Какие полосы частот используются для организации каналов связи в стандарте gsm r
Изучение любого предмета начинается с основ, что является тем базисом, на котором выстраивается иерархия древа знаний. Без этого любая, даже самая хитрая структура рассыплется, как карточный домик. Только глупцы начинают строить дом с крыши… Хотя если речь идет о метростроителях или шахтерах, то это правило не действует. Но и их работа не сводится к бездумному перебрасыванию земельных недр на железные вагонетки. Один наш знакомый самостоятельно знакомился с каждым событием или формой, начиная с азов. Любой разговор с ним, на самую пустяковую тему мог затянуться на несколько часов. Он тщательно обрабатывал свою жертву, методично накачивая ее мозг максимумом информации о предмете разговора. Иными словами, если бы вы спросили у него о принципе работы эмиттерного повторителя, то изначально вам пришлось бы прослушать часовую лекцию о создании и эволюции полупроводников. Занудство? Большинству из нас может показаться именно так. Однако настоящий фундаментальный подход к знаниям лежит именно в этом. Можно долго и заумно говорить о сложных вещах, но если вы не имеете базовых знаний, то все сказанное так же красиво и быстротечно, как и брызги шампанского. Сегодня мы выстроим определенный базис знаний о сотовой связи. Мы расскажем об основах построения современной мобильной телефонной сети.
Сети сотовой связи
Телефонная связь так глубоко проникла в нашу среду, что мы не представляем жизнь без нее. Поднять трубку, набрать номер и услышать голос друга или близкого человека? Что может быть проще? Но за этим стоит огромный труд физиков, технологов, электриков и людей других специальностей. В 1947 году произошло событие, которое послужило отправной точкой для создания сотовой связи. Сотрудник Bell Laboratories, Д. Ринг, во внутреннем меморандуме выдвинул идею сотового принципа организации сетей подвижной связи. Инженер предложил основные идеи, которые по сей день лежат в основе современных сотовых сетей. С одной стороны, сотовая связь проста и понятна, как движение колеса, но как только мы начинаем рассматривать ее более пристально, то открываются всевозможные технические тонкости, подкрепленные десятками патентов и авторских свидетельств. На расстоянии эти подробности теряются и опять открывается вид неделимого целого - комплекса сотовой связи. Итак, давайте обсудим построение системы сотовой связи. Следует обозначить основные проблемы, с которыми мы столкнемся при ее создании. Для создания сотовой сети нужно получить набор частот или частотный диапазон. Именно в нем базовая станция будет общаться с вашим мобильным терминалом. Основным принципом работы сотовых сетей считают принцип повторного использования частот. Именно он позволяет существенно повысить ее емкость и покрывать практически неограниченное пространство, применяя при этом конечный набор частот. Обратим внимание на рисунок.
Основные элементы GSM-сети
- BSS (Base Station Subsystem) - подсистема базовых станций.
- SSS (Switching Subsystem) - подсистема коммутации
- OSS (Operation Subsystem) - подсистема эксплуатации и технического обслуживания.
- BTS (Base Transceiver Station) - базовые приемо-передающие станции;
- BSC (Base Station Controller) - контроллер базовых станций;
- TRAU (Transcoding Rate Adapter Unit) - транскодер.
- радиопокрытие;
- получение и передачу данных и служебной информации от/к мобильной станции;
- управление мощностью мобильной станции;
- контроль качества передачи информации и т.д.
- слабонаправленные с круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости (тип "Omni")
- направленные (секторные) с углом раствора (шириной) основного лепестка ДН в горизонтальной плоскости обычно 60 или 120 градусов
- MSC ( Mobile Switching Center) – центра коммутации;
- HLR (Home Location Register) – домашнего регистра местоположения;
- VLR (Visitor Location Register) – гостевого регистра местоположения;
- AuC (Authentication Center) – центра аутентификации.
- маршрутизация (направление) сигнала, то есть анализ номера для исходящих и входящих вызовов;
- установление, контроль и разъединение соединений.
- OMC (Operation and Maintenance Centre) — центр эксплуатации и технического обслуживания;
- NMC (Network Management Centre) — центр управления сетью.
Заключительное слово
На этом мы заканчиваем знакомство с мобильной связью GSM. Выражаем благодарность компании МТС за предоставленную для материала информацию. В следующей статье мы познакомим вас с сотовым телефоном и SIM-картой, которые содержат много интересного.
GSM-R , Глобальная система мобильной связи - Железная дорога или GSM-Железная дорога - это международный стандарт беспроводной связи для железнодорожной связи и приложений.
