Німкович Сергій Ігорович
Студент 5 курсу, спеціальність «Телекомунікації»
Харківський національний університет радіоелектроніки
Харків
Анотація: стаття присвячена створенню конвергентної цифрової мережі мобільного зв’язку для залізниць. Розглянуто мережу GSM-R, її особливості та переваги. Приведені основи мереж LTE та 5G та приклад застосування LTE-R у світі. Також розглянуто можливість сумісної роботи мереж GSM-R, LTE-R та 5G-R. Основний висновок роботи полягає в тому, що мережа для залізниці, враховуючи специфіку та різноманітність послуг, повинна бути неоднорідною, об'єднувати декілька стандартів та типів мереж доступу та мати різні вимоги до кожного з них.
Ключові слова: GSM-R, LTE-R, 5G, мережа мобільного зв'язку, стандарт зв'язку для залізниці.
Постановка проблеми. Останнім часом, з підвищенням швидкостей пасажирських поїздів, стала зростати роль радіозв'язку при забезпеченні безпеки руху. Сучасні цифрові системи радіозв'язку із застосуванням сучасних систем комплексної безпеки дозволяють практично повністю автоматизувати процес управління рухом поїздів, а також створити системи інтегрального регулювання поїздів на основі радіозв'язку. Тому роль радіозв'язку на залізничному транспорті поступово зростає. Стандарт GSM-R рахується зрілим та має свої недоліки. В даний час залізнична галузь прагне застосування стандартів 4G / LTE, щоб замінити мережі GSM-R.
Виклад основного матеріалу. Вже розпочато впровадження системи GSM-R на залізницях ряду європейських країн. Реалізація системи GSM-R дозволяє докорінно змінити організацію поїзного радіозв'язку. Впровадження GSM-R дає можливість: зниження експлуатаційних витрат і витрат на технічне обслуговування (за рахунок скорочення запасів запчастин і витрат на навчання персоналу); переходу до високошвидкісної передачі даних по радіо; скорочення потреби в інвестиціях за рахунок застосування стандартної апаратури; динамічного управління правами абонентів за рахунок застосування спеціалізованих SIM-карток; більш ефективного використання частот.
Мережі GSM-R в Європі створюються за вимогами EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network – європейська інтегрована залізнична мережа радіозв'язку), що забезпечує набір сервісів, експлуатаційну сумісність і координацію частот [2,3]. Для системи GSM-R виділена смуга шириною 4 МГц в діапазоні 876-880 МГц для передачі від рухомої до базової станції і 921-925 МГц для передачі від базової до мобільної станції. У цій смузі можна розмістити до 19 тимчасових каналів полосою по 200 кГц з частотно-часовим поділом.
До переваг системи GSM-R можна віднести високу сумісність обладнання різних виробників. Зокрема, вже сьогодні існують розподілені мережі, засновані на обладнанні Nortel і Siemens, стабільно працюючі з різними терміналами. Справа в тому, що GSM-R заснований на відкритих стандартах, використовує загальні інтерфейси, протоколи, в результаті чого навіть наступні реалізації обладнання GSM-R будуть сумісні з існуючими апаратними платформами. Більше того, обладнання GSM-R сумісне з базовими станціями традиційного GSM, і деякі залізничні оператори мають можливість підписати договори з традиційними операторами GSM на надання роумінгу в їх мережах там, де відсутнє покриття GSM-R. Зовсім необов'язково організовувати щільне покриття на тих ділянках, де проходить не так багато поїздів, а може бути, і зовсім рухаються виключно спеціалізовані склади. Такі приклади вже є в світі. Зокрема, компанія Deutsche Bahn (німецькі залізниці) уклала роумінговий договір з найбільшим стільниковим оператором Німеччини T-Mobile, в результаті чого, перебуваючи в не покритих GSM-R зонах, співробітники ведуть переговори, використовуючи мережу T-Mobile. Також різні оператори систем GSM-R можуть укладати роумінгові угоди один з одним, що полегшує зв'язок та його оплату при русі міжнародних поїздів.
LTE (Long-Term Evolution, часто позначається як 4G / LTE) - стандарт бездротової високошвидкісної передачі даних для мобільних телефонів і інших терміналів, що працюють з даними. Він заснований на мережевих технологіях GSM і UMTS, але працює повністю в області пакетної комутації, користуючись новими протоколами сигналізації SIP і LTE [5].
Технологія мобільного зв'язку LTE має два різновиди: 1) для нерухомих або рухомих з малими швидкостями абонентів (пішоходів, людей в міському транспорті); 2) для абонентів, що рухаються з великими швидкостями, наприклад, в поїздах залізниць або метрополітенів (для цих випадків призначається спеціалізована версія стандарту LTE – LTE-Railway (LTE-R) [5].
Базовий стандарт LTE вже досить поширений в розвинених країнах, а ось високошвидкісна мережа бездротового зв'язку по «рейковому» стандарту LTE-R лише в середині 2017 року була запущена в метрополітені південнокорейського міста Пусан.Цей проект реалізується компаніями Samsung Electronics, Busan Transportation і SK Telecom. Мережа LTE-R впроваджена на кількох станціях метро та вже пройшла тримісячні випробування (в найближчі місяці ця мережа буде розгорнута на сорока станціях Пусанського метро). Мережа LTE-R являє собою сукупність трьох підмереж, кожна з яких призначена для вирішення певного кола завдань: перша підмережа призначена для передачі даних систем безпеки, друга – для обміну службової та диспетчерської інформації, третя – для забезпечення мобільним LTE-зв'язком пасажирів [4].
Смуги пропускання у всіх підмережах автоматично регулюються в залежності від пріоритетності поточних завдань зв'язку. Так, наприклад, при виявленні аварійної ситуації на будь-якій станції метро максимально можлива смуга пропускання буде в підмережі, що обслуговує системи безпеки для можливості служб порятунку задіяти всі станційні відеокамери спостереження та всілякі сенсори для максимально швидкого отримання інформації.
За планом розробників проекту, до початку наступного року мережа LTE-R в метро Пусана буде працювати на 41-кілометровому відрізку. Паралельно досвід побудови мереж LTE-R буде використовуватися у метрополітенах інших міст Південної Кореї та на залізницях країни. Так, до кінця 2024 року протяжність ліній метро та залізниць, покритих мережами LTE-R, повинна досягнути, приблизно, 5,6 тис. км [4].
Що стосується мережі 5G-R, то вона розроблена для забезпечення послуг з високою швидкістю передачі даних. У зв'язку з різким збільшенням швидкості передачі даних для 5G радіо необхідний додатковий спектр. Але проблема в тому, що радіочастотний спектр є обмеженим ресурсом. Тому, мережа 5G-R не прийнятна для оснащення на залізничної лінії, проте підходить для спілкування працівників залізниці у вокзалі з машиністами, та між працівниками всередині поїзних локомотивів між собою.
Стан техніки зв'язку обговорюється на конференціях Міжнародного союзу залізничників UIC, які проводяться два рази на рік. Були отримані певні результати паризької конференції 2015 року [1]. Основною темою був аналіз успіхів стандарту GSM-R – як основи глобальної системи цифрових залізниць. Обговорювали питання безпеки мереж GSM-R та покращення якості обладнання. Також обговорювали технології майбутніх систем пакетної комутації LTE-R і 5G-R, які можуть прийти на зміну GSM-R. В даний час розробляються вимоги до нового покоління залізничної системи мобільного зв'язку (Future Railway Mobile Communication System, FRMCS). В планах завершити розробку до кінця 2018 року. Ця мережа розробляється як комбінація двох мереж: LTE та мережі для залізниці Railway, а не як єдина мережа LTE-R. Версія LTE Release 12, яка буде завершена в 2017 році, містить багато не стандартизованих інтерфейсів та не придатна для впровадження. В наступній версії Release 13 буде виправлено помилки попередньої. Її обіцяють стандартизувати до кінця 2018 року та довести до застосування до 2023 року.
Таким чином, розгортання LTE на Європейських залізницях може початися не раніше 2022 року. Учасники конференції дійшли висновку, що слід дотримуватися стандарту GSM-R і планувати його застосування до 2030 року. Перехід на мережі пакетної комутації LTE варто почати не раніше 2023 року, поки що слід зосередитися на питаннях розподілу частот, адже проблема залишається актуальною, так як і питання про долю нового покоління 5G. Якщо специфікація 5G буде завершена раніше, ніж перехід на мережу LTE плюс R, то наступником GSM-R може стати обладнання 5G. Але на даний момент немає припущень про те, коли стандарт 5G можна буде впроваджувати на залізницях. Поки навіть не розроблені стандарти 5G для залізниці. Наразі важко сказати, чи буде створена дана концепція на практиці та чи буде узгодження мереж успішним [5].
Висновки. Отже, зважаючи на різноманітність залізничних послуг, майбутня мережа повинна бути неоднорідною, включаючи різні типи мереж доступу, що працюють в різних діапазонах частот, а також різні вимоги покриття мобільної мережі. В такій мережі можна об'єднати підмережі GSM-R, LTE-R і 5G-R. Стандарт LTE-R, як зазначалося вище, отримав успіх у Південній Кореї, проте, як буде цей стандарт взаємодіяти з GSM-R та 5G-R говорити рано. Зауважимо, що нове покоління техніки зв'язку вимагає тривалого часу доведення. Як відомо, перехід від GSM до GSM-R зайняв 10 років роботи. Головним питанням для створення цієї мережі залишається плавне узгодження роботи цих трьох мереж.
Успіх спільної роботи мереж GSM-R, LTE-R та 5G-R залежить від правильного планування та побудови мереж, враховуючи специфіку кожної з них. Незважаючи на це, вектор до підвищення безпеки руху поїздів та комфорту пасажирів проведений, тому створення єдиної конвергентної мережі для залізниці – лише питання часу.
Література:
1. The future of GSM-R? [Електронний ресурс] Режим доступу: www/ URL: http://www.railengineer.uk/2015/11/11/the-future-of-gsm-r/ Retrieved: Dec, 2016 – 02.12.17р. – Загол. з екрану
2. GSM-R Functional Group, Project EIRENE Functional Requirements Specification, Version 7, Reference PSA167D005 – Brussels, Belgium, 2006.
3. EIRENE Functional Requirements Specification, Version 7.4.0, GSM-R Functional Group, 2014.
4. Хто і де вперше у світі запустив мережу стандарту LTE-R? [Електронний ресурс] Режим доступу: www/ URL: http://www.aethra.ru/kto-i-gde-pervym-v-mire-zapustil-set-standarta-lte-r/ – 05.12.17р. – Загол. з екрану
5. International Journal of Open Information Technologies ISSN: 2307-8162 vol. 5 / М.А. Шнепс-Шнеппе, Н.О.Федорова, Г.В. Суконніков, В.П. Куприяновський, 2017.
