CC BY
605
Информационные технологии и безопасность
УДК 656.254.16
П. Н. Ерлыков
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВОГО СТАНДАРТА РАДИОСВЯЗИ TETRA ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ КОМАНД ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЯ
Проведен анализ возможностей передачи команд телеуправления на движущийся поезд с помощью цифрового стандарта радиосвязи TETRA. Эти возможности рассмотрены с позиций передачи на локомотив штатной кодограммы опроса и получения диспетчерским центром кодограммы ответа с локомотива в течение определенного времени.
Произведен сравнительный анализ радиоканала TETRA и современных средств передачи информации, таких как рельсовые цепи и индуктивный канал связи. Показано, что цифровой радиоканал позволяет увеличить скорость передачи данных и повысить помехоустойчивость передаваемой информации (при применении помехоустойчивого кодирования).
команды телеуправления, кодограмма опроса, кодограмма ответа, рельсовые цепи, индуктивный канал связи, помехоустойчивость, скорость передачи данных.
Введение
В настоящее время на сети российских железных дорог используются в основном аналоговые системы радиосвязи с очень ограниченными возможностями по передаче данных. Аналоговые системы радиосвязи не обеспечивают всё возрастающие потребности железных дорог в качественных каналах управления. Поэтому стратегическим направлением реформирования железнодорожной радиосвязи является переход на цифровые стандарты технологической радиосвязи (ЦСТР).
С начала последнего десятилетия пробуется внедрение стандартов цифровой радиосвязи TETRA (Terrestrial Trunked Radio), GSM-R (Group System Mobile Railway). Эти стандарты используют технологию TDMA (Time Division Multiple Access - множественный доступ с временным разделением каналов), которая позволяет организовать большее количество радиоканалов на определённом частотном спектре, чем при использовании технологии FDMA (Frequency Division Multiple Access -множественный доступ с частотным разделением каналов).
Применение ЦСТР позволит наряду с передачей речи организовать и передачу данных. Внедрение ЦСТР позволит добавить новые возможности системам обеспечения безопасности движения поездов и системам интервального регулирования.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
211
1 Концепция перехода к цифровым стандартам радиосвязи в Европе
В европейских странах (Германии, Швейцарии и др.) в качестве основного цифрового стандарта технологической радиосвязи в 1998 году был внедрён стандарт GSM-R в рамках проекта ERTMS/ETCS (European Rail Traffic Menedgment System/ European Train Control System).
В системе ERTMS/ETCS предусмотрены три уровня, позволяющие реализовать различные эксплуатационные программы в зависимости от степени оснащённости линии напольным оборудованием.
Система уровня 1 обеспечивает регулирование скорости поезда в зависимости от передаваемых с пути на поезд данных, сформированных на основе показаний напольных сигналов.
Система уровня 2 представляет собой законченную систему управления и обеспечения безопасности движения поездов без использования напольных сигналов, но с сохранением жёсткого разделения линии на блок-участки. Напольные устройства определяют местоположение поездов и контролируют их полносоставность.
Система уровня 3 - это законченная система управления и обеспечения безопасности движения поездов без использования напольных сигналов и с подвижными блок-участками. Определение местоположения поезда и контроль его полносоставности осуществляется бортовыми средствами.
Основными элементами системы управления движением по радиоканалу (СУД-Р) на основе GSM-R являются:
центр управления перевозками - управляет маршрутами и обеспечивает бесконфликтное назначение участков пути;
стационарные устройства (напольные приёмоответчики, радиоуправляемые стрелочные переводы, радиоуправляемая переездная сигнализация) - выполняют функции управления и контроля стрелок, переездов, подходов к пассажирским платформам;
бортовые устройства - управляют стационарными устройствами в соответствии с назначенным маршрутом, контролируют состояние бортового оборудования, корректируют параметры движения с учётом заданного маршрута.
2 Сравнение характеристик TETRA и GSM-R
2.1 Испытания на Свердловской железной дороге
В 2002 году на Свердловской железной дороге (на опытном участке Северка-Свердловск-Камышлов) началась опытная эксплуатация ЦСТР TETRA и GSM-R с целью выбора оптимального стандарта радиосвязи для передачи речи и данных. Для реализации GSM-R была выбрана аппаратура
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
производства компании Siemens; TETRA реализована на основе аппаратуры Rohde&Schwarz.