Подсистема Европейской системы управления железнодорожным движением (ERTMS), она используется для связи между поездами и центрами управления железнодорожным регулированием. Система основана на спецификациях GSM и EIRENE - MORANE, которые гарантируют работу на скоростях до 500 км / ч (310 миль / ч) без потери связи.
GSM-R может быть заменен LTE-R, причем первая производственная реализация будет осуществлена в Южной Корее . Тем не менее, LTE обычно считается протоколом " 4G ", и программа UIC 's Future Railway Mobile Communication System (FRMCS) рассматривает возможность перехода на что-то, основанное на " 5G " (в частности, 3GPP R15 / 16), таким образом пропуская два технологических поколения.
СОДЕРЖАНИЕ
История
GSM-R построен на технологии GSM и извлекает выгоду из экономии за счет масштаба своей технологии GSM, стремясь стать рентабельной цифровой заменой существующих несовместимых внутрипутных кабельных и аналоговых железнодорожных радиосетей. Сообщается, что только в Европе существует более 35 различных таких систем.
Стандарт является результатом более чем десятилетнего сотрудничества между различными европейскими железнодорожными компаниями с целью достижения функциональной совместимости с использованием единой коммуникационной платформы. GSM-R является частью стандарта Европейской системы управления железнодорожным движением (ERTMS) и передает сигнальную информацию непосредственно машинисту поезда, обеспечивая более высокую скорость движения поездов и плотность движения при высоком уровне безопасности.
Спецификации были окончательно доработаны в 2000 году на основе финансируемого Европейским союзом проекта MORANE (Мобильная радиосвязь для сетей железных дорог в Европе). Спецификация поддерживается проектом ERTMS Международного союза железных дорог . GSM-R был выбран 38 странами по всему миру, включая все государства-члены Европейского Союза и страны Азии, Евразии и Северной Африки.
GSM-R - это безопасная платформа для передачи голоса и данных между эксплуатационным персоналом железной дороги, включая водителей, диспетчеров, членов маневровых бригад, инженеров поездов и диспетчеров станций. Он обеспечивает такие функции, как групповые вызовы ( VGCS ), голосовое вещание (VBS), соединения на основе местоположения и упреждение вызовов в случае чрезвычайной ситуации. Это поддерживает такие приложения, как отслеживание грузов, видеонаблюдение в поездах и на станциях, а также службы информирования пассажиров.
GSM-R обычно реализуется с использованием выделенных мачт базовых станций рядом с железной дорогой, при этом покрытие туннеля осуществляется с помощью направленных антенн или передачи «излучающего» фидера . Расстояние между базовыми станциями составляет 7–15 км (4,3–9,3 миль). Это обеспечивает высокую степень избыточности, а также более высокую доступность и надежность. В Германии, Италии и Франции сеть GSM-R насчитывает от 3 000 до 4 000 базовых станций . В районах, где используется Европейская система управления поездом (ETCS) уровня 2 или 3, поезд постоянно поддерживает соединение цифрового модема с коммутацией каналов с центром управления поездом. Этот модем работает с более высоким приоритетом, чем обычные пользователи (eMLPP). Если модемное соединение потеряно, поезд автоматически остановится.
Верхняя система
GSM-R является частью ERTMS (Европейской системы управления железнодорожным движением), которая состоит из:
- ETCS (Европейская система управления поездом)
- GSM-R
- ETML (Европейский уровень управления трафиком)
- EOR (Европейские операционные правила)
Диапазон частот
GSM-R от стандартизирован , чтобы быть реализован либо в E-GSM (900 МГц-GSM) , или DCS 1800 (1800 МГц-GSM) полосах частот , которые оба используются во всем мире.
Европа
В Европу входят государства-члены СЕПТ , в которые входят все члены ЕС, а также Албания, Андорра, Азербайджан, Беларусь, Босния и Герцеговина, Грузия, Исландия, Лихтенштейн, Македония, Молдавия, Монако, Черногория, Норвегия, Россия, Сан-Марино, Сербия, Швейцария, Турция. , Украина, Великобритания и Ватикан.
GSM-R использует определенный диапазон частот , который можно назвать «стандартным» диапазоном GSM-R:
- Восходящий канал: 876–880 МГц, используемый для передачи данных
- Линия вниз: 921–925 МГц, используется для приема данных
В Германии этот диапазон был расширен за счет дополнительных каналов в диапазонах 873–876 МГц и 918–921 МГц. Новые частоты, которые ранее использовались для региональных систем транкинговой радиосвязи, нацелены на полное использование новых частот к 2015 году.
Китай
GSM-R занимает широкий диапазон 4 МГц диапазона E-GSM (900 МГц-GSM).
