Jiří Šustr 1 GSM-R, mobilní komunikační systém pro železnici Klíčová slova: GSM-R, interoperabilita, ERTMS Cílem tohoto příspěvku je v krátkosti seznámit se základními vlastnostmi systému GSM-R (Global System for Mobile communications Railway), s důvody jeho vzniku a současným stavem implementace tohoto systému na tratích v ČR. V úvodu, pro získání přehledu o celkovém začlenění systému GSM-R do systémů zajišťujících interoperabilitu, je nutno zmínit projekt evropského řídícího systému vlakové dopravy ERTMS (European Rail Traffic Management System). Projekt ERTMS v sobě integruje základní komponenty a systémy, jejichž hlavním cílem je vytvořit podmínky pro zajištění technické interoperability v evropské železniční síti, tedy snadné přechodnosti hnacích vozidel v procesu sjednocování Evropy. Na železnici je tento proces o to složitější, že jednotlivé národní systémy mají poměrně značné odlišnosti nejen v rádiových, ale i návěstních systémech, vlakových zabezpečovacích zařízeních a v neposlední řadě i provozních předpisech. Projekt ERTMS proto pokrývá následující oblasti: Komunikace projekt EIRENE European Integrated Railway radio Enhanced Network v jehož rámci byly vytvořeny funkční a systémové specifikace jednotného rádiového systému (GSM-R). Zabezpečení projekt ETCS (European Train Control System) specifikující evropský vlakový zabezpečovač zajišťující interoperabilitu v oblasti zabezpečovací techniky. Řízení ETML (European Traffic Management Layer) část systému ERTMS řešící řízení provozu na evropských koridorech z nadnárodního hlediska (projekt OPTIRAILS). Provoz nové systémy komunikace, zabezpečení a řízení jízd vlaku vyžadují i odpovídající jednotné provozní předpisy projekt EOR (European Operational Rules). Systém GSM-R je tedy základní komponentou projektu ERTMS, představující standardizovaný technický prostředek pro realizaci funkčních a systémových specifikací EIRENE zajišťující potřebnou interoperabilitu a kompatibilitu v oblasti rádiové komunikace na tratích evropského konvenčního železničního systému dle TSI CCS (technické specifikace interoperability v oblasti řízení a zabezpečení). 1 Ing. Jiří Šustr, narozen 1970 v Praze. Vystudoval fakultu elektrotechnickou ČVUT v Praze, katedru radioelektroniky. Od roku 1997 pracuje v středisku rádiové techniky TÚDC dnes jako vedoucí oddělení plánování, provozu a diagnostiky radiových systémů TÚČD. 1
Specifikace systému GSM-R vychází z praxí ověřené a masově rozšířené technologické platformy veřejného digitálního rádiového systému GSM doplněného o specifické drážní požadavky a vlastnosti vyžadované u profesionálního rádiového systému určeného pro železniční provoz. Základními odlišujícími znaky od veřejných systémů jsou: Celkové koncepční zaměření na maximální dostupnost a spolehlivost hlasového i datového přenosu v prostoru představující linii železniční trati. V přístupu k přenosovým službám založených na přesně dané hierarchii uživatelů sítě (prioritě) vyplývající z požadavků železničního provozu rozlišovat u různých uživatelů míru naléhavosti dosažení rádiového spojení tak, aby stupeň priority volání odpovídal závažnosti jím řízené technologie z hlediska bezpečnosti. Systém GSM-R kromě klasických přenosových služeb známých z veřejných sítí GSM (hlasová volání, okruhově vázané datové přenosy CSD, krátké textové zprávy SMS a datové paketové přenosy technologií GPRS) nabízí nadstavbové drážně specifické funkce a vlastnosti, kterými jsou zejména: funkční adresování, adresování závislé na poloze, režim posunu, rozšířené hlasové služby (ASCI): o priority a upřednostnění hovorů (emlpp) o skupinové volání typu VGCS - obousměrné o skupinové volání typu VBS - jednosměrné Funkční adresování umožňuje volat (adresovat) zvoleného účastníka sítě GSM-R podle jeho momentální funkce v systému řízení drážní dopravy pomocí jeho funkčního čísla přiřazeného ke klasickému telefonnímu číslu účastníka. Přiřazení se v systému GSM-R dynamicky provede v procesu registrace uživatele do systému. Příkladem může být volání - adresace