дозвона в сети общественного пользования, так как зона покрытия сетей GSM не гарантирует устойчивую связь на всем протяжении поездки. Либо выделение платного доступа к сети WI-FI в вагонах бизнес класса.



Рисунок 2.7 - Примеры управления движением поездов.

2.4 Выбор и описание оборудования GSM-R

2.4.1 Структура парка производителей оборудования GSM-R

На сегодняшний день парк производителей оборудования GSM-R представлен несколькими основными компаниями. Выделим три основных производителя решений GSM-R:

- Nokia Siemens Networks,

- Nortel,

- Huawei Networks.

Nokia Siemens Networks основанная в 2007г. путём слияния двух компаний Nokia и Siemens, страна Финляндия. Опыт постройки более 20 GSM-R сетей в 15 странах с покрытием более 50 тыс. км железнодорожных путей.

Nortel Networks Corporation активно работающая с 1999 года в сфере GSM-R решений, страна Канада. Последний крупный проект продажа оборудования GSM-R для телефонизации железных дорог в 20 провинциях Китая и подписание контракта на внедрение оборудования GSM-R на новой железнодорожной линии в Алжире.

Huawei Networks компания динамично развивающаяся в сфере услуг GSM-R, страна Китай.

В виду большего распространения на железных дорогах Европы, а также на рынке обслуживания и эксплуатации сети мобильной связи операторов GSM России, в дальнейшем рассмотрении будет выбрана аппаратура компании Nokia Siemens Networks.

2.4.2 Выбор базовой станции

Для оборудования проектируемой системы GSM-R на заданном участке выбираем модели базовых станций Siemens BS240/241, которые поддерживают как стандарт GSM-R, так и стандарт GSM. Внешний вид BS240 представлен на рисунке 2.8



Рисунок 2.8 - Базовая станция GSM BS240

Данная базовая станция обладает рядом преимуществ:

- Совместимость с существующими системами базовых станций Siemens обеспечивает свободную интеграцию в уже установленную инфраструктуру;

- Возможности расширения стоек до 24 обслуживаемых приёмопередатчиков (TRX) на сайт отвечает возрастающим потребностям в повышенной ёмкости;

- Наивысшая степень надёжности, обеспечиваемая за счёт дублирования всех основных модулей ;

- Меньшие инвестиционные расходы благодаря встроенному перекрёстному соединению Аbis-интерфейса (8 ИКМ-линий);

- Оперативное развёртывание сети требует приблизительно на 50% меньше сайтов благодаря наивысшей чувствительности приёмных устройств и применению мощных усилителей;

- Предварительно проводимая наладка обеспечивает время инсталляции продолжительностью менее 1 часа;

- Бесперебойность в работе при расширении стойки или замене TRX;

- Интеллектуальные антенны обеспечивают повышение ёмкости;

- Архитектура, подготовленная для поддержки будущих функциональных возможностей GSM (например EDGE): функциональная модульная внутренняя структура, гибкие возможности обработки сигнала, заменяемая высокочастотная часть.

Технические характеристики базовых станций Siemens BS240/241 сведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 - Технические характеристики Siemens BS240/241

Рабочий диапазон частот, МГц	876-880, 921-925
Несущих на стойку (количество TRX)	8(расширение до 24)
Мощность передатчика БС, дБ	40
Выходная мощность GSM900. Вт	35
Чувствительность приемника БС, дБ	-107
Коэффициент усиления антенны, GРПД(цРПМ),дБ	14
Затухание в антенно-фидерном тракте радиопередатчика, UРПД	1, 51
Разнос каналов, кГц	200
Защитное отношение (сигнал/помеха), дБ	9
Среда распространения радиоволн	Город
Температурный режим	- 5° до + 55°

В системе компании Siemens, созданной на базе GSM-R, реализованы следующие возможности:

- обеспечение пользователей, находящихся в поезде, радиосвязью со внешними абонентами или диспетчером;

- организация связи поезда с диспетчерскими пунктами системы;

- автоматическое управление движением поездов;

- получение оперативной информации о движении состава (прогноз времени прибытия в ту или иную точку, основанный на измерении его скорости);

- согласование нумерации поездов при пересечении границ;

- автоматический мониторинг технического состояния железнодорожного состава и запись характеристик оборудования в базу данных бортового компьютера.

