Disertatie Modificata Nenu Razvan (1) [303884]

Capitolul 1 – Generalități

1.1 Calea ferata

Calea este o [anonimizat]. [anonimizat] (tren, vagoane) în vederea efectuării transporturilor de călători și bunuri materiale. [anonimizat]-se în vedere caracterul extrem de variat al construcțiilor și instalațiilor ce o compun pe de o parte, volumul și răspândirea lor pe de altă parte. O [anonimizat] (de cale ferată). Între două localități (stații, gări) o [anonimizat], fără a necesita „încrucișări” în gări.

Infrastructura feroviară este o componentă esențială pentru un mediu economic puternic și durabil în orice țară sau regiune. Industria feroviară intră într-o lume tot mai deschisă și mai competitivă. [anonimizat], reducerea costului total al proprietății (TCO) [anonimizat], subiecte importante.

Rețelele de comunicații joacă un rol crucial în sprijinirea operatorilor feroviari și a [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat].

Figure 1.- calea ferata

1.2 ERTMS

ERTMS (European Railway Traffic Management System) reprezintă un proiect feroviar major al Uniunii Europene în parteneriat cu 6 firme private:[anonimizat],[anonimizat],Siemens Mobility si Thales pentru realizarea interoperabilitatii intre tarile membre.

ERTMS reprezintă „Sistemul european de gestionare a traficului feroviar” și este standardul european pentru protecția automată a trenurilor (ATP) care permite un sistem feroviar interoperabil în Europa.

[anonimizat] a restricțiilor de viteză și a stării de semnalizare. [anonimizat], dar și la bordul trenurilor.

ERTMS își propune să înlocuiască diferitele sisteme naționale de control și comandă a trenurilor din Europa. Desfășurarea ERTMS va permite crearea unui sistem feroviar european fără probleme și va crește competitivitatea căilor ferate europene

ERTMS are doua componente de baza: ETCS si GSM R

Figura2.1- ERTMS

1.3 GSM-R

GSM-R [anonimizat]. Sunt raportate a exista peste 35 de sisteme diferite doar in Europa.

Standardul este rezultatul a [anonimizat] a realiza interoperabilitatea folosind o platformă unică de comunicare. GSM-R face parte din standardul european de gestionare a traficului feroviar (ERTMS) și transportă informațiile de semnalizare direct către mecanicul trenului, permițând atingerea unei viteze mai mari și o densitate de trafic cu un nivel superior de siguranță

Specificațiile au fost finalizate în 2000, pe baza proiectului MORANE (Radio mobil pentru rețele feroviare din Europa) finanțat de Uniunea Europeană. GSM-R a fost selectată de 38 de țări din întreaga lume, inclusiv toate statele membre ale Uniunii Europene și țările din Asia, Eurasia și nordul Africii.

GSM-R este o platformă sigură pentru comunicații de voce și date între angajații companiilor de cale ferată inclusiv mecanici, dispeceri, membrii ai echipelor de manevră și controlori. Aceasta dispune de specificații avansate cum ar fi apeluri pe grupuri, transmise radio de voce, conexiuni bazate pe locație și apel în caz de urgență, care îmbunătățesc semnificativ comunicarea, colaborarea și administrarea securității în cadrul personalului operațional.

GSM-R face parte din noul standard de sistem de management al traficului feroviar european (European Rail Traffic Management System – ERTMS) și transportă informația de semnalizare direct către mecanicul de pe locomotivă, permițând viteze mai mari trenului și o densitate a traficului cu un nivel ridicat de siguranță.

Alegerea tehnologiei GSM ca fundație a sistemului GSM-R a contribuit la succesul acestui nou standard. GSM-R s-a dovedit a fi cea mai ieftină rețea de comunicații digitale wireless construită pe platforma unui operator de cale ferată. GSM-R oferă mai mult decât transmisii de voce și servicii de semnalizare. Aplicații noi, cum ar fi urmărirea încărcăturii (cargo tracking), supraveghere video în trenuri și în stații și servicii de informare a pasagerilor folosesc tehnologia GSM-R.

Tehnologia GSM-R este în prezent implementată in 16 țări in toată lumea. Cu toate că specificațiile sistemului au fost finalizate in 2000, GSM-R a fost deja selectat de 38 de țări, inclusiv toate țările membre ale Uniunii Europene precum și un număr crescător de țări din Asia si Nord-ul Africii.

Fiecare rețea națională GSM-R poate fi bazată pe una sau mai multe rețele mobile GSM interconectate fie în mod direct, fie în mod indirect prin rețele fixe. Aceste rețele fizice trebuiesc conectate împreună astfel încât să formeze o singură rețea fizică. În plus, rețelele naționale GSM-R pot fi interconectate pentru a asigura un serviciu consistent de-a lungul mai multor țări

Echipamentele GSM-R intră în sfera de aplicare a Directivei privind echipamentele radio (Directiva RE) 2014/53 / UE. În conformitate cu Directiva RE, furnizorii / producătorii de echipamente radio trebuie să furnizeze și o declarație de conformitate care include informațiile despre utilizarea prevăzută și restricțiile de utilizare în legătură cu echipamentul radio.

Pentru a se asigura că echipamentele radio utilizează în mod eficient spectrul radio și susțin eficiența utilizarea spectrului radio, echipamentele radio ar trebui construite astfel încât:

– atunci când transmițătorul este instalat, întreținut și utilizat în scopul prevăzut, generează unde radio care nu creează interferențe dăunătoare, în timp ce emisiile radio nedorite generate de emițător (de exemplu, pe canalele adiacente) cu un potențial impact negativ asupra obiectivelor politicii de spectru radio ar trebui să fie limitate la un astfel incat să se evite interferențele dăunătoare;

– în cazul unui receptor, acesta are un nivel de performanță care îi permite să funcționeze așa cum este prevăzut și îl protejează împotriva riscului de interferențe dăunătoare, în special pe canale partajate sau adiacente și, în acest sens, sprijină îmbunătățirea utilizării eficiente a canalelor partajate sau adiacente.

Întreruperea comunicațiilor radio poate avea un impact asupra funcționării și / sau siguranței feroviare. O disponibilitatea continuă și accesibilitatea la rețeaua GSM-R este necesară pentru a transmite și primi un apel de urgență feroviar peste tot de-a lungul căilor ferate. Mai mult, pe baza nevoilor operaționale căii ferate, zonele critice pot fi identificate astfel:

a) locații în care trenurile își vor începe călătoria sau o vor continua după o oprire, de exemplu:

 stații,

 semnale,

 șantiere șuntate;

b) locații în care trenurile se pot confrunta cu o situație periculoasă, de exemplu:

 joncțiuni,

 trecerile la nivel cu cale ferată ;

 tuneluri, poduri;

C )zone cu nivel ETCS 2/3 unde este necesară o comunicare continuă a datelor:

 ETCS nivel 2/3 zone de intrare,

 întinderea specifică sau completă a liniilor ETCS Level 2/3 (inclusiv stații, tuneluri, poduri etc.)

Prevenirea interferențelor în aceste zone critice ar trebui să aibă cea mai mare prioritate în coordonare procesului.

1.3.1 Rezoluția de interferență

Rezoluția de interferență începe cu un raport de măsurare de la operatorul GSM-R. Un astfel de raport ar trebui sa includa următoarele elemente:

 locația exactă a zonei de interferență, inclusiv coordonatele GPS;

 impactul operațional asupra GSM-R (de exemplu, calitatea slabă a vocii, apelul scăzut, nicio conexiune la rețea etc.);

 frecvența problemei (permanentă sau temporară);

 harta cu căile ferate,

 pentru GSM-R: ARFCN, niveluri de semnal, RxQual;

 pentru MFCN: ARFCN, nivelurile de semnal ale fiecărui operator (fie că este GSM sau UMTS / LTE) în întreaga bandă E-GSM

 data și ora măsurătorilor;

 sursa / sursele de interferență dominante

Analiza probabilității de blocare / intermodulare se face folosind atât date de simulare dintr-un instrument de estimare a propagării specific dezvoltat, cât și date obținute din măsurători ale puterii semnalului pe tren, reprezentate într-un geo-instrument.

Analiza impactului se bazează pe informații de tip geografic și de utilizare furnizate de operatorul GSM-R. Acesta constă din zone în care pierderea conexiunii GSM-R poate cauza probleme de siguranță sau perturbări semnificative ale operațiunilor feroviare.

Combinația atât a probabilității de blocare / intermodulare, cât și a analizei de impact este utilizată pentru a determina riscul general. Dacă riscul este considerat mare, va avea loc un proces de coordonare între operatorul (operatorii) de rețea mobilă și operatorul GSM-R, în timpul căruia se vor face aranjamente pentru atingerea unei situații gestionabile. Dacă părțile nu sunt de acord cu rezultatul, se va efectua o reevaluare a evaluării riscurilor.

1.3.2 Procedură în caz de perturbare a radiourilor de tren GSM-R:

Operatorul GSM-R va monitoriza activ dacă are loc perturbarea comunicării GSM-R. Dacă da, operatorul GSM-R va raporta acest lucru atât operatorului (operatorilor) de rețea mobilă, cât și regulatorului de spectru. În caz de perturbare severă, operatorul (operatorii) de rețea mobilă va opri stația (stațiile) de bază sau sectorul (sectoarele) de bază în termen de 4 ore de la alertă. O perturbare severă care necesită acțiuni urgente este caracterizată de criterii precum: trenuri care nu pleacă la o gară, apeluri reduse pentru trenuri ERTMS, întreruperi pe scară largă ale sistemelor de informații pentru călători, apeluri repetate la o locație. Pentru tulburări mai puțin critice, toate părțile implicate vor discuta despre măsurile posibile de atenuare și punerea lor în aplicare. În următoarea diagramă de flux, procedura descrisă este prezentată schematic.

1.3.3 BLOCAREA

Blocarea este un fenomen care poate fi cauzat fie de selectivitate insuficientă (discriminare filtrantă), saturație de front-end (LNA și / sau mixer) sau amestecare reciprocă (cu zgomot local în faza oscilatorului).

Capacitățile de blocare ale unui receptor (uneori numite și desensibilizarea unui receptor) sunt definite în majoritatea standardelor europene armonizate (inclusiv cele pentru GSM / GSM-R) ca o măsură a capacitatii receptorului de a primi un semnal modulat dorit, fără a depăși o degradare dată, datorită prezenței unui semnal de intrare nedorit la orice frecvențe, altele decât cele ale răspunsurilor spuroase pe canalele sau benzile adiacente. Standardele relevante definesc un set de teste de măsurare pentru măsurătorile capacității de blocare a unui receptor împreună cu definiția relevantă a semnalului (semnalelor) nedorite și a frecvențelor precise la care trebuie efectuate măsurătorile.

Pentru o anumită putere recepționată de la semnalul dorit, nivelul de blocare este definit ca nivelul maxim de emisie care poate fi acceptat de receptor de la un semnal nedorit din canal fără împiedicarea procesării acestui semnal dorit.

1.3.4 INTERMODULAREA RECEPTORULUI

Fenomenul nedorit de intermodulare provine din neliniaritatea amplificatorului în lanțul receptor și este generată când două (sau mai multe) semnale sunt prezente într-un circuit neliniar. Două semnale ale frecvențelor 2f1 – f2 și 2f2 – f1 pot apărea in receptor: acestea sunt produse de intermodulare de ordinul 3.