- Восходящий канал: 885–889 МГц
- Нисходящий канал: 930–934 МГц
Индия
GSM-R занимает широкий диапазон 1,6 МГц диапазона P-GSM (900 МГц-GSM), принадлежащего индийским железным дорогам :
- Восходящий канал: 907,8–909,4 МГц
- Нисходящий канал: 952,8–954,4 МГц
Австралия
GSM-R внедряется в диапазоне DCS 1800
- Восходящий канал: 1,770–1,785 МГц
- Нисходящий канал: 1865–1880 МГц
Полоса частот DCS 1800 была первоначально разделена и продана на аукционе парными участками, каждая размером 2 × 2,5 МГц с дуплексным разнесением 95 МГц. Государственные железнодорожные операторы приобрели шесть в основном несгруппированных участков, которые покрывают спектр 2 × 15 МГц для развертывания GSM-R.
Государственные железнодорожные операторы повторно лицензировали 2 x 10 МГц из спектра 1800 МГц в Аделаиде, Брисбене, Мельбурне, Перте и Сиднее для обеспечения безопасности и контроля железнодорожной связи. Все, кроме Департамента планирования транспорта и инфраструктуры Южной Австралии (Аделаида), повторно лицензировали 2 x 5 МГц из спектра 1800 МГц по коммерческим тарифам, установленным правительством Австралии.
Использование технических частот в GSM-R
Используемая модуляция - это модуляция GMSK (гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом). GSM-R - это система TDMA («Множественный доступ с временным разделением каналов»). Передача данных осуществляется периодическими кадрами TDMA (с периодом 4,615 мс) для каждой несущей частоты (физического канала). Каждый кадр TDMA разделен на 8 временных интервалов, называемых логическими каналами (длиной 577 мкс, каждый временной интервал), несущих 148 битов информации.
Есть опасения, что мобильная связь LTE будет мешать GSM-R, поскольку ей предоставили полосу частот, довольно близкую к GSM-R. Это может вызвать сбои в работе системы ETCS, случайное экстренное торможение из-за потери связи и т. Д.
В результате наблюдается растущая тенденция к мониторингу и управлению помехами GSM-R с использованием активного и автоматизированного тестирования на борту поездов и на путях.
Текущая версия GSM-R
Стандартная спецификация GSM-R разделена на две спецификации EIRENE:
- Спецификация функциональных требований (FRS): определение функциональных требований более высокого уровня.
- Спецификация системных требований (SRS): определение технических решений, поддерживающих функциональные требования.
EIRENE определяет «Техническую спецификацию для взаимодействия» (TSI) как набор обязательных спецификаций, которые необходимо выполнить для обеспечения совместимости с другими европейскими сетями; текущие TSI - это FRS 7 и SRS 15. EIRENE также определяет необязательные спецификации, которые называются «Промежуточная версия», которые определяют дополнительные функции, которые, вероятно, станут обязательными в следующих TSI. Текущие промежуточные версии - FRS 7.1 и SRS 15.1. Характеристики GSM-R довольно стабильны; последнее обязательное обновление было в 2006 году. Полный график версий GSM-R:
- Декабрь 2000 г .: FRS 5 / SRS 13, первая широко устанавливаемая версия
- Октябрь 2003 г .: FRS 6 / SRS 14
- Май 2006: FRS 7 / SRS 15, текущий TSI
- Июнь 2010 г .: FRS7.1 / SRS 15.1, текущая промежуточная версия; основные дополнительные функции по сравнению с TSI - это маневровое радио и радио только для передачи данных ETCS
Текущая версия GSM-R может работать в сетях 3GPP R99 и R4.
GSM-R использует
GSM-R предоставляет новые услуги и приложения для мобильной связи в нескольких областях:
Основное использование
Он используется для передачи данных между поездами и центрами регулирования железных дорог 2 и 3 уровней ETCS. Когда поезд проезжает через Eurobalise , он передает свое новое положение и свою скорость, затем он получает обратно согласие (или несогласие) на выезд на следующий путь и свою новую максимальную скорость. Вдобавок путевые сигналы становятся избыточными.
Другое использование
Как и другие GSM устройства, GSM-R , оборудование может передавать данные и голос. Новые функции GSM-R для мобильной связи основаны на GSM и определены проектом EIRENE. Возможности звонка:
Аналоговый стандарт скандинавской мобильной телефонии (NMT-450 - Nordic Mobile Telephone) использует диапазон частот 453 - 468 МГц. В этом случае предоставляется значительно большая по сравнению с другими стандартами площадь обслуживания одной базовой станции и соответственно меньшие затраты, а также малое затухание сигнала на открытом пространстве. Возможность пользоваться связью на расстоянии в несколько десятков километров от базовой станции при благоприятных погодных условиях даже за пределами гарантированной зоны покрытия, если абонент может подключить высокоэффективные направленные антенны и усилители очень выгодно для обширных территорий с низкой плотностью населения. Обратной стороной медали является слабая помехоустойчивость, поскольку в этом частотном диапазоне уровень различного рода помех и их влияние выше, чем в диапазонах 800, 900 и 1800 МГц (особенно ощутимо в больших городах, где развита промышленная сеть), и меньшая, чем в цифровых стандартах системы связи (DCS - Digital Communication System), возможность предоставления широкого спектра сервисных услуг. Кроме всего прочего этот стандарт абсолютно не защищен от прослушивания, поскольку его полоса частот типична для приема приемника ультракоротких волн соответствующего диапазона. В довершение ко всему стоит отметить, что аналоговые стандарты планируется заменить цифровыми - например, NMT-450 на GSM-400.
Аналоговый стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service) с рабочим диапазоном частот 825 - 890 МГц характеризуется более высокой, чем у NMT-450, емкостью сетей и более надежной связью в помещениях, низкой восприимчивостью к индустриальным и атмосферным помехам. Однако меньшая зона устойчивой связи для одной базовой станции вынуждает операторов ставить их ближе друг к другу. Учитывая данные недостатки, был разработан цифровой улучшенный стандарт DAMPS.
Цифровой стандарт DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service) с рабочим диапазон частот 825 - 890 МГц обладает емкостью сетей значительно выше, чем у NMT-450 и AMPS. Возможность эксплуатации мобильных аппаратов как в цифровом, так и в аналоговом режимах, широкий спектр сервисных услуг, а так же емкость сетей сотовой связи, работающих в этом стандарте, ниже, чем в полностью цифровых системах, но все же значительно выше, чем в аналоговых. Если при роуминге абонент из аналоговой сети AMPS попадает в цифровую - DAMPS, для работы ему выделяются аналоговые каналы, однако в этом случае преимущества цифровой связи недоступны.
Но главная особенность цифровой техники - программное управление многими процессами, включая формирование логических каналов, переключение подвижного абонента между сотами, организация современных протоколов связи на основе эталонной модели взаимосвязи открытых систем (MOSC - Open System Communication Model) международной организации по стандартизации (ISO - International Standards Organization), а также управление с помощью интеллектуальной сети. Эти преимущества определили дальнейшее развитие сотовых систем в 90-х годах на основе цифровой техники.
Существует несколько стандартов цифровых систем связи: европейский GSM (Global System for Mobile communications), американский ADS (American Digital System), традиционно использующийся в США PCS (Personal Communications Service), английский (DCS - Digital Cellular System) DCS-1800, являющийся прямым аналогом GSM-1800, и японский JDS (Japan Digital System). В странах СНГ более широко применяется стандарт GSM. Это стандарт, определяющий работу в радиотелефонных сетях общего пользования, получил распространение в Европе, однако в США принят стандарт PCS-1900, что говорит о его несовместимости с европейским вследствие различных радиочастот, применяемых для связи. В частности, европейский институт стандартизации телекоммуникаций (ETSI - the European Telecommunications Standards Institute) стандартизировал и определил основные положения действующих в настоящее время в Европе стандартов мобильной связи.
Для работы сотовых систем общего пользования в большинстве стран СНГ были выделены частотные диапазоны: 450МГц - для аналоговой системы NMT-450i и диапазон 900МГц - для систем GSM. Эти две системы стандартов NMT-450i и GSM-900 получили статус федеральных. Дальнейшее развитие сотовых систем связано как с освоением для системы GSM диапазона 1800МГц, так и с переходом к третьему поколению сотовых систем, которые позволяют более гибко решать задачи предоставления каналов подвижным абонентам (в том числе с разными скоростями передачи) за счет широкополосных систем передачи и множественного кодового разделения каналов (СDМА - Code Division Multiple Access).
Современный мобильный радиотелефон - очень сложный и совершенный прибор, в котором реализованы новейшие научно-технические достижения. Ниже в качестве примера рассматривается стандарт GSM, основанный на комбинации FDMA и TDMA, который получил в настоящее время в странах СНГ наибольшее распространение, отличаясь высоким совершенством и ориентированием на перспективу создания универсальной системы персональной связи.
КОНЦЕПЦИИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и т. д.) и происходит соединение. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из зоны действия одного ретранслятора в зону действия другого, или даже между зонами действия разных контроллеров, связь не обрывается и не ухудшается, поскольку система автоматически выбирает ту базовую станцию, с которой связь лучше. В зависимости от загруженности каналов телефон выбирает между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего.
