Типы и стандарты систем связи с подвижными объектами, применяемые на железнодорожном транспорте

Учебное пособие написано в соответствии с программой учебной дисциплины «Системы связи с подвижными объектами».

В учебном пособии рассмотрены основные типы и стандарты систем связи с подвижными объектами, которые используются или предполагаются к использованию при организации железнодорожной радиосвязи.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений железнодорожного транспорта и может быть полезно специалистам, занимающимся разработкой, проектированием и эксплуатацией систем железнодорожной радиосвязи.

СОДЕРЖАНИЕ

1.Общие положения

Системы железнодорожной технологической радиосвязи в большинстве относятся к профессиональным аналоговым ССПР, реализующими FDMA с закрепленными за абонентами (группами абонентов) каналами связи. Они предназначены для обмена сообщениями между руководителями и исполнителями, находящимися на стационарных и подвижных объектах железнодорожного транспорта и принимающими участие в различных технологических процессах, а также для обмена дискретной информацией в системах автоматизированного управления различных служб железнодорожного транспорта.

На железнодорожном транспорте для поездной, станционной, ремонтно-оперативной радиосвязи, радиосвязи в тоннелях, пейджинговой связи и т.п. используются различные аналоговые системы (рис.1), которые характеризуются невысокой спектральной эффективностью, высокими эксплуатационными затратами и расходами на техническое обслуживание, низким уровнем эксплуатационной совместимости систем, используемых на железных дорогах разных стран.

Рис.1

Практически все они (системы поездной радиосвязи, станционной связи с подвижными объектами, ремонтно-оперативной, служебно-оперативной радиосвязи и т.п.) реализуются в диапазонах 2, 160, 330 и 460 МГц на радиостанциях с угловой модуляцией с фиксированным закреплением каналов связи.

В процессе стандартизации ССПР принимает активное участие Международный союз железных дорог МСЖД. Можно выделить его рекомендации UIC-751.3 для поездной радиосвязи диапазона 460 МГц, реализуемой и на железнодорожном транспорте Российской Федерации.

Шестидесятилетний опыт эксплуатации систем железнодорожной технологической радиосвязи относится к системам с закрепленными каналами. В профессиональных ССПР более эффективное использование частотного ресурса обеспечивается в транкинговых системах.

В некоторых подсистемах комплексной системы “Транспорт” при ее разработке (70-е годы прошлого века) предусматривалось использование принципа равнодоступных каналов (транкинга).

На ряде железных дорогах России получили применение простейшие транкинговые системы типа Smartrunk 2 со сканирующим поиском свободного канала и стандарта МРТ 1327 (Центральная станция связи МПС России начала эксплуатацию системы Smartrunk 2 в 1995 г.). Внедряются цифровые транкинговые системы стандарта TETRA.

Перспективным (особенно с учетом реализации ряда проектов транспортных коридоров скоростного и высокоскоростного движений) представляется реализация рекомендаций UIC-751.4 МСЖД (в рамках принятой европейскими странами программы EIRENE с построением линейной сети GSM-R (Railways) на базе стандарта GSM) по созданию цифровых сетей подвижной радиосвязи на железнодорожном транспорте Российской Федерации.

С этих же позиций наиболее перспективным является начатое на железнодорожном транспорте внедрение технологий беспроводного широкополосного доступа.

2. Профессиональные аналоговые системы с закрепленными за абонентами каналами

Выше отмечено, что к профессиональным аналоговым системам с закрепленными за абонентами каналами относятся системы железнодорожной технологической радиосвязи, предназначенные для поддержки технологических процессов различных служб железнодорожного транспорта. Воспользуемся их примерами.

С конца 40-х годов прошлого века системы железнодорожной технологической радиосвязи с закрепленными за абонентами каналами реализуются в диапазонах гектометровых волн для поездной радиосвязи (с использованием радиостанций ЖР-1, c середины 50-х годов - ЖР- 3, с 1965 года - ЖР –3М) и метровых волн для станционной радиосвязи (с использованием радиостанций ЖР-5 и ЖР-5М).

В начале 70-х годов прошлого века разработан комплекс ЖРУ железнодорожных унифицированных радиостанций, в том числе для перемещения поездной радиосязи в диапазон метровых волн. Создаются стационарные (ЖР-У-СС) и локомотивные (ЖР-У-ЛС) радиостанции станционной радиосвязи метрового диапазона и двухдиапазонные (метрового и гектометрового диапазонов) радиостанции поездной радиосвязи: стационарная (ЖР-УК-СП) и локомотивная (ЖР-УК-ЛП).

В 80-е годы прошлого века заканчивается разработка комплексной системы радиосвязи “Транспорт”, которая включает подсистемы поездной, станционной, ремонтно-оперативной радиосетей гектометровoго, метрового и дециметрового диапазонов радиоволн с симплексным и дуплексным режимами, групповым и индивидуальным вызовами. Разное между соседними каналами составляет 25 кГц, что позволило существенно увеличить число каналов метрового диапазона (132 канала) и иметь шесть частотных групп в диапазоне дециметровых волн.

Комплекс унифицированных радиостанций ЖРУ включает четыре радиостанции: ЖР-У-СС (71РТС-А2-4М–38РТСА2-4М), ЖР-У-ЛС (72РТС-А2-4М – 39РТС-А2-4М) в метрового диапазона (150-156 МГц) с разносом соседних каналов 50 кГц и ЖР-У-ЛП (42РТМ-А2-4М), ЖР-У-СП (43РТС-А2-4М) метрового и гектометрового (2,150 и 2,130 МГц) для линейной поездной радиосвязи и в метровом (150-156МГц) диапазонов, с которыми использовались носимые радиостанции: “Сирена” (23РТН-2-4М), “Тюльпан” (22РТП-2-4М), “Днепр” (70-РТН-2-4М). В табл.1 приведены характеристики радиостанций комплекса.

Таблица 1

Комплекс системы «Транспорт» включает:

- стационарные радиостанции: РС-1; РС-2; РС-3; РС-4; РС-6; РС-46; РС-23;РК-1С; 460РС-Д;

- возимые радиостанции: РВ-1; РВ-1.1.М; РВ-1М2; РВ-2;

460-РВ-Д;

- носимые радиостанции: «Радий-М (1Р33Н-2»; «Радий 301»; «Радий 301Д»; «Гранит»; «Motorola – GP140».

В табл.2 приведен пример характеристик сменных приемопередатчиков УПП-1 (2,130МГц) и УПП-2 (150-155 МГц).

Таблица 2

В системе линейной поездной радиосвязи, построенной с применением радиостанций РС-46М участвуют до 50 радиостанций, размещенных вдоль железнодорожного полотна. Управление радиостанцией (включение, выключение, ведение переговоров) управляет поездной диспетчер по линии диспетчерской связи. В случае незанятости этой линии на разговор с машинистом может выходитьдежурный по станции.

ДСП–диспетчер по станции с ПУС–пульта управления

В табл.3 приведен пример характеристик радиостанции 460РС-Д диапазона 460 МГц.

Таблица 3

3. Профессиональные аналоговые транкинговые системы

Транкинговые системы позволяют устанавливать индивидуальные, групповые и циркулярные соединения. Они наиболее целесообразны в сетях оперативно-технологической связи, где индивидуальные, групповые и циркулярные вызовы, немедленный доступ, надежность функционирования являются первостепенными.

Транкинговая система Smartrunk II (разработана в 1992 г.).

Простейшая однозоновая транкинговая система с последовательным (сканирующим) поиском свободного канала. Характеризуются большим временем установления соединения и поэтому находит применение при небольшом (до 8—10) числе каналов в стволе.

Абонентское оборудование сканирует все каналы на предмет наличия по одному из них сигнала вызова. При необходимости посылки вызова процесс сканирования приостанавливается на одном из каналов и идентифицируется его занятость в режиме дежурного приема (при отключенном выходе приемника). Если канал занят, осуществляется переход на следующий канал, и процесс повторяется. В случае свободности канала радиотелефон передает на базовый комплект данного канала информацию о своем номере и номере вызываемого абонента. Управляющее устройство канала, используя базу данных, проверяет права абонентов. Вызываемому абоненту посылается сигнал вызова, а вызывающему — сигнал контроля посылки вызова. С ответом вызываемого абонента соединение считается установленным.

Возможны следующие типы вызовов и соединений:

- внутристанционное (внутризоновое) соединение абонентов (индивидуальный, групповой, циркуляционный вызовы);

-исходящее соединение транкинговых абонентов в ведомственную (городскую) телефонную сеть;

-входящее соединение из ведомственной (городской) телефонной сети к транкинговым абонентам.

Особую техническую проблему представляет собой входящее соединение со стороны телефонной сети. Если донабор номера транкингового абонента осуществляется в декадном режиме, то в абонентскую линию вместо серии импульсов набора номера частотой 10 Гц приходят так называемые “щелчки”. В управляющем устройстве предусмотрен детектор щелчков. Однако качество “щелчков” во многом зависит от длины абонентской линии, ее параметров и т.п.

Проблема донабора применительно к России остро стоит для всех транкинговых систем и требует разработки устройств сопряжения транкинговых систем с ведомственной (городской) телефонной сетью.

Система Smart Trunk II может иметь от 1 до 16 каналов связи, обслуживать до 1000 абонентов. В качестве абонентских станций используются обычные полудуплексные и дуплексные радиостанции, оснащенные дополнительными логическими модулями.

Основным достоинством системы Smart Trunk II является ее невысокая стоимость. Основной недостаток — однозоновость (абонент одной зоны может связаться с абонентом другой зоны только по каналам учрежденческой или городской телефонной сети).

Характеристики первого варианта эксплуатации Центральной станцией связи МПС России (с 1995 г.) системы Smart Trunk II: однозоновая; диапазон 160 МГц; контроллер каждого канала подключен к двум АТС; высота установки антенн базовой станции 85 м (приемной) и 75 м (передающей); длина фидеров соответственно 120 и 110 м; дальность уверенной радиосвязи для носимой радиостанции до 20 км (со снижением качества - до 60 км), для возимой — до 50 км (со снижением качества - до 100 км);

В крупных железнодорожных узлах при необходимости организации радиосвязи на больших территориях с большим числом абонентов целесообразно применение более сложных систем транкинговой связи, приближающихся по своим возможностям к сотовым системам, но превосходящих их существенно по экономическим показателям. Первый шаг в этом направлении состоит в применении транкинговых систем с выделенным каналом управления.

Транкинговые системы с выделенным каналом управления стандарта МРТ 1327.

Для обеспечения совместимости сетей PMR в качестве открытого стандарта был принят разработанный в Великобритании стандарт МРТ 1327.

Стандарт определяет протоколы сигнализации и применяется в сетях PMR и PAMR различной конфигурации и различных частотных диапазонов. Радиоинтерфейс подвижной станции определяется протоколом МРТ 1343, радиоинтерфейс базовой - протоколом МРТ 1347. Основной формат кода синхронизации, предшествующего передаче цифровой информации в наземных сетях PMR и PAMR, определяется протоколом МРТ 1317. Его структура, включающая протокол МРТ 1327, приведена на рис.2.

Рис.2

Стандарт МРТ 1327 определяет формат сигнализации для транкинговых ССПР, в которых информационные сообщения передаются по аналоговому радиоканалу. Формат сигнализации представляет собой цифровую бинарную последовательность, передаваемую со скоростью 1200 бит/с и включающую:

- интервал установления (готовности) канала связи (5 мс, 5 бит, в течение которого передатчик после включения должен обеспечить на выходе мощность не менее 90 % максимальной и должен быть готов к осуществлению модуляции;

- преамбулу - последовательность символов 1 и 0 (минимально 16 бит, оканчивается на символе 0), обеспечивающую тактовую синхронизацию канала связи;

-сообщение - совокупность синхропоследовательностей кода адреса, одного или более кодовых слов данных;

- бит согласования формата сигнализации – символ 1 или 0 в зависимости от последнего знака кодового слова сообщении.

Все системы протокола МРТ 1327 близки по характеристикам.

Одной из наиболее дешевых - система Filde (фирма Filde Micro System, нашла применение на всей территории Великобритании).

Система модульная (возможно простое изменение конфигурации). В каждом сайте организуется от 1-го до 24-х каналов. Каждая региональная система содержит до 10-ти базовых станций. Число соединительных линий с АТС – до 24-х. Возможно подключение к ИКМ-коммутатору до восьми АТС.

Межрегиональный процессор и межрегиональный ИКМ-коммутатор позволяют по сетям передачи данных (протокол Х.25) объединение до восьми региональных процессоров (создание единой систему, обслуживающей до 80 зон).

Главной особенностью систем стандарта МРТ 1327 - полноценная многозоновость (роуминг). Перемещаясь из зоны в зону, абонент остается в сети и имеет возможность вызывать других абонентов, в какой бы зоне они не находились.

В транкинговой системе Fylde Mic возможны следующие типы вызовов и соединений:

- зоновые и межзоновые соединения транкинговых абонентов (индивидуальные, групповые, циркулярные вызовы);

- исходящее соединение транкингового абонента в телефонную сеть;

- входящее соединение из телефонной сети;

- передача данных с использованием управляющего канала;

- передача буквенных и цифровых пейджинговых сообщений между транкинговыми абонентами с использованием управляющего канала.

Входящие и исходящие телефонные соединения осуществляются по двухпроводным абонентским линиями АТС через ИКМ-коммутатор центральной базовой станции. Однако и здесь (как и в случае системы Smartrunk 2) возникает проблема донабора номера транкингового абонента при входящем от АТС соединении.

Транкинговые системы протокола LTR с совмещенным каналом управления.

Протокол LTR (Logic Trunked Radio), разработанный фирмой E.F. Johnson, является одним из наиболее широко используемых протоколов транкинговой радиосвязи. Он использовался для систем диспетчерской радиосвязи диапазонов 800 и 900 МГц, но получил развитие в радиосистемах диапазона UHF.

Используется распределенное (без выделенного канала) управление системой. Каждый ретранслятор передает информацию о свободных каналах и команды управления одновременно с речевыми сообщениями на субзвуковой частоте 150 Гц, что обеспечивает время доступа к свободному каналу не более 0,3 с и исключает конфликтные ситуации (перехват канала более мощной или ближе расположенной станцией и столкновение заявок пользователей). По сравнению с системами, использующими выделенный радиоканал для управления (например, МРТ-1327), данный метод обеспечивает экономию частотных ресурсов и способствует повышению пропускной способности системы при большой нагрузке (особенно это заметно в небольших системах, имеющих четыре-шесть каналов).

LTR-системы при работе пользователей в диспетчерском режиме, т.е. без выхода за пределы системы, используют концепцию Transmission Trunking, и только в случае выхода пользователем в телефонную сеть канал закрепляется за пользователем на все время радиообмена (Message Trunking).

За каждым ретранслятором может быть закреплено до 250 групп пользователей, то есть четырехканальная система может иметь до 1000 групп пользователей. Число пользователей в группе не ограниченно. Реально возможное количество пользователей в системе определяется методами теории телетрафика, исходя из средней активности пользователей в пиковые часы, допустимого времени ожидания, распределения пользователей по группам и процентного соотношения числа пользователей, имеющих возможность выхода в телефонную сеть.

Все абоненты в системе LTR разделяются на группы. Конкретный пользователь может относиться к одной или нескольким группам и, а также иметь индивидуальный номер.

Радиоканал удерживается только в течение времени передачи. Таким образом, время между передачами может быть использовано другими пользователями для радиообмена. Достоинством данной системы является развитая система приоритетов, возможности нахождения пользователя в разных группах и вызова “занятого” пользователя по приоритетному идентификатору. Абоненту, имеющему индивидуальный номер, может быть предоставлена возможность пользования услугами телефонной сети.

Гибкость, заложенная в данном протоколе, позволяет реализовать множество схем организации связи, что не обеспечивается более простыми системами (Smart Trunk II, Lancer и т.п.). В системе могут, не создавая помех друг другу, сосуществовать группы пользователей, которые работают независимо друг от друга, но при соответствующем планировании могут быть объединены в группы для выполнения совместных задач. Последнее делает систему удобной для организации связи оперативных и аварийных служб, поскольку в случае чрезвычайных ситуаций по заранее разработанной схеме все необходимые службы могут быть взяты под единое оперативное управление в течение нескольких секунд.

4. Профессиональные цифровые транкинговые системы