[06-2014] Радиосети системы АБТЦ-М. Подходы к проектированию

[Admin]

Радиосети системы АБТЦ-М. Подходы к проектированию

Ю.В. ВАВАНОВ, ведущий научный сотрудник ОАО «НИИАС», канд.техн. наук

Уровень современного развития радиосвязи, включая радиосети передачи данных (РСПД), во многом способствует решению целого ряда технологических задач железнодорожного транспорта, в том числе в хозяйстве автоматики и телемеханики.


Из разработанных технических средств наиболее полно требованиям комплексной безопасности отвечает микропроцессорная автоблокировка (АБТЦ-М) и ее модификации с применением радиоканала (см. «АСИ», 2011 г., № 3, В.А. Гапанович, Е.Н. Розенберг «Комплексная безопасность движения поездов с применением спутниковых технологий»). Особенностью обеспечения безопасности в системе регулирования движения поездов является использование широкозонных дифференциальных дополнений глобальных навигационных спутниковых систем связи типа ГЛОНАСС/GPS и европейской системы GALILEO. В качестве радиоканала наряду с системами радиосвязи, построенными по стандарту GSM-R (900 МГц) и «ТЕТРА» (460 МГц), решаются вопросы организации радиосетей передачи данных в диапазоне 160 МГц на базе семейства радиомодемов, используемых на железнодорожном транспорте. Сейчас в эксплуатации находятся радиомодемы серии «МОСТ» и «ВЭБР» в соответствии с ГОСТ 12252-86 (класс излучения 16KF2D).

ТРЕБОВАНИЯ К РАДИОСЕТИ

В соответствии с требованиями, согласованными с разработчиками системы АБТЦ-М, общий объем передаваемой информации на борт всех локомотивов, находящихся в пределах каждого перегона диспетчерского участка, может составлять 240 байт. Границы перегонов определяются с помощью навигационных спутниковых систем двумя географическими координатами, регистрируемыми в радиостанции.

Соответственно с борта локомотива должна передаваться информация в объеме 20 байт с каждого поезда (локомотива), находящегося на каждом перегоне диспетчерского участка при числе поездов не более 20. Обмен информацией, включая передачу данных от стационарных радиосредств на каждый из 20 локомотивов и наоборот, осуществляется непрерывно с циклом 3 с. При этом от стационарных радиосредств передается широковещательный блок на все бортовые устройства (локомотивы), находящиеся в пределах перегона (общая информация), а также индивидуальная информация на каждый локомотив, включая номер временного интервала, в который с этого локомотива должна передаваться информация о географической координате поезда и скорости его движения. Широковещательный блок в общей части может передавать информацию о занятости рельсовых цепей и показаниях светофоров в пределах всего перегона, что позволит резервировать показания АЛС.

Однако главное стратегическое направление - передача служебной информации с целью реализации интервального регулирования движения поездов. Имея полную картину поездной ситуации на участке, несложно определить оптимальные параметры движения с обеспечением минимально допустимых безопасных интервалов между вслед идущими поездами.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ РАДИОСЕТИ

На первый взгляд радиосеть системы АБТЦ-М может быть представлена как линейная радиосеть с обеспечением перехода локомотивов из одной зоны в другую. Зоны определяются перегонами и регистрируются навигационной спутниковой системой. При этом должен строго соблюдаться переход локомотивной радиостанции (ЛР) на частоту, присвоенную радиосети данного перегона в привязке к зоне, определяемой системой навигации.

Традиционное построение диспетчерских линейных сетей радиосвязи, как правило, основано на чередовании трех пар частот или четырех радиочастотных, так называемых квадрупольных групп. В том и другом случае стационарные радиостанции (СР) работают на передачу на трех частотах, на последовательно повторяющихся тройках чередующихся радиочастот в пределах всего диспетчерского участка. Подвижные единицы, например локомотивные радиостанции, осуществляют передачу в первом случае на трех частотах, во втором на одной рабочей частоте.

