Технологические радиосети обмена данными на железнодорожном транспорте

Технологические радиосети обмена данными на железнодорожном транспорте

В настоящее время широкое распространение в системах свя­зи, обеспечивающих работу желез­нодорожного транспорта, получи­ли перспективные средства связи стандартов GSM-Rи TETRA. Оба эти стандарта имеют свои неоспоримые преимущества и недостатки. Это является одной из причин того, что, например, на территории Европы в настоящее время в интересах обе­спечения железнодорожных пере­возок продолжают эксплуатировать­ся более 30 других систем связи, а процесс интеграции предусматри­вает поддержку действующих на­циональных систем.
С целью сравнительной оценки технических возможностей систем связи различных стандартов на же­лезнодорожном транспорте в ОАО «РжД» был создан опытный участок на отрезке Екатеринбург - Камышлов протяженностью 153 км, на котором были развернуты две сети: GSM-Rи TETRA. По результатам проведен­ных испытаний российские техниче­ские эксперты пришли к выводу, что обе системы имеют право на жизнь и у каждой есть свои преимущества и недостатки, поэтому каждая из си­стем должна использоваться в при­ложениях, в которых ее преимуще­ства проявляются наиболее полно.
Средства связи этих стандартов должны интегрироваться с суще­ствующими системами аналоговой и цифроаналоговой радиосвязи, работающими в диапазонах частот 2 и 160 МГц, и иметь единую си­стему мониторинга и администри­рования радиосетей, что предъяв­ляет дополнительные требования к стандартизации аппаратуры связи и применению в их составе типовых интерфейсов.
По оценке ведущих специали­стов отрасли, в вопросах, касаю­щихся обеспечения безопасности движения поездов, необходимо в максимальной степени ориентиро­ваться на частотные ресурсы, выде­ленные непосредственно для нужд ОАО «РжД».
Выбор частотных ресурсов для каждой из систем должен опреде­ляться с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС) радиосвязи различных систем управления, вы­соким уровнем надежности каналов передачи данных, а также требова­ний систем управления по объемам и скорости передачи данных.

С учетом этих требований реко­мендовано ориентироваться на сле­дующее примерное распределение частотного ресурса для построения систем управления движением:

• 2 МГц - резервирующий радио­канал систем управления соединен­ных и тяжеловесных поездов;
• 160 МГц - радиоканалы систем управления соединенных и тяжело­весных поездов, станционных си­стем передачи данных на малодея­тельных участках, резервирующий канал при использовании в систе­мах управления радиосетей общего пользования;
• 460 МГц (система ТЕТRА) - си­стемы управления маневровыми локомотивами на станциях;
• 900/1800 МГц - система GSM-R, обеспечивающая поездную радиосвязь и системы интервально­го регулирования движения поездов на скоростных и высокоскоростных участках;
• 1800, 2 400 МГц (системы DECT, WiFi, WiMAX) - станционные высоко­скоростные сети передачи данных для информационно-управляющих систем, организации видеонаблю­дения.

Таким образом, в составе систе­мы связи ОАО «РжД» применяются и планируются к дальнейшему ис­пользованию средства связи и об­мена данными, функционирующие практически во всем доступном диапазоне радиоволн, а наиболее
актуальными являются технические решения, обеспечивающие надеж­ный обмен данными между стацио­нарными пунктами управления и подвижным составом.

Ограничения систем связи стандартов GSM-Rи TETRAпо обмену данными

Наиболее актуальное требова­ние к современной системе связи - обеспечение эффективного обмена данными. Системы связи GSM-Rи TETRAизначально создавались как многоканальные «голосовые», пред­усматривающие обмен речевыми сообщениями между значительным количеством абонентов в географи­ческих зонах с высокой плотностью населения, и для решения этой за­дачи они являются лучшим на сегод­няшний день решением.
Однако обмен данными предъ­являет несколько иные требования к средствам связи, более того, эф­фективность адаптированной для передачи данных системы «голосо­вой» связи серьезно зависит от ха­рактера и передаваемых данных.
Реализованные в современных «голосовых» средствах связи прин­ципы работы, направленные на их оптимизацию в части голосовой свя­зи, во многом являются серьезным ограничением при обмене данны­ми. Например, в транковой системе отсутствует жесткое закрепление канала между абонентами на весь период установления связи. С этой целью в такой системе используют­ся служебный и группа информаци­онных каналов. Запрос на доступ к информационному каналу, по кото­рому производится речевой обмен, принимается по служебному каналу связи. При получении запроса от абонента система автоматически находит свободный информацион­ный канал и предоставляет доступ к нему. Если один канал в системе уже занят, а другая группа абонен­
тов пытается установить связь, то система автоматически предоста­вит второй канал в их распоряже­ние. Относительно быстрая смена каналов связи для одних и тех же абонентов в процессе сеанса связи позволяет использовать паузы в пе­реговорах одной группы абонентов для обеспечения связью другой. В результате при прочих равных про­пускная способность у транковой системы при обмене голосовыми сообщениями оказывается в разы выше, чем у обычной (конвенцио­нальной) системы «голосовой» свя­зи.
В настройках транковых систем предусмотрена дополнительная за­держка после завершения передачи очередного «голосового» сообще­ния, длительность которой может составлять до нескольких секунд. Это позволяет удержать активных абонентов на одном канале и сни­зить нагрузку на служебный канал, связанную с переводом абонентов между информационными канала­ми.
Такие прекрасные технические решения для голосовой связи ока­зываются абсолютно неэффек­тивными при обмене данными. «Голосовые» сообщения имеют существенно большую длину (про­должительность при передаче) по сравнению с данными. Если воз­никающие при выделении абоненту информационного канала задержки являются практически незаметны­ми при переговорах, то для системы обмена данными они оказываются неприемлемыми. Например, в тран- ковых системах задержка в предо­ставлении доступа к каналу связи составляет не менее 300 мс (это лучший показатель), а в GSM-R- до нескольких секунд. За это время в конвенциональной системе может быть передано от нескольких до нескольких десятков коротких со­общений.
Серьезным ограничением явля­ется и пропускная способность слу­жебного канала. В случае с «голосо­выми» сообщениями интенсивность поступления запросов в служебный канал относительно невысока - ак­тивность работы абонентов учиты­вается при проектировании радио­сети и реально поддерживается на низком уровне в повседневной обстановке. Возрастание интен­сивности работы в аварийных си­туациях может компенсироваться за счет предоставления более высоких приоритетов отдельным группам абонентов за счет других. В случае с передачей данных интенсивность поступления запросов оказывает­ся, как минимум, на порядок выше, и служебный канал объективно не в состоянии с ними справиться. Выделение дополнительного слу­жебного канала за счет сокраще­ния числа информационных ока­зывается также неэффективным. В аварийных ситуациях, как правило, отсутствует возможность предо­ставления приоритета одному эле­менту АСУ за счет другого, посколь­ку это приводит к срыву нормальной работы последнего. Таким образом, пропускная способность служеб­ного канала в случае использова­ния транковой системы для обмена данными оказывается критическим ограничением.
Существенным недостатком се­тей GSM-R(как и обычных сотовых радиосетей, использующих обмен данными по протоколам GPRSи EDGE) является недетерминиро­ванная задержка в доставке данных. Работа значительной части АСУ на­страивается с учетом времени, не­обходимого на передачу запросов и получение ответов на эти запросы. Чем меньше допустимые предель­ные значения параметров доставки сообщений, тем эффективнее ра­бота АСУ. В случае использования для обмена данными радиосетей GSM-Rпараметры предельно допу­стимых задержек при доставке со­общений приходится увеличивать, снижая тем самым эффективность работы АСУ.
Возможность использования единой радиосети (а следовательно, и единого радиочастотного ресурса) для обмена «голосовыми» сообще­ниями и данными может рассматри­ваться как серьезное преимущество в радиосетях общего пользования. Однако в технологических радио­сетях такое решение оказывается принципиально неприемлемым: ра­бота АСУ требует строго детерми­нированного потока данных и задер­жек, а обеспечить выполнение этого требования при наличии «голосово­го» потока невозможно - любой або­
нент будет говорить столько, сколь­ко посчитает нужным, и тогда, когда ему это потребуется. Практический опыт показывает, что относительно высокая надежность такой радиосе­ти может быть достигнута, если для передачи данных требуется не более 15% пропускной способности всей сети и только при отсутствии резких «всплесков» в объеме «голосовых» сообщений, что в принципе невоз­можно в ответственных технологиче­ских радиосетях.
Таким образом, эффективные технические решения по оптимиза­ции голосовой связи в современных радиосетях стандартов GSM-Rи TETRAоказались серьезным огра­ничением для этих систем в части обмена данными. Практический опыт показывает, что возможности обеих этих систем связи по обмену данными могут быть кардинально улучшены за счет интеграции в их состав специализированного кон­венционального оборудования.

Возможности конвенциональных радиосетей по обмену данными

Перечисленные выше ограниче­ния полностью отсутствуют в кон­венциональных технологических радиосетях. Доступ к радиоканалу в таких радиосетях осуществляется напрямую, без использования про­межуточного служебного канала, поэтому описанные выше задержки полностью отсутствуют.
Сравнительные данные о за­держках при передаче данных в ра­диосетях TETRA, GSM-Rи конвенци­ональных радиосетях представлены в табл.1.
Для повышения объективности данных в табл. 1 необходимо отме­тить, что замеры параметров рабо­ты радиосети GSMпроизводились на конкретном сегменте сотовой сети связи конкретного оператора и в конкретный период времени. Эти данные могут отличаться в за­висимости от текущей нагрузки на сеть сотовой связи. Обеспечение стабильности параметров функ­ционирования такой радиосети в части пропускной способности мо­жет быть обеспечена только за счет выделения для обмена данными от­дельных канальных и частотных ре­сурсов.

Анализ представленных в табл. 1 данных показывает следующее:

• При работе в режиме CSDобе­спечивается наиболее стабильный обмен данными, однако даже в этом случае разница между минималь­ным и максимальным значением пропускной способности состав­ляет около 12%, а собственно ско­рость обмена данными относитель­но мала.
• Разница между минимальным и максимальным значением про­пускной способности при работе с использованием GPRSсоставляет около 94% и 280% для GPRSrealCOMи GPRS«клиент-сервер», со­ответственно. Низкая стабильность данных показателей связана с одно­временным использованием радио­сети для обмена речевыми сообще­ниями, поток которых не может быть детерминирован.
• Поскольку использование тех­нологической радиосети связи стан­дарта TETRAпредусматривается для подвижного приложения, в ней долж­ны быть реализованы функции по­мехозащищенности. Номинальная скорость обмена данными в такой радиосети при обеспечении высо­кой помехозащищенности может составлять от 2,4 (один «тайм-слот») до 4,8 кбит/с (два «тайм-слота»). Использование для обмена данными большего количества «тайм-слотов» делает радиосеть неэффективной с точки зрения обмена «голосовыми» сообщениями, что является основ­ной задачей такой радиосети.
• В конвенциональной техно­логической радиосети обмена дан­ными предусматривается только высокая помехозащищенность. Пропускная способность такой радиосети будет в значительной степени зависеть от применяемого встроенного метода сжатия данных, однако для одинаковых потоков дан­ных и выбранных методов сжатия па­раметры стабильности пропускной способности будут неизменными на протяжении всей эксплуатации.
• Даже при условии использова­ния всех радиочастотных ресурсов («тайм-слотов») пропускная способ­ность радиосетей GSM-Rи TETRAв части обмена данными оказывается ниже по сравнению со специали­зированными конвенциональными радиосетями. Это отставание явля­ется системным и сохранится в пер­спективе.

Типовая структура технологи - ческой радиосети обмена данными на железнодорожном транспорте включает в себя сеть базовых стан­ций (БС), устанавливаемых вдоль железнодорожного пути и соеди­ненных каналами магистральной проводной или беспроводной связи с пунктами сбора данных и управле­ния. Каждая БС обеспечивает связь
с группой поездов, находящихся в ее оперативной зоне. В современ­ной радиосети для железной дороги зоны соседних БС полностью пере­крывают друг друга, в результате чего формируется единая опера­тивная зона с повышенной надежно­стью и живучестью. Переключение поездов на работу с соседней стан­цией («хэндовер») осуществляется автоматически. Учитывая, что рас­сматриваемое оборудование для конвенциональных радиосетей об­мена данными использует открытый протокол TCP/IP, наращивание ком­плектов оборудования и создание многоканальных базовых станций в составе радиосети, равно как со­пряжение с любой современной ав­томатизированной системой управ­ления, не представляет трудностей.
Типовые схемы конвенциональ­ной радиосети обмена данными на железнодорожном транспорте представлены на рис. 1 и 2.
Принципиальным различием двух рассматриваемых схем явля­ется использование в первой из них последовательных интерфейсов, по которым каждая базовая стан­ция ParagonPD+ подключается к многобазовому контроллеру MSC (Multi-sitecontroller), выполняю­щему функции централизованного технического управления и сопря­жения с взаимоувязанной сетью проводной связи и обмена данными ОАО «РжД». Во втором случае при­меняется единый для всей конвен­циональной технологической ради­осети обмена данными интерфейс Ethernetи используется стандарт­ное сетевое оборудование. Однако обе рассматриваемые схемы в пол­ной мере удовлетворяют требовани­ям, установленным в «Белой Книге» ОАО «РЖД» и направленным на соз­дание единого информационного пространства, интегрированного с информационными системами дру­гих видов транспорта и промышлен­ности, а также иностранных желез­ных дорог.

В настоящее время серийно вы­пускается оборудование для созда­ния конвенциональных подвижных технологических радиосетей обмена данными в диапазонах 132-174, 215­240, 403-512, 700, 800 и 900 МГц.
Все выпускаемое оборудование имеет встроенные средства диагно­стики, обеспечивающие удаленный доступ к текущим данным о техни­ческом состоянии, и использует от­крытые интерфейсы, включая широ­ко применяемый протокол обмена данными TCP/IP, что позволяет эф­фективно и просто интегрировать их в Единую систему мониторинга и администрирования технологи­ческой связи ОАО «РжД», а также в системы технологической связи промышленного железнодорожного транспорта и метро.
С точки зрения теории распро­странения радиоволн и с учетом протяженности российской сети железных дорог для организации поездной радиосвязи и системы интервального регулирования дви­жения поездов на всех участках, включая скоростные и высокоско­ростные, наиболее целесообразно использовать средства обмена дан­ными, работающие в более низких, по сравнению с GSM-R, диапазонах волн, например 450 МГц. Понятно, что в этом случае число базовых станций, необходимых для покрытия заданной оперативной зоны, будет существенно меньше, по сравне­нию с количеством БС, работающих в диапазонах 900/1800 МГц.
Следует учитывать, что при по­строении конвенциональных тех­нологических радиосетей обмена данными на рассматриваемом обо­рудовании в качестве магистраль­ных каналов связи для удаленного подключения базовых станций допу­скается применение любых каналов связи соответствующей пропускной способности, в то время как в ради­осетях GSM-Rи TETRAв качестве основных предусмотрено использо­вание дорогостоящих каналов связи E1. В связи с этим развертывание инфраструктуры конвенциональных радиосетей оказывается в разы, а иногда и на порядок дешевле.
Увеличение скорости обмена данными и пропускной способно­сти конвенциональной радиосети достигается не только за счет нара­щивания комплектов оборудования для обслуживания дополнительных каналов связи (как и в радиосетях GSM-Rи TETRA), но и использова­нием оборудования с более широ­кой полосой пропускания. В насто­ящее время серийно выпускается комплект оборудования для работы в канале шириной 50 кГц (два со­седних канала по 25 кГц) со скоро­стью обмена данными 128 кбит/с. Эффективность этого оборудова­ния, производимого уже более че­тырех лет, оказывается несколько выше, чем у перспективной циф­ровой транковой си­стемы связи и обмена данными TEDS- TETRAEnhancedDataSystem.
Таким образом, со­временные конвенцио­нальные технологиче­ские радиосети обмена данными являются на­дежным средством обе­спечение работы АСУ различного назначения на железнодорожном транспорте. Они по­зволяют существенно расширить и дополнить возможности внедряе­мых в настоящее время систем связи GSM-Rи TETRAв части переда­чи информации о раз­решенных параметрах движения поезда на локомотив, обеспече­ния надежности функ­ционирования систем интервального регули­рования с использо­ванием радиоканала и средств спутниковой навигации, функциони­рования резервных ка­налов сбора данных и управления средства­ми железнодорожной автоматики и энергос­набжения. Результаты испытаний показали, что для подвижных ав­томатизированных систем управ­ления, работающих в режиме вре­мени, близком к реальному, такие радиосети были и реально остаются наиболее эффективным и практиче­ски единственным.