[10-2022] Организация гетерогенной сети мобильной связи
 

Организация гетерогенной сети мобильной связи

ЮРКИН Юрий Викторович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия

МАСЛОВА Анна Андреевна, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии», студент, Санкт-Петербург, Россия

ГЕРАСИМОВ Егор Михайлович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии», выпускник, Санкт-Петербург, Россия

Ключевые слова: железная дорога, система мобильной связи, стандарты GSM-R; LTE-A-Pro-R; 5G-R, гетерогенная сеть мобильной связи
Аннотация. В статье отмечается, что Международным союзом электросвязи планируется осуществить эволюционный переход к системам 4G и 5G. При этом еще минимум десяток лет на железных дорогах европейских стран наравне с внедряемыми системами LTE-R и 5G-R будут использоваться системы стандарта GSM-R. Отмечается, что на железнодорожном транспорте РФ системы стандартов LTE-A-Pro и 5G-R могут работать на высокоскоростных магистралях, обеспечивая функции поездной, станционной (маневровой), ремонтно-оперативной радио- и общетехнологической связи, а также видеоконференцсвязи. Рассматриваются возможные этапы внедрения систем стандарта LTE-A-Pro, а также перспективы организации гетерогенной сети мобильной связи на базе стандартов трех поколений.


Новое поколение телекоммуникационной техники до внедрения в эксплуатацию, как правило, проходит период совершенствования. К примеру, стандарт GSM-R, опубликованный в 1998 г., был принят Международным союзом электросвязи как единый европейский стандарт только спустя 10 лет. Сегодня системы GSM-R функционируют на железных дорогах всех континентов [1]. Так, в Европе ими оборудовано более 100 тыс. км железных дорог.
Стандарт GSM-R является составной частью Европейской системы управления железнодорожным движением ERTMS (European Railway Traffic Management System). В структуру ERTMS входят: компьютер в кабине машиниста поезда, связанный с локомотивным терминалом системы стандарта GSM-R, а также наземные путевые приемопередат
чики, располагающиеся между рельсами. С помощью путевых приемопередатчиков определяется скорость поезда и его местоположение на участке, некоторые характеристики железнодорожного пути, в частности его кривизна. При необходимости обеспечивается принудительное ограничение скорости поезда для предотвращения его столкновения с впередиидущим составом.
На российских железных дорогах внедрение системы стандарта GSM-R началось несколько позже, чем в Европе. Толчком для этого послужил Приказ Минкомсвязи Российской Федерации [2], в соответствии с которым эту систему было разрешено организовывать на территории РФ там, где доступны полосы частот 876-880 МГц и 921-925 МГц.
Технические требования к GSM-R были разработаны ОАО «РЖД» еще в 2011 г., тем не менее этими системами оборудованы немногие железнодорожные направления. Среди них участки Туапсе -Красная Поляна, Санкт-Петербург - госграница (станция Бусловская), Московское центральное кольцо и др.
В настоящее время оборудование стандарта GSM-R обновляется и модернизируется: применяются более совершенные аппаратно-программные средства, расширяется перечень функциональных возможностей. Например, используемые в Великобритании системы стандарта GSM доведены до высокого уровня по защите от помех, возникающих из-за интерференции сигналов, и обеспечивают среднее время наработки на отказ около 380 тыс. ч для каждого устройства [1].
Развитие и интенсификация работы железнодорожного транспорта требуют обработки и хранения больших объемов данных, связанных с перевозками, логистикой, мониторингом и контролем, внедрением новых услуг, интернетом вещей и др. Это приводит к необходимости перехода к системам следующих поколений мобильной связи 4G и 5G. Заметим, что особенностями каждого последующего поколения систем мобильной связи является значительный рост скорости передачи данных, но и уменьшение радиуса ячеек (сот).
Международный союз железных дорог, в который входят более 200 компаний почти из 100 стран мира, планирует к 2030 г. прекратить использование GSM-R и полностью перейти на стандарт 4G - LTE-A-Pro-R, а также 5G-R. Такой переход осуществляется в рамках разработанной концепции будущей системы железнодорожной мобильной связи FRMCS (Future Railway Mobile Communication System) [3].
Возможности взаимодействия между инфраструктурой поезда и диспетчерским центром управления ДЦУ, поддерживаемые сетью стандарта LTE-A-Pro-R, показаны на рис. 1. При этом все приложения, как специфические железнодорожные, так и общего пользования, основаны на взаимодействии бортовых компонентов (видеокамер, мониторов, датчиков, радиооборудования машиниста, мобильных терминалов пользователей) и серверов ИЦТС, расположенных в ДЦУ или на крупных железнодорожных станциях.
Системы мобильной связи стандарта LTE-A-Pro-R на железнодорожном транспорте РФ могут работать на направлениях высокоскоростного движения (скорость подвижного состава составляет несколько сотен км/ч) как в лицензируемых (450, 800, 1800, 1900, 2100 МГц), так и в нелицензируемых (LTE-Unlicensed - 2,4; 5 ГГц) диапазонах частот.