В первом случае выбор пары рабочих радиочастот определяется контролем уровня принимаемого сигнала на СР или путем оценки качества радиоканала. Радиосигнал на борту подвижной единицы принимается от той СР, которая обеспечивает наибольший уровень сигнала или наилучшее качество радиоканала. При этом выбор рабочей частоты передатчика ЛР определяется общей парой радиочастот.

Выбор рабочей частоты приема на ЛР во втором случае осуществляется аналогично первому. Однако прием радиосигнала на СР от локомотивной радиостанции определяется путем сравнительного анализа радиосигнала на СР и выбора одной СР, обеспечивающей лучшее качество радиоканала.

Анализируя варианты построения радиосетей с позиции электромагнитной совместимости, необходимо отметить наличие постоянно излучаемых радиосигналов, последовательно распределенных на трех радиочастотах. За счет этого в эфире постоянно присутствуют излучаемые радиосигналы в пределах всего диспетчерского участка с частичным или полным перекрытием смежных перегонов.

Известно, что при построении линейных радиосетей СР, как правило, устанавливаются на железнодорожных станциях, и они передают информацию на смежные перегоны, перекрывая их полностью или частично. В результате вместо автономных радиосетей получается длинная цепочка взаимосвязанных радиосетей смежных перегонов с частичной передачей информации о занятости рельсовых цепей и показаний светофоров одного и другого смежных участков. Любая попытка объединения информации по каждому из смежных перегонов требует объединения (хендовера) по радиоканалу с привязкой к блок-участкам.

Реализация хендовера при малых радиосигналах может существенно изменять место их стыковки. При проектировании линейной радиосвязи в соответствии с «Методическими указаниями по организации и расчету сетей поездной радиосвязи ОАО «РЖД» расчет ведется исходя из условия:

I < г, + г2 - 3,

где г, и г2 - дальности уверенной радиосвязи между ЛР и ближайшими СР, находящимися с противоположных сторон от локомотива, км.

Из этого условия следует, что при проектировании суммарное расчетное значение дальности радиосвязи превышает протяженность перегона как минимум на 3 км, т.е. точка коммутации радиосигнала (хендовера) колеблется в пределах Д1> ±1,5 км. При расчете учитывается также коэффициент интерференции Ки, коэффициент, связанный с изменением рельефа местности и искусственных сооружений, Кп и коэффициент, связанный с суточным и сезонным изменением, Кв. Так, при вероятности Р = 0,95, суммарное значение этих коэффициентов составляет 18 дБ.

Для такой ответственной системы, как АБТЦ-М,
должна быть принята вероятность по месту и времени не менее 0,99, а значит может увеличиваться зона колебания хендовера по месту. В результате из-за колебаний точки коммутации создается неопределенность привязки в один-два блок-участка. Поэтому можно сделать вывод о нецелесообразности использования линейных радиосетей для создания радиосети системы АБТЦ-М.

В основу следует положить автономную радиосеть для каждого перегона. Для создания автономной радиосети необходимо разделить в пространстве, во времени и по радиочастоте перегоны индивидуально или в составе диспетчерского участка.

Разделение передачи информации в пространстве выполняется путем использования для каждого перегона двух однонаправленных антенн А1-А8, сориентированных встречно (рис. 1), а также двух автономных стационарных радиомодемов СМ 1-СМ8, объединенных единым блоком синхронизации и управления радиосетью БУСПР перегонов. Привязка к границам перегонов и участков регламентируется навигационной системой.

Разделение по времени в пределах одного перегона (зоны), а также сопряжение по времени со смежными перегонами диспетчерского участка обеспечивается циклом 3 с, определяющим законченный обмен информацией каждого цикла, регламентирующего шаг (1 с) однонаправленной передачи от стационарной радиостанции к локомотивной СМ -> ЯМ и два шага (ЛМ->СМ). Синхронизация по времени обеспечивается местной автономной сетью в составе блока синхронизации и управления БСУ и навигационной системы.