В ходе испытаний и опытной эксплуатации были проверены функционирование систем при установлении соединений в соответствии со стандартами TETRA, GSM-R и требованиями существующих технологических процессов; функциональные возможности систем по программированию режимов работы оборудования, управления сетью, ведению баз данных абонентов, учёту событий в сети, возможности цифровых стандартов TETRA и GSM-R по установлению приоритетных и аварийных вызовов, а также сервисы передачи данных (табл. 1).
ТАБЛИЦА 1. Сравнение характеристик TETRA и GSM-R
Характеристики и функции систем передачи информации GSM-R TETRA
Время установления соединения, с 7, аварийный -до 2 0,3-0,5
Задержка на передачу информации, мс 300-500 300-500
Скорость передачи данных, кбит/с: без помехоустойчивого кодирования с помехоустойчивым кодированием с использованием пакетной передачи данных максимальная скорость передачи данных 14,4 9,6 115,2 384 (EDGE) 7,2 4,8 или 2,4 28,8 400 (Release2)
Уровни приоритета (по функции вызывающего абонента) От 3 до 7 От 3 до 15
Сопряжение с системами определения местоположения + +
Максимальная скорость подвижного состава, при которой в системе гарантируется выполнение всех функций, км/ч 350 350
Передача данных с коммутацией каналов on line (в режиме реального времени) + +
Передача данных с коммутацией пакетов off line (передача данных с задержкой) + +
Дальность радиосвязи в условиях ж.-д. транспорта при использовании реальных высот установки антенн (24 метра), км 10-11 10-12
Количество рабочих частот/каналов связи в полосе частот для ж.-д. транспорта 19/152 41/164
Минимально необходимая полоса частот для обеспечения работы одной базовой станции 200 кГц 25 кГц
Возможность перехода к следующему поколению TETRA Release 2 GPRS и EDGE
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
213
Проверка показала, что GSM-R по сравнению с TETRA не имеет ряда функциональных возможностей, что ограничивает её использование в некоторых технологических процессах. В частности, в ней отсутствует режим прямой связи между абонентскими радиостанциями, не предусмотрен режим индивидуального аварийного вызова (реализуется только групповой), более длительное время требуется для организации канала связи, причём процедура организации групповых соединений, которые наиболее часто используются при производстве работ, довольно сложна.
Кроме того, развитию технологии GSM-R в России мешает ещё одно существенное препятствие - получение частотного диапазона. Дело в том, что базовые станции GSM-R работают на парах частот диапазона 876-880 и 921-925 МГц. Большинство частот диапазона 900 МГц занято общественными операторами, ряд частот занят под различные системы навигации, ряд частот - военными, а некоторые просто зарезервированы. В то время как базовые станции TETRA работают на двух парах частот 457,40-458,45 и 467,40-468,45 МГц, что соответствует выделенному Государственным комитетом по радиочастотам (ГКРЧ) для железных дорог диапазону (460 МГц).
3 Анализ возможностей ЦСТР при организации информационного обмена между центром управления и локомотивом
В качестве радиоканала телеуправления рассмотрим
информационный обмен данными между центром диспетчерского управления и машинистом локомотива. С учётом того, что собственно управление движением поездов обеспечивается системами автоблокировки, функции системы передачи данных сводятся к доведению в центр диспетчерского управления информации о состоянии подсистем локомотива и информации о состоянии пути. С локомотива в диспетчерский центр должна передаваться следующая информация:
данные о техническом состоянии локомотива, включая показания системы контроля состояния и бдительности машиниста;
данные о параметрах движения состава (место, скорость, ускорение); данные о состоянии системы автоблокировки;
данные о состоянии рельсового пути (контроль раскачиваний, ударов, толчков); данные о состоянии контактной сети (контроль провисания контактного провода);
данные о состоянии аппаратуры системы радиосвязи; текстовые сообщения машиниста.
Из диспетчерского центра на борт локомотива должна передаваться следующая информация:
запрос о функциональном состоянии подвижного объекта;
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
запросы о техническом состоянии (с полным или выборочным ответом);
команды управления;
текстовые сообщения машинисту.
В соответствии с техническими требованиями период получения информации о состоянии подвижного объекта (локомотива) не должен превышать одной секунды, причём количество подвижных объектов на связи должно быть не менее 24; эти технологические процессы должны охватываться сетью поездной радиосвязи [1].