strojvedoucího HV vlaku jedoucího pod konkrétním číslem vlaku. Strojvedoucí před zahájením jízdy provede registraci daného čísla vlaku do systému GSM-R (přiřazení funkčního čísla k telefonnímu číslu SIM karty dané vozidlové radiostanice GSM-R). V případě potřeby je tento strojvedoucí např. pro dispečera dosažitelný pouhou volbou čísla vlaku a funkce strojvedoucí. Síť GSM-R automaticky požadavek dispečera převede na konkrétní tel. číslo a sestaví požadované spojení. Bez funkčního adresovaní by v běžném drážním provozu bylo nemyslitelné užívat klasických způsobů adresace založených na telefonním čísle uživatele. Adresování závislé na poloze umožňuje dynamicky směrovat volání podle momentální polohy účastníka sítě GSM-R. Příkladem může být požadavek na sestavení hovorového kanálu ve směru od strojvedoucího na místně příslušného dispečera. Při využití funkce polohově závislé adresace stačí na straně strojvedoucího vlaku zadat pouze funkci adresáta volání (v našem případě dispečera stiskem jediného tlačítka) a síť GSM-R automaticky na základě znalosti polohy volajícího účastníka (v našem případě strojvedoucího / poloha je dána pomocí BTS systému GSM-R) a předem definovaných oblastí působnosti jednotlivých dispečerů provede směrování hovoru na dispečera aktuálně příslušejícího k dané poloze vlaku. 2
Režim posunu je speciálním druhem skupinového hovoru, při kterém je jednotlivým uživatelům akusticky indikována nepřerušenost hlasového spojení s ostatními účastníky posunu v dané skupině, která je předem definována v systému GSM-R. Rozšířené hlasové služby představují doplnění hlasových služeb poskytovaných původní specifikací GSM zejména v oblasti priorit a upřednostnění hovorů a v oblasti skupinových hovorů. Priority a upřednostnění hovorů představují základní funkční vlastnost vyžadovanou od privátního rádiového systému určeného pro drážní komunikaci. Systém GSM-R, jak již bylo uvedeno, umožňuje rozlišovat u různých uživatelů míru naléhavosti dosažení rádiového spojení tak, aby stupeň priority volání odpovídal závažnosti jím řízené technologie z hlediska bezpečnosti. V systému GSM-R jsou definovány 4 třídy reakčních dob na požadavek sestavení spojení (s časy sestavení spojení do 2 sec, do 5 sec, do 7 sec a do 10 sec) a až 5 tříd upřednostnění. V případě obsazenosti rádiového rozhraní systému GSM-R na dané BTS a požadavku na volání s vyšší prioritou jsou stávající volání s nižší prioritou přesměrována nebo ukončena tak, aby volání s vyšší prioritou bylo odbaveno. Skupinová volání představují novou třídu skupinových volání a další rozšíření původní GSM specifikace, která poskytovala hlasová volání pouze typu point to point. U obou typů skupinových volání se jedná o simplexní hlasové spojení, přičemž základní odlišnost mezi typem VGCS a VBS je v možnosti změny směru komunikace (změny řečníka) v rámci sestavené hlasové skupiny. U skupinového volání typu VGCS (obousměrné volání) je v první fázi řečníkem iniciátor skupinového volání, v další fázi hovoru je pak možno v rámci hlasové skupiny předávat funkci řečníka na libovolného člena skupiny, přičemž ostatní účastníci skupiny jsou v roli posluchače. Volba řečníka (přepínání příjem / vysílání) se provádí obdobně jako na analogových radiostanicích pomocí tlačítka PTT. U skupinového volání typu VBS (jednosměrné volání) je řečníkem hlasové skupiny iniciátor skupinového volání a není možno funkci řečníka v rámci skupiny předávat. Uvedené služby, funkce a vlastnosti systému GSM-R umožňují plnou integraci všech požadavků na mobilní rádiovou komunikaci železničního provozu, tedy jak provozní komunikaci (hlasovou i datovou - např. pro systém ERTMS) s přímým vlivem na bezpečnost, provoz technologických systémů, tak i obecnou interpersonální komunikaci, a vytvářejí tak prostředí pro jednotlivé aplikace systému GSM-R v oblastech: Interoperabilita v oblasti komunikace a zabezpečení jízdy vlaků - ETCS Vlakový rádiový systém Komunikace pro posun Součinnostní a technologické sítě ŽST Údržba vozidel a tratí Interpersonální komunikace Národní i mezinárodní datové a hlasové aplikace pro diagnostiku, logistiku, informace a služby pro cestující veřejnost apod. 3