Ascultând un canal a cărui frecvență este f0, receptorul este afectat de produsele de intermodulare atunci când sunt îndeplinite următoarele condiții:

f0 = 2f1 – f2 sau f0 = 2f2 – f1

puterea semnalelor f1 și f2 este peste un prag dat

Fig 1.2.Arhitectura tipica a rețelei GSM-R

Fig 1.3. Arhitectura Sistemului GSM-R la Caile ferate Romane

1.4 ETCS

Sistemul ETCS are două componente: echipamentul de pe locomotivă și echipamentul de pe teren. Echipamentul de pe teren transmite informații legate de infrastructură și de starea instalațiilor de centralizare (inclusiv instalații de bloc de linie automat și instalații de trecere la nivel) care vor fi prelucrate de către EVC. În Europa au mai existat încercări de realizare a unor asemenea sisteme, în cadrul cărora informația legată de infrastructură (caracteristici ale liniei, în principal) erau stocate în calculatorul locomotivei. Acest lucru determina ca orice altă locomotivă (chiar echipată cu sistemul în cauză, dar fără datele de infrastructură încărcate) să nu poată opera pe liniile respective. ETCS asigură ca orice locomotivă echipată să poată circula pe orice linie echipată, datele caracteristice fiind transmise din teren și fiind recunoscute de EVC. Principial, sistemul ETCS funcționează în modul următor: la pornirea echipamentului de pe locomotivă, mecanicul introduce o serie de date, specifice locomotivei și trenului pe care urmează să îl remorcheze (lungimea trenului, procentul de frânare, numărul trenului, etc). După pornirea trenului, echipamentul din cale transmite informații echipamentului de pe locomotivă, consistând minimum din declivități, curbe și autorizare de mișcare (profilul static de viteză și profilul dinamic de viteză).

Pe baza acestor informații și a celor deja înregistrate, calculatorul de bord (EVC – European Vital Computer) calculează viteza maximă permisă. De asemenea, EVC are rolul de a controla continuu viteza trenului, în sensul comparării acesteia cu viteza maximă permisă. În cazul în care viteza reală a trenului depășește viteza maximă admisă cu o anumită valoare sau pentru un anumit interval de timp, sistemul ia măsurile necesare. Comportarea sistemului în aceste situații poate fi definită de către fiecare administrație de cale ferată în parte. Depășirea unui semnal pe oprire din neglijența mecanicului de locomotivă, devine în aceste condiții practic imposibilă. Printre informațiile transmise către locomotivă se află și localizarea următoarei Eurobalize (în cazul nivelului 1 sau 2) astfel încât în cazul în care aceasta nu este găsită într-o anumită „fereastră” (depinzând de eroarea radarelor instalate pe locomotivă), sistemul ia măsurile stabilite de către administrația feroviară (frânare de urgență, reducerea vitezei până la o anumită valoare, alarmă, etc). Transmiterea informațiilor spre locomotivă se face prin intermediul așa numitelor „telegrame”, care sunt codificate de așa natură încât transmiterea de informații false este imposibilă. Telegramele conțin informații „fixe” (date referitoare la curbe, declivități, restricții/limitări permanente de viteză, etc) sau informații „variabile” (dependente de indicațiile date de semnale sau de starea instalațiilor de centralizare, de trecere la nivel, etc). În faza de proiectare a sistemului trebuie considerate toate situațiile care pot apărea în cadrul instalației de centralizare, pentru fiecare dintre acestea realizându-se telegrame specifice.

1.4.1 Nivele funcționale ale ETCS

Nivelul 0-reprezintă o zonă neechipată cu ETCS la sol,respectiv o locomotivă care nu utilizează nici un sistem ATP(sistem automat de protecție a trenurilor) la bord.

Nivelul 1-se utilizează Eurobalize pentru transmisia informațiilor din cale la echipamentul din cale la echipamentul de pe locomotivă,cu posibilitatea repetării la minim 500 m a informației date de semnalele de circulație (cu balize de infill,cu cablu de infill sau radio-infill).

Este o prelungire a sistemelor de centralizare existente.

Se utilizează în continuare semnalele luminoase;informația despre indicația pe care o dau este transmisă prin baliză.

Detecția poziției trenului și a integrității acestuia sunt realizate de sistemul de centralizare existent.Verificarea continuă a vitezei se realizează prin EVC.Funcționarea sistemului se bazează pe Eurobalize,care transmit informația la locomotivă într-un mod asemănător cu instalația INDUSI.Informația transmisă este mult mai vastă însă și Eurobalizele se pot utiliza la viteze superioare limitei de 160 km/h (limitarea INDUSI).

Se utilizează balize fixe (pentru transmiterea datelor fixe ale căii) și balize tranparente(pentru transmiterea informațiilor,în dependență cu indicația semnalelor din centralizare).

Figura 1.4.ETCS nivelul 1

Nivelul 1 cu infill

Prin infill se intelege “prelungirea” transmisiei informației de la Eurobaliza din dreptul semnalului la o distantă mai mare (minim 500 m).Acest lucru se poate realiza prin două metode:

Discret.Se utilizează o baliză suplimentară,amplasată la o distantă de semnal (maxim 500 m),numită Eurobaliză de infill.Informația transmisă către locomotivă poate fi identică cu cea transmisă de Eurobaliza de langă semnal.

Semicontinuu.Se utilizează fie Euroloop-un cablu coaxial,care are prevăzute fante în ecran,care să permită transmisia informației spre locomotivă,dacă aceasta se află în dreptul cablului (cablul este întins de-a lungul căii ferate,până la distanțe de cca. 500 m),fie “radio-infill”-caz în care se utilizează transmisia radio(GSM-R) pentru transmiterea informațiilor către locomotivă.

Nivelul 2-utilizarea suplimentară a sistemului GSM-R pentru transmiteri de informații (începand cu acest nivel se poate renunța la semnalele de pe teren).

Definiție sintetică: Eurobalize+RBC+GSM-R

Autorizarea de mișcare (MA) (‹‹de unde›› și ‹‹până unde›› este permisă mișcarea trenului) se generează în sistemul RBC (Radio Block Center),pe baza informațiilor primite de la centralizările electronice cuprinse în aria de control a RBC-ului respectiv.Această autorizare de mișcare este trimisă către locomotivă prin transmisia de date,utilizând GSM-R și este aplicată la bord sub controlul EVC.

Controlul vitezei se efectuează continuu și se folosesc doar balize fixe.Semnalele de pe teren se pot elimina.

Poziționarea trenului se face prin eurobalize (trenul “citește” balizele și comunică prin radio către RBC locul în care se află).

Comunicarea prin radio este bidirecțională.

Figura .1.5.ETCS nivelul 2

Nivelul 3-ETCS este capabil de a integra și instalațiile de centralizare într-un punct central unic.Utilizarea Eurobalizelor nu mai este necesară.

Figura 1.6.ETCS nivelul 3

Detecția integrității trenului se face în echipamentul de bord.Se utilizează sistemul de “bloc dinamic” (moving bloc)-sistem virtual care “infășoară” trenul în sensul de mers,”prelungind” trenul pana in punctul unde acesta poate opri.Sistemul de centralizare este integrat în RBC.Nu sunt prevăzute semnale în teren pentru nivelul 3.Nu sunt necesre circuite de cale sau alt mod de detecție.

Figura 1.7. Bloc dinamic

Nivelul STM-În cazul în care se dorește ca o locomotivă echipată doar cu ETCS să poată totuși circula în condiții de siguranță pe liniile echipate doar cu sistem national ATP,locomotiva poate fi echipată cu STM(Specific Transmission Module).Acesta preia informațiile de la sistemul național și le codifică într-o formă inteligibilă ETCS,pentru EVC.

Figura 1.8. ETCS nivel STM

Modul de funcționare al sistemului ETCS,nivel 2

Transmisia de date variabilă între RBC (Radio Block Center) și trenuri se bazează pe transmisiile continuu realizate prin sistemul de radio digital GSM-R.

Trenurile își stabilesc cu exactitate pozițiile prin intermediul balizelor fixe din cale care,la acest nivel sunt folosite pentru pozționarea materialului rulant pe rețeaua feroviară.Între două balize de poziționare trenul își determină poziția prin senzorii aflați la bord-odometru.

Toate trenurile raportează în mod automat la RBC,la intervale regulate (5 secunde),poziția lor exactă și direcția de deplasare.

RBC este în legatură permanentă cu instalațiile electronice de semnalizare din raza lor de acțiune putând astfel emite către trenuri “autorizații de mișcare” care sunt “ordine” pentru mecanicul de locomotivă,transpuse în indicații de viteză și de distanță.

Autorizațiile de mișcare țin cont de toate caracteristicile căii memorate în RBC (declivități,curbe,restricții de viteză,etc.).

Pe baza informațiilor primite EVC (European Vital Computer),computerul vital de pe locomotivă monitorizează toate datele transferate de la balize și RBC,autorizația de mișcare,caracteristicile liniei,restricțiile de viteză,comparând în permanență viteza efectivă a trenului cu viteza permisă transmisă prin autorizarea de mișcare.

Dacă viteza efectivă a trenului este mai mare decât cea permisă se produce frânarea de urgență/serviciu a trenului.

1.4.2 ATP (Automatic Train Protection):

Aceste sisteme necesită existența unui sistem unitar, format din instalații montate pe locomotivă și instalații montate în cale, acestea interacționând între ele prin intermediul transmisiilor de informații. Transmiterea acestor informații se poate face în puncte fixe (control discontinuu al vitezei) sau în orice moment al prezenței trenului pe o anumită distanță (caz în care vorbim despre control continuu al vitezei trenului pe acea distanță).

Cerințele cele mai importante pe care un sistem ATP trebuie să le îndeplinească sunt urmatoarele:

• să comande frânarea rapidă a trenurilor la semnalele respective, dacă nu s-au luat din timp măsuri pentru reducerea vitezei sub valoarea prescrisă, sau de oprire, în cazul semnalelor care indică oprirea;

• orice defecțiune în oricare din elementele instalației să acționeze în sensul sporirii siguranței circulației, respectiv să ducă la oprirea trenului;

• să permită transmiterea mai multor indicații între linie și locomotivă;

• să nu fie influențate de tipul tracțiunii;

• să satisfacă cerințele privind compatibilitatea electromagnetică;

• montarea să fie posibilă pe linii simple, duble sau multiple, fără influențe reciproce;

• în cazul liniilor duble sau multiple, interacțiunea cu instalațiile de pe locomotive trebuie să se facă numai pentru sensul de mers respectiv.

Administrațiile de cale ferată utilizează diverse sisteme ATP. În cazul administrațiilor feroviare mari, se pot întâlni chiar mai multe sisteme ATP pentru o singură rețea. Un element important legat de sistemele ATP este gradul de echipare al rețelei (reprezentat de raportul dintre numărul de semnale de circulație echipate și numărul total de semnale de circulație). Cu cât acest raport este mai mic, cu atât siguranța circulației este mai periclitată, creându-se premisele unor evenimente de cale ferată. În acest sens, se pot menționa experiențele nefaste din Marea Britanie și Norvegia, din urmă cu câțiva ani, evenimentele produse datorându-se lipsei unui sistem ATP pe liniile respective. În toate acele cazuri, depășirile de semnale pe oprire au dus la evenimente de cale ferată, trenurile nefiind automat frânate. Ca urmare a acestor evenimente, guvernele țărilor respective au demarat ample programe de implementare a unor sisteme ATP .

1.4.3 Avantaje ETCS

Sistemul ETCS a fost conceput în așa fel încât, chiar și pentru nivelul 1 (discontinuu), să asigure:

Transmiterea la bordul locomitivei a tuturor informațiilor necesare pentru calculul vitezei maxime premise de circulație.Cantitatea de informative ce se poate transmite din teren către echipamentul de pe locomotivă nu este limitat;

Contolul continuu al vitezei de circulație;

Sesizarea lipsei sau defectării instalațiilor din teren;

Eficiența pentru viteze de circulație de pană la 500 km/h;

Posibilitatea transmiterii continue de informații din teren către locomotivă;

Afișarea unei game largi de informații la bordul locomotivei prin intermediul unei interfețe speciale.

Date fiind avantajele acestui sistem(performanțe tehnice,satisfacerea condițiilor de interoperabilitate impuse de integrarea României în Uniunea Europeană,avantaje operaționale deosebite),conducerea CFR a luat decizia ca în cadrul lucrărilor de reabilitare a liniilor de pe coridoarele europene care traversează Romania să fie implementat sistemul ETCS de nivel 1 fără GSM-R,cu repetarea la minim 500 m a informației date de un semnal de circulație-utilizare “infill”(înainte de 2007),respectiv ETCS nivel 2(după 2017).

Sistemul ETCS are două componente:echipamentul de pe locomotiva și echipamentul de pe teren.Echipamentul de pe teren transmite informații legate de infrastructura și de starea instalațiilor decentralizare(inclusive instalații de bloc de linie automat și instalații de trecere la nivel) care vor fi prelucrate de către EVC(European Vital Computer).

Sistemul ETCS funcționează în modul următor:la pornirea echipamentului de pe locomotivă,mecanicul introduce o serie de date,specifice locomotivei și trenului pe care urmeazăsă îl remorcheze(lungimea trenului,procentul de frânare,numarul trenului,etc.).După pornirea trenului,echipamentul din cale transmite informații echipamentului de pe locomtivă,consistând minimum din declivitați,curbe și autorizare de mișcare (profilul static de viteză și profilul dinamic de viteză).

Calculatorul de bord (EVC) calculează viteza maximă permisă și are rolul de a controla continuu viteza trenului,în sensul comparării acesteia cu viteza maximă permisă.

Transmiterea informațiilor spre locomotivă se face prin intermediul “telegramelor”,care sunt codificate de așa natură încât transmiterea de informații false este imposibilă.Telegramele conțin informații “fixe” (date referitoare la curbe,declivități,restricții/limitări permanente de viteză,etc.) sau informații “variabile”(dependente de indicațiile date de semnale sau de starea instalațiilor de centralizare,de trecere la nivel,etc.).

1.4.4 Interoperabilitate

O importanță deosibita pentru asigurarea succesului acestui tip de sistem o are interoperabilitatea. Uniunea Europeană a solicitat în mod expres administrațiilor de cale ferată, UIC și producătorilor de echipamente de centralizare și de siguranța circulației (în special UNISIG) realizarea de specificații care să asigure interoperabilitatea sistemelor ETCS/ERTMS indiferent de țara sau producătorul sistemului. În acest sens, s-au realizat specificații referitoare la cerințele funcționale pe care trebuie să le îndeplinească sistemele ETCS atât cele de la sol, cât și cele de la bord. Uniunea Europeană a emis de asemenea directive privind interoperabilitatea, în care menționează obligativitatea instalării la sol a echipamentelor care să respecte cerințele tehnice de interoperabilitate menționate în așa numitele „ETCS Baseline 2”, „ETCS Baseline 3 MR1” sau „ETCS Baseline 3 MR2”, în fapt un pachet consistent de cerințe tehnice grupate sub forma a 3 seturi de specificații tehnice care standardizează implementarea ETCS în scopul asigurării interoperabilității între echipamentele produse de furnizori diferiți.

1.4.5 Moduri de operare ETCS

În cadrul sistemului ETCS au fost definite mai multe moduri în care locomotiva poate funcționa, indiferent de nivelul aplicației:

1. SB – Stand By :

• Acesta este un mod implicit al sistemului si nu poate fi selectat de către mecanic.

• Echipamentul de pe locomotivă trebuie să se inițializeze și trebuie să-și efectueze testele proprii și pe cele ale sistemelor exterioare.

SR – Staff Responsible:

• In acest mod circulația se realizeaza pe directa răspundere a mecanicului de locomotivă într-o zonă echipată cu ETCS.

• Este folosit atunci când sistemul nu cunoaște ruta trenului (ex: atunci când trenul încă nu a citit un grup format din minim 2 balize pentru a cunoaște direcția de mers a locomotivei).

• Se utilizează de asemenea și in cazul unei depășiri ordonate rezultata în urma unui ordin scris primit de la impiegat a sfârșitului autorizației de mișcare emisă anterior de RBC (în cazul unei defecțiuni a sistemului de la sol – ex: pierderea conexiunii radio).

• Valoarea națională implicită pentru maximul vitezei permise în modul SR impusă de către CFR este de 20km/h. În unele cazuri speciale, cum ar primirea unui ordin de circulație care să solicite acest lucru, mecanicul poate modifica limita maximă de viteză, prin intermediul DMI-ului .

• De asemenea, în cazuri de pericol (ex: incendiu în tunel), mecanicul poate modifica limita de viteză din SR, pentru a permite părăsirea cât mai rapidă a zonei periculoase.

FS – Full Supervision:

• Acest mod nu poate fi selectat de către mecanic si reprezinta supraveghere totală din partea sistemului de la sol.

• Acesta este modul normal de circulație în ETCS, când mecanicul poate conduce trenul ghidându-se doar după informațiile afișate pe display (DMI). Dacă observă la exterior (în cazul în care mai există semnalizare laterală) informații contradictorii cu cele afișate pe DMI, respectă informațiile de pe DMI. De ex: semnalul de pe BLAI cu toate focurile permisive arse, aflat pe oprire, va fi depășit de un tren în sistemul ETCS nivel 2 cu viteza normală de circulație, pe baza MA-ului corespunzător afișat la bordul locomotivei.

• Toate informațiile necesare despre tren și cele de la sol sunt recepționate corect la bord, respectiv la RBC. Echipamentul ETCS de la bord supervizează mișcarea trenului pentru a se conforma tuturor restricțiilor de viteză și a nu depăși lungimea autorizației de mișcare (MA) recepționată la bord.

4. OS – On Sight:

• In acest mod circulația se realizeaza „la vedere”, la fel ca modul de circulație actual la indicația de chemare;

• Acest mod permite intrarea trenului pe o secțiune de cale care poate fi deja ocupată de un alt tren, poate fi obstrucționată de orice alt tip de obstacol sau circuitul de cale aferent acesteia este ocupat ca urmare a unui deranjament.

• Acest mod necesită confirmare din partea mecanicului de locomotivă că a luat la cunoștință că va intra în modul OS, deci trebuie să-si ia măsuri suplimentare de siguranță pentru a putea opri în orice moment la apariția unui pericol.

• În acest mod de circulație, răspunderea este a mecanicului de locomotivă privind oprirea la timp a trenului în eventualitatea prezenței unui obstacol în gabarit/la trecerile la nivel, instalația de centralizare electronică asigurând totuși condițiile de siguranță privind înzăvorârea elementelor din parcurs.

• Acest mod este transmis de la CE către RBC în stație la activarea comenzii CH1 în instalațiile de centralizare electronică

• Acest mod este transmis de la CE către RBC în linie curentă, când semnalul BLAI se află pe oprire ca urmare a secțiunii de după semnal ocupate sau când trecerile la nivel din linie curentă sunt considerate defecte în instalațiile de centralizare electronică.

• Valoarea națională la CFR pentru maximul vitezei permise în modul OS este de 20km/h. Această valoare nu poate fi modificată de către mecanic.

5. STM – Specific Transmission Module:

• Acest mod permite echipamentului ETCS de la bord ca prin intermediul modului STM să citească informații provenite de la sistemul de clasă B național (la noi INDUSI).

• În acest mod informațiile din cale se citesc prin intermediul antenei corespunzătoare sistemului național, datele sunt traduse de echipamentul STM îmbarcat și sunt afișate pe DMI-ul mecanicului, împreună cu viteza trenului.

• Echipamentul ETCS nu realizează supervizarea trenului, ea este făcută la fel ca la un tren neechipat cu ETCS, mecanicul conduce după semnalizarea laterală de pe teren.

• Acest mod permite circulația trenurilor echipate cu ETCS și în zonele de intrare/ieșire din aria ETCS nivel 1 sau 2 (de tranziție), cât și pe liniile secundare care sunt echipate doar cu INDUSI.

6. UN – Unfitted:

• Acest mod permite circulația trenurilor în zonele neechipate cu ETCS la sol, unde echipamentul ETCS se află în faza de testare sau în zone echipate cu ATP național, dar locomotiva nu este echipată cu STM-ul corespunzător.

• Echipamentul ETCS de la bord afișează vitetă trenului pe DMI, supervizează viteza trenului pentru a nu depăși valoarea națională pentru UN (la noi 100km/h) și de asemenea supervizează limitările de viteză impuse

7. IS – Isolation(fără simbol):

• Sistemul ETCS este izolat față de celelalte sisteme de pe locomotivă și fizic izolat față de sistemul de frânare.

8. SF – System Failure:

• ETCS intră automat în acest mod în cazul unui deranjament care afectează siguranța circulației.

9. SH – Shunting:

• Modul manevră. Acest mod permite circulația trenurilor ETCS în modul manevră sub controlul RBC.

• În România, CFR a decis ca pentru evitarea problemelor cu congestia GSM-R, apărute la alte administrații CF în zonele cu trafic intens de manevră, să efectueze mișcările de manevră în mod clasic, fără supervizarea RBC.

• Trenul ETCS cu poziție cunoscută, aflat în incinta stației se va deconecta de la RBC pe timpul efectuării mișcărilor de manevră, atunci când mecanicul selectează de pe DMI modul SH.

• Echipamentul ETCS îmbarcat monitorizează viteza trenului aflat în modul SH, chiar deconectat de la RBC, pentru a nu depăși valoarea națională impusă la manevră (la noi – 30km/h).

10. RV – Reversing:

• Acest mod permite mecanicului să schimbe direcția de mișcare a trenului (să dea cu spatele) din aceeași cabină activă de pe locomotivă (fără a se mai pierde timp cu schimbul de cabină).

• Acest mod este permis doar în zonele anunțate anterior de către echipamentul din cale.

• Acest mod poate fi util în cazul unui incendiu într-un tunel lung, permițând trenului să scape dintr-o situație periculoasă și să ajungă cât mai repede posibil într-o zonă sigură.

11. TR – Trip:

• Acest mod nu poate fi selectat de către mecanic, intervine automat în mai multe cazuri:

– trenul a depășit autorizarea de mișcare avută anterior (mod OS sau FS);

– trenul a trecut peste o baliză care nu se afla în lista așteptată de balize din MA;

– trenul a citit o baliză din direcția de deplasare greșită;

– trenul aflat în SR a citit o baliză care conține ordinul „stop if in SR” în telegrama acesteia, etc.

• Echipamentul ETCS de la bord aplică frânarea de urgență până la oprirea completă a trenului (nu este posibilă dezactivarea frânării în modul TR de către mecanic) și trimite un mesaj de avertizare a mecanicului.

• Pentru deblocarea frânelor de urgență aplicate, numai după ce trenul este oprit pe loc, mecanicul este obligat să ia la cunoștință prin intermediul unui mesaj text cu confirmare. După confirmarea mecanicului, trenul trece în singurul mod ETCS posibil după frânarea de urgentă : Post Trip (PT).