3.2 Структура кодограммы ответа
Информационный обмен между центром диспетчерского управления и локомотивами организуется путём периодических опросов, инициируемых центром диспетчерского управления в открытом канале ЦСР. Цикл информационного обмена включает три процедуры: процедуру включения нового абонента в цикл опроса; процедуру выполнения операции адресный запрос - ответ адресуемого абонента;
процедуру выхода абонента из цикла информационного обмена. Рассмотрим структуру кодограммы опроса и возможность передачи этой кодограммы с помощью ЦСТР TETRA (см. таблицу 2).
ТАБЛИЦА 2. Структура кодограммы опроса
Наименование поля Количество битов в поле Содержание информации
Адрес центра 6 Адрес диспетчерского центра управления
Адрес абонента 12 Адрес абонента, включённого в цикл информационного обмена
Квитанция 20 Подтверждение данных, полученных от адресуемого абонента в предыдущем цикле. Единичные значения этих 20 битов характеризуют нормальное состояние всех основных подсистем локомотива или другого абонента, включённого в цикл опроса
Запрос телеметрии 20 Совпадение битов квитанции и запроса не означает, что дополнительная информация не требуется, несовпадение битов означает, что по обозначаемой данным битом подсистеме нужна дополнительная телеметрическая информация
Распоряжение 32 5 битов - код распоряжения, 12 битов - первый аргумент, 15 битов - второй аргумент. 5 битов позволяют сформировать 32 различных распоряжения. Аргументами определяются численные характеристики выполнения распоряжений
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
215
Конец сообщения Контрольная сумма, полученная
10 последовательным сложением сообщения всех битов
Таким образом, для передачи содержимого кодограммы опроса требуется 100 из 432 битов, доступных в ЦСТР TETRA в течение каждого временного слота (всего каждый временной слот содержит 510 битов, но часть из них являются служебными и для передачи информации доступны только 432 бита). С учётом того, что продолжительность передачи одного бита в стандарте TETRA составляет 27,78 мкс, передача всех 100 битов кодограммы опроса, защищённой контрольной суммой, составит 2,778 мс. Следует заметить, что продолжительность одного временного слота в кадре составляет 14,167 мс. На рисунке показано, как структурируются данные в ЦСР TETRA) [1].
Гиперкадр
Продолжительность
61,2 с
1,02 с
56,67 мс
14,167 мс
Структура данных в ЦСТР TETRA
3.3 Структура кодограммы ответа
Кодограмма ответа локомотива как участника информационного обмена, содержит больше информации и может быть трёх типов:
кодограмма с информацией о нормальном состоянии всех подсистем локомотива, когда все параметры всех подсистем в норме;
кодограмма с данными о параметрах, значения которых не соответствуют норме;
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
регистрационная кодограмма, с помощью которой локомотив или другой объект регистрируется как участник информационного обмена. Структура кодограммы первого типа приведена в таблице 3.
ТАБЛИЦА 3. Структура штатной кодограммы ответа от локомотива
Наименование поля Количество битов в поле Содержание информации
Адрес центра 6 Адрес центра диспетчерского управления
Адрес абонента 12 Адрес абонента (локомотива), включённого в цикл информационного обмена
Тип локомотива 5 В этом поле указывается тип локомотива (электровоз, тепловоз и т. д.)
Вектор состояния подсистем локомотива 20 Этот вектор характеризует состояние основных подсистем локомотива. «1» значения свидетельствует о том, что все подсистемы локомотива в норме, появление «0» значения свидетельствует о том, что в подсистеме, на которую указывает позиция «0» значения в векторе, отмечается выход какого-либо параметра этой подсистемы за допустимые пределы
Значения параметра 40 В этом поле содержится значение параметра, передаваемого локомотивом в соответствии с распоряжением, полученным от центра в предыдущей кодограмме опроса
Квитанция по предыдущему распоряжению 32 5 битов - код распоряжения, 12 битов - первый аргумент, 15 битов - второй аргумент Этой квитанцией подтверждается принятие распоряжения, переданного центром в предыдущей кодограмме опроса
Конец сообщения 10 Контрольная сумма, полученная последовательным сложением всех битов сообщения
Таким образом, кодограмма ответа, передаваемая локомотивом диспетчерскому центру и защищённая контрольной суммой, составляет 125 битов. Продолжительность передачи составит, соответственно, 3,47 мс. Если в каждом временном слоте осуществлять передачу кодограммы опроса и передачу ответной кодограммы, то появляется возможность в течение 1,02 секунды провести информационный обмен с 72 объектами, если задействовать кадр управления. При этом в каждом
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
217
временном слоте будет использоваться 225 из 432 битов, предназначенных для передачи данных, т. е. в принципе имеется возможность передачи в составе кодограммы дополнительной информации, а также дополнительной защиты этих кодограмм. Более того, имеется возможность проведения только одной передачи в каждом временном слоте, при этом в течение одной секунды удастся опросить и получить ответ от 36 объектов, что тоже соответствует требованиям технического задания [1].