Předchozí závislosti je možné názorně graficky vyjádřit následujícím diagramem: Tak jako každý radiokomunikační prostředek, sestává i systém GSM-R z části infrastrukturní Specifické drážní funkce Funkční adresování Adresování závislé na poloze Nouzová volání Režim posunu Režim přímého spojení GSM-R GSM Specifické drážní funkce GSM fáze 2+ Aplikace systému GSM-R Interoperabilita v oblasti komunikace a zabezpečení jízdy vlaků - ETCS Vlakový rádiový systém Komunikace pro posun Součinnostní a technologické sítě ŽST Údržba vozidel a tratí Interpersonální komunikace Národní i mezinárodní datové a hlasové aplikace pro: o Diagnostiku o Logistiku o Informace a služby pro cestující veřejnost Přenosové služby GSM ASCI Rozšířené hovorové služby Hlasová komunikace VGCS skupinové volání Klasické datové přenosy VBS - hlasové vysílání Paketové datové přenosy EMLPP priorita a preempce SMS a části mobilní (viz následující blokové schéma), oddělené vzdušným prostředím, na kterém probíhá komunikace na tzv. rádiovém rozhraní. Mobilní část systému je představována přenosnými a vozidlovými radiostanicemi uživatele. Základní provedení přenosné radiostanice systému GSM-R je typu GPH pro všeobecné použití. Jedná se o standardní provedení mobilního telefonu známého z veřejných sítí GSM v modifikaci pro kmitočtové pásmo a některé nadstavbové funkcionality systému GSM-R (např. ASCI funkce). Pro provozní využití v mechanicky a klimaticky náročných podmínkách drážního provozu je určena verze v provedení OPH se zvýšenou mechanickou a klimatickou odolností s potřebnými ergonomickými vlastnostmi. Pro režim posunu jsou pak určeny další modifikace přenosných radiostanic označované většinou jako OPS. Provedení GPH Provedení OPH 4
Vozidlové radiostanice jsou určeny pro zajištění hlasové a datové komunikace z pracoviště strojvedoucího hnacího vozidla. Skládají se z obslužných pracovišť tzv. MMI (Man Machine Interface) umístěných na obou stanovištích strojvedoucího, která pomocí klávesnice, displeje a akustických obvodů zprostředkovávají rozhraní člověk-stroj a vlastní radiostanice umístěné uvnitř vozidla (kabeláže, anténního systému atp.): Z hlediska funkcionalit poskytovaných vlastní radiostanicí je možno vozidlové radiostanice rozdělit na: Standardní GSM-R určené pro hlasovou komunikaci. GSM-R pro ETCS - určené pro hlasovou komunikaci a datové přenosy systému zabezpečení jízdy vlaku ETCS. Duální GSM-R umožňující hlasovou komunikaci v systému GSM-R a stávajícím analogovém systému dle UIC 751-3 (řešení přechodu od analogového na digitální rádiový systém). Duální pro ETCS jako v předchozím bodě doplněno o možnost datových přenosů pro systému ETCS. 5
Blokové schéma jednotlivých částí systému GSM-R: Infrastrukturní část systému GSM-R je možno rozdělit na síťovou - spínací část a rádiovou část sítě: Síťová a spínací část je tvořena zejména: Vlastní mobilní ústřednou MSC (Mobile Switching Center) s pomocnými registry pro správu informací a dat zejména: o domovských uživatelů sítě v HLR (Home Location Register), o uživatelů cizích sítí v VLR (Visitor Location Register), o konfiguračních dat pro skupinové volání v GCR (Group Call Register), o střediska ověření identity AC (Authentication Center). Inteligentní sítě IN SCP (Inteligent Network / Service Control Point) zajišťující např. potřebné funkcionality pro zabezpečení drážně specifických služeb, jako je funkční adresování a adresování závislé na poloze. Vybavením pro správu a dohled nad systémem OMC (Operation, Maintenance Center) skládající se z dohledu síťové části OMC-S a dohledu rádiové části sítě OMC-R. Rozhraními pro připojení sítě GSM-R na radioblokovou ústřednu RBC systému ETCS (Radio Block Center) a telekomunikační sítě a okolní sítě GSM-R. 6