Стандарт GSM-R (он базируется на спецификациях GSM фазы 2) поддерживает такие важные функции, как групповая связь, голосовое вещание и многоуровневая приоретезация вызовов -- включая экстренный вызов всех абонентов системы. Время установления соединения в режиме обычной связи составляет 3-6 с, а при срочном вызове - менее 1 с.

2.4.3 Выбор абонентских терминалов

В настоящее время выпуск абонентских терминалов стандарта GSM-R производится более двадцатью производителями такого оборудования и их число постоянно растет. Равно как и выбор моделей трубок.

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:

amx=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(hБС)+[44.9-6.55lg(hБС)]lg(R)+

+a(hAС)+a(Ur)+a(b)+a(hБС.,f) (дБ) (2.8)

Здесь:

Радиусе ячейки R=1…100км

Высота мобильной антенны hAC=1…10м

Частота f=150…1500МГц.

Высота базовой антенны hБC=30…200м

a(hAС)=(1-U)в1+U(в2 F1+ в3 F2) - коэффициент, учитывающий высоту антенны абонентской станции(U=0 для небольшого города), в1=(0,7-1,1lg(f))hAС+1,56lg(f)-0,8, в2=1,1-8,29lg2(1,54hAС), в3=4,97-3,2lg2(11,75hAС), F1=, F2=

a(Ur)= (1-U)([1-2Ur]г1+4 Ur г2) - коэффициент, учитывающий характер местности(Ur =0 для сельской местности, Ur =0,5 для пригорода), г1=4,78lg2(f)+40,94, г2=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(hБС.,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

hБС=30м

hAС=1,7м

в1=(0,7-1,1lg(900))1,7+1,56lg(900)-0,8=-0.526

в2=1,1-8,29lg2(1,54*1,7)=-0,348

в3=4,97-3,2lg2(11,75*1,7)=-0,442,

F1==0,012

F2==0,988

a(hAС)=(1-0)(-0.526)+0(в2 F1+ в3 F2)=1

a(Ur)=0

a(b)=25lg(3)-30=-18,072

a(hБС.,f)==30,91lg()+0,173

найдём amx

amx=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 (U2p)определяется из условия электрификации участка железной дороги. Участок Инта-Воркута является не электрифицированным, а значит U2p=4дБ/мкВ

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

(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]

При оценке нагрузки и, следовательно, емкости в сотовых сетях пользуются распространенной моделью Эрланга для систем с отказами (вероятность поступления вызова в момент, когда все каналы заняты) вычисляется как:

(2.11)

где A - нагрузка; n - общее число каналов

Данная формула Эрланга является табулированной. Но, как оказалось на практике, это не всегда является удобным для расчетов нагрузки при проектировании сотовой сети. Очевидная сложность процедуры определения нагрузки непосредственно при помощи формулы не позволяет рекомендовать ее для инженерного использования, тем более, что по ее виду ничего нельзя сказать о характере зависимости величины допустимой нагрузки от значений вероятностей отказа и числа каналов.

Точное решение уравнения (2.11) относительно нагрузки (A) невозможно. В то же время со сколь угодно высокой точностью оно может быть получено одним из методов приближенного решения нелинейных уравнений, например, с помощью итерационной процедуры Ньютона.

Исходя из формулы Эрланга и учитывая высокоточную формулу Стирлинга (2.12)

(2.12)

Воспользуемся методом итерационной процедуры Ньютона, в результате чего получим следующие соотношения:

 (2.13)

где (2.14)

Основная трудность состоит в отыскании эффективной аппроксимации для функции F(n). Как оказалось, удовлетворяющим этим условиям, достаточно точным и удобным для последующего использования является следующее приближение:

(2.15)

Таким образом, используя аппроксимацию (2.15) и формулу (2.13.), получаем следующий приближенный вариант уравнения (2.11):

(2.16)

Логарифмируя обе части (2.16), получаем:

(2.17)

где (2.18)

В дальнейших рассуждениях большую роль играет параметр, который можно назвать критическим значением вероятности отказа в обслуживании paкр. Величина paкр разделяет множество возможных значений pa на два подмножества:

 (2.19)

Если paI I1, допустимая величина нагрузки меньше числа каналов n, т.е. A< n; напротив, при paI I2 имеет место обратное неравенство, т.е. A> n.