12. PT – Post Trip:

• Acest mod ETCS intervine imediat ce mecanicul ia la cunoștință frânarea de urgentă (prin apăsarea butonului de confirmare de pe DMI);

• Echipamentul de la bord trebuie să ofere mecanicului posibilitatea selectării SoM sau Shunting. Doar acestea sunt posibilitățile de a continua rularea trenului.

13. NL – Non Leading:

• Acest mod ETCS permite utilizarea echipamentului de la bord ca „slave”, pentru o locomotivă care nu este controlată la distanță de locomotiva principală(conducătoare), având propriul mecanic de locomotivă.

• Acest mod ETCS este utilizat la circulația locomotivelor „în tandem”.

• Echipamentul ETCS de la bord în mod NL nu efectuează supervizarea trenului, doar transmite la RBC raportul de poziție.

14. SL – Sleeping (fără simbol):

• Echipamentul ETCS de la bord în mod SL permite comanda la distanță a locomotivei „slave” de către cea principală, fără a fi necesară prezența mecanicului de locomotivă.

15.NP – No power (fără simbol):

• Echipamentul ETCS de la bord nu este alimentat. El trebuie să comande aplicarea frânei de urgență.

1.5. RBC- Radio Block Center

Pe scurt, RBC este un dispozitiv utilizat la nivelul ETCS 2 care acționează ca o unitate de siguranță centralizată care, utilizând conexiunea radio prin GSM-R, primește informații despre poziția trenului și trimite autorizația de circulație și alte informații necesare trenului pentru circulația sa. RBC interacționează cu interblocarea pentru a obține informații legate de semnalizare, starea rutei, etc. Este, de asemenea, capabil să administreze transmisia de date ale pieselor selectate și să comunice cu RBC-uri adiacente.

Acest computer este folosit pentru a gestiona informațiile primite de pe locomotivă privind poziția, si a procesa informațiile despre parcursurile comandate în instalațiile de semnalizare care, sunt apoi transmise prin radio ca MA(Autorizații de Mișcare) individual fiecărui tren aflat în raza de acțiune.

Prin GSM-R se stabilește legătura unui tren (OBU-On Board Unit) cu RBC folosind un grup de balize dedicat

Tranziția modului de circulație a unui tren din sistemul național (INDUSI-nivel STM) în sistemul ETCS nivel 2 se realizează printr-un grup de balize dedicate pentru conectarea trenului la RBC. Acesta este aflat cu mult înainte de semnalul de circulație în dreptul căruia se face efectiv tranziția.

Instalațiile electronice de semnalizare aflate in legătura permanentă cu RBC-ul au rolul de a asigura siguranța parcursurilor de circulație.

Emiterea unei autorizații de mișcare (MA) se poate face de către RBC în urmatoarele condiții:

Există un raport asupra poziției OBU;

Este stabilit sensul de deplasare al OBU;

Există o cerere de MA din partea OBU;

Există un parcurs setat și înzăvorât în instalația de centralizare electronică.

Se emite un MA care se aflaă în dependență cu lungimea parcursului comandat și care se termină în dreptul unui semnal de circulație. Prin intermediul monitorului (DMI), OBU transmite mecanicului de tren informații asupra vitezei de circulație și a distanței de parcurs. După obținerea unei autorizații de mișcare, OBU trebuie să ceara o nouă autorizație de mișcare, înaintea punctului în care OBU ar trebui sa înceapă frânarea, în cazul autorizației de mișcare precedente;

În cazul în care RBC primește o solicitare de MA din partea OBU, dacă instalația de centralizare electronică nu are deja un parcurs setat pentru acel tren, trebuie sa solicite instalației electronice de semnalizare realizarea unui parcurs. În cazul în care există deja un parcurs setat în CE, cu semnal pe liber, pe locomotivă, RBC trimite o prelungire a MA-ului emis anterior, în concordanță cu lungimea parcursului din CE.

Ca si regula generală, în cazul în care apare orice schimbare a unei condiții de siguranță din parcursul comandat trebuie sa conducă automat la emiterea unei noi MA sau după caz la retragerea MA-ului emis anterior.

In cazul primiririi la bordul locomotivei a unei cereri de scurtare/anulare a MA-ului anterior, EVC-ul de la bord, pe baza informațiilor deținute, realizează o nouă curbă de frânare corespunzatoare noii poziții unde trenul trebuie să se oprească.

O regula de bază spune că nu se admite ca OBU să aibă o MA fără ca aceasta să nu fie în concordanță ca un parcurs înzăvorât în instalația de centralizare electronică.

(Mihai Glodeanu, ,,Introducere in ETCS”)

Figura 1.10- RBC

1.5.1.Exemplu de arhitectură RBC

Fig 1.12. Exemplu de arhitectura RBC

1.5.2. Configurarea grupurilor de balize și linking

Conform UNISIG, un grup de balize poate fi alcătuit dintr-un număr de 1 până la 8 balize.

În faza de proiectare se stabilește numărul de balize care compun un grup, în funcție de cantitatea de informație necesară de a fi transmisă din cale către OBU la locația respectivă.

Cel mai des întâlnit este cazul în care se utilizează grupuri de două balize. Acest grup de balize este capabil să ofere trenului o directivă de mers validă prin citirea în ordine a primei și apoi a celei de-a doua balize din grup sau invers. În cazul în care informațiile necesare depășesc capacitatea celor 2, atunci numărul acestora se poate mări până la maxim 8. O singură baliză nu este capabilă să ofere RBC-ului informații privind sensul de mers, acest ”grup” fiind utilizat de obicei pentru corecția erorilor odometrice acumulate la bord pe distanțe mari.

Conceptul de linking între balize reprezintă în fapt o listă de balize transmisă către OBU prin intermediul MA-ului primit din RBC (la nivelul 2) sau prin intermediul balizelor transparente (la nivelul 1). Această listă cuprinde numerele balizelor pe care urmează să le întâlnească locomotiva, pe baza MA-ului emis, precum și distanța dinre balizele din linking, măsurată cu o precizie foarte bună (determinare topo), în lungul căii.

Folosind această informație de linking, locomotiva ETCS este capabilă să identifice eventualele grupuri de balize lipsă /defecte/poziționate greșit din cale dacă nu este capabilă să le citească la distanță (în cadrul unei ferestre de așteptare) si în ordinea precizată în linking. Pentru ca personalul de mentenață să acționeze în consecință, informația privind grupurile de balize lipsă /defecte/ poziționate greșit din cale se afișează la bord de DMI și se transmite prin GSM-R către datele de diagnoză din RBC.

Figura 1.13- grup de 2 balize

1.5.3. Comunicații radio cale-on-board

Radio-comunicațiile dintre echipamnetele din cale si OBU se realizează prin GSM-R. Acestea sunt realizate utilizând protocolul Euroradio. Acest protocol reglemetează stabilirea, menținerea și terminarea sesiunii de comunicații între OBU și RBC.

Figura 1. – transmiterea informatiei

1.5.4. Localizarea trenului

Figura 1.15- Parametrii pentru rapotul de poziție transmis de OBU la RBC

Raportul de poziție transmis de OBU la RBC în nivelul 2 se bazează pe cei 7 parametrii din figura de mai sus:

Distanța estimată parcursă este masurată la bord pe baza tahometrului și a radarului instalat pe locomotivă;

Intervalul de încredere reprezintă distanța între minim și maxim,ținând cont de distanța de la ultima baliză citită și erorile odometrice standardizate-max. 5%;

Identitatea LRBG-ultimul grup relevant de balize citite corect;

Direcția trenului de la LRBG (aceeași sau invers);

Direcția de citire a LRBG (nominală sau inversă);

Viteza/direcția de mers.

1.5.5 Profilul liniei de cale ferată

O altă informație importantă de luat în calcul se refera la profilul șinei. Astfel, în datele de proiectare ale RBC sunt introduse informații privind caracteristicile constructive ale liniei aflate sub controlul RBC. Acestea sunt: -declivități, gradient, viteza proiectată pentru liniile de garare, viteza în abatere pentru fiecare schimbător de cale, distanțele măsurate între toate elementele cu importantă în ETCS ale căii,etc).

De aceea, aceste informații sunt luate în calcul permanent la calcularea MRSP (Most Restrictive Speed Profile) de către EVC al OBU. MRSP reprezintă profilul de viteză impus pentru a fi respectat de o locomotivă, pe orice porțiune de linie aflată în controlul RBC.

Pe DMI-ul de la bordul locomotivei, mecanicul primește de asemenea informații în avans privind caracteristicile liniei pe lungimea pe care are autorizație de mișcare (zonă neutră, zonă unde nu îi este permis să oprească, mase metalice mari, tuneluri, zone unde trebuie să dezactiveze anumite tipuri de frâne-magnetice, regenerative, etc).

1.4.6. CMI-Restricții temporare de viteză

ETCS nivelul 2 prezintă foarte multe avantaje de luat în seamă. Printre acestea se numară și posibilitatea introducerii/ștergerii în timp real a restricțiilor de viteză (de exemplu cele de caniculă). Acest lucru se realizează de la consola operatorului RBC-CMI Operatorul RBC introducere restricțiile de viteză prin selectarea elementului de cale pe care se dorește restricționarea vitezei proiectate (prezentă în datele RBC) și prin efectuarea unei proceduri de siguranță contorizate și documentate (similar cu ruperea plumburilor la manipulatorul CED). El poate introduce una sau mai multe restricții de viteză pe un element de cale.

Dacă sunt introduse mai multe restricții de viteză pe un element de cale atunci RBC va transmite trenurilor înregistrate, ce urmează să circule pe acel tronson, viteza cea mai mică introdusă de operatorul RBC.

Figura 1.16- Intoducerea restricțiilor temporare de viteză de către operatorul RBC

O altă facilitate oferită operatorului RBC este monitorizarea la postul CMI-RBC a vitezei trenurilor înregistrate în sistem și posibilitatea comandării frânării de urgență individuale a acestora (UES-Unconditional Emergency Stop).

Figura 1.17- comandarea frânării de urgență individuala a trenurilor

De asemenea, în cazuri de urgență care impun acest lucru, este posibilă oprirea tuturor trenurilor aflate în raza RBC prin acționarea butonului din stânga (STOP)

Figura 1.18- Oprirea tuturor trenurilor în cazuri de urgență

Figura 2.19- Schema bloc ETCS/ ERTMS

(,,European Rail Traffic Management System ERTMS Overview”, ERTMS Seminar 2008, Part C)

Capitolul 2- Rețeaua GSM-R.Utilizarea serviciilor de voce și date

2.1.Rețeaua GSM-R compatibilă EIRENE

O rețea GSM-R compatibilă EIRENE constă din urmatoarele elemente:

Echipamentele Terminale Mobile

Subsistemul Stațiilor de Bază

Sistem de Propagare Tunel

Subsistemul de Rețea

Subsistemul Terminalelor fixe.

Figura 2.1- aplicatii ale sistemului gsm-r definite de airene

Specificații ale rețelei radio:

Banda de frecvență GSM-R – uplink:876-880MHz, downlink: 921-925MHz

Abilități la viteze mari (testat la viteze de până la 500km/h)

Specificații GSM faza 2+ (GSM-R):

VGCS (Voice Group Call Service – Serviciu de apelare în grup)

VBS (Voice Broadcast Service – Serviciu de broadcast voce)

eMLPP (enhanced Multi-Level Precedence and Preemption)

Figura 2.2 – Interconectari posibile in viitor in sistemul GSM-R CFR

EIRENE specifică cerințele pentru un standard radio digital pentru căile ferate europene, deși este aplicabil și la nivel mondial. Este format din FRS (Specificația funcțională a cerințelor) și SRS (Specificația cerințelor sistemului). EIRENE are o legătură directă cu specificațiile ETSI relevante, care acoperă detaliile tehnice ale tehnologiei radio GSM utilizate.

Unul dintre obiectivele principale ale EIRENE FRS și SRS este de a asigura interoperabilitatea trenurilor și a personalului care trece frontierele naționale sau alte frontiere între sisteme. Acesta definește cerințele și condițiile pentru furnizarea funcționalității armonizate de-a lungul liniilor feroviare.

Unele dintre cerințele din specificațiile EIRENE, legate de interoperabilitate, sunt obligatorii din punct de vedere juridic în Europa, deoarece fac parte din Specificația tehnică de comandă și semnalizare pentru interoperabilitate (STI CCS), publicată prin Decizia europeană [16] și a acesteia amendamente.

Este obligatoriu ca fiecare subsistem feroviar (tren, infrastructură) din Uniunea Europeană să îndeplinească aceste aspect cerințe privind liniile care intră în sfera de aplicare a Directivei de interoperabilitate feroviară [14], pentru a asigura compatibilitatea tehnică între statele membre și integrarea sigură între tren și cale ferată. Cerințele radio legate de spectru, acoperire și intensitatea semnalului sunt printre acestea.

2.1.1.Echipamentele Terminale Mobile

Aceste echipamente sunt alcătuite din:

Radio cab: pentru utilizarea de către mecanicul unui tren și de către alte sisteme instalate în trenuri,de exemplu ERTMS/ETCS

Figura 2.3- radio cab

Radio de uz general (GPH) – pentru utilizarea de către personalul de la căile ferate

Radio operațional (OPH) -pentru utilizarea de către personalul feroviar în operarea trenurilor,cum ar fi manevra și întreținerea.

figura 2.4- dispozitiv radio operational

2.1.2 Subsistemul de rețea (NSS)

Subsistemul de rețea NSS este constituit din:

Centrul de comutație, MSC (Mobile Switching Centre): Mobile Switching Centre-MSC reprezintă cel mai de succes sistem de comutație din lume atât pentru aplicații mobile cât și pentru aplicații fixe. Datorită dimensiunilor relativ reduse ale rețelelor GSM-R, toate funcțiile sunt combinate reprezentând astfel solutia cea mai ieftină. Este o platformă complet scalabilă și ușor de adaptat pentru a corespunde oricăror cerințe viitoare, ca de exemplu ETCS.

MSC, care va fi desfășurat în cadrul nodului central (Core Node Site), trateaza toate serviciile de control apel pe platforma GSM-R. Aceasta comută conexiuni radio între:

stație mobilă GSM-R (MS) și un terminal fix (PSTN/ISDN sau sistem fix de dispecerat)

stație mobilă GSM-R (MS) și alt PLMN MS (rețele GSM sau GSM-R publice din alte țări,cu condiția existenței unui acord de roaming)

Două stații mobile (MS) în cadrul sistemului GSM-R

MSC poate conecta apelurile și la/de la abonații conectați prin linie ISDN, rata primară la subsistemul de terminale fixe.

Bazele de date necesare pentru gestiunea utilizatorilor și pentru realizarea diferitelor operații funcționale ale sistemului, AuC (Authentication Centre), EIR (Equipment Identity Register), HLR (Home Location Register), VLR (Visitor Location Register).

Registrul apelurilor de grup (GCR-Group Call Register), este o bază de date care stochează datele necesare apelurilor de grup. GCR reprezinta o bază de date în GSM care stochează datele necesare apelurilor de grup folosite de către ASCI (Advanced Speech Call Items):

Serviciile de voce de grup (VGCS-Voice Group Call Service)

Serviciile de broadcast de voce (VBS-Voice Broadcast Services)

Pentru rețeaua CFR GSM-R, GCR-ul este implementat ca o parte integrată a MSC-ului. Acesta stochează atributele relevante VGCS și VBS cum ar fi:

ID-uri de grup;

Adrese MSISDN dispecer

Identificatori ai celulelor de downlink apartinând grupului

Informații relevante legate de prioritatea de apel a grupului-eMLPP.

GCR este în primul rând o funcție a bazei de date, deținând informații despre apelurile de grup. Informațiile GCR specifice unui apel de voce de grup sunt configurate la crearea atributelor grupului respectiv și pot fi modificate ulterior.

Centrul de confirmări (AckC-Acknowledgement Center), centru de colectare a datelor statistice în caz de apel de urgență pe calea ferată

Funcționalitatea centrului de confirmări (AckC) pentru CFR GSM-R este realizată de catre IN. Acest centru de confirmări este o componentă cu importanță majoră în cadrul rețelei GSM-R, utilizată pentru înregistrarea statistică a apelurilor feroviare de urgență (REC).

De fiecare dată când un abonat GSM-R, de ex. Cab Radio efectuează un REC, imediat după ce acest apel a fost efectuat, mobilul va iniția un alt “apel” pentru confirmare. IN va fi activat doar pentru cel de-al doilea apel pentru furnizarea datelor de interes statistic.

Rețeaua inteligentă- (IN-Intelligent Network), cu rolul de a îndeplini funcționalitatea de Follow me Functional Node (FFN) mandatată de EIRENE IN este o entitate fizică separată a NSS ce indeplinește funcționalitați specifice GSM-R cum ar fi:

Suport pentru sistemul de numerotare EIRENE,de exemplu funcționalitatea Follow-me Functional Node (FFN),funcționalitate ce permite numerotația funcțională și administrarea USSD (Unstructured Supplementary Service Data)

Adresare bazată pe locație-Location Dependent Addressing (LDA)

Funcții suplimentare de administrare și autorizare (Matricea de Acces-Access Matrix).

2.1.3 Stației de Bază (BSS)

Stația de bază BSS are in componență:

Base Transceiver Station (BTS)

Base Station Controller (BSC)

Stațiile de bază (BTS) de tip Nokia Siemens Networks BS240 II prezintă cele mai recente avantaje în materie de hardware pentru stații de bază. Solicitările în creștere pentru capacitate sunt acum satisfăcute datorită volumului semnificativ redus și a unui număr restrâns de TRX. BS240 II este o soluție de interior, ea poate fi extinsă până la 48 purtătoare în maxim 3 rack-uri (16 purtătoare într-un rack).Versiunea SW oferită este BE10.

Fig.2.5 Stație de bază (BTS) Nokia Siemens Networks BS240 II

Până la patru echipamente BTS pot fi conectate în buclă cu BSC. Teoretic până la 7 echipamente BTS în buclă sunt posibile, dar se recomandă o valoare mai mică de 4. Această configurație oferă chiar și în cazul unei căderi E1 sau pierderi E1 la un echipament BTS continuitatea apelurilor în curs,deoarece redirecționarea buclei deschise are loc fară întreruperi.

BSC, dispozitivul avansat de control al stațiilor de bază, oferă flexibilitate maximă pentru configurația rețelei datorită instalării la distanță a echipamentului de comutație.Versiunea SW oferită este BR10.

BSC oferă o capacitate dinamică de până la 10000 Erlang cu un număr de TRX controlate de pană la 1000 și 2000 de celule.

Asigură redundanța tuturor plăcilor principale.Urmând conceptul de toleranță 2n implementat pentru componentele BSC centrale precum și conceptul de redundanță n+1 implementat pentru toate interfețele de linie,este realizat un nivel ridicat de toleranță la erori.

2.1.4.Subsistemul terminalelor fixe

Figura 2.6 Centrală fixă de comutație PABX

Acesta este, de obicei, un sistem hardware bazat pe o centrală fixă de comutație PABX (Private Automatic Branch Exchange).

Acesta are rolul de a realizeaza legătura dintre centrala mobilă de comutație (MSC) și dispecerii operatorului de cale ferată.

2.2.Funcționalități și servicii GSM

Funcționalitatea standard GSM:

Toate serviciile pot fi folosite pentru GSM-R

Îmbunătățirile GSM pentru căile ferate (specificate în ETSI):

Serviciul de Apel de Grup

Serviciul de Apel de Difuzare

Serviciul de preemțiune și precedența pentru apelurile cu grad înalt de prioritate

Funcționalitați GSM pentru căile ferate (EIRENE)

Adresarea Funcțională

Adresarea dependentă de locație

Apeluri de urgență pe calea ferată

Confirmarea apelurilor cu prioritate

Viteza până la 500 km/h

Servicii operaționale:

Adresarea dependentă de locația optimizată

SMS către un numar funcțional

Soluții avansate pentru dispeceri

Exisăa două tipuri de servicii pentru apelurile de grup:

Apelul de grup-voice Group Call (VGCS)-TS91,este folosit pe o scară largă în GSM-R pentru aplicații:

Apelurile de urgență pe calea ferată (Railway Emergency Call)

Apelurile de manevră (Shunting communication)

Apelul de difuzare-Voice Broadcast Call (VBS)-TS 92,sunt folosite pentru a da informații unor grupuri specifice de utilizatori,de exemplu când controlorii de trafic doresc să dea informații tuturor mecanicilor de tren dintr-o zonă anume.

Rețelele actuale GSM sunt proiectate pentru conexiuni tip punct-la-punct. Cerințele unei rețele GSM-R implică însă realizarea apelurilor de tip punct-la-multipunct. Această facilitate este introdusă de standardele GSM ETSI prin teleserviciile TS91 și TS92 sub denumirea de facilitate ASCI (Advanced Speech Call Items).

2.2.1 VGCS (Apelul de grup) si VBS (Apelul de difuzare)

Serviciul de apeluri de grupuri vocale (VGCS) este un serviciu de comunicare mobilă pentru GSM, care permite abonaților să comunice cu mai mulți alți abonați în același timp. Pentru aceasta sunt necesare telefoane speciale care acceptă această funcție. O primă desfășurare a fost observată cu căile ferate europene. Acest serviciu este o caracteristică a ASCI (Advanced Speech Call Items) din GSM

Acest serviciu permite conversația vocală a unui grup predefinit de abonați ai serviciului în modul jumătate duplex pe legătura radio, luând în considerare mai mulți abonați ai serviciilor mobile implicate în apelul VGCS per celulă. VGCS se aplică tuturor stațiilor mobile dintr-o anumită rețea și zonă care au capacitatea tehnică și respectiv abonamentul corespunzător, de a participa la un apel VGCS

Dispecerul este un abonat fix dedicat sau un abonat mobil ale căror numere sunt identificate ca și dispeceri în rețeaua GSM-R. Aceștia vor fi implicați în toate apelurile de grup sau broadcast aparținând unui grup particular (GROUP ID) dintr-o zonă radio predefenită (apelarea acestora va fi facută automat de către rețea). Dispecerii mobili pot fi localizați în afara ariei de acoperire pentru acel apel de grup. Adițional, dispecerii pot iniția ei inșiși apelurile de grup sau broadcast apelând un număr special MSISDN ce apartine unui Group ID și aria radio a grupului.

Identificator de grup (Group ID-GID): Fiecare apel de grup/broadcast este cunoscut în rețea cu ajutorul unui identificator (număr compus din 3 cifre).

Zona apel de grup (Group Call Area-GCA): Zona geografică definită în rețea ca un set de celule radio în care se va stabili la un moment dat un apel de grup/broadcast.

Referința apelului de grup (Group Call Reference-GCR): GCR=GCA+GID (număr compus din 8 cifre).

Referința apelului de grup este creat ca și intrare în entitatea funcțională din rețea (Group Call Register). Aceasta cuprinde o serie de atribute corespunzătoare pentru acel particular apel de grup:

Zona de acoperire a apelului de grup

Identitațile dispecerilor (lista celor ce pot iniția și/sau termină un apel de grup)

Prioritatea eMLPP ce se aplică grupului

Codecurile și cifrarea radio ce vor fi folosite

Timp de inactivitate,a cărui expirare va duce la închiderea acelui apel de grup.

Membrii grupului (Group members): Sunt abonații mobili (Service Subscribers) ce sunt autorizați prin subscrierea unor Group ID-uri specifice (informativ aflată pe SIM Card), să participe la un anume apel de grup.

Canal radio de apel de grup (Group Call Channel): Acesta reprezintă un canal radio combinat de tip uplink/downlink ce se alocă în fiecare celulă definită în service area pentru un anume group call. Canalul de uplink poate fi utilizat numai de către abonatul ce vorbește la un moment dat. Toate stațiile mobile ale abonaților ascultători dintr-o celulă folosesc același canal radio comun de downlink.

Un dispecer este responsabil pentru trenurile din zona sa de autoritate. El trebuie sa fie capabil să comunice cu toate trenurile din acea zonă pentru a schimba informații de interes comun.

Acesta va apela un număr special, având ca și consecință alertarea tuturor trenurilor ce tranzitează zona. Conducătorii vor accepta apelul și astfel vor putea asculta informațiile transmise de dispecer. Aceștia pot comunica la rândul lor, secvențial, prin apăsarea butonului de Push to Talk (PtT) pentru a contribui la schimbul de informații. Acest lucru este realizat prin apelurile de tip VGCS.

Figura 2.7 Alertarea tuturor trenurilor ce tranzitează zona de către dispecer

Fig.2.8 Acceptarea apelului de către conducatori și ascultarea acestuia

Figura.2.9 Înștiințarea personalului ce se află în zona căii ferate asupra viitoarei prezențe a trenului

Figura.2.10 Personalul din zona căii ferate comunicând la rândul lor,apăsând butonul Push to Talk

Caracteristici VGCS:

În cazul în care un service subscriber apelează un GID, el este considerat a fi inițiatorul de VGCS

În interorul ariei de acoperire GCA, toți abonații vor primi inștiințarea de apel

Aceștia pot accepta apelul, devenind astfel ascultători

Figura.2.11 Caracteristici VGCS

Orice mobil poate cere canalul de uplink pentru a comunica

Doar mobilul ce are uplink-ul poate vorbi

Doar inițiatorul VGCS-ului poate termina apelul de grup.Acesta va introduce o serie de tonuri DTMF de la mobil (***)

Toți abonații pot parăsi sau reveni la apelul de grup în orice moment,acest lucru fiind posibil și pentru inițiator

Dacă într-un interval definit în registrul apelurilor de grup (GCR),niciun mobil nu mai cere canalul de uplink,MSC-ul termină în mod automat acel apel de grup

Caracteristici VBS:

Un utilizator mobil apelează un GID de VBS, el este considerat a fi inițiatorul

În interiorul ariei de acoperire GCA,toți abonații cu GID-ul apelat de inițiator vor primi înștiințarea de apel

Aceștia pot accepta apelul, devenind astfel ascultători

Numai initiatorul poate vorbi

Toți abonații pot parăsi sau reveni la apelul de grup în orice moment

Numai initiatorul poate termina apelul de broadcast

Figura.2.12 Caracteristici VBS

Rolul dispecerilor în VGBS/VBS:

Șase dispeceri pot fi configurați pentru un apel de grup/broadcast

În timpul unui apel VGCS sau VBS dispecerul are un canal dedicat,full duplex cu rețeaua GSM-R

Poate vorbi în orice moment,indiferent dacă un service subscriber vorbește sau nu la un moment dat

Poate termina apelul VGCS sau VBS în orice moment,chiar dacă nu el a fost inițiatorul apelului

Dispecerul poate fi o stație mobilă sau o linie fixă

Figura.2.13 Rolul dispecerului în VGBS/VBS

Mecanicul de locomotivă trebuie să poată alerta toate trenurile din zona apropriată, în situațiile de urgență care impun acest lucru. Responsabilul pentru zona respectivă trebuie sa fie de asemenea implicat. Mecanicul va apăsa butonul roșu de pe aparatul său radio pentru a iniția un apel de urgență. Toate trenurile din apropriere vor fi notificate de urgență și vor prelua în mod automat apelul.Responsabilul trebuie să fie și el alertat.

Figura 2.14 Mecanicul de locomotivă alertează toate trenurile din zona apropriată în situațiile de urgență

Fig.2.15 După ce toate trenurile din apropriere preiau apelul de urgență, responsabilul de zonă este alertat

2.2.2 Prioritate multinivel și pre-empțiune (Emlpp-Enhanced multi level precedence and preemption)

Nivelele de prioritate definite de UIC pentru apelurile din rețeaua GSM-R sunt:

Prio 0-Apelurile de urgență pe calea ferată

Prio 1-Apelurile de comandă-control (siguranța circulației)

Prio 2-Apelurile de urgență publică,apeluri de grup între trenurile dintr-o zonă

Prio 3-Apelurile operaționale (mecanic-dispecer,informații comandă-control)

Prio 4-Apelurile de informații și restul de apeluri

Apelurile Prio 0, vor iniția în mod automat Fast Call SetUP.

Figura.2.16 Apel Prio 0,Fast Call SetUp

2.3. Aplicațiile principale în GSM-R – ETCS

ETCS reprezint o aplicație extremă de solicitantă pentru GSM-R, datorită nivelului foarte ridicat de calitate a serviciului necesar. În ciuda acestui fapt, volumul datelor transmise sunt foarte mici. Viteza maximă de transmitere a datelor cerută rețelei este de maxim 9,6 Kb/s.

ETCS are nevoie de transmisiile datelor în timp real și în mod interactive . Acest serviciu de date pentru ETCS este permis a se realiza în specificațiile curente EIRENE, folosind doar rețeaua de comutare de circuite (Circuit Switch).

2.3.1.Modul de transmitere al datelor între infrastructură și tren pentru (Circuit Switched Data)

RBC-Radio Block Centre

EDOR-ETCS Data Only Cab Radio

Figura. 2.17 modul de transmitere al datelor între infrastructură și tren pentru CS

Pentru a putea să îndeplinească metodele de adresare specifice operatorilor GSM-R, planul de numerotare EIRENE oferă o gamă variată de tipuri de numere precum : numere funcționale, coduri scurte, adrese de grup. EIRENE specifică structrura planului de numerotație, dar este în responsabilitatea operatorului de cale ferată să-l implementeze în concordantă cu acesta. Acest lucru are ca obiectiv garantarea interoperabilitatea rețelelor GSM-R din diferite tări.

2.3.1.1.Structura de numerotație a numerelor naționale EIRENE

Fig.2.23 Alcătuirea numerotație naționale a numerelor EIRENE

CT- Tipul apelului (Call Type), este un prefix ce este utilizat pentru a putea diferenția variatele tipuri de numere de utilizatori ce sunt agreați în planul național de numerotare EIRENE. Acesta reprezintă o indicație pentru rețea asupra modului de interpretare a numărului apelat.

UIN- Indentificator utilizator (User Identity Number), poate fi unul din următoarele numere:

Număr de funcționare tren (Running Number-RN)

Număr de locomotivă (Engine Number-EN)

Număr de vagon (Coach Number-CN)

FC-Cod funcțional (Function Code). Acesta este utilizat cu scopul de a identifica de exemplu, o persoană sau un echipament dintr-un tren, sau o anume echipă de manevră sau de mentenanța dintr-o locație anume:

Coduri scurte-CT1 (Short Codes)

Numere funcționale tren-CT2 (Train Function Number)

Numere funcționale locomotivă-CT3 (Engine Function Number)

Numere funcționale vagon-CT4 (Coach Function Number)

Numere de apel de grup-CT50 (Group Calls)

Numere de apel de difuzare-CT51 (Broadcast Calls)

Numere funcționale membrii echipe de mentenanță și manevră-CT6 (Maintenance and shunting team members)

Numere funcționale dispeceri-CT7 (Train Controllers)

Numere abonați mobili-CT8 (Mobile Subscriber Numbers)

Coduri de ieșire alte rețele GSM-R-CT9 (Breakout codes)

„Nokia Siemens Networks, ,,Rețeaua GSM-R-Utilizarea serviciilor de voce și date”

Capitolul 3. Semnalizarea în rețelele GSM/GSM-R

Rețelele de telecomunicații GSM/GSM-R, utilizează sistemul de semnalizare 7 (SS7), ca mecanism de transport pentru controlul apelurilor și tranzacțiilor cu bazele de date, protocolul satisfăcând cerințele de timp real ale aplicațiilor legate de mobilitate.

3.1.Sistemul de semnalizare SS7

Acest sistem de semnalizare 7 reprezintă o arhitectură pentru semnalizarea în afara benzii (out-ofband signaling), ce asigură suport pentru stabilirea apelului, taxare, funcții de rutare și comutare în rețeaua GSM.

Semnalizarea se referă la schimbul de informații necesare pentru furnizarea și menținerea unui serviciu (voce, date, SMS, etc…)

SS7 include funcțiile realizate de o rețea de semnalizare,cu ajutorul unui set de protocoale ce controlează această rețea.

Este caracterizat prin transmisie de pachete de viteză mare și semnalizarea în afara benzii.

Aplicațiile suportate de către sistemul SS7 sunt:

Interacțiune cu Baze de date Rețea (cu bazele de date care stochează informații legate de rețeaua de telecomunicație) si Puncte de Control de Serviciu pentru controlul serviciilor furnizate

Servicii mobile

Servicii pentru rețelele fixe analogice și digitale

Operații de administrare și întreținere ale rețelelor de telecomunicații.

Rețeaua SS7 furnizează următoarele funcții:

Operații de bază legate de stabilirea,managementul,taxarea și eliberarea unui apel

Funcționalități imbunătățite pentru apeluri:apel în așteptare,redirecționarea apelului,afișarea numărului apelant,restricția/rejecția unor apeluri,apeluri cu trei părți,apeluri de grup,apeluri de difuzare

Gestionarea congestiilor și a priorităților

Servicii pentru autentificarea abonatului mobil

Portabilitatea numărului local (LNP-Local Number Portability)

Schimbul informațiilor stocate în baze de date localizate în diferite elemente de rețea (NE-Network Element)

Managementul rețelei pentru comunicații eficiente ți sigure

3.2.Arhitectura SS7

Rețeaua include următoarele trei componente esențiale:

Puncte de comutație a serviciului (Service Switching Points-SSPs)

SSP-urile sunt centrale telefonice (locale sau de tranzit) echipate cu software cu facilități SS7 și legături de semnalizare terminale –ele inițiază,termină sau comută apelul

Un SSP trimite mesaje de semnalizare către alte SSP-uri,pentru a realiza,controla și întrerupe circuitele de voce,operații cerute pentru desfășurarea unui apel

Un SSP poate trimite de asemenea interogarea la o bază de date (SCP) pentru a determina cum să ruteze apelul

Nodurile SSP sunt punctele de acces ale serviciului de către utilizatori prin utilizarea unui protocol de acces

În rețelele GSM-R,funcționalitatea de SSP este preluată de MSC/VLR

Puncte de transfer ale semnalizării (Signaling Transfer Points-STPs)

STP-urile sunt comutatoare de pachete ale rețelei SS7.Ele recepționează și rutează mesajele de semnalizare către destinația corespunzătoare

Un STP rutează fiecare mesaj recepționat la o legătură de semnalizare de ieșire pe baza informației de rutare conținute în mesajul SS7

Rețelele GSM-R fiind de mici dimensiuni nu necesită instalarea de STP-uri

Puncte de control semnalizare (Signaling Service Control Points-SCPs)

SCP-urile sunt baze de date care furnizează informațiile necesare pentru capabilități avansate de procesare a apelurilor

SCP-urile sunt desfășurate de regulă în perechi complementare localizate în puncte fizice diferite-unul dintre SCP-uri fiind redundant

Nodurile SCP execută funcții de control ale rețelei-taxare sau translație de numere telefonice

În rețelele GSM-R,funcționalitatea de SCP este preluată de sistemul IN

Rețeaua SS7 este construită utilizând o arhitectură cu redundanță ridicată-fiecare element individual trebuie să satisfacă condiții impuse pentru disponibilitate.Sunt definite protocoale între elementele interconectate,protocoale care asigură capabilități de detecție a erorilor și retransmisie a mesajelor eronate pentru a se permite continuarea serviciului în cazul unor defecțiuni ale legăturilor de semnalizare.

Fiecare punct de semnalizare din rețeaua SS7 este identificată în mod unic de un cod numeric (Point Code-PC).Aceste coduri sunt transportate în mesajele de semnalizare schimbate între punctele de semnalizare pentru a se identifica punctul de origine (Origination Point Code-OPC) și punctul de destinație (Destination Point Code-DPC) al fiecărui mesaj.Fiecare punct de semnalizare utilizează o tabelă de rutare pentru selecția legăturii de semnalizare corespunzătoare fiecărui mesaj.

3.2.1.Structura generală a unei rețele telefonice cu semnalizare SS7

Fig.3.1 Structura generală a unei rețele telefonice cu semnalizare SS7

3.2.2.Partea de transfer a mesajelor (Message Transfer Part-MTP)

MTP L1-Legătura de date de semnalizare-Signaling Data Link (SDL)

Definește caracteristicile fizice, electrice și funcționale ale legăturii digitale de semnalizare

Interfețele fizice definite include:DS1 (un slot al cadrului T1 cu debitul de 1.544 Mbps),E1 (un slot al cablului E1 cu debitul de 2,048 Mbps)

MTP L2-Legătura de semnalizare-Signaling Link (SL)

Definește funcțiile și procedurile care asigură transmiterea sigură a mesajului pe legăturile de semnalizare

Aceste funcții implementează controlul fluxului,validarea secvenței de mesaje,detecția de erori-când apare o eroare pe legătura de semnalizare,mesajul este retransmis

MTP L3-Rețeaua de semnalizare-Signaling Network (SN)

Definește acele funcții și proceduri de transport care sunt comune legăturilor de semnalizare și sunt independente de legăturile individuale de semnalizare

Asigură adresarea nodurilor și rutarea mesajelor între punctele de semnalizare din rețeaua SS7

Asigură rerutarea traficului de pe legăturile și punctele de semnalizare defecte și controlează traficul când apar congestii

Asigură transferul mesajelor între punctele de semnalizare de-a lungul rețelei SS7,indiferent dacă există sau nu legatura directă între aceste puncte

Partea de control a conexiunii de semnalizare-Signaling Connection Control Part (SCCP):

Furnizează funcții adiționale MTP-ului pentru asigurarea serviciilor de conexiune,orientate și neorientate și pentru asigurarea Translației Globale de Titlu (GTT-Global Title Translation)-este utilizat ca și un strat transport cap la cap

SCCP furnizează numere de subsistem pentru a permite adresarea mesajelor unor aplicații specifice sau unor subsisteme din puncte de semnalizare specifice

GTT adaugă abilitatea de a se executa rutare incrementală și eliberează punctul de semnalizare original,de sarcina cunoașterii tuturor destinațiilor posibile

Un titlu global (Global Title) este o adresă (un număr funcțional de MSC,HLR) sau număr de abonat mobil care este translatat de către SCCP într-un “point code” de destinație și un număr de subsistem-un astfel de număr de subsistem identifică în mod unic o aplicație în punctul de semnalizare de destinație

SCCP este utilizat ca și un strat de transport pentru serviciile bazate pe TCAP

Partea de utilizator de telefon-Telephone User Part (TUP):

Definește funcțiile semnalizării de control internaționale pentru stabilirea și întreruperea unei comunicații telefonice clasice-reprezintă o implementare mai veche a lui SS7 și nu permite aplicații de date

Partea de utilizator ISDN-ISDN User Part (ISUP):

Definește protoacoalele utilizate pentru stabilirea,managementul și eliberarea circuitelor trunchiuri care transportă voce și date între SSP-uri (MSC-MSC,MSC-PSTN)

Capabilități de tranzacție-Transaction Capabilities (TC):

Furnizează mijloacele necesare pentru stabilirea unei conexiuni ce transportă date care nu controlează comutația de circuite între două puncte de semnalizare SP (Signaling Points)

Partea de aplicații a capabilității de tranzacție-Transaction Capabilities application Part (TCAP):

Asigură schimbul datelor care nu controlează comutația de circuite între aplicații localizate în rețeaua SS7,utilizând serviciul SCCP nebazat pe conexiune (connectionless) ca și un strat de transport

Definește mesajele și protocoalele utilizate pentru comunicația dintre aplicațiile localizate în nodurile rețelei SS7

Interogări și răspunsuri trimise între SSP-uri și SCP-uri sunt transportate în mesajele TCAP

In rețelele mobile,TCAP transportă mesajele “Mobile Application Part” (MAP) trimise între diferitele entități ale unei rețele mobile (pentru autentificarea utilizatorului,identificarea echipamentului)

Fig.3.3 Partea de transfer a mesajelor

Nokia Siemens Networks, ,,Semnalizarea în rețelele GSM-R”

Capitolul 4- Studiul și amplasarea antenelor pentru RBC

O antenă este un dispozitiv electric ce transformă curenții electrici variabili in unde radio și invers. Aceasta este utilizată de obicei ca emițător, sau receptor radio.

În transmisie,un emițător radio furnizează un curent electric variabil cu o frecvență din domeniul radio la bornele antenei,iar antena radiază energia curentului electric sub formă de unde electromagnetice (unde radio).La recepție,antena captează o parte din energia unei unde electromagnetice,pentru a produce o mică tensiune la terminalele sale.Aceasta se aplică unui receptor,pentru a fi amplificată.

Antenele sunt utilizate la emisia și recepția undelor electromagnetice sau a direcției undelor recepționate,fiind componente esențiale ale tuturor echipamentelor care utilizează unde radio.Ele sunt folosite în sisteme cum ar fi radiodifuziune,televiziune,comunicații bi- și multidirecționale,radar,telefonie mobilă,comunicații prin satelit,telecomanda radio,microfon fără fir,dispozitive Bluetooth,rețele wireless pentru calculatoare etc.

O antenă constă într-un aranjament de conductori metalici,conectați electric la receptor sau emițător.Un curent variabil prin antenă va crea un câmp magnetic variabil în jurul elementelor antenei,în timp ce sarcina electrică din aceasta,de asemenea variabilă,creează un câmp electric variabil de-a lungul elementelor.Aceste câmpuri variabile în timp radiază departe de antenă,în spațiu sub forma unei unde electromagnetice formate dintr-un ansamblu de câmpuri electrice și magnetice variabile,transversale.În schimb,în timpul recepției,câmpurile electrice și magnetice ale unei unde radio exercită forțe asupra electronilor din elementele antenei,făcându-i să se miște într-un sens și invers,creând curenți oscilanți în antenă.

Antenele sunt caracterizate printr-o serie de măsurători de performanță,pe care un utiliyator le-ar putea lua în calcul în selecția sau proiectarea unei antene pentru o anumită aplicație.Cel mai important dintre acestea se referă la caracteristicile direcționale (cum sunt ele descrise în diagrama de directivitate a antenei):câștigul.Chiar și în antenele omnidirecționale (sau slab direcționale),câștigul poate fi adesea crescut prin concentrarea puterii acestora în direcții orizontale,sacrificând puterea radiată spre cer și pământ.Câștigul în putere al antenei ia de asemenea în considerare eficiența antenei și este de multe ori principal mărime caracteristică a acesteia.

Antenele rezonante sunt folosite în jurul unei frecvențe particulare de rezonanță;o antenă trebuie prin urmare să fie construită corespunzător gamei de frecvență a aplicației destinate.Un design particular al antenei va prezenta o impedanță particulară în punctul de alimentare.În timp ce acest lucru poate afecta alegerea unei antene,impedanța antenei poate fi adaptivă nivelului de impedanță dorit al unui sistem prin utilizarea unei rețele de adaptare,menținând în același timp celelalte caracteristici (exceptândo posibilă pierdere de eficiență).

Deși acești parametrii pot fi măsurați în principiu,astfel de măsurători sunt dificile și necesită echipamente foarte specializate.Dincolo de acordul unei antene de transmisie cu ajutorul unui măsurător al raportului de unde staționare,utiliyatorul tipic depinde de previziuni teoretice bazate pe proiectarea antenei,sau cu privire la cererile furnizorului.

O antenă transmite si recepționează unde radio,cu o anumită polarizare,care poate fi reorientată în multe cazuri prin înclinarea axei antenei.Dimensiunea fizică a unei antene este de multe ori o problemă practică,în special la frecvențe joase (lungimi de undă mai mari).Antenele foarte direcționale trebuie să fie semnificativ mai mari decât lungimea de undă.Antenele rezonante folosesc un conductor,sau o pereche de conductoare,fiecare dintre care fiind lung de aproximativ un sfert din lungimea de undă.La antenele care trebuie să fie foarte mici în comparație cu lungimea de undă,eficiența este sacrificată și ele pot fi foarte direcționale.Din fericire,la frecvențe mai mari (UHF,microunde) compromisurile privind performanța pentru a obține o dimensiune fizică mai mică nu sunt de obicei necesare.

Antene rezonante

În timp ce există si modele de bandă largă pentru antene,marea majoritate a antenelor se bazează pe dipolul semiundă,care are o frecvență de rezonanță specifică.La frecvența de rezonanță,lungimea de undă (dată de raportul dintre viteza luminii și frecvența de rezonanță) este puțin peste dublul lungimii dipolului semiundă.Antena verticală în sfert de undă constă dintr-un brat de dipol semiundă,celălalt brat fiind înlocuit de o conexiune la masă sau un plan echivalent de masă.Elementele sfert de undă ale unui dipol,sau antena verticală imită un element electric resonator serie,deoarece,atunci când sunt excitate la frecvența de rezonanță,este creată o undă staționară cu un maxim de curent la punctual de alimentare și un maxim de tensiune la capăt.

Lărgimea de bandă

Antenele nu sunt construite pentru o singură frecvența, ci pentru o gamă de frecvențe, numită bandă de lucru.

O caracteristică esențială a antenei este polarizarea câmpului radiant la o distanță suficient de mare, unda emisă poate fi considerată o undă plană ce se propagă după direcția vectorului de poziție ,al cărui modul este:

r (1)

Unde:

r-distanța față de antenna

D-lungimea antenei

λ-lungimea de undă radiată

În scopul prezentei lucrari, se folosesc antene GSM, astfel încât fiecare BTS va avea conectată câte o antenă prin intermediul căreia va acoperi cu semnal o anumită arie geografică.

Se utilizează două tipuri de antene pentru a acoperi nevoile specifice acoperirii zonelor de cale ferată, respectiv celor de test: pentru utilizarea operațională vor fi utilizate antene având codul TDJ-809021DM-33FTO, în timp ce pentru locațiile de test vor fi utilizate antene de tip TDJ-809009D-65FTO.

TDJ-809021DM-33FTO TDJ-809009D-65FTO

Tabelul 1. Caracteristici tehnice ale celor două tipuri de antene

https://ro.m.wikipedia.org/wiki/Antenă_(radio)#/editor/12

4.1.Modelarea canalului al rețelei wireless (fără fir) în tuneluri

Caracteristicile de propagare a undelor (EM) în tuneluri sunt semnificativ diferite de cele din mediul terestru. Acest tip de canal arată că atenuarea este determinată în cea mai mare masură de mărimea tunelului și frecvența de operare, în timp ce intensitatea este guvernată de poziția antenei de transmisie.

Factorii fizici, cum ar fi umiditatea, presiunea si temperatura aerului din tunel, precum și materialul pereților tunelurilor au o influență mică asupra propagării semnalului în tuneluri.

Rețeaua fără fir care utilizează propagarea undelor naturale este o soluție mai flexibilă și mai eficientă deoarece este ieftină, ușor de implementat și scalabilă. Cu toate acestea, undele radio nu se propagă bine în tuneluri. Datorită limitării pereților tunelului, caracteristicile de propagare ale semnalelor electromagnetice (EM) sunt foarte diferite de cele ale canalelor terestre fără fir.

Pentru a proiecta o rețea optimă de comunicații fără fir în tuneluri,este necesar un model precis al canalului cu costuri computaționale realiste pentru a anticipa pierderea traseului,precum și întinderea întârzierii semnalului.

În prezent,există în principal trei tehnici de modelare a caracteristicilor canalului de propagare a undelor naturale în tuneluri:modelul geometric optic (modelul GO),modelul Waveguide (modelul ghid de undă) și modelul Full Wave (Modelul undă completă).

Se implementează modelul GO pentru a analiza distribuția câmpului de excitație în plan,adică secțiunea transversală a tunelului care conține antena transmițătoare.

În modelul GO, câmpul undelor electromagnetice în tunel este obținut prin însumarea contribuțiilor razelor care sunt supuse reflexiilor pe pereții tunelurilor și a difracțiilor lângă pereții tunelului. Acest model poate prezice numeric pierderea căii și intârzierea semnalului în orice poziție. Cu toate acestea,modelul GO necesită o cantitate mare de informații pentru a descrie mediul. În plus,pentru tunelurile lungi numărul foarte mare de raze duce la dificultăți numerice, iar convergența poate deveni foarte lungă.

Modelul ghid de undă consideră un tunel ca un ghid de undă supradimensionat,cu pereți infiniți imperfecți.Acest model presupune că există numai cea mai mică propagare a semnalului în tunel.Cu toate acestea,deoarece frecvența de operare (UHF) este mult mai mare decât frecvența de întrerupere în tuneluri, numărul mare de moduri va ieși în aproprierea antenei emițătorului. În consecință, modelul ghid de undă nu poate caracteriza canalul de operare cu mai multe moduri în regiunea apropriată. Ca urmare, nu poate fi utilizat în rețelele cu densitate mare, cum ar fi rețelele de senzori fără fir.

Modelul undă completă, cum ar fi tehnicile de timp diferențial finit (FDTD), modelează complet ecuațiile lui Maxwell.Acest model oferă rezultate foarte precise în geometrii arbitrare.Cu toate acestea,modelul este limitat la rezultatul numeric și,de asemenea,poate crea o povară computațională nerealistă chiar și pentru un tunel de dimensiuni reduse.

4.2.Modelarea naturii tunelului

Secțiunele transversale ale tunelului sunt în general între un dreptunghi și un cerc. Cu toate acestea,distribuția câmpului undelor electromagnetice și atenuarea modurilor în ghidul de undă dreptunghiulară sunt aproape la fel ca și ghidul de undă circular. Prin urmare, în modelul descris,secțiunea transversală a tunelului este tratată ca un dreptunghi echivalent cu o lațime de 2a m și o înalțime de 2b m. Se stabilește un sistem de coordonate cartezian cu originea sa situată în centrul tunelului dreptunghiular., și sunt parametrii electrici complecși ai pereților verticali/orizontali ai tunelului și, respectiv, aerul din tunel,care sunt definiți ca:

, , (2) Unde:

,,-permitivitatea relativă pentru pereți verticali/orizontali și aerul din tunel;

-permitivitatea în spațiul vid;

,,-conductivitatea pereților verticali/orizontali

𝜔-frecvența unghiulară a semnalului;

Se presupune că cele trei zone au aceeași permeabilitate . Numărul undei din spațiul tunelului este dat de:

(3)

Se definește parametrul electric relativ și pentru expresia concisă,care este:

, (4)

Fig.4.1 Setul de imagini în planul de excitație într-un tunel dreptunghiular

4.3.Caracteristicile canalului rețelei wireless în tuneluri

Modelul multimodal este implementat pentru a analiza atenuarea longitudinală și răspândirea întarzierii RMS în tunel în diferite condiții.Valorile implicite sunt stabilite după cum urmează:

Forma secțiunii transversale a tunelului este un dreptunghi cu o înălțime de 6m și o lățime de 10m;

Peretele tunelului,tavanul și podeaua sunt realizate din același material cu parametrul electric ,;

Interiorul tunelului este umplut cu aer normal (,)

Antenele de transmisie și recepție sunt dipoli orizontali polarizați la aceeași înălțime (o treime din înălțimea tunelului)

Ambele antene sunt plasate în aceeași poziție orizontală cu un sfert din lățimea tunelului

a) Puterea semnalului recepționat și modurile de distribuție a puterii la 500 MHz

b) Puterea semnalului recepționat și distribuția puterii între moduri-de la 1,5 GHz

c)Răspândirea întârzierii RMS la 500 MHz și la 1,5 GHz

Fig.4.2 Caracteristicile canalului la diferite frecvențe de funcționare

4.3.1.Frecvența de operare

Figura 4.2 ilustrează efectele frecvenței de funcționare asupra caracteristicilor canalului.În regiunea apropriată,puterea recepționată se atenuează rapid si fluctuează foarte rapid.Acest lucru este atribuit efectului combinat al mai multor moduri.În timp ce în regiunea îndepărtată,scăderea puterii recepționate este graduală.Acest lucru se datorează faptului că modurile de ordine mai ridicate atenuează foarte repede,pe măsură ce distanța crește.Prin urmare,câmpul din regiunea îndepărtată este guvernat de câteva moduri de ordine scăzute rămase.Relația dintre distribuția puterii între moduri și puterea recepționată este prezentată în figura 4.2 (a) și figura 4.2 (b).Deși frecvența de operare nu afectează în mod semnificativ distrubuția de putere a modurilor,ea are o influență evidentă asupra constantelor de propagare.Semnalele cu frecvență mai mare atenuează mai lent.Prin urmare,pe măsură ce frecvența crește,atenuarea semnalului scade și regiunea de fluctuație rapidă este prelungită,așa cum se arată in figura 4.2 (b).

Figura 4.2 (c) atată că răspândirea întârzierilor crește rapid în regiunea foarte apropriată de emițător.Există un punct de întoarcere după care viteza de răspândire a întârzierilor scade foarte mult si creșterea negativă se poate întâmpla pe distanțe lungi.Aceasta se datorează faptului ca răspândirea întârzierii RMS este cauzată de viteza de grup diferită,de mod diferit.În regiunea foarte apropiată,mai multe moduri au putere comparabilă,în timp ce în regiunea îndepărtată modurile de ordine inferioară devin dominante.Deoarece frecvența de operare mai mare are o viteză mai mare a grupului,întârzierea semnalului și raspândirea întarzierilor sunt corespunzator mai mici.

4.3.2.Dimensiunea tunelului

Dimensiunea tunelului are efecte similare asupra caracteristicilor canalului ca și frecvența de operare.În tunelurile cu dimensiuni mai mari,constanta de atenuare este mai mică,iar modul mai mare ramâne semnificativ în regiunea îndepărtată.Prin urmare,regiunea care fluctuează rapid este prelungită în tuneluri mai mari si invers.Pentru antenele polarizate orizontal,lățimea tunelului joacă un rol mai important,deoarece coeficienții de reflexie pe pereții orizontali sunt mai mari decât cei de pe pereții vereticali.Prin urmare,semnalul atenuează mai lent și fluctuează mai mult in tuneluri mai mari si mai largi pentru antena polarizată orizontal.În mod similar,în tunelurile mai mari si mai înalte,puterea tuturor modurilor scade mai lent pentru antena verticală polarizată.

4.3.3.Poziția antenelor și polarizarea acestora

a)Puterea semnalului recepționat și distribuția puterii intre moduri când antena Tx este amplasată în apropierea centrului tunelului

b)Puterea semnalului primită și modurile de distribuție a energiei electrice când antena Tx este amplasată lângă peretele tunelului

c)Puterea semnalului primit de la antena cu polarizări diferite

Fig.4.3 Caracteristicile canalului cu antenă care prezintă poziții si polatrizări diferite

În figura 4.3 (a),se arată cazul în care antena emițătorului este amplasată în apropierea centrului secțiunii transversale a tunelului.Antena receptorului este plasată fie în centru,fie în margine,care este o optime din înălțimea tunelului și o optime din lățime.Se arată că cele mai scăzute moduri sunt efectiv excitate (peste 50% din puterea totală).Dacă receptorul se află și în centru,atât atenuarea semnalului,cât și fluctuația sunt mici.Dacă receptorul este amplasat lângă pereții tunelului,atenuarea și fluctuația sunt mult mai semnificative.

În figura 4.3 (b),arătăm că antena emitățorului este amplasată lângă peretele tunelului (1/8 din lățime si 1/8 din înălțime).Antena receptorului este amplasată,de asemenea,fie în centru,fie la marginea tunelului.În apropierea planului de excitație,modurile de ordine ridicată joacă rolul dominant (peste 80% din puterea totală).În acest caz,poziția antenei receptorului nu afectează semnalul recepționat la fel de mult ca în cazul anterior.Atenuarea și fluctuația puterii recepționate sunt semnificative,indiferent unde este amplasat receptorul.

În figura 4.3 (c) ,se analizează polarizarea diferită a antenei.Pentru a face efectul mai evident,alegem aici un tunel lat (10).Se arată că semnalul excitat de antena polarizată orizontal atenuează mult mai lent decât cel care a ieșit din antena polarizată vertical.

4.4.Analiza pierderilor în tuneluri

Se studiază propagarea semnalului radio în tuneluri de diferite geometrii și dimensiuni.

Pentru a analiza pierderea semnalului de-a lungul tunelurilor de diferite dimensiuni și forme, s-au efectuat numeroase simulări la diferite frecvențe. Rezultatele simulării au fost validate prin măsurători efectuate în două tuneluri diferite. Instrumentul de simulare WinProp a fost aplicat pentru simularea propagării pierderilor de traiectorie în tuneluri subterane datorită, în principal, modului dedicat pentru modelarea arhitecturii tunelului. Această funcționalitate importantă nu este inclusă în niciun instrument de simulare.