GSM-R - Aplikacje komórkowe

Podstawową funkcją łączności radiowej w kolejnictwie jest zapewnienie bezpośredniej komunikacji między stacją sterującą ruchem pociągu a maszynistą prowadzącym skład oraz niezawodnej łączności służbowej pracowników obsługujących transport kolejowy. Systemy łączności kolejowej, w zależności od charakteru żądanej usługi komunikacyjnej, tworzy się za pomocą różnych rozwiązań infrastruktury teleinformatycznej. Większość dotąd działających resortowych systemów analogowej łączności kolejowej nadal wykorzystuje pasmo radiowe 450/460 MHz, które nie pozwala na realizację nowych aplikacji radiowych dla kolejnictwa. Bardziej użyteczne jest tu przydzielone radiokomunikacji ruchomej pasmo w zakresie częstotliwości 900 MHz, przeznaczone do cyfrowych transmisji głosu i danych. Nowe pasmo do wdrażania systemów łączności kolejowej GSM-R (GSM-Railway) w zakresie 900 MHz pozyskała w 1995 r. Międzynarodowa Unia Kolei (UIC - Union Internacionale des Chemnisde Fer), po akceptacji Europejskiego Instytutu Standardów Telekomunikacyjnych (ETSI). Pasmo to obejmuje dwa przedziały częstotliwości: od 876 MHz do 880 MHz dla kanałów radiowych transmitujących w stronę sieci (w górę) oraz pasmo od 921 MHz do 925 MHz (w dół) - dla kanałów łączności w stronę kolejowych terminali abonenckich.

Większość elementów infrastruktury łączności kolejowej GSM-R jest wykonana na sprawdzonej technologii GSM stosowanej w sieciach publicznych, a rozszerzona redundancja sprzętowa i rozbudowane oprogramowanie zapewniają wyższy poziom niezawodności. Podobieństwo rozwiązania GSM-R do infrastruktury sieci komórkowej GSM 900, w której istnieją i funkcjonują gotowe algorytmy zarządzania utrzymaniem sieci oraz przydziałem kanałów radiowych, eliminuje konieczność projektowania nowych procedur - ukierunkowanych na wymagania transportu kolejowego. Takie rozwiązanie w znaczący sposób redukuje koszty operatora kolejowego związane z projektowaniem, eksploatacją i utrzymaniem systemu.

Pierwszymi rozwiązaniami łączności dla kolejnictwa były projekty badawcze, takie jak: DIBMOF (Niemcy), DART (Wlk. Brytania), MORANE (konsorcjum europejskie) i EIRENE, których celem było zbadanie przydatności tradycyjnych rozwiązań komórkowych GSM 900 do specyfiki eksploatacyjnej i obsługi tras kolejowych z szybkimi pociągami klasy Eurostar. Szczególną uwagę poświęcono w nich problemom właściwego pokrycia sygnałem radiowym terenów o ograniczonej propagacji sygnału radiowego (tunele, wykopy, las, przełęcze). Potrzeby kolejnictwa wymagają uzupełnienia standardu GSM o funkcje typowe dla radiowych systemów dyspozytorskich. Ze względu na problemy techniczne wynikające z odmiennych warunków propagacji fal radiowych na terenie transportu kolejowego istnieje konieczność doposażenia sieci GSM-R w kanały o wysokiej niezawodności przy niewielkiej prędkości transmisji danych (minimum 250 b/s z szyfrowaniem komunikatów).

Sterowanie ruchem pociągów wymaga specyficznych rozwiązań niezawodnej łączności kolejowej, utrzymywanej przez kilka zainstalowanych wzdłuż traktu szynowego systemów komunikacji (łączność radiotelefoniczna, łącza selektorowe z dyspozytorem liniowym, łącza zapowiadawcze). Pierwsze systemy radiowe w technologii GSM-R stanowiły jedynie wsparcie już funkcjonujących rozwiązań, istotnie usprawniając automatyzację sterowania i łączności kolejowej na szlaku. Przeprowadzone później prace badawcze nad systemem GSM-R umożliwiły najpierw sformułowanie, a następnie wprowadzenie kilku istotnych modyfikacji elementów tradycyjnego systemu GSM poprzez:

• zmodyfikowanie zakresów pasma częstotliwości i zasad przydziału kanałów radiowych w podsystemie stacji bazowych BSS (Base Station Subsystem);
• optymalizację parametrów oprogramowania podstacji BSS pod kątem procedur przełączania handover;
• wprowadzenie usługi wspomagającej adresowanie stacji ruchomych typu FollowMe;
• realizację transmisji danych z komutacją pakietów GPRS.

Wprowadzenie tych zmian pozwala na realizację dodatkowych usług dla kolejnictwa, istotnych z punktu widzenia obsługi użytkowników taboru kolejowego. Do najważniejszych należą:

• możliwość nadawania komunikatów do wszystkich użytkowników (wywołanie ogólne);
• realizacja priorytetowych połączeń o różnych priorytetach. Połączenia o najwyższym priorytecie mogą przerywać połączenia mniej ważne i zwalniać radiowe zasoby systemu;
• poprawna praca przy szybkościach pociągów do 500 km/godz. (w GSM maksymalna szybkość przemieszczania się użytkownika sięga jedynie 250 km/godz.);
• czas zestawiania ważnych połączeń nie dłuższy niż 1 s;
• adresowanie funkcyjne, czyli wg pełnionych funkcji z zachowaniem klas dostępu do sieci GSM-R (5 klas);
• w ramach obsługi komunikatów SMS wprowadzenie systemu przekazu zdefiniowanych kodowo komunikatów. Są one przesyłane jako kody szyfrowanych komunikatów dyspozycyjnych (szybciej, wolniej, stop, ograniczenie szybkości XX, inne);
• zapewnienie ciągłości połączenia przy przełączaniu handover oraz funkcji roamingu między odrębnymi obszarami komórkowymi;
• bezpośrednia łączność głosowa między radiotelefonami GSM-R.

Infrastruktura systemu GSM-R nie różni się zasadniczo od lądowej łączności GSM powszechnego użytku. Stosunkowo wąskie pasmo dostępnych w systemie GSM-R częstotliwości radiowych (2 x 5 MHz) wymaga stosowania tych samych częstotliwości w blisko siebie położonych komórkach radiowych, co zmienia i utrudnia sposób gospodarowania zasobami nośnymi systemu w stosunku do GSM. Wielokrotne wykorzystanie tych samych grup częstotliwości w różnych komórkach sieci zwiększa ich pojemność, natomiast instalacja wielu mikrokomórek na obszarach o dużej gęstości aktywnych użytkowników (dworce, stacje przeładunkowe) zapewnia podwyższenie ruchu telekomunikacyjnego (trafiku) sieci. Oddzielnym zagadnieniem w technologii GSM-R jest niezawodna obsługa stacji ruchomych o dużej szybkości przemieszczania się (do 500 km/godz.). Wymaga ona częstego stosowania udanych przełączeń handover między sąsiadującymi komórkami oraz optymalizacji rozwiązań nakładkowych typu overlay. Istotnym zmianom uległo też planowanie kolejowej sieci radiokomunikacji ruchomej, ściśle związanej z warunkami geograficznymi i charakterystyką terenu, na którym znajdują się szlak kolejowy wraz z urządzeniami łączności.

Struktura sieci GSM-R

Struktura sieci GSM-R jest przystosowana do obsługi scentralizowanego ruchu teleinformatycznego, zgodnie z obowiązującymi normami UIC: dyspozytor obsługujący duży obszar transportu kolejowego łączy się bezpośrednio z maszynistami pociągu (głosem lub przesyłając odpowiednie dane). W okresach przejściowych jest możliwa łączność zdecentralizowana przez system GSM-R, w której dyżurny łączy się drogą radiową przez sieć GSM-R i dopiero potem sieć łączy go z pociągiem. Podobna procedura, lecz w odwrotnym kierunku, zachodzi podczas inicjowania połączeń: pociąg - dyżurny ruchu.

Stacje bazowe BSC sieci publicznej GSM zwykle są połączone z sobą w architekturze gwiazdy. W systemach łączności kolejowej GSM-R - ze względu na bezpieczeństwo pasażerów oraz innych wymagań charakteryzujących ten rodzaj środków transportu - instaluje się zamknięte układy pętlowe z wielopunktowymi (redundancyjnymi) połączeniami między BTS i BSC. Takie rozwiązania są stosowane w miejscach o podwyższonym zagrożeniu (tunele). Są one tak projektowane, aby czas zestawiania połączenia głosowego generowanego w trybie awaryjnym przez dowolną stację ruchomą do wielu odbiorców nie przekraczał sekundy i nie mógł zostać zablokowany przez jakikolwiek inny aktywny terminal.

W systemie GSM-R stosuje się trzy typy komórek obszarowych: obsługujące wyłącznie szlaki kolejowe, linie kolejowe i przyległe tereny stacyjne oraz komórki do obsługi innych (pozostałych) obszarów kolejowych. Każda komórka może obsługiwać wszystkie radiotelefony GSM-R, a ewentualne ograniczenia wynikają jedynie z ustalonego systemu priorytetów. Połączenia między kolejowymi centralami radiowymi są realizowane przez istniejącą kolejową sieć telekomunikacyjną lub bezpośrednie łącza radiowe między centralami. Obecnie w rozwiązaniach do transmisji danych między centrum lokalnej komunikacji a komputerami przenośnymi (w pociągach) systemu automatycznego sterowania ruchem składów pociągowych ATC (Automatic Train Control) stosuje się zmodyfikowaną usługę przenoszenia (bearer service) systemu GSM. Do precyzyjnego wyznaczania lokalizacji składu wykorzystuje się system lokalizacji GPS (Global Positioning System), a skorygowane dane wskazujące położenie pociągu można następnie transmitować do centrali za pomocą systemu GSM-R. Kolejowa platforma komunikacyjna GSM-R jest obecnie wprowadzana jako standard łączności kolejowej w wielu krajach europejskich.