Rádiová část je tvořena zejména: kontroléry základnových radiostanic BSC (Base Station Controller) řídící jednotlivé skupiny základnových radiostanic, základnovými radiostanicemi BTS (Base Transceiver Station) rozmístěnými podél tratí a zájmových oblastí zajišťující vlastní pokrytí rádiovým signálem. Základním parametrem každého rádiového rozhraní je kmitočtové pásmo využité pro rádiový přenos daným rádiovým systémem. Vzhledem k významu a privátnosti systému GSM-R je pro tento systém vyhrazeno vlastní samostatné a evropsky jednotné kmitočtové pásmo UIC 876 880 / 921 925 MHz, které se nachází bezprostředně pod kmitočtovým pásmem vyhrazeným pro veřejné sítě GSM a je specifikováno CEPT T/R 25-09, ECC (02)05, EU 1996/48/ES a 1999/569/ES. Rozmístění kmitočtových pásem systémů GSM-R a GSM: UIC E-GSM P-GSM UIC E-GSM P-GSM 876 880 890 915 921 925 935 960 Pásmo vysílání mobilní strany (Uplink) Pásmo vysílání pevné strany (Downlink) Základní vlastnosti a procedury z hlediska přenosu na tzv. fyzické vrstvě modelu OSI rádiového rozhraní systému GSM-R (FDMA, TDMA, Burst ) jsou specifikovány ETSI GSM 04.XX a GSM 05.XX. Požadavky z hlediska funkčních vlastností a požadované úrovně pokrytí signálem GSM-R jsou pak specifikované funkčními a systémovými požadavky EIRENE. U mobilních prostředků je např. z hlediska kmitočtového spektra specifikacemi EIRENE vyžadována implementace nejenom vlastního pásma GSM-R, ale i GSM pásma veřejného. Významu GSM-R jakožto základního kamene interoperability a definovaného standardu pro drážní rádiovou (hlasovou i datovou) komunikaci jsou si České dráhy, a.s. i Správa železniční dopravní cesty, s.o. dobře vědomy, proto zahájily realizaci pilotního projektu GSM-R. Pro pilotní projekt v délce cca 201 km byl zvolen traťový úsek státní hranice Děčín Praha Kolín včetně železničního zkušebního okruhu v Cerhenicích. Na základě výsledků výběrového řízení byla pro pilotní projekt GSM-R zvolena technologie Nortel Networks a investorem SŽDC, s.o. byla uzavřena smlouva na vlastní realizaci pilotního projektu s generálním zhotovitelem společností KAPSCH Telecom spol s.r.o. Řízením celé investice byla pověřena Stavební správa Praha, přičemž zpracování projektové dokumentace v rámci subdodávky zajistila společnost SUDOP Brno, s. r.o. Pro zahájení 7
projektové činnosti a schvalovacích procesů bylo potřebné provést rádiové plánování sítě. Na tomto úkolu se podílela společnost DB Telematik, která na základě SW návrhu určila přesné lokality jednotlivých základnových radiostanic BTS a jejich parametry (např. výška, typ anténního systému, jeho směrování, použitý výkon atd.). Oddělení rádiového plánování, provozu a diagnostiky TÚČD Praha zajistilo potřebné předprojekční měření a následně po ukončení výstavby i akceptační měření rádiového rozhraní systému GSM-R jako podklad pro proces předání hotového díla. V rámci pilotního projektu GSM-R byla vybudována ústřední část systému představující základ pro další výstavbu a potřebné rozšíření rádiového systému GSM-R v ČR. Vlastní technologie ústředny (MSC) a dohledového pracoviště (OSS) včetně kontroléru základnových radiostanic (BSC) jsou umístěny v Praze v objektu Pernerova. Pro zabezpečení odpovídající úrovně rádiového signálu (-95 dbm) vyžadované specifikací EIRENE (pro zajištění datových přenosů systému ETCS) bylo na traťovém úseku pilotního projektu instalováno 37 ks základnových radiostanic BTS. Mobilními prostředky bylo v rámci pilotního projektu vybaveno 10 hnacích vozidel 4 vozidlových řad a celkem 100 ks přenosných radiostanic, 80 ks v provedení GPH pro všeobecné použití a 20 ks v provedení OPH s vyšší mechanickou a klimatickou odolností pro provozní využití. Zahájení ověřovacího provozu pilotního projektu GSM-R je ve spolupráci ČD, a.s. a SŽDC, s.o. plánováno na začátek měsíce prosince 2005. 8
Použitá literatura: Systémové specifikace EIRENE verze 14.0 131 stran, vydané 21 října 2003 EIRENE Project Team pod označením CLA111D004 Funkční specifikace EIRENE verze 6.0 91 stran, vydané 21 října 2003 EIRENE User Group pod označením CLA111D003 GSM specifikace ETSI jednotlivé technické specifikace systému GSM vydané ETSI Praha, říjen 2005 Lektoroval: Ing. Zdeněk Kaufmann Odbor 26 GŘ ČD 9