Зависимость критического значения вероятности отказа от числа каналов приводится на рисунке 2.12

Рисунок 2.12 - Зависимость критического значения вероятности отказа от числа каналов

Решая уравнение (2.17) с учетом уравнений (2.18) и (2.19) получаем:

(2.20)

где (2.21)

(2.22)

где (2.23)

(2.24)

(2.25)

(2.26)

(2.27)

Анализ проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Определение значения pкр является первым этапом оценки допустимого значения нагрузки A и позволяет указать одну из границ диапазона изменения A. Если задаваемое значение pa меньше (больше) pкр, величина A будет меньше (больше) n. Это и есть ориентировочная оценка A;

2. Исследования расчетов подтвердило целесообразность исследования нагрузки при вероятности потерь от 0.01 до 0.05. Сравнительно небольшое возрастание нагрузки приводит к резкому росту вероятности отказа, т.е. к ухудшению качества обслуживания.

График зависимости между поступающей нагрузкой, числом каналов и вероятностью потерь приводится на рисунке 2.13.



Рисунок 2.13 - График зависимости между поступающей нагрузкой, числом каналов и вероятностью потерь.

В связи с этим, приближенные соотношения, полученные в результате моделирования, представляют собой практический интерес и позволяют определить абонентскую нагрузку с заданной вероятностью отказа при заданном качестве связи.

Таким образом, полученная модель системы массового обслуживания и метод расчета нагрузки позволят операторам сотовых сетей прогнозировать распределение нагрузки в пределах зоны действия базовой станции.

Данная формула является не только математическим аппаратом для операторов сотовых сетей, т.к. набор формул без рекомендаций и общих методик это еще не прикладное средство, которым будут пользоваться операторы. На данном этапе разработана методика планирования сотовых сетей с учетом конкретных параметров и характеристик радиооборудования.

Литература [5]

2.6 Разработка схемы построения проектируемой системы радиосвязи

Полученные в пункте 2.5.1 расчеты показали, что при расстоянии между базовыми станциями 20-25км, высоте подъема антенны не менее 30 метров, высоте подъема антенным мобильной станции от 1,7 м и выше на участке Инта-Воркута можно организовать систему радиосвязи с подвижными объектами на базе стандарта GSM-R. В качестве базовых станций используются модели Siemens BS240/241, которые по потоку Е1 подключаются к мультиплексорам СМК-30.

Все базовые станции на рассматриваемом участке подключаются к одному контроллеру базовых станций BSC, который находится в Центре управления дороги (г. Ярославль.).

На рисунке 2.14 показана схема организации технологической радиосвязи с подвижными объектами на базе стандарта GSM-R на участке Инта-Воркута Северной железной дороги.

Рисунок 2.14 - Схема организации технологической радиосвязи с подвижными объектами на базе стандарта GSM-R на участке Инта-Воркута Северной железной дороги.

При проектировании необходимо выделить четыре пусковых комплекса:

- первый - приспособление помещений, организация внешнего электроснабжения;

- второй - строительство антенно-мачтовых сооружений и антенно-фидерных устройств;

- третий - создание центра коммутации и управления цифровой системой технологической радиосвязи;

- четвертый - построение сети цифровой технологической радиосвязи.

3. Охрана труда

Темой дипломного проектирования является модернизация системы технологической радиосвязи на участке Инта - Воркута Северной железной дороги. Эффективность использования аппаратуры технологической радиосвязи определяется не только техническими параметрами, но и условиями труда. Среди всего комплекса условий подробно рассмотрим метеорологические условия, так как географический характер предполагает большие перепады температуры на протяжении всего года, то основным вопросом будет поддержание необходимых параметров микроклимата в помещении связевых типовых станций участка Инта-Воркута.

3.1 Аттестация помещений связевых линейных станций по микроклиматическим условиям

3.1.1 Характеристики микроклиматических условий

Микроклимат производственных помещений - метеорологические условия внутренней среды этих помещений, которые определяются действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности и скорости движения воздуха, а также температуры поверхностей ограждающих конструкций, технологического оборудования и теплового облучения. Показателями, характеризующими микроклимат по ГОСТ 12.1.005-88

"Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны", являются:

1) температура воздуха;

2) относительная влажность воздуха;

3) скорость движения воздуха;

4) интенсивность теплового излучения.