Звонок из обычной телефонной сети мобильному пользователю осуществляется в обратной последовательности: сначала определяются местоположение и статус абонента на основании постоянно обновляющихся данных в регистрах, а затем происходят соединение и поддержание связи.
Указание мощности в децибелах более удобно для расчета бюджета радиолинии, когда значения усиления и затухания в различных звеньях тракта передачи просто суммируются с соответствующими знаками. Как и финансовый бюджет, бюджет радиолинии определяет достаточность выделяемых средств для решения поставленной задачи - в данном случае для получения требуемого качества связи. При анализе такого бюджета необходимо учитывать как факторы, добавляющие децибелы (например, мощность передатчика, коэффициент усиления антенны), так и факторы, уменьшающие децибелы (например, замирания). Обычно приемник требует определенного уровня сигнала в децибелах плюс некоторый запас на замирания, обеспечивающий гарантированное качество связи. В отличие от аналоговых систем, в которых качество связи характеризуется влиянием внутренних и внешних помех, при рассмотрении цифровых каналов все виды помех сводятся к единственному их проявлению - появлению ошибок в отдельных передаваемых символах. Поэтому качество цифровых каналов передачи характеризуется просто частотой ошибок.
Однако, из этого не следует, что и у передатчиков сотовой связи мощность повышается с увеличением частоты. Наоборот, в версии системы GSM, работающей в диапазоне 1800МГц, мощности передачи на порядок ниже, чем в системе GSM-900. Если взять за основу приведенную ранее таблицу, то мощность абонентского аппарата системы GSM-1800 находится в пределах от 1Вт (вместо 8Вт в GSM-900, класс 2) до 0.25Вт (класс 5), а мощность базовой станции от 20Вт (класс 1) до 2Вт (класс 4), что объясняется размером сот. Однако на текущий момент для подвижных аппаратов системы GSM-900 мощность составляет максимум до 1Вт, реально же еще меньше. Поэтому цифры, приводимые в таблице ранее, на данный момент уже не актуальны, но приводятся для наглядности характеристики зависимости мощностей аппарата и базовой станции. Система GSM-900 рассчитана на соты радиусом в несколько десятков километров (приблизительно до 35км), а система GSM-1800 - на соты радиусом в несколько километров. Таким образом, при уменьшении мощности на порядок охватываемая площадь соты уменьшается на два порядка.
Важнейшими причинами повышенного затухания сигналов являются теневые зоны, создаваемые зданиями или естественными возвышенностями на местности. Исследования условий применения подвижной радиосвязи в городах показали, что даже на очень близких расстояниях теневые зоны дают затухание до 20дБ. Другой важной причиной затухания является листва деревьев. Например, на частоте 836МГц в летнее время, когда деревья покрыты листвой, уровень принимаемого сигнала оказывается приблизительно на 10дБ ниже, чем в том же месте зимой, при отсутствии листьев. Замирания сигналов от теневых зон иногда называют медленными с точки зрения условий их приема в движении при пересечении такой зоны.
Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи - отражение радиоволн, и, как следствие, их многолучевое распространение. С одной стороны, это явление полезно, так как оно позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в подземных гаражах и тоннелях. Но с другой стороны, многолучевое распространение порождает такие трудные для радиосвязи проблемы, как растягивание задержки сигнала, релеевские замирания и усугубление эффекта Доплера.
Растягивание задержки сигнала получается из-за того, что сигнал, проходящий по нескольким независимым путям разной протяженности, принимается несколько раз. Поэтому повторяющийся импульс может выйти за пределы отведенного для него интервала времени и исказить следующий символ. Искажения, возникающие за счет растянутой задержки, называются межсимвольной интерференцией. При небольших расстояниях растянутая задержка не опасна, но если соту окружают горы, задержка может растянуться на многие микросекунды (иногда 50-100 мкс).
Эффект Доплера проявляется при движении приемника относительно передатчика и состоит в изменении частоты принимаемого колебания. Подобно тому, как тон шума движущегося поезда или автомобиля кажется неподвижному наблюдателю несколько выше при приближении транспортного средства и несколько ниже при его удалении, частота радиопередачи смещается при движении приемопередатчика. Более того, при многолучевом распространении сигнала отдельные лучи могут давать смещение частоты в ту или другую сторону одновременно. В результате, за счет эффекта Доплера получается случайная частотная модуляция передаваемого сигнала подобно тому, как за счет релеевских замираний происходит случайная амплитудная модуляция. Таким образом, в целом многолучевое распространение создает большие трудности в организации сотовой связи, в особенности для подвижных абонентов, что связано с медленными и быстрыми замираниями амплитуды сигнала в движущемся приемнике. Преодолеть эти трудности удалось с помощью цифровой техники, которая позволила создать новые методы кодирования, модуляции и выравнивания характеристик каналов.
