Выбор стандарта и типа системы радиосвязи для подземных транспортных сооружений на примере метрополитена

Выбор стандарта и типа системы радиосвязи для подземных транспортных сооружений на примере метрополитена

Авторы: Зименков О.А., Кузнецов С.В., Елисеев С.А. 

Компания: «Лайтон» (г.Москва)

Системы радиосвязи для подземных объектов, и в первую очередь – для подземных транспортных сооружений, играют все более и более значительную роль, фактически вытесняя использовавшиеся ранее проводные системы. Это обусловлено произошедшим прорывом в технологиях беспроводных систем связи и передачи данных на фоне увеличения количества выполняемых этими системами функциональных задач.

Предположим, что общее решение об использовании современной системы радиосвязи для конкретного объекта принято. Но какую систему и какого стандарта использовать? Для ответа на этот вопрос необходимо в каждом конкретном случае возвращаться к базовому вопросу о том, для чего система нужна, и с учетом ответа на этот вопрос проводить дальнейшие необходимые технические и финансовые расчеты. Примерный ход рассуждений покажем на примере выбора системы радиосвязи для метрополитенов, перед которым стоит любой заказчик и проектировщик новой линии.

Комплексная система радиосвязи (далее – КСРС) является в современных комплексах автоматики, сигнализации, связи и безопасности (АССБ) метрополитенов  неотъемлемой и одной из важнейших частей, поскольку выполняет ряд ответственных функций: 

• обеспечивает связь поездного диспетчера с машинистами электропоездов, что фактически обеспечивает дополнительный канал системы безопасности и диспетчерского контроля и управления движением поездов (в дополнение к автоматизированным системам управления);
• обеспечивает связь диспетчеров и дежурных по станционным постам на станциях с ремонтными и аварийными бригадами на станциях и на всем протяжении тоннелей и притоннельных сооружений;
• обеспечивает связь диспетчеров и дежурных по электродепо с машинистами электропоездов и ремонтными бригадами на площадке электродепо;
• обеспечивает (при необходимости, например, при чрезвычайных ситуациях) взаимодействие с системами радиосвязи силовых ведомств.

Для обеспечения эффективности работы КСРС, влияющей на эффективность работы метрополитена в целом (в том числе – на экономическую эффективность, поскольку КСРС призвана обеспечить не только нормальную работу линии метрополитена, но и минимизировать снижение пропускной способности при повреждениях и ЧС), к ней предъявляются повышенные требования в части надежности и отказоустойчивости аппаратной части.

Цифровые КСРС стали для комплексов АССБ элементом стандарта «де-факто». Последнее обусловлено несколькими причинами и особенностями построения КСРС для метрополитенов:

• наличие многоканальности (транкинга) в совокупности с возможностями программирования жестких приоритетов и оптимальной структурой аппаратных средств обеспечивает большое количество одновременных разговоров, и, тем самым, обеспечивает возможность использования одной системы для поездной, диспетчерской, междиспетчерской и технологической радиосвязи, причем – с хорошим взаимодействием служб;
• радиоизлучающий (щелевой) кабель, который используется в качестве антенно-фидерного устройства для тоннелей и ряда других сооружений метрополитена, обеспечивает высокую стойкость КСРС к повреждениям и ЧС (в т.ч. – к крушениям поездов и пожарам);
• наличие программно-аппаратных  шлюзов к другим системам радиосвязи (в т.ч. – силовых структур) обеспечивает высокую эффективность взаимодействия при авариях и ЧС.

Тем не менее, указанные преимущества возникают только при выборе эффективной структуры программно-аппаратного комплекса КСРС и выбора наиболее подходящего стандарта радиосвязи.

«Эталонная» структура, учитывающая многолетний опыт построения КСРС на метрополитенах,  включает в себя обязательный набор аппаратных и программных средств состоящий из:

• сети базовых станций, установленных на станциях метрополитена, в депо и инженерном корпусе;
• диспетчерских консолей диспетчеров различных служб;
• носимых, мобильных и стационарных радиостанций;
• системы регистрации, хранения и воспроизведения речевых переговоров;
• различных шлюзов для выхода в местную телефонную сеть, передачи данных и т.д. (опционально);
• системы управления и контроля состояния сети.

Основные требования (правила) построения сети нужного качества следующие:

• сеть должна строиться на отказоустойчивом оборудовании, имеющем резервирование всех критичных для функционирования узлов;
• для построения сети должны использоваться каналы магистральной информационной сети (МИС);
• оборудование сети должно быть сертифицировано, а радиоизлучающее оборудование должно работать в разрешённых диапазонах частот;
• оборудование сети должно использовать методы цифровой передачи в радиоканале;
• оборудование сети должно быть по возможности малогабаритным, легким, имеющим малое энергопотребление.

Для обеспечения радиопокрытия в тоннелях и на станциях метрополитена должна использоваться типовая схема антенно-фидерного тракта с использованием радиоизлучающего кабеля. 

Наиболее широко использующейся структурой, обеспечивающей вышеуказанные требования, является структура, приведённая на рис.1.

Рис. 1. Эталонная структурная схема сети с двойным перекрытием зон

На схеме базовые станции расположены на каждой станции метрополитена. Выход базовой станции соединён через делители с четырьмя линиями радиоизлучающего кабеля. Радиоизлучающий кабель проложен в тоннелях и на станциях. Линии радиоизлучающего кабеля запитаны с двух соседних станций. В дополнение к радиоизлучающему кабелю  на станциях при необходимости  используются направленные или ненаправленные точечные антенны. Так, они используются для обеспечения зоны радиопокрытия в подходных коридорах, эскалаторных наклонах и в вестибюлях станций.

Данная схема позволяет обеспечить, при средних длинах перегонов около 2 км,  эффективное пассивное резервирование базовых станций, так как параметры излучающего кабеля выбраны таким образом, чтобы в случае выхода из строя одной базовой станции, сигнала от соседних станций было достаточно для обслуживания соответствующей части зоны ответственности смежной станции. Для повышения качества связи (исключения равносигнальных зон и обеспечения автоматического переключения возимых радиостанций при переходе из сайта в сайт), на каждой из 3 последовательных базовых станций должны использоваться разные частотные пары с последующим чередованием.

На рис. 2 показан вариант альтернативной структуры, который также предлагают производители аппаратных средств.

Рис. 2. Структурная схема сети с независимыми зонами и ретрансляторами

Недостатками  структуры на рис.2 являются:

• для обеспечения отказоустойчивости КСРС в целом требуется резервирование базовой станции;
• любые ЧС, связанные с помещением, где расположена базовая станция (даже резервированная), как то: пожар, заливание водой, проблемы с электропитанием, - влекут за собой выключение всей системы;
• нет экономии в части технических средств на станциях: в любом случае ретранслятор представляет собой мини базовую станцию с приемо-передатчиками радиосигналов, усилителями и устройствами преобразования цифровых сигналов в радиосигнал и обратного преобразования.

Кроме того, в варианте на рис.2 кажущееся очень экономичное использование частотного ресурса (возможно использование для всей системы всего одного частотного канала), не обеспечивает необходимого и желательного количества параллельных разговоров в системе, а значит – выполнения всех необходимых функций КСРС в полном объеме. Для обеспечения требуемого качества радиосвязи необходимо значительно большее количество частотных каналов.

На данный момент существует несколько конкретных решений для построения КСРС, максимально приближенной к «эталонной». Это транкинговые системы стандарта TETRA и конвенциональная система стандарта DMR. Эти стандарты разработаны Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI) и обеспечивают работу абонентского оборудования различных производителей в системе.

Для практического сравнения КСРС разных стандартов выберем следующие:

вариант 1: TetraFlex производства фирмы DAMM (TETRA стандарт);

вариант 2: MOTOTRBO производства фирмы Motorola (DMR стандарт).

Выбор для сравнения системы TetraFlex обусловлен следующим:

• компания DAMM известна своими высоконадёжными и отказоустойчивыми продуктами и решениями;
• система TetraFlex единственная, которая имеет в своём составе малогабаритные базовые станции исполнения IP65, которые можно разместить прямо в тоннеле или в неприспособленном помещении на станции;
• система очень проста в настройке и эксплуатации, не требует высококвалифицированного персонала, имеет русифицированную документацию и русифицированный интерфейс диспетчерской консоли;
• система очень экономичная – среднее потребление одной базовой станции составляет 250Вт.

Для повышения эффективности сравнения необходимо рассмотрение перспективного конвенциональный вариант цифровой системы радиосвязи. Система MOTOTRBO стандарта DMR выбрана по следующим причинам:

• базовое оборудование MOTOTRBO значительно дешевле оборудования стандарта TETRA;
• решение MOTOTRBO единственное в своём классе, имеющее подключение диспетчерских консолей и возможность выхода в телефонную сеть;
• оборудование MOTOTRBO работает в диапазонах VHF и UHF;
• позволяет строить многосайтовые радиосети;
• персонал, обслуживающий систему, должен обладать только базовыми навыками работы с радиооборудованием. 

Архитектура системы и применяемое оборудование, с эксплуатационной стороны, практически аналогично аналоговому оборудованию, по которому имеется большое количество специалистов.

Степень удовлетворения вариантами основных требований заказчиков отображена в таб.1.

Табл.1.

Примечания и пояснения к таблице:

¹ Производителем поставляются ретрансляторы, на основе которых, с применением дополнительного оборудования, строятся базовые станции требуемой конфигурации; доступны несколько вариантов диспетчерских консолей от сторонних производителей (Motorola не производит штатных консолей);  нет интегрированного решения системы регистрации - возможно построение внешней системы с ограниченными возможностями;

² Нет приоритетов, нет системы контроля и управления сетью.

³ Нет реализаций в СНГ;

⁴ Без существенного увеличения количества абонентов – только увеличение площади покрытия.

Ключевые особенности реализации выбранных решений.

Вариант 1.

Структурная схема сети на базе системы DAMM TetraFlex практически соответствует представленной на рис.1 «эталонной» структуре (в отличие от системы Dimetra IP Compact компании Motorola, которая имеет похожую, но централизованную структуру с развитым центральным сайтом).

Функциональные возможности системы DAMM TetraFlex:

• индивидуальный вызов; экстренный вызов;
• групповой вызов; 
• экстренный групповой вызов; 
• установление приоритета доступа; 
• служба передачи коротких сообщений; 
• соединение с ведомственной АТС  АХС (VoIP или E1 PRI ISDN G.703);
• прослушивание обстановки вокруг радиоабонента;
• пакетная передача данных; 
• идентификация абонента; 
• сквозное шифрование E2E (поддерживается терминалами MTP850, MTH800, MTM800, TCR1000). 

Основные особенности:

• оптимальная конфигурация; технология пакетной передачи со скоростью 10/100 Мбит/c (включая данные и голос (VoIP)); 
• простая, легкая, не требующая больших затрат установка; возможность подключения по LAN/WAN к диспетчерской консоли; 
• интерфейс для программирования приложений; интеграция передачи голоса и данных; возможность выхода во внешние телефонные сети и сети передачи данных.

Система TetraFlex производства компании DAMM имеет полностью распределённое решение. Выход из строя любого из узлов не сказывается на функционировании системы в целом. При использовании системы TetraFlex, радиосеть строится на базе транспортной сети Ethernet.

Базовые станции TetraFlex доступны в двух вариантах исполнения – для внутренней (IP20) и наружной (IP65) установки. Базовые станции для внутренней установки (BS412, BS414, BS411) собраны в 19’ конструктивах различной высоты  и доступны в трёх комплектациях: на 2, 4 и 8 приёмопередатчиков (7, 15 и 31 разговорный канал). Базовая станция наружного исполнения состоит из двух различных блоков – контроллера (SB411) и приёмопередатчика (BS421). При этом к одному контроллеру можно подключить до двух приёмопередатчиков. При желании эту базовую станцию можно установить в тоннеле.

Шлюз выхода в телефонную сеть (медиашлюз) представляет собой отдельный узел в системе. Медиашлюз VOIP-E1 позволяет осуществлять телефонные звонки из сети транкинговой радиотелефонной связи TetraFlex в ведомственную телефонную сеть предприятия и обратно, реализуя прямую нумерацию в системе TetraFlex (без DTMF донабора).

Сервер звукозаписи представляет собой стандартный PC совместимый сервер, устанавливаемый в 19’ стойку. Сервер позволяет одновременно записывать до 60 разговоров, а также вести журнал всех передаваемых в системе коротких текстовых сообщений. Одновременно в системе может быть установлено несколько серверов звукозаписи. Доступ к записанной информации осуществляется с PC совместимой рабочей станции.

Консоль диспетчера DAMM TetraFlex позволяет реализовать следующий набор функций и сервисов:

• отправка и получение статусных и коротких сообщений в системе DAMM TetraFlex;
• инициирование / прием голосовых вызовов;
• управление динамическими группами (DGNA);
• мониторинг вызовов в системе;
• удалённое прослушивание. 

Консоль оснащается специализированными интерфейсами для подключения микрофона, динамиков и внешнего аудиорегистратора для записи переговоров диспетчера. При правильном планировании системы возможно размещение оборудования Консоли диспетчера на значительном удалении от базовых станций.

Экспертная оценка  варианта 1 КСРС в целом по структуре и функциональным задачам по сравнению с «идеальными» - 1,0.

Вариант 2.

Сеть конвенциональной радиосвязи стандарта DMR строится на основе ретрансляторов – рис.3. 

Рис. 3. Структурная схема сети на базе оборудования системы MOTOTRBO

Каждый ретранслятор обеспечивает работу двух каналов трафика. Для увеличения зоны радиопокрытия возможно использование нескольких ретрансляторов, при этом они соединяются между собой IP сетью. Логически каждый такой набор ретрансляторов представляет собой один ретранслятор, распределённый на нескольких базовых станциях. 

В сети DMR могут работать диспетчерские консоли сторонних производителей (SmartPTT, TrboNET). Имеющиеся решения по организации диспетчерских мест выполнены на основе стационарной радиостанции и связанного с ней персонального компьютера. Они требуют устойчивого радиоканала для связи с ретранслятором. 

В настоящий момент решение MOTOTRBO не имеет специализированного оборудования для регистрации радиопереговоров. Регистрацию радиопереговоров отдельных групп пользователей можно выполнить на базе аудиорегистратора и набора стационарных радиостанций, настроенных на необходимые группы.

Следует учитывать, что разные группы абонентов будут работать на различных логических каналах трафика, поэтому взаимодействие между группами абонентов будет затруднено. Для вызова абонента из другой группы, необходимо знать на каком канале он работает.

Экспертная оценка  варианта 2 КСРС в целом по структуре и функциональным задачам по сравнению с «идеальными» - 0,65.

Для объективного сравнения стоимости оборудования различных систем необходимо иметь модель сети, максимально приближенную к будущей реальной сети.

Для расчёта примем, что сеть состоит из:

• 9-и базовых станций (N_ст) (7 на станциях метрополитена, 1 в депо, 1 в инженерном корпусе);
• 2-х диспетчерских консолей;
• системы регистрации переговоров на 30 каналов;
• в сети работают 108 радиостанций. Из них 10 стационарных, 20 мобильных и 78 портативных;
• на каждой базовой станции зарегистрировано по 12 радиостанций (N_аст)  в четырёх группах (N_гст);
• в ЧНН каждый абонент 20 раз нажимает кнопку PTT (N_PTT) и длительность одной передачи составляет 10 сек (T_PTT);
• 80% вызовов групповые и 20% индивидуальные.

Расчет необходимого числа каналов проводится по методикам Erlang B для конвенциональной системы и Erlang C для транкинговой. Расчёт производится для варианта штатной работы в ЧНН и для варианта, когда в случае ЧП нагрузка на базовую станцию увеличивается в два раза.

Для определения необходимого количества каналов на базовой станции требуется произвести расчёт нагрузки на базовую станцию.

Транкинговая радиосеть.

В транкинговой радиосети абоненты каждой станции метрополитена работают на своём наборе каналов трафика базовой станции. При этом:

Нагрузка от группового трафика: А_гр=T_PTT•N_PTT•N_гст•0,8 = 0,18 Эрл

Нагрузка от индивидуального трафика: Аинд=T_PTT•N_PTT•N_аст•0,2 = 0,14 Эрл

При суммарной нагрузке А=А_гр+А_инд = 0,32 Эрл, и для времени ожидания в очереди не более 1 сек. имеем:

Табл.2.

В случае увеличения нагрузки при чрезвычайном происшествии в 2 раза получаем следующее:

Табл.3.

Расчёт показывает, что трёх каналов трафика на транкинговой базовой станции будет достаточно для обслуживания абонентов с уровнем обслуживания ≥ 95% не только для штатной работы, но и в условиях чрезвычайной ситуации.

В TETRA стандарте на одном физическом канале работает четыре логических. При одной несущей на базовой станции существует один контрольный канал и три канала трафика. При повторном использовании частот на каждой третьей базовой станции для функционирования сети будет достаточно трёх дуплексных пар частот с шириной канала 25 кГц.

Конвенциональная радиосеть.

Учитывая, что в конвенциональной сети все абоненты работают на общем наборе каналов трафика (проходящем через все станции) и, допуская, что 80% вызовов – групповые, необходимо вести расчёт исходя из общего количества абонентов на линии. Для 120 абонентов имеем:

Нагрузка от группового трафика: А_гр=T_PTT•N_PTT•N_гст•N_ст•0,8 = 1,6 Эрл

Нагрузка от индивидуального трафика: Аинд=T_PTT•N_PTT•N_аст•N_ст•0,2 = 1,2 Эрл

При суммарной нагрузке А=А_гр+А_инд = 2,8 Эрл, имеем:

Табл.4.

Так как набор каналов общий для всех абонентов, то выход из строя одной из базовых станций, либо другое ЧП не приведёт к увеличению нагрузки в каналах трафика, так как количество абонентов остаётся неименным. Восьми сквозных каналов трафика будет достаточно для комфортной работы в сети.

В стандарте DMR в одном физическом канале с шириной полосы 12,5 кГц размещены два канала трафика. Таким образом, на каждой базовой станции требуется четыре физических канала. При повторном использовании частот на каждой третьей базовой станции для функционирования сети будет достаточно двенадцати дуплексных пар частот с шириной канала 12,5 кГц.

Далее приводится экспертная оценка стоимости оборудования сравнимых систем радиосвязи TetraFlex и MOTOTRBO. Расчёт производился для системы, имеющей в своём составе 9 базовых станций, две диспетчерские консоли, систему регистрации аудиопереговоров на 30 одновременно ведущихся разговоров, 10 стационарных, 20 мобильных, 78 портативных радиостанций. Результат расчета дан в относительных единицах.

Табл.5.

Во втором варианте, при увеличении количества абонентов более чем на 20%, необходимо добавлять по одному ретранслятору на каждой базовой станции и увеличивать количество задействованных пар частот до 15. Поэтому стоимость расширения системы резко возрастёт по сравнению с транкинговыми решениями.

Для более качественного сравнения вариантов с учетом технической и финансовой составляющих можно использовать критерий К минимума «соотношение цена/качество». Легко показать, что в о.е. данный критерий для сравниваемых вариантов может быть получен как частное от деления экспертной оценки стоимости на экспертную оценку технического качества в о.е.

Результаты расчета К для сравниваемых вариантов приведен в итоговой табл.6:

Табл.6

Данные таблицы позволяют сделать вывод о том, что по критерию «цена/качество» вариант TetraFlex практически не отличается от вариант MOTOTRBO. 

Возвратимся к вопросу, сформулированному в начале статьи - какой же стандарт выбрать в таком случае, если приведенные сравнения не дают однозначного ответа? В данном случае выход видится только в использовании дополнительных экспертных методов (и – экспертов!), которые смогут провести разграничительную черту между, например, «дорого» и «крайне неудобно эксплуатировать».

Сегодня понятно, что современные комплексные системы радиосвязи для подземных транспортных сооружений нужны и по-настоящему перспективны. Тем не менее, выбор стандарта и конкретного вида системы – непростая задача, которую необходимо ставить и решать на самом раннем этапе реализации конкретного проекта. И авторы не столько хотели дать ответ на вопрос, вынесенный в заголовок статьи, сколько показать подходы к ее решению: методические, технические, финансовые и экспертные.