Разделение радиочастот на одну общую для всех перегонов (радиочастота передачи от СМ и приема всеми ЛМ), а также на каждые три радиочастоты передачи, последовательно чередующееся по перегонам и по времени (поочередно по шагам) ЛМ, и, соответственно, прием на всех СМ.

На этой базе возможна автономная работа на отдельных перегонах в части дублирования АЛС-ЕН, а более перспективная работа - в режиме интервального регулирования. Управление, контроль и обработка информации ведутся в блоке БУСПР с БСУ по цифровым потокам Е1 протоколами UDP.

В возимое оборудование входит локомотивный модем ЛМ, локомотивная антенна АЛ с блоком БСУ, приемник навигации с антенной «ГЛОНАСС», а также блок навигации и синхронизации БНС. Каждый блок сопрягается с блоком «Шлюз» системы «КЛУБ-У» через стык CAN 2.0.

Организация работы радиосети с описанным пространственным, временным и частотным разделением представлена в виде временной диаграммы на рис. 2.

Функционирование системы передачи данных с помощью стационарных радиомодемов на перегонах, устанавливаемых в начале (СМ1) и в конце (СМ2) перегона, и локомотивных модемов (ЛМ1 нечетного направления, ЛМ2 - четного) основано на частотном, временном и пространственном разделении радиосредств системы трех смежных перегонов (группа перегон 1а, 1Ь, 1с) и пространственном разделении радиосредств через два перегона (группа перегон 2а и т.д.).

Полный цикл приема/передачи (обмена данными между СМ и ЛМ) составляет 3 с. Начало циклов привязано к синхроимпульсам, получаемым из навигационной системы (Ю, t1, t2 и т.д.).

Передача от модемов СМ всегда осуществляется на одной частоте fE, в то время как частота передачи ЛМ последовательно меняется при прохождении трех перегонов группы: fA - на перегоне 1а; fB - на перегоне 1 b; fc — на перегоне 1с. Когда ЛМ покидает перегон 1 с одной группы и вступает на перегон 2а другой группы, частота передачи вновь устанавливается f. и т.д. Частота приема ЛМ всегда одна и та же - fE. Частота приема СМ - fE и, в зависимости от перегона, - fA, fB или fc.

Время передачи от каждого СМ на перегоне составляет 500 мс. Таким образом, передача от двух СМ занимает 1 с. Оставшиеся 2 с цикла отведены для передачи ЛМ. В системе предусмотрено разделение циклов передачи от ЛМ на нечетное и четное направление. Под каждое направление на передачу отведено по 1 с, которая разделена на 10 ячеек по 100 мс, т.е. на перегоне может контролироваться до 10 пар поездов. Приведенные временные параметры не учитывают потери, связанные с работой системы, а также аппаратные задержки, как, например, переключение режимов (прием-передача) и т.п. Реально временные потери не превышают 5-10 мс в зависимости от аппаратных решений.

В случае появления на участке поезда с другого участка или при проследовании на следующий перегон, его ЛМ передает запрос о регистрации в специальной ячейке, отведенной для этой цели (например, в 19 для нечетного направления или 20 - для четного), и система в следующем цикле назначает ему собственную ячейку для передачи. При формировании поезда перед началом движения локомотива по текущему участку поездной диспетчер присваивает ему номер. ЛМ передает запрос о регистрации с номером поезда и в следующем цикле (3 с) от СМ передается номер ячейки, в которой этот ЛМ будет передавать свои данные.

Перегон 1а. По получении синхроимпульса Ю система начинает 3-х секундный цикл приема-передачи. Первым (в течение 500 мс) выполнит передачу стационарный модем СМ1, в это время СМ2 и все локомотивные модемы ЛМ на перегоне принимают его передачу. После завершения передачи модем СМ1 становится на прием и к передаче приступает СМ2 (500 мс), повторяя ту же кодограмму, что и СМ1, благодаря чему достигается гарантированное получение кодограммы всеми ЛМ на перегоне независимо от их местоположения. После завершения передачи модем СМ2 становится на прием на частоте fA (СМ1 продолжает находиться в режиме приема). Начинают последовательную передачу ЛМ1 поездов нечетного направления в нечетных ячейках на частоте fA, а после завершения передачи от ЛМ1 начинают передачу ЛМ2 поездов четного направления в четных ячейках на этой же частоте. Такое разделение направлено на дополнительный контроль корректного функционирования системы, поскольку появление в нечетной последовательности ячеек передачи какой-либо четной или наоборот, сигнализирует системе о сбое. После завершения передачи последнего ЛМ2 (т.е. второй ячейки) завершается 3 с цикл приема-передачи и начинается новый.