Передача данных осуществляется по радиоканалам. Сеть GSM работает в диапазонах частот 900 или 1800 МГц. Более конкретно, например, в случае рассмотрения диапазона 900МГц подвижной абонентский аппарат передает на одной из частот, лежащих в диапазоне 890-915 МГц, а принимает на частоте, лежащей в диапазоне 935-960 МГц. Для других частот принцип тот же, изменяются только численные характеристики.
По аналогии со спутниковыми каналами направление передачи от абонентского аппарата к базовой станции называется восходящим (Rise), а направление от базовой станции к абонентскому аппарату - нисходящим (Fall). В дуплексном канале, состоящем из восходящего и нисходящего направлений передачи, для каждого из названных направлений применяются частоты, различающиеся точно на 45МГц. В каждом из указанных выше частотных диапазонов создаются по 124 радиоканала (124 для приема и 124 для передачи данных, разнесенных на 45МГц) шириной по 200кГц каждый. Этим каналам присваиваются номера (N) от 0 до 123. Тогда частоты восходящего (F R ) и нисходящего (F F ) направлений каждого из каналов можно вычислить по формулам: F R (N) = 890+0.2N (МГц), F F (N) = F R (N) + 45 (МГц).
В распоряжение каждой базовой станции может быть предоставлено от одной до 16 частот, причем число частот и мощность передачи определяются в зависимости от местных условий и нагрузки.
В каждом из частотных каналов, которому присвоен номер (N) и который занимает полосу 200кГц, организуются восемь каналов с временным разделением (временные каналы с номерами от 0 до 7), или восемь канальных интервалов.
Система с разделением частот (FDMA) позволяет получить 8 каналов по 25кГц, которые, в свою очередь, разделяются по принципу системы с разделением времени (TDMA) еще на 8 каналов. В GSM используется GMSK-модуляция, а несущая частота изменяется 217 раз в секунду для того, чтобы компенсировать возможное ухудшение качества.
Когда абонент получает канал, ему выделяется не только частотный канал, но и один из конкретных канальных интервалов, и он должен вести передачу в строго отведенном временном интервале, не выходя за его пределы - иначе будут создаваться помехи в других каналах. В соответствии с вышеизложенным работа передатчика происходит в виде отдельных импульсов, которые происходят в строго отведенном канальном интервале: продолжительность канального интервала составляет 577мкс, а всего цикла - 4616мкс. Выделение абоненту только одного из восьми канальных интервалов позволяет разделить во времени процесс передачи и приема путем сдвига канальных интервалов, выделяемых передатчикам подвижного аппарата и базовой станции. Базовая станция (BS) всегда передает на три канальных интервала раньше подвижного аппарата (HS).
Требования к характеристикам стандартного импульса описываются в виде нормативного шаблона изменения мощности излучения во времени. Процессы включения и выключения импульса, которые сопровождаются изменением мощности на 70дБ, должны укладываться в промежуток времени длительностью всего 28мкс, а рабочее время, в течение которого передаются 147 двоичных разрядов, составляет 542.8мкс. Значения мощности передачи, указанные в таблице ранее, относятся именно к мощности импульса. Средняя же мощность передатчика оказывается в восемь раз меньше, так как 7/8 времени передатчик не излучает.
Последовательность импульсов образует физический канал передачи, который характеризуется номером частоты и номером временного канального интервала. На основе этой последовательности импульсов организуется целая серия логических каналов, которые различаются своими функциями. Кроме каналов, передающих полезную информацию, существует еще ряд каналов, передающих сигналы управления. Реализация таких каналов и их работа требуют четкого управления, которое реализуется программными средствами.
GSM И КОМПЬЮТЕР
Поскольку эта тема выходит за рамки настоящей статьи, однако очень интересна и актуальна, то в нескольких словах на самом простейшем уровне, думается, стоит ее коснуться.
Промышленность средств связи и европейские железные дороги разработали в рамках консорциума MORANE систему нового поколения для радиосвязи с подвижными объектами. Система, получившая название GSM-R, построена на основе международного стандарта сотовой радиосвязи GSM и использует единый в европейском масштабе диапазон частот. Система GSM-R обеспечивает все функции общедоступных сетей радиосвязи GSM и обладает рядом дополнительных свойств, необходимых для учета специфики железнодорожного транспорта.