При использовании свободного лицензируемого частотного диапазона 1785-1805 МГц с шириной полосы 1,4; 3; 5; 10; 20 МГц системы LTE-A-Pro-R могут передавать данные с высокой скоростью, приоритетные голосовые сообщения диспетчеров, информацию о позиционировании железнодорожных объектов. Кроме того, могут поддерживать все виды систем радиосвязи, видеоконференцсвязь и видеонаблюдение HD (High Definition) на станциях и в вагонах поездов, организацию интеллектуальной системы информирования пассажиров на станциях и в поездах, а также функционирование систем ERTMS. Использование нелицензионного частотного диапазона 2,4 ГГц позволит, кроме того, осуществлять сбор и анализ как небольших объемов данных на основе 1оТ, так и значительных объемов данных (Big Data). Возможно одновременное применение на железнодорожном транспорте лицензионного и нелицензионного диапазонов частот.
Последовательный переход к системам стандартов LTE-A-Pro-R и 5G-R предполагает определенный период их совместного использования с системами стандарта GSM-R и, соответственно, наличие гетерогенной структуры сети мобильной связи.
В состав гетерогенной сети входит ряд подсетей с сотовой, микросотовой и пикосотовой структурой различных стандартов (поколений 2G-5G), работающих на основе коммутации каналов и коммутации пакетов. В качестве примера на рис. 2 показана гипотетическая структура гетерогенной сети, включающая в себя макро- и микроячейки мобильной связи с установленными в каждой из них базовыми станциями 4G и 5G (соответственно eNB и gNB).
При этом в процессе движения объекта осуществляется процесс безобрывного хэндовера (эстафетной передачи) при пересечении им ячеек разного радиуса. Прохождение поезда по участку с покрытием макроячейками (представлены базовые станции eNB) системы стандарта LTE-A-Pro-R показано на рис. 3. На двух железнодорожных станциях участка функционируют системы с микросотовой структурой стандарта 5G-R (показаны базовые станции gNB).
В процессе сеанса связи, когда пользователь находится в микроячейке, его терминал подключен как к сети 4G, так и 5G - для передачи трафика сигнализации. Передача трафика пользовательских данных происходит по каналам сети 5G, что позволяет повысить скорость передачи данных за счет увеличившейся пропускной способности гетерогенной сетевой структуры. Когда пользователь находится вне микроячейки, трафик сигнализации и трафик данных передаются по каналам сети 4G.

Таким образом, гетерогенная сеть мобильной связи представляет собой единую интегрированную структуру, внутри которой подсети с микро- и пикосотами организуются в местах крупного скопления пользователей, например, на железнодорожных вокзалах, а подсеть с сотовой структурой - вдоль железнодорожного участка и на промежуточных станциях. Применение гетерогенной сетевой инфраструктуры дает возможность постепенно и гибко оптимизировать процесс наращивания абонентской емкости.
Отметим, что помимо проблем, связанных с выделением требуемой полосы частот, внедрение на железных дорогах систем 4G и 5G окажется весьма затратным мероприятием. В качестве подтверждения этого утверждения приведем пример реализации проекта системы стандарта LTE-R на высокоскоростном железнодорожном участке Южной Кореи между Вань-чжу и Каннын протяженностью 120,7 км, на котором расположены семь железнодорожных станций [4]. Этот проект анонсирован, как первый в мире проект организации системы стандарта LTE-R на участке железной дороги. На его реализацию потребовалось 20 месяцев, включая период заключения контракта; разработки проекта; доставки, установки и испытания оборудования; профессиональной подготовки специалистов; пробного запуска системы и ввода ее в постоянную эксплуатацию. Основными производителями оборудования выступали известные мировые телекоммуникационные компании, а также корейские компании по разработке программного обеспечения. Стоимость реализации проекта составила 268 тыс. $ на 1 км участка.
В течение последних нескольких лет системы стандарта LTE-R были развернуты также в Китае на нескольких железнодорожных участках. Это позволило помимо базовых услуг, передавать речь по IP в полудуплексном режиме (PTT-Push То Talk), осуществлять интеллектуальное управление поездом, видеонаблюдение HD и мобильную видеодиагностику состояния верхнего строения пути, определять местоположение объектов транспорта, сбор и анализ данных на основе 1оТ и Big Data.
Архитектура сети стандарта LTE-A-Pro-R показана на рис. 4. Она состоит из четырех основных частей (подсистем): сети радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Access Network), пакетного ядра EPC (Evolved Packet Core), системы IMS (IP-Multimedia Sub-system) и железнодорожной специфической среды RS (Railway Specific).
Сеть E-UTRAN включает в себя базовые станции eNodeB (Evolved Node В), выполняет функцию радиоинтерфейса и является связующим элементом между терминалами пользователей (UE) и базовой пакетной сетью ЕРС. Компоненты eNodeB - удаленный радиомодуль RRU (Remote Radio Unit) и модуль цифровой обработки сигналов BBU (Base Band Unit) - приведены на рис. 1,4.
Железнодорожная специфическая среда RS представлена пультом диспетчера и сервером экстренных служб RSAP (Railway Service Application Part), обеспечивающим прикладную часть специальных железнодорожных услуг, в том числе относящихся к оперативно-технологической связи.
Система IMS отвечает за организацию вызовов и управление ими. Ее центральным элементом служит компонент CSCF (Call Session Control Function), обеспечивающий функции управления сеансами связи, регистрацию пользователей, а также маршрутизацию трафика. Функциональность CSCF может быть разделена на четыре отдельных логических компонента: P-CSCF (Proxy Call Session Control Function), E-CSCF (Emergency Call Session Control Function), l-CSCF (Interrogating Call Session Control Function) и S-CSCF (Serving Call Session Control Function). Через P-CSCF осуществляется вход пользователей в IMS; E-CSCF выполняет функции обработки экстренных запросов; I-CSCF является точкой доступа в сети оператора для всех входящих запросов; S-CSCF обрабатывает все SIP-сообщения, которыми обмениваются оконечные устройства.


Когда пользователь посылает запрос на регистрацию, этот запрос маршрутизируется к S-CSCF, который инициирует процедуру аутентификации и выгружает профиль пользователя из сервера абонентских данных HSS. Получив профиль и верифицировав полученные данные, S-CSCF подтверждает регистрацию (при успешной аутентификации), и пользователь может генерировать и принимать запросы сеанса связи. После получения запроса об исходящей или входящей сессии S-CSCF отвечает за принятие решения о дальнейшей маршрутизации заявки.
Сервер экстренных служб PSAP, обрабатывающий в сети мобильной связи общего пользования 4G экстренные вызовы, в инфраструктуре сети LTE-A-Pro-R заменяется на сервер RSAP (этот сервер, как и пульт диспетчера, относится к подсистеме RS). В функции RSAP входит выполнение процессов безопасного и бесперебойного движения поездов, осуществляемого при взаимодействии поездного диспетчера с оперативными работниками на станциях и машинистами локомотивов. Кроме стандартных функций, этот сервер обеспечивает реализацию экстренного вызова в процессе управления движением, а также при работе в маневровом парке и на сортировочных станциях; групповой вызов; режим вещания. Кроме того, сервер осуществляет функциональную адресацию вызова; адресацию заявки в зависимости от местоположения вызываемого абонента и реализацию других железнодорожных специальных приложений. Сервер RSAP поддерживает и процесс организации стандартного индивидуального вызова PtoPC (Point to Point Call).
Представляется, что на первом этапе организации сети мобильной связи стандарта LTE-A-Pro-R целесообразно привлечение виртуального оператора MVNO (Mobile Virtual Network Operator), частично использующего инфраструктуру сети базового (основного) оператора MBNO (Mobile Base Network Operator), но поставляющего услуги под собственной торговой маркой. К примеру, виртуальный оператор полного цикла (Full MVNO) обладает всеми компонентами сетевой операторской инфраструктуры, кроме сети радиодоступа и лицензий на используемый частотный спектр. При этом сеть радиодоступа он арендует у базового оператора.
Такая концепция построения сети имеет следующие преимущества:
сохранение стандартного алгоритма функционирования базового мобильного оператора;
возможность предоставления услуг, не предусмотренных в перечне базового оператора;
наличие собственного сервера абонентских данных домашней сети, коммутационного узла и системы биллинга;
обеспечение широких возможностей по организации роуминга, а также наилучшее подключение по качеству;
возможность функционирования в сетях всех существующих операторов мобильной связи.
Для организации мобильной связи возможно также привлечение виртуального оператора упрощенного цикла (Light MVNO). В этом случае базовый оператор предоставляет в аренду виртуальному не только сеть радиодоступа, но и компоненты инфраструктуры, обеспечивающие мобильность абонента и доставку пакетного трафика к абонентскому терминалу UE (User Equipment) в процессе роуминга. Организация сети связи по такому сценарию представлена на рис. 5, где компоненты подсистемы RS, выделенные из инфраструктуры MVNO и MBNO, находятся в ведении ОАО «РЖД».


Рассмотренный сценарий создания на железнодорожном транспорте сети мобильной связи стандарта LTE-A-Pro-R представляется наиболее предпочтительным. В этом случае целесообразно, чтобы MVNO был максимально аффилирован с железнодорожными структурами. Однако следует отметить, что при привлечении ресурсов MVNO и MBNO возможно возникновение риска несанкционированных воздействий на технологические процессы железнодорожного транспорта и информационно-управляющие системы ОАО «РЖД», а также риска прекращения работы самого ресурса.
Более затратным является сценарий, предполагающий наличие собственных сетевых компонентов сети мобильной связи железнодорожного транспорта MRI (Mobile Railway Infrastructure), таких как: узел управления мобильностью MME (Mobility Management Entity), сервер абонентских данных HSS (Home Subscriber Server), шлюз маршрутизации трафика PGW (Packet Date Network Getaway), обслуживающий шлюз SGW (Serving Getaway), узел управления качеством обслуживания и тарификацией PCRF (Policy and Charging Rules Function), подсистема предоставления мультимедийных услуг по протоколу IP IMS (IP Multimedia Sub-System), сервер железнодорожных приложений RSAP.
Сеть радиодоступа (сеть базовых станций eNodeB) структуры железнодорожного транспорта на первом этапе создания собственной сети LTE-A-Pro-R арендуют у базового оператора. Аренда целесообразна еще и по причине возможного отсутствия на этом этапе выделенного для железных дорог частотного ресурса. Структура сети, организованная по такому сценарию, представлена на рис. 6.
Что касается систем мобильной связи 5G-R в структуре гетерогенной сети, то они также являются важными в процессе инновационного развития. Эти системы могут обеспечивать скорость передачи данных более 1 Гбит/с (пиковая скорость может достигать более 10 Гбит/с); малую величину задержки сигнала, высокую степень мобильности пользователя без потери качества обслуживания (скорость перемещения может достигать 500 км/ч); высокую плотность пользовательских подключений (до 1 млн на 1 км2).


Для функционирования систем 5G требуются каналы с шириной полосы 1 ГГц и выше. Например, если в заполненном вагоне скоростного поезда половина пассажиров будет пользоваться видео HD, то потребуется общая полоса пропускания до 3,5 ГГц (и это только при однонаправленной потоковой передаче данных) [5]. В силу большой ширины спектра частот, требуемой для организации каналов в системах стандарта 5G, они вряд ли смогут работать на железнодорожных участках даже при средних скоростях движения поездов (до 150-200 км/ч) по причине снижения способности покрывать ячейками территорию из-за высокой степени затухания сигналов. Однако такие системы, применяющие микроячейки (диаметр 0,3-1 км) и даже пикоячейки вполне могут использоваться в помещениях вокзалов, внутри вагонов и между вагонами одного поезда.
Системы мобильной связи стандарта 5G-R могут быть развернуты на территории железнодорожных станций как для коммерческого обслуживания пользователей, так и для организации сетей интеллектуального видеонаблюдения. Реализация функций интеллектуального видеонаблюдения необходима для получения качественного изображения объекта в центре управления движением поездов; для распознавания возможных нарушений на охраняемых объектах и железнодорожных переездах (как охраняемых, так и неохраняемых); контроля за доступом в служебные помещения; слежения за обстановкой на платформах, в залах ожидания вокзалов; для организации противопожарной безопасности и ГО.
Возможность применения систем стандарта 5G-R потребует выделения для железнодорожного транспорта РФ новых частотных диапазонов, помимо уже имеющихся (876-880 МГц и 921-925 МГц). Заметим, что с учетом опыта организации на железнодорожном транспорте РФ системы стандарта GSM-R вряд ли выделение таких частотных полос произойдет быстро. Как отмечалось ранее, скорее всего для организации систем 5G-R потребуются значительные финансовые затраты.

СПИСОК источников

1. Шнепс-Шнеппе М.А., Куприяновский В.П., Намиот Д.Е. О судьбе железнодорожной сигнализации GSM-R // International Journal of Open Information Technologies. 2019. T. 7, №. 7. C. 53-59.
2. О внесении изменений в Правила применения базовых станций и ретрансляторов систем подвижной радиотелефонной связи. Часть II. Правила применения подсистем базовых станций и ретрансляторов систем подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM-900/1800 : приказ Минкомсвязи России от 22.09.2014 № 307 : доступ через СПС «КонсультантПлюс» (дата обращения 5.09.2022).
3. Future Railway Mobile Communication System // UIC : official website . 2019. URL: https://uic.org/rail-system/frmcs/.
4. Samsung Newsroom, World’s First LTE-Railway Service on Highspeed Train Goes Live in Korea, Supplied by Samsung and KT : Press Release // Samsung : official website. 2017. 21 Dec. URL: https://news.samsung.com/global/worlds-first-Iterailway-service-on-high-speed-train-goes-live-in-korea-supplied-bysamsung-and-kt.
5. Применение технологии 5G на примере гетерогенной сети / И.Е. Сафонова, Н.А. Казанский, Ю.В. Немцов, К.Е. Панькина//Автоматика, связь, информатика. 2019. № 10. С. 18-21. DOI 10.34649/АТ.2019.10.10.002.