Перегон 1Ь. Для исключения приема стационарными модемами смежных перегонов некорректных данных и исключения коллизий на следующем за перегоном 1а перегоне 1Ь начало цикла смещено относительно синхроимпульса Ю на 1 с, т.е. цикл начинается в момент времени Ю + At, а передача локомотивных ЛМ перестраивается и осуществляется на частоте fB. Поскольку на этом перегоне вошедший на него ЛМ еще не имеет присвоенной ячейки передачи, он в специальной свободной ячейке передает запрос на регистрацию и получает номер своей ячейки в следующем цикле. В остальном алгоритм работы радиосредств системы такой же, как на перегоне 1а.

Перегон 1с. Алгоритм работы радиосредств системы на этом перегоне идентичен приведенному для перегона 1Ь, за исключением того, что начало цикла смещено относительно синхроимпульса Ю на 2 с, т.е. цикл начинается в момент времени Ю + At, а передача локомотивных ЛМ перестраивается и осуществляется на частоте L..

Перегон 2а. После прохода группы перегонов 1а, 1Ь, 1 с и вступления на перегон 2а Л М вновь перестраивается на частоту fA, а цикл системы начинается без временного смещения в момент времени Ю, поскольку расстояние между радиосредствами перегонов 1а и 2а, а также затухание сигнала позволяют осуществлять прием и передачу на одних частотах без помех друг другу. Алгоритм работы системы идентичен приведенному для перегона 1а.

За основу построения временной диаграммы принимаем работу квадрупольной группы с обратным (зеркальным) использованием частотного ресурса, т.е. стационарные радиомодемы в режиме передачи используют одну общую радиочастоту для всех перегонов диспетчерского участка и чередующиеся циклы перегонов трех радиочастот передачи локомотивных радиомодемов применительно к последовательно чередующимся перегонам. При заданном цикле 3 с, одна секунда позволяет передать информацию в объеме 600 (300+300) байт при скорости 4,8 кбит/с и 1200 (600+600) байт при скорости 9,6 кбит/с. Общая потребность передачи широкоформатной информации применительно ко всем поездам, находящимся на перегоне, составляет около 240 байт. При перекрытии радиосигналом всего перегона избыточность представляется соответственно двукратной и четырехкратной величиной с некоторым остатком.

Соответственно для последовательно чередующейся передачи информации от ЛР (до 20 ЛР) и приема СМ в течение 1 с с повторением, т.е. в течение 2 с, имеется потенциальная возможность при полном перекрытии радиосигналом всего перегона достичь объема передачи максимально 2400 байт при скорости 9,6 кбит/с. В этом случае будет обеспечен прием в двух противоположных точках перегона СМ1 и СМ2. Накопление статистики позволит оценить целесообразность применения защиты. Имеющуюся избыточность можно использовать для повышения достоверности передаваемой информации. На первом этапе (дублирование АЛС-ЕН) возможно повторение передаваемой информации (мажоритарный метод). Не исключены коды Соломона и Рида Маллера. Последний теоретически восстанавливает передаваемую информацию до 25 % ошибок на бит, при эксперименте восстанавливалось до 18 % ошибок.

ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Рекомендации по выбору радиочастот радиосетей в соответствии с частотным планом (Обобщенный частотный план ОАО «РЖД» в диапазоне 160 МГц утвержден старшим вице-президентом 20.03.2012 г.) строятся по стандартному принципу с тенденцией обеспечения дуплексного частотного разноса 4,5 МГц. Радиочастоты для стационарных радиостанций выбираются в верхней части частотного ресурса, для мобильных - в нижней части спектра. При этом следует отметить, что в системе АБТЦ-М чрезвычайно экономичный расход радиочастотного спектра. Так, в настоящее время достаточно иметь одну квадру-польную группу, а в перспективе в сетевом масштабе - две основные и две вспомогательные группы в крупных узлах.

Временная диаграмма (рис. 2) поясняет работу радиосети передачи данных достаточно подробно во
времени (t), а на рис. 3 дается обобщенное представление взаимодействия в пространстве стыков пяти смежных перегонов. В первую очередь это относиться к взаимному влиянию двух направленных антенн, установленных на общей мачте на разных уровнях относительно земли.

Временные развязки направленных антенн трудно поддаются расчету и их целесообразно максимально развести по высоте Ah. Кроме того, при юстировке направленных антенн относительно несложно путем перемещения вывести их на максимальный уровень сигнала и максимальную развязку антенн.

Для оценки влияния друг на друга радиосетей смежных перегонов рассмотрим наиболее характерный участок взаимодействия радиосредств трех перегонов 1Ь, 1с и 2а (см. рис. 2). При этом на перегоне 1 с в момент t + 2 At радиомодем СМ 1 работает в режиме передачи на радиочастоте С в течение 0,5 с. В это же время на перегонах 1 b и 2а радиомодемы СМ2 и СМ1 работают в режиме приема на радиочастотах fb и fa.

В этом случае при условии направленных антенн, установленных на общей мачте, необходимо предусматривать развязку радиомодемов СМ1 перегона 1с и СМ2 перегона 1Ь. Для этого требуется либо дуплексный разнос радиочастот передача/прием, либо их расфильтровка или пространственный разнос в пределах станции. Аналогичное взаимодействие происходит на втором отрезке времени 0,5 с между СМ2 перегона 1с и СМ1 перегона 2а.

Таким образом, при полной развязке радиосетей смежных перегонов объем передачи информации на борт ЛМ (до 20 локомотивов) при полном перекрытии перегона и скорости передачи между СМ1 и СМ2 4,8 кбит/с составит 600 байт, а при скорости передачи 9,6 кбит/с составит 1200 байт. При тех же условиях, но перекрытии половины перегона объем составит соответственно 300 и 600 байт. Следует отметить, что при перекрытии радиосетей (в зоне малых радиосигналов) передаваемая информация повторяется (дублируется).

В общепринятых линейных радиосетях частоты назначаются с чередованием трех изменяющихся значений. Это, как правило, определяется излучением энергии в двух противоположных направлениях. В рассматриваемой радиосети направленные антенны на обслуживаемом участке (перегоне) расположены встречно друг другу и локализуют энергию на этом перегоне, минимизируя влияние на соседние перегоны. Это определяет влияние через четыре перегона, т.е. всегда доставляется дополнительно один перегон. Нетрудно видеть (см. рис. 3), где сигнал от перегона 1с ПРД fE воздействует на ПРМ fE перегона 2с (мешающий сигнал) одновременно с полезным сигналом ПРД fE перегона 2с.

При воздействии двух сигналов на вход ЧМ приемника прохождение полезного сигнала обеспечивается, если его уровень выше мешающего на 16 дБ, что достигается даже для самых коротких перегонов. Воздействие мешающего сигнала зависит от частотного разноса. Так, при дуплексном частотном разносе 4,5 МГц даже не требуется расчета при проектировании. При работе на соседних каналах за основу расчета принимается двухсигнальная избирательность 70 дБ. В остальных случаях расчет ведется исходя из зависимости двухсигнальной избирательности от частотного разноса.

При проектировании путем расчета могут быть сближены интервалы повторения радиочастот и на этой основе уменьшение числа перегонов до двух и даже до одного перегона в зависимости от протяженности. Это позволит проектировать на одной квадрупольной группе радиосети системы АБТЦ-М практически для любой конфигурации диспетчерских участков при наличии ответвлений и пересечений.

Таким образом, предлагаемая радиосеть системы АБТЦ-М, разработанная с учетом особо высоких требований, основанная на принципах пространственного, временного и частотного разделения применительно к отдельным перегонам или к диспетчерским участкам, имеет следующие особенности:

автономное оборудование радиосети применительно к каждому перегону обеспечивает обмен информацией стационаров с локомотивами, находящимися в пределах обслуживаемого перегона;

передача информации на локомотивы последовательно с двух стационарных радиомодемов, ограничивающих перегон (порог U2), позволяет дублировать зону передаваемой информации (зона двухразового ПРМ fE). На особо протяженных перегонах дублируется только одноразовая зона перекрытия сигналов (порог U,). При этом вся передаваемая информация принимается с контролем достоверности по петле;

прием информации от находящихся на перегоне локомотивов четного и нечетного направлений двумя стационарными радиомодемами, ограничивающими
перегон, дает возможность дублировать информацию с каждого локомотива. На особо протяженных перегонах двукратно передается информация только из зоны малых сигналов, из которой от всех локомотивов четного и нечетного направлений движения сигнал будет приниматься двумя радиостанциями, ограничивающими перегон;

построение тракта с использованием однонаправленных антенн АФУ позволяет эффективно использовать энергетику тракта передачи и чувствительность приемника с двукратным повышением этих параметров традиционных линейных радиосетей с разнонаправленными антеннами;

дуплексный частотный разнос тракта передачи и приема дает возможность полностью обеспечить электромагнитную совместимость в зоне разделения трактов на стыке перегонов. Учитывая высокие уровни сигналов в этой зоне коммутации каналов, на стыке перегонов осуществляется устойчивый роуминг, определяемый лишь синхроимпульсами радиосети;

особенности радиочастотного ресурса радиосети: используется одна общая радиочастота стационарных радиомодемов и три радиочастоты передачи локомотивных радиомодемов. Последние должны иметь избирательность интермодуляции третьего порядка вида 2f2 - f3 = f1 и 2f2 - = f3.

Таким образом, при проектировании следует находить оптимальные решения путем сопоставления диаграмм нагрузки диспетчерского участка (числа пар поездов), скорости передачи радиомодемов (4,8; 9,6; 19,2 кбит/с), максимальной протяженности перегонов (соответственно высоты установки антенны, разноса частот передатчиков СМ и ЛМ от соседних частот до дуплексного разноса), развязки радиосредств смежных перегонов (путем разноса частотного, пространственного и расфильтровки АФУ).

Следует отметить, что радиосеть системы АБТЦ-М может явиться основой для упорядочения ЭМС радиосредств сетей в пределах поезда, например, ИСАВП-РТ, СУЛ-РМ, СУТП и радиосети локомотив - стационар, например АСУ-Д, УВК СИР, ПРИЗМА, КУПОЛ и т.д. Последние вписываются в требования обмена информацией в пределах зоны и могут сопрягаться с радиосетями передачи данных системы АБТЦ-М. При этом возможно передавать данные от стационаров во время первого интервального цикла, от локомотивов нечетного направления - во втором цикле, четного направления - в третьем. При наличии избыточности в системе АБТЦ-М возможно объединение аналогичной информации в общий блок как от стационарных, так и локомотивных радиосредств. Не исключается и автономная передача названных радиосетей на выделенных частотах, но при этом необходима синхронизация в привязке к передаче циклов передачи и приема радиосети АБТЦ-М.

Кроме того, имеется возможность снятия информации с эфира в виде значений местоположения и скорости движения каждого поезда в соответствии с его номером. На этой основе можно определить, например, время закрытия и открытия шлагбаума или поступления грузов. Естественно, что такая система должна ограничивать доступ к передаваемой информации путем закрытого кодирования, несмотря на то что техническими решениями уже предусмотрено ограничение доступа к системе. Последующий переход работы радиомодемов на систему DMR позволит расширить и объединить радиосети передачи информации, дополнительно закрыть доступ к информации.

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin