GSM-R MOBILE NETWORK AS A BASIS FOR DIGITAL RAILWAY станции. В этои полосе можно разместить до 19 временных каналов полосою по 200 кГц с частотновременным разделением.

Сети GSM-R в Европе создаются по требованиям EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network — европеиская интегрированная железнодорожная сеть радиосвязи), что обеспечивает в частности набор сервисов, эксплуатационную совместимость и координацию частот [ 4,5 ].

Настоящая работа является продолжением статеи по цифровои железнои дороги [ 6-8 ]. Далее, в разделе 2 рассмотрена основная идея GSM-R, а в разделе 3 - сервисы GSM-R. В разделе 4 показана важнеишую роль телефоннои сигнализации SS7 и архитектуры интеллектуальных сетеи в системе GSM-R. Статья завершается перечислением первых примеров сетеи GSM-R в России и попыткои сформулировать ближаишие задачи россииских связистов в области технологии GSM-R. Основная идея GSM-R В системе ERTMS для управления поезда можно выделить три составные части: 1) компьютер в кабине машиниста - Eurocab, которыи связан с терминалом GSM-R, установленном на поезде;

2) евротеги (Eurobalises) или, другими словами, путевые приемоответчики, по которым определяются: местоположение и скорость поезда, а также характеристики пути в данном месте: кривизна пути, ограничения по скорости и т.д.;

3) Euroradio, система непрерывнои радиосвязи между поездом и центром управления по сети GSM-R.

Рис. 1. Схема действия ERTMS Рис. 2. Внешний вид евротегов (Eurobalises) Вместо технического термина путевой приемоответчик предлагаем использовать термин тег из компьютернои лексики. Тег — это идентификатор для описания и поиска данных и задания их внутреннеи структуры. Обычно используются парные теги — открывающии, или начальныи, и закрывающии, или конечныи. Теги на железнои дороге тоже располагаются парами (рис. 2). Они деиствуют по принципу электромагнитнои индукции: после получения высокочастотного питающего сигнала в ответ тег выдает записанное сообщение.

Пример. Trainguard Eurobalise, оборудование компании Siemens, имеет следующие параметры: питание тега передается на частоте 27,095 МГц, данные от тега передаются на частоте 4,234 МГц, длина телеграммы – 341 или 1023 бита, и передается она со скоростью 565 Кбит/с.

Важнеишим эффектом от использования сети GSM-R является увеличение пропускнои способности путеи. В настоящее время расстояние между поездами определяется заданным числом свободных блоков (Fixed block signalling). В сети GSM-R реализован новыи метод CBTC (Communication Based Train Control): расстояние между поездами определяется заданным числом перемещающихся блоков (Moving block signalling), что позволяет (1) управлять безопасным

Рис. 3. Сравнение двух методов путевой сигнализации Рис. 4. Два набора чередующихся базовых станций BSC с кольцевым соединением по оптическим кабелям На рис. 4 показаны три основных узла мобильнои сети GSM-R (в сети GSM они выполняют те же функции): • BTS - Базовая приемо-передающая станция обеспечивает радиосвязь в определенной зоне; • BSC - Контроллер базовой станции выполняет множество функций: управление распределением каналов; контроль соединения и регулировка их очередности; модуляция и демодуляция сигналов; кодирование и декодирование сообщений; кодирование речи; адаптацию скорости передачи речи, данных и сигналов вызова; управление очередностью передачи сообщений персонального вызова; • MSC - Центральный коммутатор подвижной связи (аналог крупного телефонного узла) обслуживает группу зон и обеспечивает все виды соединений с мобильными станциями. На железнои дороге требуется обеспечить высокие требования по надежности связи при высоких скоростях движения (до 500 км). Поэтому радиовышки BTS устанавливаются с 50%-м перекрытием зон соседних сот. Схематическое изображение даннои топологии приведено на рис. 4. В результате расстояние между соседними вышками вдоль дороги составляет всего 7 – 15 км. Вдоль дороги проложены две пары оптических кабелеи (тоже для надежности) для подключены двух рядов BTS. По требованиям EIRENE поездная бригада должна иметь соединение с центром управления непрерывно. В случае же потери связи поезд останавливается.

Пример. Объем работ по развертыванию сетеи GSM-R характеризует следующии пример. По заказу компании DB Netz, оператора инфраструктуры железных дорог Германии, в настоящее время выдан заказ на оборудование новои системои 24 500 км железнодорожных линии. Генеральныи подрядчик — компания Nortel Networks должен поставить оборудование для примерно 2700 базовых станции, 60 главных центров коммутации сообщении и 7 мобильных центров коммутации (MSC) для обеспечения работы 150 тыс. терминалов. Сервисы GSM-R

GSM-R является закрытои сетью. В сети GSM-R каждыи абонент имеет не только особыи «функциональныи» номер, которыи зависит от того, какую функцию выполняет данныи абонент в процессе ЖД перевозок (диспетчер, машинист, начальник поезда, обходчик, сцепщик и т.п.), но и связанные с выполняемои функциеи права осуществления вызова и приоритет обслуживания. Например, диспетчер имеет более высокии приоритет, чем остальные абоненты. Наивысшии же приоритет имеет аварииныи вызов. При появлении такого вызова от одного из абонентов на данном участке пути система обеспечивает разрыв соединении с более низким приоритетом и оповещение об авариинои ситуации.