4 Сравнение характеристик радиоканала TETRA с другими каналами передачи информации
4.1 Оценка достоверности передачи информации в стандарте TETRA
Для повышения достоверности в каналах радиосвязи систем стандарта TETRA используется помехоустойчивое канальное кодирование сигнала, которое осуществляется путём введения в состав передаваемого сигнала достаточно большого объёма дополнительной (избыточной) информации. В стандарте TETRA канальное кодирование реализуется в виде четырех процедур:
блочного кодирования; свёрточного кодирования; перемежения; скремблирования.
Для расчёта вероятности возникновения ошибки в радиоканале с использованием стандарта TETRA используется следующая формула:
где М - количество позиций (скачков) фазы (для дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции, использующейся в TETRA M = 4);
Як - скорость кода (для (n, к)-кода Як = k/n, к - число информационных символов, n - общее число символов; для свёрточного кода в стандарте TETRA Ак=2/3);
Еб/N - отношение сигнал/шум (для статического режима распространения равно 11,42, для динамического - 3,6);
2Х
f -tV 2
Фкр(х) - функция Крампа (Фкр(х) = , • \в ' • dt);
(1)
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
Блочный код использует CRC-16 код с производящим полиномом .^(x) = X16 + X12 + X5 + X, который имеет минимальное кодовое расстояние dmin = 4 и позволяет обнаруживать ошибки до третьей кратности
включительно. Код CRC-16 позволяет обнаружить до 99,9985% ошибок.
Вероятность получения блока из n символов с неисправленными ошибками при блочном кодировании:
Рбл = Z Р , (2)
j=s+1
где S - кратность обнаруживаемой ошибки.
Поскольку наиболее вероятна ошибка меньшей кратности, а блочный код исправляет ошибки 3-й кратности, то
Рбл = P = ^32 • Р ■ (1 - Pe )42= 1,37-10-7.
Рассчитаем помехоустойчивость декодирования свёрточного кода. Ошибка в выборе пути при декодировании произойдёт тогда, когда помеха, воздействующая на к символов, превысит кодовое расстояние dk = 6:
Рк = 0,5
кр
1 - Ф_ (ф. • к • E
R / N
(3)
Рк = 0,5Фкр
1 -
(
\
Л
12 • 6 • 3,6 •-
3,9 • 10-
При рассмотрении общей достоверности (по блочному и свёрточному кодированию) берётся наименьшая вероятность ошибки, обеспечиваемая свёрточным кодированием:
Р
общ
Р = 3,9 -10-
4.2 Оценка характеристик систем АЛС (автоматической локомотивной сигнализации)
Рассмотрим достоверность передачи информации в системе АЛС-ЕН, которая на сегодняшний день является наиболее помехоустойчивой системой из всех существующих систем при передаче данных по рельсовым цепям. В условиях воздействия гармонической и непрерывной импульсной помехи отношение сигнал/помеха по току равно 1,4 или 3 дБ. Для двукратной фазоразностной модуляции вероятность ошибки на бит переданной информации при этом ре » 10-2 [3].
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
219
Вероятность появления необнаруженной ошибки при передаче сигналов от путевых устройств АЛС-ЕН
Ро = (Со\.„ • P ■ (1 - Pe Г"'-2 )2 » (C2*. )2 • p
0,5 •n-2\2
2
'0,5 • n-
(4)
При ре =10-2 вероятность появления ошибки Рно = 3,6-10-7. Рассмотрим достоверность передачи информации в системе АЛСН. Система АЛСН применяет числовые коды:
КЖ - 11000001100000; З - 11101101100000; Ж - 11101110000000. Каждый код (14 бит) в системе АЛСН передаётся за 1,6 с. Отсюда скорость передачи информации в системе АЛСН = 8,75 бит/c. Расчёты показывают, что при выбранном способе передачи (АМ - амплитудно-модулированный сигнал) требуемая вероятность трансформации сигнала (не более 10-12..Л0-13) обеспечивается при соотношении сигнал/шум >10 или 20 дБ. При этом обеспечивается вероятность ошибки (BER)»10-4 [2].