Новая цифровая система представляет собой действенную альтернативу не только применявшимся прежде и в большинстве случаев устаревшим сетям аналоговой радиосвязи железных дорог, но и цифровым транкинговым системам, таким, как TETRA.
В настоящее время система GSM-R находится на этапе внедрения на большинстве европейских железных дорог, а на железных дорогах Швеции — уже в постоянной эксплуатации.
История проекта
В 1992 г. МСЖД приступил к реализации проекта EIRENE. В это время большинство железных дорог встали перед необходимостью модернизации своих многочисленных и несовместимых друг с другом систем, которые обеспечивали поездную и маневровую радиосвязь, технологическую и ремонтную радиосвязь, радиосвязь строительных подразделений и т. д. (рис. 1).
Рис. 1. Исходная ситуация
В то время важнейшее значение имели следующие вопросы:
цифровая система какого стандарта должна в будущем заменить существующие аналоговые сети связи?
как можно с оптимальными инвестициями реализовать уже имеющиеся услуги радиосвязи?
как обеспечить расширяемость новой системы с учетом перспективных потребностей железных дорог?
В поисках ответа на эти вопросы МСЖД выполнил ряд технико-экономических исследований и сделал выбор в пользу стандарта GSM, учитывая его хорошие перспективы и рост доли на рынке услуг связи.
Правильность этого выбора подтвердило участие с 1996 г. компаний, работающих в секторе общедоступной мобильной радиосвязи, в исследованиях новой системы. После того как Европейская комиссия поручила в том же году консорциуму MORANE детальное проектирование, изготовление прототипов, испытания системы, к нему присоединились компании Nortel и Siemens с тем, чтобы участвовать в исследованиях по базовым станциям и сетевым подсистемам.
В процессе создания унифицированной европейской системы радиосвязи с подвижными объектами железных дорог были пройдены следующие этапы:
1993 г. Рабочая группа МСЖД по радиосвязи выбрала GSM в качестве стандарта для будущих европейских сетей радиосвязи с подвижными объектами;
июль 1996 г. Выпущена директива Европейского сообщества о эксплуатационной совместимости в трансъевропейской системе высокоскоростных железнодорожных перевозок;
июнь 1997 г. 32 железнодорожные администрации подписали протокол о взаимопонимании, где подтверждалось решение о выборе GSM-R в качестве стандарта железнодорожной радиосвязи с подвижными объектами и реализации железными дорогами ее свойств, содержащихся в спецификации EIRENE и требуемых для обеспечения эксплуатационной совместимости;
июль 1999 г. Европейской комиссией выпущена рекомендация TR 25-09E о распределении частот для системы GSM-R в Европе;
июнь 2000 г. 18 железнодорожных компаний подписали договор, в котором брали обязательства до 2001 г. завершить проектные работы для внедрения GSM-R на трансъевропейской высокоскоростной железнодорожной сети и не позднее 2003 г. обеспечить на ней эксплуатационную совместимость подвижного состава;
железнодорожной сети и не позднее 2003 г. обеспечить на ней эксплуатационную совместимость подвижного состава;
март 2001 г. Европейскими парламентом и советом принята директива об эксплуатационной совместимости трансъевропейской железнодорожной сети, включающей в себя обычные линии;
Развитие системы GSM-R
Решение об использовании уже существующего стандарта в качестве основы для новой системы железнодорожной радиосвязи осложнялось ограниченными возможностями общедоступных систем GSM в поддержке приложений, специфичных для железнодорожного транспорта. В рамках проекта EIRENE Международного союза железных дорог эти приложения были систематизированы (рис. 2), после чего в спецификации стандарта GSM версии 2.5 были внесены изменения для учета железнодорожных приложений. Эти изменения коснулись:
Рис. 2. Приложения радиосвязи с подвижными объектами на железных дорогах
функциональной адресации, частотного спектра, включая частоты, выделенные для МСЖД, и интерфейса человек — машина;
коллективного и группового вызовов, применения системы приоритетов и механизма срочных вызовов;
свойств системы в отношении приложений европейской системы управления движением поездов ETCS/ERTMS (рис. 3).
Рис. 3. Европейская система управления движением поездов ETCS/ERTMS
Для полного использования высокого уровня стандартизации общедоступного стандарта GSM при разработке его железнодорожного варианта GSM-R опирались на базовый вариант GSM и его службы, утвержденные европейским институтом по стандартизации в области электросвязи (ETSI). Цель проекта MORANE состояла в том, чтобы в максимально возможной степени избежать появления специализированных технических решений для железных дорог. В рамках проекта EIRENE был сформулирован ряд функций, которые должны были подвергнуться дальнейшей разработке в ETSI. Эти работы велись совместно с компаниями, входящими в консорциум MORANE, с тем, чтобы создать полностью открытый и совместимый европейский стандарт.