Планом нумерации сети GSM-R предусматривается адресация практически всего персонала, участвующего в обеспечении процесса ЖД-перевозок, начиная от машиниста, начальника поезда, проводников до официантов вагона-ресторана. Для всех предусмотрена своя область в плане нумерации.

Сеть GSM-R становится платформои для многочисленных существующих и новых услуг (Таблица 1). Так, при помощи сети GSM-R станут доступны услуги телефоннои связи и передачи данных, характерные для общедоступных сетеи. Кроме того, сети, построенные по стандарту GSMR, обладают рядом дополнительных своиств, которые позволяют удовлетворить особые потребности железных дорог за счет применения групповых (VGCS: Voice Group Call System) (рис. 5) и циркулярных (VBS: Voice Broadcast System) вызовов, а также механизма приоритетов (eMLPP) (рис. 6). Диспетчер может, например, вызвать все поезда, находящиеся в пределах зоны группового вызова, составленнои из зон деиствия нескольких базовых радиостанции. В сети обеспечиваются пять уровнеи приоритетов (Multi-Level Precedence and Pre-emption Service, eMLPP) – от 0 до 4. Наивысшии приоритет – нулевои, используется в основном для экстренных вызовов.

Рис. 5. Групповой вызов в сети GSM-R [ 9 ] Рис. 6. Приоритетность и замещение вызовов [ 9 ] В спецификациях EIRENE выделены следующие классы вызовов: • PtP Call (Point-to-Point Call) - обычныи вызов, как в сети GSM; • VGCS (Voice Group Call System) - групповои вызов (в каждыи момент говорит только один из группы); • VBS (Voice Broadcast System) - режим вещания: один говорит, все остальные слушают; • REC (Railways Emergency Call) - экстренныи вызов по управлению движением (типа VGCS) с префиксом 299, обладает высшим приоритетом (0);

• SEC (Shunting Emergency Call) - экстренныи вызов эксплуатации (типа VGCS) с префиксом 599, обладает высшим приоритетом (0).

Таблица 1. Основные требования EIRENE к сервисам GSM-R Наиболее сложно реализовать интеллектуальные вызовы: • функциональная адресация (Functional Addressing, FA) – вызов от абонента, о котором известна только его функция (например, машинист поезда с таким-то номером), • адресация в зависимости от местоположения вызывающего абонента (Location Dependent Addressing, LDA) – например, вызов диспетчера машинистом поезда в движении, • режим шунтирования (Shunting mode) – например, вызовы от бригады путевых работников.

Рис. 7. Схема сети GSM-R На рис. 7, кроме ранее упомянутых выше узлов BTS, BSC и MSC, имеются: FDS – коммутатор службы диспетчера, DTS – пульт диспетчера и OPH – носимыи терминал для ремонтных подразделении и работников маневровых служб.

Рис. 8. Носимый терминал Носимыи терминал поддерживает основные типы вызовы: VBS, VGCS, eMLPP, интеллектуальныи вызов функциональная адресация (Functional Addressing), поддерживает GPS. Кроме того, имеет важную функцию определения вертикальности (Verticality Detection). Если, например, обходчик, поскользнувшись, упал и потерял сознание, то трубка, закрепленная в специальном чехле, определит, что находится в горизонтальном положении без движения больше определенного времени и автоматически подаст сигнал оповещения – «Человек упал», и передаст в соответствующую службу свои GPS-координаты. Сигнализация SS7 и интеллектуальная сеть в GSM-R

Обратим внимание на важнеишую роль телефоннои сигнализации SS7 и архитектуры интеллектуальных сетеи в системе GSM-R. Общеканальная система сигнализации № 7 (Signaling System No. 7, SS7) представляет собои своего рода «нервную систему» на сети GSM-R. Система каналов SS7 связывает не только узлы сети GSM-R межу собои (рис. 9), но и обеспечивает увязку сети GSM-R с сетью фиксированнои железнодорожнои связи и с сетями общего пользования.

Рисунок 9 иллюстрирует архитектуру SS7 и представляет функциональную взаимосвязь между различными функциональными блоками сети GSM-R.

Рис. 9. Упрощенная схема сети SS7 в системе GSM-R Сигнализация SS7 обеспечивается посредством набора протоколов (рис. 10). Три нижних уровня в стеке протоколов сигнализации SS7 соответствуют международнои классификации OSI, а над ними находятся протоколы, которые обеспечивают обслуживание интеллектуальных вызовов.

Рис. 10. Стек протоколов сигнализации SS7 Рис. 11. Использование протокола INAP в интеллектуальной сети Протокол MAP (Mobile Application Protocol) позволяет узлам сетеи GSM обмениваться информациеи с целью предоставления абоненту, например, таких услуг, как хэндовер, роуминг, обмен текстовыми короткими сообщениями SMS и др.

Протокол INAP (Intelligent Network Application Protocol) является протоколом верхнего уровня в системе сигнализации SS7 и обеспечивает взаимодеиствие между двумя основными объектами телефоннои сети, построеннои по принципам интеллектуальных сетеи, а именно между узлом коммутации МSС и узлом управления услугами SCP (а также доступ к базам данных), как это показано на рисунке 11.

Поясним роль протоколов MAP и INAP на примере интеллектуальных вызовов: функциональная адресация (FA) (рис. 12) и адресация в зависимости от местоположения вызывающего абонента (LDA — Location Depending Addressing) (рис. 13). Посредством функциональнои адресации диспетчер может вызвать машиниста (или абонента в поезде, ответственного за определенные функции) одним лишь вводом переменного номера поезда и функционального кода FN, а не физического абонентского номера MSISDN. На рис. 12 цифрами показан порядок обработки вызова и применяемые протоколы.

Рис. 12. Функциональная адресация [ 9 ] GSM-R в России

В России внедрение систем GSM-R только начинается. Издан приказ Минкомсвязи России (от 22 сентября 2014 г.) [ 10 ], которыи разрешает развертывать сети GSM-R, если доступен частотныи диапазон, точнее, пункт 11 данного приказа звучит: «При использовании разрешенных диапазонов частот 921 - 925 МГц, в котором базовая станция передает, а абонентская радиостанция принимает, и 876 - 880 МГц, в котором базовая станция принимает, а абонентская радиостанция передает».

Компания ТрансТелеКом реализовала три проекта: 1. технология GSM-R внедрена на участке железнои дороги Туапсе-Сочи-АдлерКрасная Поляна общеи длинои 155 км (к Олимпиаде в Сочи-2014). Сеть GSM-R развернута на базе оборудования Huawei Technologies,

2. технологии GSM-R внедрена на участке высокоскоростнои железнои дороги для движения поездов «Аллегро» на трассе от Санкт-Петербург-Бусловская до государственнои границы с Финляндиеи,

3. ТрансТелеКом в 2016 г. организовал на Московском центральном кольце цифровую систему для связи машинистов электропоездов с диспетчерами на базе технологии GSM-R. В рамках этого проекта ТрансТелеКом запустил 22 базовые станции по технологии GSM-R.

В ближаишем будущем в России предстоят грандиозные работы по развертыванию сетеи GSM-R на Транссибе и Новом шёлковом пути (рис. 14).

Новыи шёлковыи путь (НШП) — это концепция новои пан-евразиискои транспортнои системы, продвигаемои Китаем в сотрудничестве с Казахстаном, Россиеи и другими странами. Идея Нового шёлкового пути основывается на историческом примере древнего Великого шёлкового пути, деиствовавшего со II в. до н. э. и бывшего одним из важнеиших торговых маршрутов в древности и в средние века. Китаи продвигает проект «Нового шёлкового пути» как масштабное преобразование всеи торгово-экономическои модели Евразии, и в первую очередь — Центральнои и Среднеи Азии.

Рис. 14. Железнодорожная линия Иу – Мадрид и Транссиб Китаи продолжает полным ходом строительство транспортнои инфраструктуры в Центральнои Азии по проекту железнодорожнои линии Иу – Мадрид. Город Иу находится на 250 км севернее Шанхая и является крупнеишим в мире центром оптовои торговли. 27 февраля 2016 в Узбекистане состоялась торжественная церемония стыковки туннеля Камчик, одного из важнеиших сооружении магистрали между Казахстаном и Китаем. Тоннель протяженностью 19,1 км расположен на высоте 2 тыс. м над уровнем моря.

Тем временем технологии мобильнои развиваются, и связисты обсуждают переход от сети GSM-R, основаннои на традиционном стандарте GSM, к сетям следующих поколении, в том числе LTE и даже к сетям пятого поколения 5G. Спецификация LTE позволяет обеспечить скорость загрузки до 326,4 Мбит/с, скорость отдачи до 172,8 Мбит/с, а задержка в передаче данных может быть снижена до 5 миллисекунд. К сожалению, интерфеис LTE является несовместимым с сетями 2G и 3G, поэтому он должен работать на отдельнои частоте.

Компании уже предлагают оборудование сетеи LTE, совместимое с GSM-R. На рис. 15 показана стратегия Huawei Technologies, которая состоит из трех шагов [ 11 ]: 1) Только сеть GSM-R, 2) Параллельная работа сетеи GSM-R и LTE: GSM-R обеспечивает надежную (зашифрованную) связь для управления поездами, LTE передает незащищенные данные, 3) Создается единая платформа “LTE for railway”.

Рис. 15. Cтратегия Huawei Technologies [ 11 ] Ближаишие задачи россииских связистов: 1) Всесторонние испытания технологии GSM-R, особенно вопросов надежности из-за эффектов интерференции между сетями [ 12 ],

2) Разработка архитектуры сети GSM-R с учетом существующих сетеи, в том числе взаимодеиствия с интеллектуальнои сетью, а также с необходимостью модернизации существующих сетеи,

3) Рассмотреть вопросы импортозамещения оборудования GSM-R с учетом его массовости.