ТАБЛИЦА 4. Сравнение характеристик радиоканала TETRA с другими каналами передачи информации
Характеристика канала передачи Канал передачи информации
Радиоканал TETRA Рельсовая цепь + индуктивный канал связи (АЛСН) Рельсовая цепь + индуктивный канал связи (АЛС-ЕН)
Скорость передачи информации 28,8 кбит/с 8,75 бит/с 10,9 бит/с
Вероятность ошибки на бит переданной информации на перегоне 3,9-10 -8 10 -4 3,6-10 -7
Из таблицы 4 видно, что при передаче данных по рельсовым цепям и индуктивному каналу связи скорость передачи информации очень мала. К тому же при увеличении скорости движения поездов растет и количество сбоев при приеме сигналов АЛСН и АЛС-ЕН, в то время как радиоканал TETRA обеспечивает данные в таблице 4 характеристики при очень высоких скоростях подвижного состава - вплоть до 350 км/ч.
Из сказанного выше следует, что в ближайшее время необходимо вводить систему радиосвязи на основе ЦСТР TETRA, которая дублировала бы передачу сигналов АЛ С на локомотив. К настоящему времени изготовлены и прошли испытания опытные образцы первой очереди системы ЕКС (Единая комплексная система управления тяговым подвижным составом), включающей в себя системы УСАВП
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
(Унифицированная система автоматического ведения поезда), САУТ-ЦМ (Система автоматического торможения поездов) и КЛУБ-У (Комплексное локомотивное устройство безопасности). В рамках системы ЕКС интервальное регулирование движения поездов будет производиться по радиоканалу с дублированием АЛС.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
Информационные технологии и безопасность
221
Внедрение устройств передачи данных по радиоканалу системы TETRA планируется применять также при организации двусторонней передачи данных на станциях, где технически сложно кодировать все пути сигналами АЛСН или АЛС-ЕН. Одним из вариантов дублирования сигналов АЛ С по радиоканалу является установка вблизи каждого светофора комплекта из двух приёмоответчиков для передачи на поезд сигнальных показаний.
Заключение
В связи с возможностью передачи команд телеуправления с помощью цифровой системы радиосвязи TETRA были рассмотрены две основные перспективные системы цифровой радиосвязи - TETRA и GSM-R - и указаны причины выбора в качестве базовой системы для железных дорог России цифровой системы радиосвязи TETRA.
Оценка возможностей системы TETRA для передачи сигналов телеуправления производилась с позиций возможности информационного обмена данными между диспетчером и локомотивом посредством передачи стандартных кодограмм опроса и ответа. Показано, что система TETRA за 1 секунду может обеспечить информационный обмен диспетчера с 72 локомотивами.
При сравнении радиоканала системы TETRA с другими каналами передачи информации (рельсовыми цепями, индуктивным каналом связи) можно отметить такие преимущества радиоканала, как высокая скорость и большой объём передаваемой информации, высокая достоверность (если радиоканал защищён помехоустойчивым кодированием) и непрерывность передаваемой информации. Это позволит в ближайшем будущем заменить (на первом этапе дублировать) существующие системы передачи сигналов АЛС по рельсовым цепям на системы передачи сигналов АЛС по защищённому радиоканалу.
Библиографический список
1. Разработка алгоритма передачи информации по радиоканалу в цифровой системе радиосвязи для систем телеуправления и телекоммуникаций : отчёт о НИР / А.
Е. Красковский и др. - СПб. : ПГУПС, 2001. - 224 с.
2. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте : учебник для вузов ж.-д. трансп. / Г. В. Горелов, А. Ф. Фомин, А. А. Волков, В. К. Котов. - М. : Транспорт, 1999. - 415 с. - ISBN 5-277-02127-2.
3. Сравнительная оценка помехоустойчивости систем АЛС-ЕН и АЛСН / А. В. Вековищев // Микроэлектронные системы автоматической локомотивной сигнализации : межвуз. сб. научн. тр. - М. : МИИТ, 1988. - Вып. 790. - C. 73-76.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/3
