Использование радиомодемов УКВ-диапазона на интеллектуальном железнодорожном транспорте

Общие сведения

Обеспечение безопасности движения поездов требует создания альтернативных каналов поездной радиосвязи для организации высоконадежной структуры управления на ж/д транспорте. Наличие радиоканала обмена данными с подвижными единицами (локомотивами) обеспечивает широкие возможности в разработке систем управления интеллектуальным ж/д транспортом [1].

В настоящее время в ОАО РЖД для управления соединенными и тяжеловесными поездами, для станционных систем передачи данных на малодеятельных участках и в качестве резервирующих используются радиоканалы в диапазоне 160 МГц. Работа этих каналов обеспечивается так называемыми прозрачными радиомодемами ВЭБР, Мост и Dataradio T-96SR, позволяющими работать на максимальных скоростях 4800, 9600 и 19200 бит/с соответственно (прозрачный радиомодемустройство, выполняющее побитную передачу цифровых данных без их промежуточного преобразования, в том виде, в котором они поступают на порт ввода/вывода). На промышленном ж/д транспорте Российской Федерации и за рубежом за последние несколько десятков лет с задействованием радиомодемов хорошо отработаны следующие функциональные задачи:

• мониторинг состояния тормозной системы ж/д состава и контроль отрыва вагона;
• управление объектами электроснабжения ж/д транспорта;
• мониторинг окружающей среды и обеспечение безопасности;
• обеспечение функционирования средств ж/д автоматики и телемеханики (ЖАТ);
• дистанционное управление маневровыми работами на станциях;
• интервальное регулирование движения и диспетчерское управление на станциях и перегонах.

Опыт эксплуатации и оперативно-технические возможности технологических радиосетей обмена данными, функционирующих с использованием узкополосных радиомодемов, позволяют рассматривать их в качестве основы для решения вновь возникающих задач, связанных с обеспечением работы перспективных систем и комплексов, предназначенных для организации и обеспечения безопасности движения, а также диспетчерского управления на ж/д транспорте. Преимущества вышеуказанного диапазона радиоволн для надежной передачи данных на большие расстояния общеизвестны [2], поэтому представляется вполне логичным использовать его в интересах существующих и проектируемых автоматизированных систем управления и сбора данных различного назначения.

Радиомодемы для системы АБЦТ-М

Одной из перспективных областей применения радиомодемов УКВ-диапазона является система АБЦТ-М (автоматическая блокировка с использованием тональных рельсовых цепей, с централизованным размещением аппаратуры, микропроцессорная) [3]. В качестве основного варианта реализации обмена данными между стационарными пунктами управления и подвижным составом разработчиками предлагается создание автономной радиосети для каждого перегона с разделением в пространстве, во времени и по радиочастоте перегонов индивидуально или в составе диспетчерского участка. Считается, что общий объем передаваемой информации в направлении пункт управления-локомотив в пределах каждого перегона диспетчерского участка может составлять до 240 байт, а в направлении локомотив-пункт управления 400 байт (20 байт с каждого поезда, находящегося на каждом перегоне диспетчерского участка, при числе поездов не более 20). Границы перегонов должны определяться по данным приемника спутниковой навигации.

Предложенная в [3] схема организации связи предусматривает работу радиомодемов на базовых станциях (БС) и локомотивах с непрерывным циклом три секунды. Для обеспечения надежности доведения информации БС должны дублировать передаваемые на борт локомотивов данные. Первая секунда выделяется для передачи на борт локомотивов сообщения длиной 240 байт одной БС и повторения его другой. То есть в течение секунды двумя БС должно быть передано в общей сложности не менее 4800 бит (480 байт, где 1 байт = 8 бит информации + 2 служебных старт-стопных бита). Общеизвестно, что при работе радиомодема не все выделенное для работы время используется на передачу информации. Значительная его часть затрачивается на выполнение служебных процедур, включая установление связи (включение и выключение радиомодема, набор необходимой выходной мощности для начала передачи и ее сброс после завершения). И чем больше выходная мощность, тем больше эти временные затраты. Например, в современных специализированных телеметрических радиомодемах время атаки передатчика может составлять до 10 мс, а в обычных радиостанциях десятки и даже сотни миллисекунд. Освобождение радиоканала потребует вдвое меньше времени. В связи с этим в рассматриваемом выше варианте двум БС не хватит выделенной для передачи одной секунды для трансляции и дублирования сообщения в направлении пункт управления-локомотив со скоростью 4800 бит/с. Скорость обмена данными в радиосети, обслуживающей работу АБЦТ-М, должна быть выше обеспечиваемой радиомодемом ВЭБР.

При создании систем обмена данными с жесткой синхронизацией, кроме времени, необходимого для выполнения процедур связи, необходимо учитывать нестабильность (допуски) заявленных технических параметров работы для индивидуальных устройств. В лучших образцах радиомодемов время атаки отдельных устройств одинаковой модели может отличаться на ±10%. Таким образом, при расчете радиосети необходимо устанавливать между сеансами связи так называемый защитный интервал. Обычно он составляет не менее 20% заявленного в технических характеристиках устройства времени установления связи.

Выполнение расчетов, аналогичных приведенным выше, с учетом реальных временных затрат для передачи данных в направлении локомотив-пункт управления дает следующий результат. Общее время для передачи данных от 20 локомотивов (максимально допустимое в АБТЦ-М количество) составляет 2000 мс, т. е. каждому локомотиву выделяется для трансляции сообщения не более 100 мс. С учетом заявленных в [3] ограничений 90 мс. Минимальное общее время передачи одного сообщения на скорости 9600 бит/с для радиомодема Мост составит 57 мс (установление связи 22 мс; передача данных 20 мс; освобождение канала 11 мс; защитный интервал 4 мс).

Указанного времени радиомодем Мост не хватает для того, чтобы произвести повторную передачу сообщения в направлении локомотив-пункт управления в случае сбоя при доставке первого сообщения, что снижает надежность системы в целом.

Минимальное общее время передачи одного сообщения при работе на скорости 9600 бит/c через радиомодем Dataradio T-96SR (в настоящее время радиомодем T-96SR снят с производства. На его замену выпускается полностью совместимый с ним радиомодем Guardian, технические характеристики которого представлены в настоящей статье) составляет 33 мс (установление связи 7 мс; передача данных 20 мс; освобождение канала 4 мс; защитный интервал 2 мс), у поступившего ему на замену радиомодема Guardian 23 мс (установление связи 1 мс; передача данных 20 мс; освобождение канала 1 мс; защитный интервал 1 мс), что представляется вполне достаточным и обеспечивает адекватный резерв для дальнейшего развития системы с учетом имеющейся возможности наращивания скорости обмена данными без замены и модернизации технических средств.

Разработчики АБЦТ-М планируют повысить надежность системы за счет использования помехоустойчивого кодирования с применением кодов Рида Соломона или Рида Маллера. Такое решение потребует увеличения размера транслируемого с борта локомотива сообщения не менее чем на 50% и полностью исключит возможность повторной трансляции для рассматриваемых в [3] радиомодемов, существенно ограничив возможности по повышению надежности доставки данных за счет дублирования сообщения.

В настоящее время радиомодем Мост позволяет работать в помехоустойчивом режиме, но этом случае обеспечивается передача пакетами данных длиной 6-15 байт. Время от начала загрузки пакета передаваемой информации длиной 8 байт до окончания выдачи пакета информации на приемной стороне составляет до 115 мс (радиостанция 1Р22СВ-2 Мост), что не удовлетворяет требованиям АБЦТ-М.

Сравнительные технические характеристики прозрачных радиомодемов УКВ-диапазона, работающих на скоростях выше 4800 бит/с, приведены в таблице 1.

Обеспечить дублирование при передаче данных в направлении локомотив-пункт управления с использованием помехоустойчивого кодирования в предлагаемой в [3] схеме организации обмена данными можно в случае кардинального увеличения пропускной способности аппаратуры радиосети за счет повышения скорости обмена данными и сокращения времени выполнения служебных процедур связи.

Использование радиомодемов в интересах АСУ интеллектуального ж/д транспорта

В качестве одного из возможных вариантов для обслуживания работы АБЦТ-М и ряда других АСУ, разворачиваемых в рамках создания интеллектуального ж/д транспорта, целесообразно рассмотреть радиотехническую платформу Viper-SC, хорошо зарекомендовавшую себя в ряде проектов, реализованных в Российской Федерации, государствах СНГ и в мире.

В настоящее время вышеуказанная радиотехническая платформа включает в себя следующее оборудование:

• симплексный/полудуплексный радиомодем-маршрутизатор Viper-SC+;
• симплексный/полудуплексный радиомодем-маршрутизатор Viper-SC+ с двумя антеннами, обеспечивающими разнесенный прием радиосигналов;
• симплексная, полудуплексная или дуплексная БС Viper-SC+;
• симплексная, полудуплексная или дуплексная БС Viper-SC+ повышенной надежности и живучести.

Технические характеристики оборудования радиотехнической платформы Viper-SC+ представлены в таблице 2.

Примечание: * — указана скорость обмена данными при работе с шагом сетки радиочастот 50 кГц; ** — указана скорость обмена данными при работе с шагом сетки радиочастот 100 кГц

Радиомодем-маршрутизатор Viper-SC+ представляет собой устройство нового поколения класса SDR (Software defined radio), обеспечивающее обмен данными в стационарной технологической радиосети по IP-протоколу на скоростях 4,8-256 кбит/с в канале с шагом сетки радиочастот 6,25, 12,5, 25, 50 или 100 кГц. Повышение пропускной способности радиосети обеспечивается применением улучшенной версии протокола с технологией исключения столкновений пакетов FAMA (Floor Acquisition Multiple Access), а также использованием алгоритма уплотнения данных, обеспечивающего эффективное сжатие (максимальная пропорция 1:10). Настройка радиомодема производится через веб-интерфейс.

Увеличение скорости обмена данными связано с необходимостью улучшения параметров принимаемого сигнала (соотношения сигнал/шум). Поскольку возможности по увеличению выходной мощности передаваемого сигнала ограниченны и не всегда эффективны, в составе радиотехнической платформы Viper-SC+ имеется модель радиомодема с двумя антеннами, обеспечивающая разнесенный прием одновременный прием радиосигналов на каждую из подключенных к радиомодему антенн. Реализованная в радиомодеме технология интеллектуального объединения сигналов позволяет применять различные алгоритмы обработки в зависимости от относительной мощности и тренда (тенденции изменения) параллельно принятых сигналов. Например, если более мощный сигнал имеет тенденцию к снижению, предпочтение отдается более слабому сигналу, который все же можно использовать.

Данные об эффективности описанной выше технологии представлены в таблице 3. Они демонстрируют преимущества рассматриваемой технологии при сравнении с работой аналогичной радиоприемной системы, использующей одну антенну, в различных условиях приема. Сравнение производилось для условий успешного приема 99% сообщений длиной 800 бит каждое.

Анализ приведенных в таблице 3 данных показывает, что реализованная в радиомодеме Viper-SC+ технология разнесенного приема позволяет улучшить параметры принимаемого сигнала практически на 10 дБ, что соответствует увеличению мощности передатчика БС в аналогичной по своим характеристикам радиосистеме в 10 раз. Это обеспечивает расширение зоны уверенного приема радиосигнала без использования дополнительных БС. В случае когда необходимость расширения зоны электромагнитной доступности отсутствует, рассматриваемая технология обеспечивает увеличение процента корректно принимаемых с первой попытки сообщений. Сокращение количества повторно передаваемых сообщений приводит к существенному росту пропускной способности и сокращению времени реакции системы.

Применение модели радиомодема Viper-SC+ с двумя антеннами позволяет существенно повысить надежность работы и дальность уверенного приема сигнала в стационарных радиосетях.

Базовая станция Viper-SC+ имеет встроенную функцию автоматической подстройки скорости обмена данными в радиосети в зависимости от уровня принимаемого сигнала. В территориально распределенных радиосетях БС обеспечит более высокую скорость обмена данными с объектами, находящимися относительно близко, и надежную работу на более низкой скорости с объектами, находящимися на максимальном удалении.

В варианте исполнения с повышенной надежностью и живучестью все составляющие БС компоненты резервируются, а примененная схема управления предусматривает автоматический переход на резервные компоненты в случае выхода из строя основных, обеспечивая тем самым непрерывность работы в аварийных ситуациях.

Радиомодем-маршрутизатор Viper-SC+ может быть настроен для работы в качестве маршрутизатора или моста по протоколу Ethernet IEEE 802.3 (поддерживаются IP-протоколы ICMP, IGMP, TCP, UDP, IPSec, SNTP) в качестве DHCP-клиента или сервера. Обеспечивается IP-фрагментация (IP-fragmentation), трансляция сетевых адресов (Network Address Translation, NAT), динамическая маршрутизация RIPv2, использование протокола определения адресов (Address Resolution Protocol, ARP).

В отличие от прозрачных радиомодемов, транслирующих данные в эфир без изменений, Viper-SC+ производит их предварительное пакетирование, после чего передает в радиосеть в адрес индивидуального, группы абонентов или циркулярно. При этом обеспечиваются:

• автоматическое определение основного и резервного маршрутов доставки сообщений;
• поддержка разнесенного приема на две антенны (приемо-передающая и приемная);
• режимы ручной и автоматической настройки;
• работа в симплексном режиме;
• использование в качестве маршрутизатора или моста;
• работа в качестве ретранслятора (прием-регистрация-передача);
• поддержка множественной ретрансляции (не менее четырех ретрансляций);
• поддержка ретрансляции по основному и резервному каналам;
• улучшенная пропускная способность;
• конфигурирование с использованием веб-интерфейса и удаленная загрузка встроенного программного обеспечения по радио­каналу;
• автоматическая оптимизация скорости обмена данными в случае использования в радиосети с БС Viper-SC+.

Оборудование Viper-SC+ имеет встроенную диагностику и позволяет организовать автоматический сбор данных о текущем техническом состоянии в реальном масштабе времени. Диагностическая информация передается с каждым отправляемым сообщением. Для ее получения не требуется отдельного запроса, поскольку данные поступают в режиме OOB (out-of-band), не загружая радиоканал, и могут сниматься с настроечного порта БС по протоколу Telnet, не мешая работе системы управления и сбора данных, либо транслироваться вместе с другой информацией с использованием IP-протокола. Эти данные включают в себя следующую информацию:

• температура внутри корпуса;
• напряжение питания;
• сигналы RSSI;
• мощность прямой волны;
• мощность обратной волны;
• количество сбоев (Packet Error Rate, PER).

Этих данных вполне достаточно для оценки текущего состояния радиосети средствами Единой системы мониторинга и администрирования технологической сети связи ОАО РЖД ЕСМА.

Таким образом, радиотехническая платформа Viper-SC+ позволяет эффективно решать функциональные задачи в интересах интеллектуального ж/д транспорта в специализированных автономных радиосетях для каждого перегона с разделением в пространстве, во времени и по радиочастоте перегонов индивидуально или в составе диспетчерского участка, как это предусмотрено в системе АБЦТ-М. Однако она не располагает всеми возможностями, необходимыми для обеспечения функционирования современных распределенных автоматизированных систем на транспорте, и некоторыми важными атрибутами подвижной технологической радиосети обмена данными.

Перспективная подвижная радиосеть интеллектуального ж/д транспорта

Главным стратегическим направлением развития системы связи ОАО РЖД является передача служебной информации с целью реализации интервального регулирования движения поездов и обеспечения перехода к интеллектуальному ж/д транспорту. Движение в этом направлении связано с увеличением объема данных, циркулирующих в технологических радиосетях между стационарными пунктами управления, локомотивами и устройствами ЖАТ. Такая радиосеть должна гарантированно обеспечить своевременное доведение данных до всех заинтересованных пользователей на всей дорожной сети и в любой штатной ситуации (ситуации со сбоями в работе и выходом из строя комплектов оборудования в такой радиосети должны отрабатываться как штатные, не приводящие к срыву работы АСУ).

В связи с этим формирование архитектуры радиосети для каждого перегона с ограничением объемов передаваемых данных и строгим расписанием трансляции представляется нецелесообразным: любой пользователь системы должен иметь возможность передачи требуемого в данный момент объема информации с гарантированным ее доведением в установленные сроки в любое время. Естественно, что пропускная способность такой радиосети определяется на этапе проектирования исходя из имеющихся максимальных потребностей, но архитектура радиосети должна предусматривать возможность гибкого ее наращивания без замены ранее развернутых комплектов оборудования и изменения базовых первоначальных настроек.

Такие возможности в полной мере обеспечиваются специализированной радиотехнической платформой Paragon/Gemini, включающей в себя оборудование для БС, в том числе многочастотных и с повышенной надежностью и живучестью Paragon, и подвижных объектов Gemini.

Оборудование данной радиотехнической платформы разработано специально для создания распределенных подвижных радиосетей обмена данными с практически неограниченным количеством БС, работающих с использованием IP-протокола и формирующих единую зону электромагнитной доступности (ЭМД) для всех пользователей, которые могут свободно перемещаться в данной зоне без перерывов в связи. Оно позволяет организовать хэндовер (автоматическую передачу сеанса связи подвижного абонента от одной БС к другой без нарушения и потери обслуживания) между соседними БС с автоматическим распределением нагрузки между БС в общих зонах ЭМД. Надежность доставки данных обеспечивается встроенной функцией коррекции ошибок при передаче.

Базовый радиотехнический комплекс Paragon представляет собой приемопередающее устройство c открытой архитектурой, предназначенное для организации радиосети обмена данными с удаленными бортовыми радиомодемами Gemini. Он имеет в своем составе мощный приемопередатчик, радиомодем нового поколения на цифровом сигнальном процессоре с двумя адресуемыми последовательными портами RS-232, встроенным двухпортовым маршрутизатором Ethernet и портом USB, а также блок питания. Обеспечивает обмен данными в пакетном режиме с поддержкой протокола TCP/IP.

Технические характеристики радиомодема ParagonG4 представлены в таблице 4.

Бортовой навигационно-связной комплекс Gemini представляет собой радиотехническое устройство нового поколения, объединяющее в себе 32-канальную радиостанцию с малым временем атаки, радиомодем на базе мощного цифрового сигнального процессора, спутниковый навигационный приемник, два последовательных порта RS-232, сконфигурированных для терминального сервера, порт 10/100Base-T Ethernet с встроенным маршрутизатором и порт USB, размещенные в едином корпусе. Работа обеспечивается через БС ParagonG4 с использованием двух антенн (разнесенный прием) и технологии параллельного декодирования и интеллектуального объединения принимаемых сигналов. Аппаратура радиотехнической платформы Paragon/Gemini позволяет существенно расширить функциональные возможности подвижных технологических радиосетей, обеспечив, наряду с оперативным обменом и трансляцией докладов о местоположении, передачу графической информации, файлов большого объема и видеоданных.

Технические характеристики радиомодема GeminiG3 представлены в таблице 5.

Работа в радиосети на оборудовании радиотехнической платформы Paragon/Gemini организуется по протоколам UDP или TCP/IP с автоматическим сжатием пакетов данных. Применение сигнализации OOB для передачи навигационной информации и данных о техническом состоянии позволяет существенно увеличить количество работающих на одном радиоканале подвижных объектов за счет автоматической передачи навигационной и диагностической информации при каждом сеансе связи. В аппаратуре реализована функция встроенной диагностики, которая позволяет получать информацию о техническом состоянии оборудования в реальном масштабе времени.

Типовая структура технологической радиосети обмена данными на ж/д транспорте включает в себя сеть БС, устанавливаемых вдоль ж/д пути и соединенных каналами магистральной проводной или беспроводной связи с пунктами сбора данных и управления. Каждая БС обеспечивает связь с группой поездов, находящихся в ее оперативной зоне. Зоны соседних БС полностью перекрывают друг друга, в результате чего формируется единая оперативная зона с повышенной надежностью и живучестью, работу в которой обеспечивает не менее двух БС, каждая из которых может быть в отказоустойчивом исполнении. Переключение поездов на работу с соседней станцией осуществляется автоматически с учетом текущей загруженности соседних БС и уровней сигнала. Таким образом, отпадает необходимость в жестком определении точки выполнения хэндовера и привязке ее к границам перегона. Учитывая, что рассматриваемое оборудование для конвенциональных радиосетей обмена данными использует открытый протокол TCP/IP, наращивание комплектов оборудования и создание многоканальных БС в составе радиосети, равно как сопряжение с любой современной автоматизированной системой управления, не представляет трудностей.

Типовая схема конвенциональной радиосети обмена данными на ж/д транспорте представлена на рисунке.

Рисунок. Типовая схема конвенциональной радиосети обмена данными на ж/д транспорте с использованием оборудования ParagonG4/GeminiG3

Данная схема в полной мере удовлетворяет требованиям, установленным в Белой Книге ОАО РЖД и направленным на создание единого информационного пространства, интегрированного с информационными системами других видов транспорта и промышленности, а также иностранных железных дорог.

Таким образом, выпускаемые в настоящее время узкополосные радиомодемы УКВ-диапазона могут эффективно использоваться для создания радиосетей удаленного сбора данных и управления в интересах создания перспективных АСУ для интеллектуального ж/д транспорта.