В кабинах, на пультах и постах управления технологическими процессами, в залах вычислительной техники и других производственных помещениях при выполнении работ операторского типа, связанных с нервно-эмоциональным напряжением, должны соблюдаться оптимальные величины температуры воздуха 22 - 24°С, его относительной влажности 60 - 40% и скорости движения (не более 0,1 м/с). Перечень других производственных помещений, в которых должны соблюдаться оптимальные нормы микроклимата, определяется отраслевыми документами, согласованными с органами санитарного надзора в установленном порядке. [3 ГОСТ 12.1.005-88]

Обычно микроклимат оценивают в рабочей зоне, представляющей собой пространство высотой до 2 метров над уровнем мест постоянного или временного нахождения работников.

Оптимальные микроклиматические условия - это сочетание параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального теплового состояния организма без напряжения механизмов терморегуляции. Они обеспечивают ощущение теплового комфорта и создают предпосылки для высокого уровня работоспособности. Сочетание параметров микроклимата, которые при длительном систематическом воздействии на человека могут вызвать переходящие и быстронормализующиеся изменения теплового состояния организма, сопровождающиеся напряжением механизмов теплорегуляции, не выходящие за пределы физиологических приспособительных возможностей, рассматриваются как допустимые климатические условия. При этом не возникает повреждение организма или нарушение состояния здоровья, но могут наблюдаться дискомфортные теплоощущения, ухудшения самочувствия и понижение работоспособности.

Существование допустимых климатических условий возможно в тех случаях, когда по технологическим требованиям производства, техническим и экономическим причинам не представляется возможным обеспечить остальные условия.

3.1.2 Влияние микроклиматических условий на организм человека

Микроклимат производственных помещений оказывает значительное влияние на работника. Отклонение отдельных параметров микроклимата от определенных значений снижает работоспособность, ухудшает самочувствие работника, и могут привести к профессиональным заболеваниям.

Температура воздуха оказывает существенное влияние на самочувствие и результаты труда человека. Низкая температура вызывает охлаждение организма и может способствовать возникновению простудных заболеваний. При высокой температуре возникает перегрев организма, что ведет к повышенному потоотделению и снижению работоспособности. Работник теряет внимание, что может стать причиной несчастного случая. Повышенная влажность воздуха затрудняет испарение влаги с поверхности кожи и легких, что ведет к нарушению терморегуляции организма и, как следствие, к ухудшению состояния человека и снижению работоспособности. При пониженной относительной влажности (менее 20 %) у человека появляется ощущение сухости слизистых оболочек верхних дыхательных путей.

3.1.3 Нормирование микроклиматических параметров

В зависимости от энергозатрат организма предусматривается три категории работ, характеристики которых приведены в табл. 3.1. (ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ «Общее санитарно-гигиенического требования к воздуху рабочей зоны»).

Производственные помещения по категории выполняемых в них работ характеризуются в соответствии с ведомственными нормативными документами, исходя из категорий работ, выполняющих 50 и более процентами работающих в данном помещении.

Таблица 3.1 Категории работ по энергозатратам организма

Работа	Категория работы	Энергозатраты организма (расход энергии при выполнении работы) Ккал/ч	Характеристики работы
Легкая физическая	Iа Iб	Менее 120 120-150	Производится сидя и не требует физического напряжения Производится сидя, стоя или связана с ходьбой и сопровождается некоторым физическим напряжением
Физическая средней тяжести	IIа IIб	150-200 201-250	Связана с ходьбой, перемещением мелких (до 1 кг) изделий или предметов в положении стоя или сидя и требует определенного физического апряжения Выполняется стоя, связана с ходьбой, переноской небольших (до 10 кг) тяжестей и сопровождается умеренным физическим напряжением
Тяжелая физическая	III	Более 250	Связана с постоянными передвижениями, перемещением и переноской значительных (свыше 10 кг) тяжестей и требует больших физических усилий

В таблице 3.2 даны оптимальные и допустимые нормы параметров микроклимата с учетом периода года и категории работ. При этом к теплому периоду относится период года, характеризующийся среднесуточной температурой наружного воздуха плюс 10оС и выше. При температуре наружного воздуха ниже плюс 10оС период считается холодным.

Во всех производственных помещениях АТС на постоянных рабочих местах параметры микроклимата должны соответствовать требованиям «Санитарных норм микроклимата производственных помещений № 4088-86».

В залах с работающей вычислительной техникой, на рабочих местах с пультами, при операторских видах работ и т.д., параметры микроклимата должны быть следующими: