Ключевой вопрос, который приходится решать при организации (либо модернизации) систем профессиональной радиосвязи, заключается в выборе стандарта, максимально соответствующего требованиям основных бизнес-процессов. Широкий спектр технологий, продвигаемых различными производителями, не ограничивается устаревающими аналоговыми системами транкинга или цифровыми решениями семейства TETRA. В конкуренцию с ними вступил клон наиболее распространенного стандарта мобильной телефонии — GSM-R.
Немного истории
В 1995 году Международный союз путей сообщений (UIC) создал специальную рабочую группу EIRENE в целях разработки стандарта единой европейской интегрированной сети радиосвязи для железнодорожного транспорта. При этом UIC сформулировал ряд принципиальных требований к будущей технологии.
В первую очередь она должна базироваться на проверенном в сетях общего пользования международном стандарте, который можно модифицировать с минимальными затратами. Кроме того, нужно обеспечить эффективную поддержку услуг, характерных для железнодорожной отрасли. Среди них — специфическая внутрисотовая маршрутизация (позволяющая поддерживать гарантированную связь машиниста локомотива со станционным диспетчером), функциональная адресация (связь с поездной бригадой при отсутствии сведений об абонентах и номерах их мобильных терминалов), расширенные речевые услуги (многоуровневое предпочтение и перехват вызова, групповой вызов, координация групповых вызовов в предварительно выделенных зонах).
Особые требования к разрабатываемому стандарту связаны с обеспечением гарантированной связи при скоростях движения объектов до 500 км/ч (правда, для России это пока не актуально). Также необходимо равномерное покрытие в зоне обслуживания — вне зависимости от того, проложено ли железнодорожное полотно, скажем, в туннеле или на открытом пространстве. Время установления связи и переключения между сетями должно быть минимальным, а каналы передачи — доступными в любой момент. Наконец, нужно использовать единый и минимально загруженный частотный диапазон.
В качестве наиболее вероятных кандидатов на роль отраслевого стандарта рассматривались технологии TETRA и GSM. Сравнив их потенциал (с учетом перечисленных требований), EIRENE остановила свой выбор на GSM.
Затем ETSI выделил и закрепил за железнодорожниками частотный диапазон, граничащий с диапазоном GSM-900 общего пользования — 890 МГц. Стандарт получил наименование GSМ-R, и в 1998 году компания Siemens впервые проинсталлировала систему цифровой технологической связи, основанную на новой платформе.
Вдоль дороги той
Базовая структура сети GSM-R незначительно отличается от архитектуры мобильных сетей общего пользования. Здесь также актуальны повторное использование частот для расширения емкости сети, микросотовая топология в зонах высокой плотности трафика (например, на железнодорожных станциях) и некоторые другие принципы. Главное отличие заключается лишь в конфигурации и планировании систем GSM-R.
Схематически они представляют собой линейную цепочку эллиптических радиосот, расположенных вдоль железнодорожного полотна. Радиосота содержит одну или более приемопередающих станций с направленными вдоль дороги антеннами. Последние в свою очередь подключаются к контроллерам базовых станций. Каждый контроллер отвечает за обслуживание определенного числа радиосот. В целом он выполняет функции интерфейса к системе коммутации, через которую подключаются все линии связи и обеспечивается стыковка с другими сетями.
Еще одна характерная деталь: на территории железнодорожных станций генерируется трафик высокой плотности. Однако требования к надежности связи при перемещении абонентов по такой зоне не так высоки, как на скоростных участках. По этой причине на крупных железнодорожных станциях используются секторизованные соты, а в зонах с пониженной плотностью абонентов и невысокими скоростями движения объектов — радиальные или всенаправленные соты.
Ядро сети состоит из мобильного коммутационного центра (MSC) с регистрами гостевых абонентов (VLR). VLR подключаются к национальному или международному уровню регистров домашних абонентов (HLR), которые позволяют поддерживать связь при пересечении границ сети. Регистры группового вызова (GCP) отвечают за обслуживание групповых вызовов, одной из базовых услуг GSM-R для аварийной и маневровой связи. Центры радиосвязи (RBC), подключенные к коммутационному центру, обеспечивают обмен сигнальной информацией для управления движением в пределах сети. Аналоговые или цифровые телефонные аппараты (PABX), сети с коммутацией пакетов и ISDN-сети (частные или общего пользования) могут подключаться к GSM-R для непосредственной связи с поездами.
Подробнее об услугах
Представители операторов европейских путей сообщений выделили четыре категории услуг систем GSM-R. Большинство из них можно обеспечить в рамках функциональности стандартной технологии GSM, но некоторые задачи, связанные со спецификой железных дорог (например, групповой вызов, аварийный вызов или трансляция), были определены и реализованы при разработке стандарта GSM фазы 2+.
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.
Голосовые службы GSM-R включают в себя широкий спектр решений. Каждое из них характеризуется собственным набором услуг, «заимствованных» у транкинговых радиосистем. Основная функция поездного радио заключается в обеспечении связи станционного диспетчера с машинистом поезда. В аварийных ситуациях ответственным лицам необходима возможность связываться с любым поездом. Кроме того, они должны иметь доступ к выделенным и другим функциям управления движением поездов в пределах конкретной зоны.
Членам маневровых бригад также нужно связываться друг с другом и с фиксированным диспетчерским центром. Дуплексный режим связи для маневровых бригад необходим только для обеспечения соединений типа «точка-точка», тогда как при групповом вызове может применяться симплексный режим. Эта услуга определена в GSM-R как мультиабонентский вызов.
Персоналу путевых бригад приходится использовать мобильные терминалы GSM-R. Установленные вдоль путей стационарные телефонные аппараты (если таковые требуются) должны поддерживать этот же стандарт и питаться по возможности от солнечных батарей — для снижения расходов на установку и эксплуатацию. Как переходное решение телефонные трубки путевых бригад и установленные вдоль путей телефонные аппараты могут поддерживать два частотных диапазона — GSM-R и GSM.
Локальная коммутация вызовов на крупных железнодорожных станциях обычно обеспечивается учрежденческими АТС. Они могут быть интегрированы в сеть GSM-R непосредственно или как удаленные устройства доступа. Связь между разными железнодорожными организациями не требует высокой мобильности, поэтому GSM-R скорее всего, не будет использоваться в данной категории услуг для выполнения производственных задач. Тем не менее концепция стандарта позволяет абонентам подключаться к виртуальной частной сети и организовывать необходимое взаимодействие.
Остается добавить, что в сетях GSM-R могут быть реализованы дополнительные услуги для пассажиров железнодорожного транспорта. Среди них — резервирование билетов, гостиничных номеров, такси и т. д.
Впервые в России
Консорциум MORANE (Mоbile Radio for railway Networks in Europe), объединяющий операторов европейских железных дорог, производителей оборудования GSM и различные исследовательские организации, реализовал несколько пилотных проектов в целях тестирования и утверждения прототипов сетей GSM-R.
В Германии оборудование GSM-R установлено на трассе Штутгард—Бруксаль—Мангейм длиной 100 км. На данном участке максимальная скорость движения поездов составляет 280 км/ч. Покрытие в туннелях обеспечено посредством направленных антенн.
Во Франции система инсталлирована на трассе Лилль—Париж—Лион. Здесь скорость движения поездов достигает 350 км/ч. Покрытие в туннелях обеспечивается антеннами и повторителями.
В Италии решение использовано на скоростной магистрали Прато—Флоренция—Ареццо. Эта трасса характеризуется наличием нескольких чередующихся туннелей, где связь обеспечивается антеннами и излучающими фидерами. Кстати, в рамках данного проекта системы GSM-R и GSM общего пользования эксплуатировали одни и те же мачты и излучающие фидеры.
Среди коммерческих проектов самым крупным является Banverkert SIR (Швеция). На первом этапе оборудование GSM-R задействуется для передачи речи и данных вдоль железнодорожной магистрали общей протяженностью 2400 км. В дальнейшем планируется установить систему управления движением и увеличить общую протяженность сети GSM-R до 7200 км. Оборудование мобильных коммутаторов, базовых станций, центров эксплуатации и техобслуживания для всех перечисленных проектов поставлено компанией Siemens.
В декабре 2002 года департамент ICM концерна Siemens заключил договор на строительство сети мобильной связи для швейцарской государственной железнодорожной компании SBB. На первом этапе заказчик инвестирует в разработку системы 14 млн евро. Общий бюджет проекта, рассчитанного на несколько лет, составляет 254 млн евро.
В нашей стране решение на платформе GSM-R впервые внедрено на опытном участке Екатеринбург — Камышлов протяженностью 153 км (Свердловская железная дорога). В отличие от европейских проектов, отечественный базируется на двух конкурирующих технологиях профессиональной цифровой радиосвязи — GSM-R и TETRA. Инфраструктура сети включает в себя по 16 базовых станций и по два коммутатора каждого стандарта. Использовано оборудование Siemens (GSM-R) и Rohde&Schwarz (TETRA).
По замыслу проектировщиков, в ходе эксплуатации опытной системы будет выявлена наиболее эффективная модель модернизации технологической связи МПС РФ. Не исключено, что исследования покажут необходимость развития двухстандартного решения. В этой связи необходимо напомнить: сети TETRA используют диапазон частот 450-470 МГц, практически полностью занятый системами сотовой связи NMT-450. В рабочем диапазоне GSM-R (890 МГц) также наблюдается острейший дефицит частотных ресурсов.
О разработке других проектов GSM-R в России пока ничего не известно.
Преимущества—недостатки
Преимущества GSM-R обусловлены прежде всего использованием в данной технологии инфраструктурных компонентов мобильных сетей общего пользования (антенных мачт, базовых станций, систем электропитания и т. д.). Это гарантирует высокую надежность системы, поскольку в ней предусмотрены избыточность аппаратных средств и обработка отказов с помощью программного обеспечения. Кроме того, компоненты для сетей GSM-R широко распространены и используют хорошо отработанные механизмы.
При использовании развитой инфраструктуры публичных сетей GSM железнодорожники могут значительно снизить затраты на создание и эксплуатацию собственной сети. Добавим к этому перспективы, связанные с развитием услуг на базе технологии GPRS, применение которых позволит организовать высококачественную голосовую связь, передачу данных и существенно упростит интеграцию мобильных служб с любыми корпоративными приложениями.
К слову, недостатки GSM-R (по сравнению с технологией цифрового транкинга) имеют тот же генезис, что и преимущества. Не будем забывать, что этот стандарт является клоном общедоступной технологии мобильной телефонии и унаследовал большинство присущих ей свойств.
В частности, это — значительное время установления соединения (несколько секунд). Для некоторых приложений (например, обработки аварийных ситуаций) такая величина является недопустимой. Проблема может быть решена путем выделения для передачи информации отдельного канала, что потребует расширения сетевой инфраструктуры и приведет к заметному удорожанию решения.
С помощью мобильных терминалов невозможно организовать прямую радиосвязь между абонентами (без использования базовых станций). К тому же базовые станции GSM-R имеют небольшую зону обслуживания (обычно несколько километров), тогда как радиус одной соты в системе TETRA составляет десятки километров.