Вибір стандарту і типу системи радіозв'язку для підземних транспортних споруд на прикладі метрополітену
Автори: Зіменков О.А., Кузнєцов С.В., Єлісєєв С.А.
Компанія: «ЛАЙТОН» (м.Москва)
Системи радіозв'язку для підземних об'єктів, і в першу чергу - для підземних транспортних споруд, грають все більш і більш значну роль, фактично витісняючи використовувалися раніше провідні системи. Це обумовлено тим, що сталося проривом в технологіях бездротових систем зв'язку і передачі даних на тлі збільшення кількості виконуваних цими системами функціональних завдань.
Комплексна система радіозв'язку (далі - КСРС) є в сучасних комплексах автоматики, сигналізації, зв'язку і безпеки (АССБ) метрополітенів невід'ємною і однією з найважливіших частин, оскільки виконує ряд відповідальних функцій:
- забезпечує зв'язок поїзного диспетчера з машиністами електропоїздів, що фактично забезпечує додатковий канал системи безпеки і диспетчерського контролю та управління рухом поїздів (на додаток до автоматизованих систем управління);
- забезпечує зв'язок диспетчерів та чергових по станційним постам на станціях з ремонтними та аварійними бригадами на станціях і на всьому протязі тунелів і притунельних споруд;
- забезпечує зв'язок диспетчерів та чергових по електродепо з машиністами електропоїздів і ремонтними бригадами на майданчику електродепо;
- забезпечує (при необхідності, наприклад, при надзвичайних ситуаціях) взаємодія з системами радіозв'язку силових відомств.
Для забезпечення ефективності роботи КСРС, що впливає на ефективність роботи метрополітену в цілому (в тому числі - на економічну ефективність, оскільки КСРС покликана забезпечити не тільки нормальну роботу лінії метрополітену, а й мінімізувати зниження пропускної здатності при пошкодженнях і НС), до неї пред'являються підвищені вимоги в частині надійності та відмовостійкості апаратної частини.
Цифрові КСРС стали для комплексів АССБ елементом стандарту «де-факто». Останнє обумовлено декількома причинами і особливостями побудови КСРС для метрополітенів:
- наявність багатоканальні (транкинга) в сукупності з можливостями програмування жорстких пріоритетів і оптимальною структурою апаратних засобів забезпечує велику кількість одночасних розмов, і, тим самим, забезпечує можливість використання однієї системи для поїзної, диспетчерської, междіспетчерской і технологічного радіозв'язку, причому - з хорошим взаємодією служб;
- радіовипромінювальних (щілинний) кабель, який використовується в якості антенно-фідерного пристрою для тунелів і ряду інших споруд метрополітену, забезпечує високу стійкість КСРС до пошкоджень і НС (в т.ч. - до катастроф поїздів і пожеж);
- наявність програмно-апаратних шлюзів до інших систем радіозв'язку (в т.ч. - силових структур) забезпечує високу ефективність взаємодії при аваріях і НС.
Проте, зазначені переваги виникають тільки при виборі ефективної структури програмно-апаратного комплексу КСРС і вибору найбільш підходящого стандарту радіозв'язку.
«Еталонна» структура, яка враховує багаторічний досвід побудови КСРС на метрополітенах, включає в себе обов'язковий набір апаратних і програмних засобів складається з:
- мережі базових станцій, встановлених на станціях метрополітену, у депо і інженерному корпусі;
- диспетчерських консолей диспетчерів різних служб;
- носяться, мобільних і стаціонарних радіостанцій;
- системи реєстрації, зберігання та відтворення мовних переговорів;
- різних шлюзів для виходу в місцеву телефонну мережу, передачі даних і т.д. (Опціонально);
- системи управління і контролю стану мережі.
Основні вимоги (правила) побудови мережі потрібної якості наступні:
- мережа повинна будуватися на відмовостійкість обладнанні, що має резервування всіх критичних для функціонування вузлів;
- для побудови мережі повинні використовуватися канали магістральної інформаційної мережі (МІС);
- обладнання мережі повинно бути сертифіковане, а радіовипромінювальних обладнання повинно працювати в дозволених діапазонах частот;
- обладнання мережі повинно використовувати методи цифрової передачі в радіоканалі;
- обладнання мережі повинно бути по можливості компактним, легким, мають низьке енергоспоживання.
Для забезпечення радіопокриття в тунелях і на станціях метрополітену повинна використовуватися типова схема антенно-фідерного тракту з використанням радіовипромінювальних кабелю.
Найбільш широко використовується структурою, яка забезпечує вищевказані вимоги, є структура, наведена на рис.1.
Мал. 1. Еталонна структурна схема мережі з подвійним перекриттям зон
На схемі базові станції розташовані на кожній станції метрополітену. Вихід базової станції з'єднаний через подільники з чотирма лініями радіовипромінювальних кабелю. Радіовипромінювальних кабель прокладений в тунелях і на станціях. Лінії радіовипромінювальних кабелю запитані з двох сусідніх станцій. На додаток до радіовипромінювальних кабелю на станціях при необхідності використовуються спрямовані або ненаправлення точкові антени. Так, вони використовуються для забезпечення зони радіопокриття в підхідних коридорах, ескалаторних нахилах і в вестибюлях станцій.
Дана схема дозволяє забезпечити, при середніх довжинах перегонів близько 2 км, ефективне пасивне резервування базових станцій, так як параметри випромінює кабелю обрані таким чином, щоб у разі виходу з ладу однієї базової станції, сигналу від сусідніх станцій було досить для обслуговування відповідної частини зони відповідальності суміжній станції. Для підвищення якості зв'язку (виключення рівносигнального зон і забезпечення автоматичного перемикання возимих радіостанцій при переході з сайту в сайт), на кожній з 3 послідовних базових станцій повинні використовуватися різні частотні пари з наступним чергуванням.
На рис. 2 показаний варіант альтернативної структури, який також пропонують виробники апаратних засобів.
Мал. 2. Структурна схема мережі з незалежними зонами і ретрансляторами
Недоліками структури на рис.2 є:
- для забезпечення відмовостійкості КСРС в цілому потрібно резервування базової станції;
- будь-які НС, пов'язані з приміщенням, де розташована базова станція (навіть резервована), як то: пожежа, залиття водою, проблеми з електроживленням, - тягнуть за собою виключення всієї системи;
- немає економії в частині технічних засобів на станціях: в будь-якому випадку ретранслятор є міні базову станцію з приймально-передавачами радіосигналів, підсилювачами і пристроями перетворення цифрових сигналів в радіосигнал і зворотного перетворення.
Крім того, в варіанті на рис.2 здається дуже економічне використання частотного ресурсу (можливе використання для всієї системи всього одного частотного каналу), не забезпечує необхідної та бажаної кількості паралельних розмов в системі, а значить - виконання всіх необхідних функцій КСРС в повному обсязі. Для забезпечення необхідної якості радіозв'язку необхідно значно більшу кількість частотних каналів.
На даний момент існує кілька конкретних рішень для побудови КСРС, максимально наближеною до «еталонної». Це транкінгові системи стандарту TETRA і конвенціональна система стандарту DMR. Ці стандарти розроблені Європейським інститутом телекомунікаційних стандартів (ETSI) і забезпечують роботу абонентського обладнання різних виробників в системі.
Для практичного порівняння КСРС різних стандартів виберемо наступні:
варіант 1: TetraFlex виробництва фірми DAMM (TETRA стандарт);
варіант 2: MOTOTRBO виробництва фірми Motorola (DMR стандарт).
Вибір для порівняння системи TetraFlex обумовлений наступним:
- компанія DAMM відома своїми високонадійних і відмовостійкими продуктами і рішеннями;
- система TetraFlex єдина, яка має в своєму складі малогабаритні базові станції виконання IP65, які можна розмістити прямо в тунелі або в непристосованому приміщенні на станції;
- система дуже проста в налаштуванні і експлуатації, не вимагає висококваліфікованого персоналу, має русифіковану документацію і наявність російськомовного інтерфейсу диспетчерської консолі;
- система дуже економічна - середнє споживання однієї базової станції становить 250Вт.
Для підвищення ефективності порівняння необхідно розгляд перспективного конвенціональний варіант цифрової системи радіозв'язку. Система MOTOTRBO стандарту DMR обрана з наступних причин:
- базове устаткування MOTOTRBO значно дешевше обладнання стандарту TETRA;
- рішення MOTOTRBO єдине в своєму класі, що має підключення диспетчерських консолей і можливість виходу в телефонну мережу;
- обладнання MOTOTRBO працює в діапазонах VHF і UHF;
- дозволяє будувати Многосайтовий радіомережі;
- персонал, що обслуговує систему, повинен володіти тільки базовими навичками роботи з радіоустаткуванням.
Архітектура системи та обладнання, що, з експлуатаційної боку, практично аналогічно аналоговому обладнанню, за яким є велика кількість фахівців.
Ступінь задоволення варіантами основних вимог замовників відображена в таб.1.
Табл.1.
Варіант / Критерії відбору
Варіант 1
Варіант 2
Комплексність рішення (наявність і доступність усіх складових частин: базових станцій, стаціонарних, мобільних, носяться радіостанцій, диспетчерських пультів)
Так
Отчасті1
Сучасність рішення (використання сучасних інформаційних технологій, відмовостійкість)
Так
Так
Широкі можливості по програмуванню і конфігурації груп, можливість задавати пріоритети групам і абонентам
Так
да2
Наявність існуючих впроваджень і / або перспективних проектів
Так
Да3
Можливість побудови шлюзів до систем радіозв'язку силових структур
Так
Так
Виконання пристроїв в відповідно до реальних умов експлуатації
Так
Так
Підтримка з боку виробника
Так
Так
Масштабованість рішення (простота розширення і прозорість рішення для додаткових об'єктів метрополітену)
Так
Да4
Примітки і пояснення до таблиці:
1 Виробником поставляються ретранслятори, на основі яких, із застосуванням додаткового обладнання, будуються базові станції необхідної конфігурації; доступні кілька варіантів диспетчерських консолей від сторонніх виробників (Motorola не виробляє штатних консолей); немає інтегрованого рішення системи реєстрації - можлива побудова зовнішньої системи з обмеженими можливостями;
2 Немає пріоритетів, немає системи контролю і управління мережею.
3 Ні реалізацій в СНД;
4 Без істотного збільшення кількості абонентів - тільки збільшення площі покриття.
Ключові особливості реалізації обраних рішень.
Варіант 1.
Структурна схема мережі на базі системи DAMM TetraFlex практично відповідає представленої на рис.1 «еталонної» структурі (на відміну від системи Dimetra IP Compact компанії Motorola, яка має схожу, але централізовану структуру з розвиненим центральним сайтом).
Функціональні можливості системи DAMM TetraFlex:
- індивідуальний виклик; екстренний виклик;
- груповий виклик;
- екстрений груповий виклик;
- встановлення пріоритету доступу;
- служба передачі коротких повідомлень;
- з'єднання з відомчої АТС АГС (VoIP або E1 PRI ISDN G.703);
- прослуховування обстановки навколо радиоабонента;
- пакетна передача даних;
- ідентифікація абонента;
- наскрізне шифрування E2E (підтримується терміналами MTP850, MTH800, MTM800, TCR1000).
Основні особливості:
- оптимальна конфігурація; технологія пакетної передачі зі швидкістю 10/100 Мбіт / c (включаючи дані і голос (VoIP));
- проста, легка, що не вимагає великих витрат установка; можливість підключення по LAN / WAN до диспетчерської консолі;
- інтерфейс для програмування додатків; інтеграція передачі голосу і даних; можливість виходу в зовнішні телефонні мережі і мережі передачі даних.
Система TetraFlex виробництва компанії DAMM має повністю розподілене рішення. Вихід з ладу будь-якого з вузлів не позначається на функціонуванні системи в цілому. При використанні системи TetraFlex, радіомережа будується на базі транспортної мережі Ethernet.
Базові станції TetraFlex доступні в двох варіантах виконання - для внутрішньої (IP20) і зовнішньої (IP65) установки. Базові станції для внутрішньої установки (BS412, BS414, BS411) зібрані в 19 'конструктивах різної висоти і доступні в трьох комплектаціях: на 2, 4 і 8 приймач (7, 15 і 31 розмовний канал). Базова станція зовнішнього виконання складається з двох різних блоків - контролера (SB411) і приймач (BS421). При цьому до одного контролера можна підключити до двох приймач. При бажанні цю базову станцію можна встановити в тунелі.
Шлюз виходу в телефонну мережу (медіашлюзи) являє собою окремий вузол в системі. Медіашлюзи VOIP-E1 дозволяє здійснювати телефонні дзвінки з мережі транкінгового радіотелефонного зв'язку TetraFlex в відомчу телефонну мережу підприємства і назад, реалізуючи пряму нумерацію в системі TetraFlex (без DTMF донабора).
Сервер звукозапису є стандартний PC сумісний сервер, який встановлюється в 19 'стійку. Сервер дозволяє одночасно записувати до 60 розмов, а також вести журнал всіх переданих в системі коротких текстових повідомлень. Одночасно в системі може бути встановлено кілька серверів звукозапису. Доступ до записаної інформації здійснюється з PC сумісної робочої станції.
Консоль диспетчера DAMM TetraFlex дозволяє реалізувати наступний набір функцій і сервісів:
- відправка та отримання статусних і коротких повідомлень в системі DAMM TetraFlex;
- ініціювання / прийом голосових викликів;
- управління динамічними групами (DGNA);
- моніторинг викликів в системі;
- віддалене прослуховування.
Консоль оснащується спеціалізованими інтерфейсами для підключення мікрофона, динаміків і зовнішнього аудіорегістратори для запису переговорів диспетчера. При правильному плануванні системи можливе розміщення обладнання Консолі диспетчера на значній відстані від базових станцій.
Експертна оцінка варіанту 1 КСРС в цілому по структурі і функціональним завданням у порівнянні з «ідеальними» - 1,0.
Варіант 2.
Мережа конвенційної радіозв'язку стандарту DMR будується на основі ретрансляторів - рис.3.
Мал. 3. Структурна схема мережі на базі обладнання системи MOTOTRBO
Кожен ретранслятор забезпечує роботу двох каналів трафіку. Для збільшення зони радіопокриття можливе використання декількох ретрансляторів, при цьому вони з'єднуються між собою IP мережею. Логічно кожен такий набір ретрансляторів є один ретранслятор, розподілене на декількох базових станціях.
У мережі DMR можуть працювати диспетчерські консолі сторонніх виробників (SmartPTT, TrboNET). Наявні рішення по організації диспетчерських місць виконані на основі стаціонарної радіостанції та пов'язаного з нею персонального комп'ютера. Вони вимагають стійкого радіоканалу для зв'язку з ретранслятором.
На даний момент рішення MOTOTRBO не має спеціалізованого обладнання для реєстрації радіопереговорів. Реєстрацію радіопереговорів окремих груп користувачів можна виконати на базі аудіорегістратори і набору стаціонарних радіостанцій, налаштованих на необхідні групи.
Слід враховувати, що різні групи абонентів працюватимуть на різних логічних каналах трафіку, тому взаємодія між групами абонентів буде утруднено. Для виклику абонента з іншої групи, необхідно знати на якому каналі він працює.
Експертна оцінка варіанту 2 КСРС в цілому по структурі і функціональним завданням у порівнянні з «ідеальними» - 0,65.
Для об'єктивного порівняння вартості обладнання різних систем необхідно мати модель мережі, максимально наближену до майбутньої реальної мережі.
Для розрахунку приймемо, що мережа складається з:
- 9-та базових станцій (Nст) (7 на станціях метрополітену, 1 в депо, 1 в інженерному корпусі);
- 2-х диспетчерська консолей;
- системи реєстрації переговорів на 30 каналів;
- в мережі Працюють 108 радіостанцій. З них 10 стаціонарних, 20 мобільніх и 78 портативних;
- на Кожній базовій станції зареєстровано по 12 радіостанцій (Nаст) в чотірьох групах (Nгст);
- в ГНН КОЖЕН абонент 20 разів натіскає кнопку PTT (NPTT) и длительность однієї передачі ставити 10 сек (TPTT);
- 80% викликів групові та 20% Індивідуальні.
Розрахунок необхідного числа каналів проводитися за методиками Erlang B для конвенційної системи и Erlang C для транкінгового. Розрахунок проводиться для варіанту штатної роботи в ГНН і для варіанту, коли в разі надзвичайної ситуації навантаження на базову станцію збільшується в два рази.
Для визначення необхідної кількості каналів на базовій станції потрібно зробити розрахунок навантаження на базову станцію.
Транкінговий радіомережа.
У транкінгового радіомережі абоненти кожній станції метрополітену працюють на своєму наборі каналів трафіку базової станції. При цьом:
Навантаження від групового трафіку: Агр = TPTT • NPTT • Nгст • 0,8 = 0,18 Ерл
Навантаження від індивідуального трафіку: А інд = TPTT • NPTT • Nаст • 0,2 = 0,14 Ерл
При сумарною навантаженні А = Агр + Аінд = 0,32 Ерл, і для часу очікування в черзі не більше 1 сек. маємо:
Табл.2.
Число каналів трафіку Імовірність встановлення з'єднання без приміщення в чергу Середній час очікування в черзі, сек. Середня глибина черги Рівень обслуговування (кількість дзвінків, які очікують менше 1 сек) Середня зайнятість каналу трафіку 1 68% 5 0 70% 32% 2 96% 0 0 96% 16%
У разі збільшення навантаження при надзвичайну подію в 2 рази отримуємо наступне:
Табл.3.
Число каналів трафіку Імовірність встановлення з'єднання без приміщення в чергу Середній час очікування в черзі, сек. Середня глибина черги Рівень обслуговування (кількість дзвінків, які очікують менше 1 сек) Середня зайнятість каналу трафіку 1 36% 18 1 38% 64% 2 85% 1 0 87% 32% 3 97% 0 0 98% 21%
Розрахунок показує, що трьох каналів трафіку на транкінгового базової станції буде досить для обслуговування абонентів з рівнем обслуговування ≥ 95% не тільки для штатної роботи, але і в умовах надзвичайної ситуації.
У TETRA стандарті на одному фізичному каналі працює чотири логічних. При одній несучої на базовій станції існує один контрольний канал і три канали трафіку. При повторному використанні частот на кожній третій базової станції для функціонування мережі буде достатньо трьох дуплексних пар частот з шириною каналу 25 кГц.
Конвенціональна радіомережа.
З огляду на, що в конвенційної мережі всі абоненти працюють на загальному наборі каналів трафіку (що проходить через всі станції) і, допускаючи, що 80% викликів - групові, необхідно вести розрахунок виходячи із загальної кількості абонентів на лінії. Для 120 абонентів маємо:
Навантаження від групового трафіку: Агр = TPTT • NPTT • Nгст • Nст • 0,8 = 1,6 Ерл
Навантаження від індивідуального трафіку: А інд = TPTT • NPTT • Nаст • Nст • 0,2 = 1,2 Ерл
При сумарною навантаженні А = Агр + Аінд = 2,8 Ерл, маємо:
Табл.4.
Можливість блокування 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 5% 4% 3% 2% 1% Кількість каналів 1 1 2 2 3 3 4 5 6 7 7 7 8 8
Так як набір каналів загальний для всіх абонентів, то вихід з ладу однієї з базових станцій, або інше НП не призведе до збільшення навантаження в каналах трафіку, так як кількість абонентів залишається неіменних. Восьми наскрізних каналів трафіку буде досить для комфортної роботи в мережі.
У стандарті DMR в одному фізичному каналі з шириною смуги 12,5 кГц розміщені два канали трафіку. Таким чином, на кожній базовій станції потрібно чотири фізичні каналу. При повторному використанні частот на кожній третій базової станції для функціонування мережі буде достатньо дванадцяти дуплексних пар частот з шириною каналу 12,5 кГц.
Далі наводиться експертна оцінка вартості обладнання порівнянних систем радіозв'язку TetraFlex і MOTOTRBO. Розрахунок проводився для системи, що має в своєму складі 9 базових станцій, дві диспетчерські консолі, систему реєстрації аудіопереговоров на 30 одночасно ведуться розмов, 10 стаціонарних, 20 мобільних, 78 портативних радіостанцій. Результат розрахунку дано в відносних одиницях.
Табл.5.
Найменування обладнання
TetraFlex
MOTOTRBO
Вартість, в.о.
1,596
1,0
У другому варіанті, при збільшенні кількості абонентів більш ніж на 20%, необхідно додавати по одному ретранслятору на кожній базовій станції і збільшувати кількість задіяних пар частот до 15. Тому вартість розширення системи різко зросте в порівнянні з транкінговими рішеннями.
Для більш якісного порівняння варіантів з урахуванням технічної і фінансової складових можна використовувати критерій До мінімуму «співвідношення ціна / якість». Легко показати, що у в.о. цей критерій для порівнюваних варіантів може бути отриманий як частка від ділення експертної оцінки вартості на експертну оцінку технічної якості у в.о.
Результати розрахунку До для порівнюваних варіантів наведено в підсумковій табл.6:
табл.6
коефіцієнт К
варіант 1
варіант 2
1,596
1,538
Дані таблиці дозволяють зробити висновок про те, що за критерієм «ціна / якість» варіант TetraFlex практично не відрізняється від варіант MOTOTRBO.
Повернемося до питання, сформульованому на початку статті - який же стандарт вибрати в такому випадку, якщо наведені порівняння не дають однозначної відповіді? В даному випадку вихід бачиться тільки в використанні додаткових експертних методів (і - експертів!), Які зможуть провести розмежувальну лінію між, наприклад, «дорого» і «вкрай незручно експлуатувати».
Сьогодні зрозуміло, що сучасні комплексні системи радіозв'язку для підземних транспортних споруд потрібні і по-справжньому перспективні. Проте, вибір стандарту і конкретного виду системи - непросте завдання, яку необхідно ставити і вирішувати на самому ранньому етапі реалізації конкретного проекту. І автори не стільки хотіли дати відповідь на питання, винесене в заголовок статті, скільки показати підходи до її вирішення: методичні, технічні, фінансові та експертні.
Але яку систему і якого стандарту використовувати?Повернемося до питання, сформульованому на початку статті - який же стандарт вибрати в такому випадку, якщо наведені порівняння не дають однозначної відповіді?