В Германии, Франции и Италии были устроены опытные участки, оборудованные прототипами системы GSM-R. На них была проверена функциональная пригодность системы в условиях железнодорожного транспорта и реализованы новые функции, сформулированные соответствующими службами железных дорог.
Реализация проекта MORANE началась в 1996 г. и завершилась в 2000 г. по окончанию приемочных испытаний новой системы.
В настоящее время большинство европейских железных дорог приняли решение о быстром и широкомасштабном внедрении системы GSM-R (рис. 4). Темпы внедрения GSM-R имеют для железных дорог важное экономическое значение, поскольку работа сразу двух систем на одной сети приводит к росту затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.
Рис. 4. Реализация системы GSM-R в Европе
Важно, что в пользу GSM-R высказались также Швейцария и страны Восточной Европы. За пределами Европы большой интерес к этой полностью проработанной системе проявляют США, а также железные дороги стран Азии и Африки.
Характеристики системы GSM-R
В Европе для GSM-R используется общий диапазон частот (рис. 5), что позволяет обеспечить эксплуатационную совместимость железных дорог. Возможен также роуминг с общедоступными сетями, поскольку терминалы сети GSM-R работают во всем диапазоне 900 МГц. Наряду с основными функциями общедоступной сотовой радиосвязи в системе GSM-R реализованы специфические железнодорожные функции, например функциональная адресация или адресация в зависимости от местоположения абонента.
Рис. 5. Частотный диапазон системы GSM-R в Европе:
P-GSM — диапазон общедоступных сетей GSM; E-GSM — расширенный диапазон GSM
Функции, характерные для частных сетей радиосвязи с подвижными объектами, уже введены в стандарт института ETSI для сетей GSM. Это прежде всего функции расширенной телефонной связи, реализуемые средствами коллективного и группового вызова, а также управления приоритетами вызовов. Для аварийного вызова применяется функция ускоренной установки соединения.
В системе GSM-R будут реализованы новые свойства общедоступных сетей сотовой связи. К их числу относится пакетная передача данных GPRS, введенная в стандарт GSM версии 2.5 и позволяющая обращаться к базам данных и ресурсам сети Интернет с более эффективным использованием частотного диапазона. С появлением приложений, предоставляющих соответствующую информацию, можно будет говорить о воплощении концепции «мобильного офиса на рельсах». Работники железнодорожного транспорта получат возможность обращаться к информации, рассредоточенной вдоль линии, что приведет к повышению эффективности их работы и конкурентоспособности железных дорог.
К числу таких приложений относятся:
доступ к базам данных через Интернет;
доступ к данным о расписании движения и тарифам;
автоматическое резервирование мест в пассажирских поездах;
управление грузовыми перевозками.
Экономические преимущества
Система радиосвязи GSM-R открывает железнодорожному транспорту широкие возможности, отвечающие его потребности в радиосвязи. Она обеспечивает неограниченный обмен речевой информацией и данными.
С ее внедрением у железных дорог появляется стандартизированная базовая система для всех специализированных приложений — поездной и маневровой, технологической и ремонтной радиосвязи, радиосвязи строительных подразделений, корпоративной и т. п. Система отвечает не только существующим, но и перспективным потребностям железных дорог.
Появление новых функций в рамках развития стандарта GSM версий 2.5 и 3 в области высокоскоростной передачи данных позволяет реализовать дополнительные приложения, такие, как информирование пассажиров, продажа билетов в поезде, дистанционное управление подготовкой вагонов к рейсу, дистанционная диагностика поездов.
Для большинства европейских железных дорог внедрение GSM-R означает:
снижение эксплуатационных расходов и расходов на техническое обслуживание (за счет сокращения запасов запчастей и расходов на обучение персонала);
переход к высокоскоростной передаче данных по радио;
сокращение потребности в инвестициях за счет применения стандартной аппаратуры;
динамическое управление правами абонентов за счет применения специализированных SIM-карточек;
более эффективное использование частот.
Техническая группа МСЖД по системе GSM-R продолжает работы по совершенствованию спецификаций и решению проблем, возникающих при внедрении GSM-R на конкретных железных дорогах. Ее задача состоит также в том, чтобы способствовать гармонизации системы на международном уровне, чтобы предотвратить дополнительные расходы промышленности на разработку специализированных устройств для отдельных стран. В настоящее время устройства GSM-R уже разработаны и поставляются на рынок. Крупные промышленные компании поставляют системы GSM-R под ключ или в виде модулей, которые можно интегрировать в существующие сети.
Читайте также: